Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков

Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков образуются при выращивании гетероэпитаксиальных структур в режиме роста Странского—Крастанова при не очень большом объеме островка (~10⁶ атомов). Рост структуры на поверхности подложки начинается с образования тонкого однородного, когерентного с подложкой слоя, который называют смачивающим слоем, т. е. в этом случае структура слоя определяется подложкой и, поскольку постоянные решеток материалов пленки и подложки различаются, пленка находится в напряженном состоянии. Дислокации несоответствия при этом не образуются, что и отмечено термином «когерентный». Смачивающий слой, который образуется в режиме роста Странского—Крастанова, имеет микроскопическую толщину, и его поверхность отличается от поверхности объемного кристалла, состоящего из осаждаемого вещества. Если количество осажденного материала, соответствующее Q монослоям, превышает критическую толщину смачивающего слоя Q c, то избыточное количество осаждаемого материала (Q-Q_c) монослоев формирует островки. В местах образования 3D-островков смачивающий слой исчезает и часть материала, который располагался бы в сплошном слое, переходит в объем островка. Формирование трехмерных островков приводит к уменьшению упругой энергии и энергетически более выгодно, чем образование однородной, сравнительно толстой пленки или островка с дислокациями. Поскольку дислокации несоответствия отсутствуют, то каждая атомная плоскость подложки имеет свое продолжение в объеме островка – это также отмечено термином «когерентный», но из-за различия постоянных решетки материалов подложки и островка возникают механические напряжения и островок становится напряженным. Эксперименты показали, что когерентно-напряженные островки имеют примерно одинаковые размеры с очень малым разбросом по размерам. В системе InAs на подложках из GaAs(001) оптимальный размер островка составляет ~140 Å. Малый разброс по размерам островка наблюдался также в других гетеро-эпитаксиальных системах: InAs-InP(001), AlInAs-GaAlAs(001), GeSi-Si(001), CdSe-ZnSe(001), InAs-InAlAs(001), InAs-InGaAs(001), InAs-Si(001).

В режиме роста Странского—Крастанова могут образовываться когерентные островки (КО) или островки с дислокациями на границе с подложкой (ДО). Какой тип островков будет образовываться в каждом конкретном случае определяется отношением энергии боковых поверхностей граней островка ∆Е_пов (эта величина всегда положительна) и энергией границы раздела при образовании дислокаций несоответствия . На рисунке 3.6 представлены различные виды роста островков в режиме Странского—Крастанова.

Рис. 3.6 Релаксация упругих напряжений в процессе роста в режиме Странского—Крастанова. Линии обозначают плоскости решетки. ОП — однородная пленка; ДО — дислокационный островок; КО — когерентный островок.

На рисунке 3.7 показана фазовая диаграмма, соответствующая разным режимам роста. На фазовой диаграмме осями являются и Q — количество монослоев осажденного материала. Как видно из рисунка, если ∆Е_пов велика или энергия границы раздела с образованием дислокаций относительно мала, тогда Λ оказывается меньше Λ₀ и образование когерентно-напряженного островка невыгодно. В этом случае при увеличении количества осажденного материала происходит переход от однородной напряженной пленки (ОП) к островку с дислокациями на границе и когерентно-напряженные островки не образуются. Если ∆Е_пов мала или энергия границы раздела с образованием дислокаций относительно велика, тогда Λ больше Λ₀ и при увеличении количества осажденного материала происходит переход от однородной пленки к пленке с когерентными островками. Дальнейшее осаждение материала может привести к образованию дислокаций.

Рис. 3.7 Фазовая диаграмма, показывающая возможные типы структур. Q — количество осажденного материала; Λ — отношение энергий границы раздела с дислокациями и дополнительной поверхностной энергии.

