Теоретические подходы к анализу самоорганизации квантово-размерных структур

Качественный прорыв в области наноэлектроники связан с использованием эффектов самоорганизации в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Теоретический анализ самоорганизации квантово-размерных структур основан на трех вариантах формирования поверхностных структур.

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизо- вываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства.

При ионном синтезе дисилицида кобальта (CoSi2) удалось формировать квантово-размерные структуры – квантовые точки и квантовые проволоки [1].

«Самоорганизация» наноструктур понимается в широком смысле, как самопроизвольное возникновение макроскопического порядка в первоначально однородной системе. Среди спонтанно–упорядоченных наноструктур, можно выделить четыре большие класса, представленных на графике 1, приведенном ниже. Это:

  • структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников;
  • периодически фасетированные поверхности;
  • периодические структуры плоских доменов (например, островков монослойной высоты);
  • упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах.

Хотя причина неустойчивости однородного состояния различна для каждого класса наноструктур, причина упорядочения в неоднородном состоянии общая для всех классов наноструктур. Во всех этих системах соседние домены различаются постоянной кристаллической решетки и (или) структурой поверхности, и, следовательно, доменные границы являются источниками дальнодействующих полей упругих напряжений.

Это позволяет использовать единый подход ко всем четырем классам упорядоченных наноструктур и рассматривать их как равновесные структуры упругих доменов, соответствующие минимуму свободной энергии.

До недавнего времени доменные структуры, приведенные на рис.1 (ав), традиционно рассматривались вне связи с полупроводниковыми наноструктурами.

84

Качественный прорыв в данной области связан с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитакси- альных полупроводниковых системах. Таким образом, были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам (~ 10 %). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, исследован электронный спектр квантовых точек, и получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, гетеролазеры на квантовых точках.

Самоорганизация – это процесс, приводящий к определенному упорядоченному расположению взаимодействующих атомов в твердом теле, соответствующему минимуму потенциальной энергии данной атомной системы.

Спонтанная самоорганизация в объеме и на поверхности твердого тела является эффективным нанотехнологическим средством создания квантовых шнуров и квантовых точек. Из числа таких процессов наиболее значимым и часто используемым является процесс спонтанной кристаллизации. Кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное, поэтому любая аморфная фаза имеет тенденцию к кристаллизации.

Одним из типов самоупорядочения является образование полупроводниковых островков при гетероэпитаксии. Он заключается в осаждении одного материала, образующего островок на подложке, состоящего из другого материала с близкой структурой и значениями параметров решетки. При этом возможны три варианта формирования поверхностных структур. Это – послойный (двухмерный) рост сплошной пленки в режиме, называемой модой Франка-Ван-дер-Мерве, образование и рост островков (трехмерный рост) – мода Волмера-Вебера) и комбинированный режим – мода Странского-Крастанова, когда пленка сначала растет послойно, а затем трансформируется в островковую структуру. Режим (мода) формирования поверхностных структур определяется рассогласованием параметров решеток подложки

85 и наносимого материала, а также соотношением между поверхностной энергией границы раздела этих материалов.

  1. Механизм Франка-Ван дер Мерее.

Осаждаемый материал смачивает подложку, постоянные решеток практически совпадают. Происходит послойный двухмерный рост (рисунок 2 а).

  1. Механизм Фольмера-Вебера.

Осаждаемый материиал не смачивает подложку (это материалы, различные по свойствам, или с большим различием постоянных решеток). Происходит островковый (трехмерный) рост. Материал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки А (рисунок 2 б).

  1. Механизм Странского-Крастанова ( рисунок 1 в)

Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток (порядка нескольких процентов). Именно этот механизм роста используется для получения массивов квантовых точек, например квантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласование решеток 7%) или квантовых точек германия в кремниевой матрице (рассогласование 4%)

На начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя, а затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой подложке.

Каждая вертикальная атомная плоскость подложки продолжается в объеме островка, но из-за различия постоянных решетки материалов А и В островок становится напряженным (используется термин «когерентно напряженный»).

Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется слой InAs. Этот слой из-за различия решеток - напряженный (ячейки как бы стремятся выгнуться). По мере увеличения толщины слоя упругая энергия растет, связи между атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала и образуются трехмерные островки (рисунок 2в). Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование трехмерных островков начинается после осаждения (1,6-1,7) слоев InAs.

После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые точки InAs (узкозонный полупроводник) в матрице GaAs (широкозонный).

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Р// Кремний –материал наноэлектроники. М.:Техносфера, 2007.
Год: 2015
Город: Костанай