Наиболее изученной в экспериментальном отношении является система трехмерных островков InAs-GaAs(001). Когерентно-напряженные островки InAs на подложке GaAs получены методами МЛЭ и газофазной эпитаксии из МОС. Исследование морфологии системы, полученной методом МЛЭ, показало следующее. Когда средняя толщина осажденного InAs достигает 1.6–1.7 монослоя (МС), то происходит образование трехмерных островков InAs. Эта толщина является критической для начала образования трехмерных островков. Осаждение 2 МС InAs приводит к образованию островков малого размера, в основном не проявляющих четкой кристаллографической огранки и обладающих большим разбросом по размерам. Увеличение толщины осажденного InAs до 4 МС приводит к образованию плотного массива островков, имеющих квадратное основание со сторонами, ориентированными по осям [100] и [010]. Средние размеры точек составляют ~140 Å и являются равновесными размерами островка. Высота островка составляет ~60 Å. Исследования методом просвечивающей электронной спектроскопии высокого разрешения показало, что островки InAs имеют форму пирамиды с наклонными гранями (010) и острыми ребрами между гранями. Статистическое исследование взаимного расположения островков показало преимущественное направление между ближайшими соседями вдоль осей [100] и [010].

Аналогичным образом растут островки в системе S_1-x Ge_xSi(100). В этом случае толщина смачивающего слоя составляет 4—5 МС германия. Затем, при увеличении количества осажденного германия, образуются ограненные пирамидки (hut-островки), которые при дальнейшем росте превращаются в куполообразные островки (dome-островки). Dome-островки достигают предельного размера при осаждении германия в количестве 11 МС. Доля кремния в островках доходит до 50 % в результате диффузии Si из подложки в процессе роста. Средняя предельная высота составляет 20 нм. Поверхностная плотность островков порядка 3·10⁹ см^-2

Для целей практического использования в лазерных структурах изготавливают многослойные массивы квантовых точек. Для этого слой трехмерных когерентно-напряженных островков, состоящих из материала 2 на подложке из материала 1, заращивают сверху слоем материала 1. Заращенные островки представляют собой когерентные упругие включения, которые создают дальнодействующие поля упругих напряжений во всей заращенной гетерофазной системе. При повторном осаждении материала 2 на заращенную гетероструктуру возникает принципиально новый режим роста: рост в поле упругих напряжений, созданных заращенными точками первого слоя. Поскольку диффузией в объеме можно пренебречь по сравнению с поверхностной, так как коэффициенты объемной диффузии атомов основных компонентов в материалах A^IIIB^V при характерных температурах роста на несколько порядков меньше коэффициентов поверхностной диффузии, то заращенные островки создают статическое поле упругих напряжений. Упругая деформация возрастает с ростом объема островка и рассогласования постоянных решеток между материалами островка и матрицы. Какой характер имеет деформация — растяжение или сжатие, зависит от того, какой параметр решетки больше: у материала островка или матрицы. Если материал островка имеет больший параметр решетки, чем у матрицы (как в случае систем InAs-GaAs и Ge-Si), то деформация поверхностного слоя матрицы имеет характер растяжения. В этом поле упругих напряжений и происходит поверхностная миграция адсорбированных атомов. Модулированное поле деформаций на поверхности приводит к модуляции химического потенциала поверхностных адсорбированных атомов, что в свою очередь приводит к их миграции в виде диффузии и дрейфа. Этот дрейф является движущей силой кинетической самоорганизации в таком сложном режиме роста.

Для островка InAs в матрице GaAs положение на поверхности непосредственно над островком соответствует максимальному растяжению. Поскольку атомы In имеют больший радиус, чем атомы Ga, то In притягивается к области поверхности с максимальной деформацией растяжения, т. е. к положениям на поверхности матрицы прямо над заращенным островком. Экспериментальные данные и теоретические модели показывают, что латеральное упорядочение (вдоль поверхности) в последующих слоях проявляется даже лучше, чем упорядочение первого слоя.

Многослойные массивы трехмерных когерентно-напряженных островков образуют новый класс спонтанно упорядоченных наноструктур, в которых упорядочение происходит как в направлениях плоскости подложки, так и в вертикальном направлении. Для применения в оптоэлектронике и управления электронными свойствами массивов квантовых точек изготавливают массивы вертикально связанных квантовых точек. С этой целью заращивающий слой GaAs осаждают таким образом, чтобы пирамида InAs была закрыта только частично, и затем снова осаждают InAs. Так производят несколько циклов осаждения InAs-GaAs. Тогда точки InAs, вырастающие над точками нижнего слоя, оказываются электронно-связанными с точками нижнего слоя.

Дата добавления: 2014-01-11