Эпитаксиальный рост Ge на поверхности Si(100) (стр. 3 из 7)
С ростом средней толщины пленки в дополнение к граням {105} картины ДБЭ показывают появление граней {113} и {102}. Эта стадия роста характеризуется как формирование "dome" - кластеров, рис.4. Переход от "hut" - кластеров размером в основании 15 - 20 нм к "dome" - кластерам (средние размеры 50 - 100 нм) сопровождается увеличением степени релаксации механических напряжений. По данным Floro et al. материал в кластерах типа "hut" упруго релаксирован в среднем на 20%, тогда как в островках типа "dome" из-за большего отношения высоты к основанию релаксация составляет более чем 50%, при этом островки остаются по-прежнему когерентно сопряженными с подложкой.
Рисунок 4. Изображение "Dome" островка с веденными дислокациями несоответствия[].
Как показывают многочисленные экспериментальные наблюдения, последней стадией развития морфологии и структуры островков GexSi1-x на Si (001) и (111) является образование трехмерных пластически - деформированных островков с ДН в границе раздела с подложкой, сопровождающееся быстрым увеличением их размеров (см. например, [, ]).
Эффекты самоорганизации
Процесс самоорганизации вызывает появление в системе островков предпочтительных значений их характеристик: размеров, формы, расстояний между островками и их взаимного расположения. Это является результатом минимизации суммарной свободной энергии системы. Наличие избранных характеристик должно проявляться в спектрах рассеяния и дифракции электронов и рентгеновских лучей при взаимодействии с поверхностью, содержащей наноструктуры, а также в электронных и оптических спектрах.
Распределению островков Ge по размерам в литературе уделяется большое внимание, т. к. этот параметр системы квантовых точек чрезвычайно важен для практических применений.
Основной механизм, ведущий к выравниванию размеров островков, заключается в том, что большие островки напряжены у основания сильнее, поэтому атомам германия выгодней встроиться в меньший островок, где упругие напряжения меньше. Поэтому рост упругой деформации в подложке и в основании кластера с увеличением размера последнего уменьшает скорость его роста [8]. Это приводит к заметному сужению распределения островков по размерам.
В работе [] наблюдали уменьшение разброса размеров островков, от 39 до 25%, при увеличении температуры роста (450-5500С), независимо от потока (1.5-4 МС./мин.).
Наиболее однородное распределение Ge островков по размерам представлено в работе [] (разброс по высотам и ширине оснований островков составил 3%). Столь узкое распределение, по утверждению авторов, получено благодаря тщательному подбору условий роста (выбор температуры, скорости роста и периодическая остановка роста для того чтобы адатомы, за счет диффузии по поверхности, успели встроиться в "нужные" места).
Среди других возможных путей улучшения однородности размеров островков можно выделить следующие: (а) - использование отклоненных подложек[]; (б) - специального метода организации одновременного синхронного зарождения кластеров []. Обоснованию этих путей могут служить следующие известные факты и рассуждения: островки зарождаются предпочтительно на несовершенствах 2D слоя Ge, следовательно, предварительное создание мест, предпочтительных для зарождения кластеров, может явиться полезным приемом для улучшения упорядочения последних.
Ширина распределения островков по размерам зависит от скорости роста. Распределение становится уже с увеличением скорости. Такое поведение подтверждает важность одномоментного гетерогенного зарождения. С увеличением скорости роста повышается вероятность зарождения островков в самом начале процесса и вследствие этого островки растут равные времена и имеют близкие размеры. Дальнейшее увеличение скорости роста приводит к тому, что пересыщение адатомов на поверхности становится настолько большим, что новые островки зарождаются непрерывно. Вследствие этого момент зарождения вновь "размазывается" во времени, и распределение островков по размерам становится шире.
Обеспечить почти одномоментное зарождение островков на всей поверхности подложки можно, создав в первый момент роста значительное пересыщение адатомов германия. Этого можно добиться, например, кратковременным увеличением плотности молекулярного пучка или кратковременным снижением температуры подложки. Эффект синхронизирующего воздействия периодических кратковременных изменений поверхностного пересыщения на двумерное зародышеобразование был обнаружен еще при гомоэпитаксии кремния и германия. На основе этого эффекта был обоснован и реализован метод МЛЭ с синхронизацией зародышеобразования [23]. Позже был предложен и теоретически обоснован оптимизированный метод синтеза таких квантоворазмерных структур, как вертикальные сверхрешетки, наносистемы из квантовых нитей или точек и т.п. при циклическом изменении пересыщения во время выращивания каждого атомного слоя пленки [].
Упорядочение по площади - наиболее слабая форма упорядочения, что связано со слабостью взаимодействия островков на начальном этапе их формирования. Поэтому предварительное создание упорядоченных мест для зарождения нанокластеров является основным путем для получения их последующего пространственно - упорядоченного состояния. Несмотря на рекордно малый разброс по размерам островков, сообщаемый в [21], их пространственное распределение практически неупорядочено. Свидетельствами присутствия некоторого упорядочения являются наличие слабо выделенного предпочтительного расстояния между ближайшими соседями, а также отсутствие 3D центров на расстояниях меньше среднего.
Пространственное упорядочение островков возрастает с увеличением покрытия (отношения суммарной площади островков к площади подложки), что обусловлено минимизацией отталкивающими силами упругого взаимодействия между соседними островками [].
Поэтому более пространственно упорядоченные массивы островков там, где островки практически соприкасаются.
При выращивании структур с несколькими слоями Ge квантовых точек, которые заращиваются материалом, согласованным с подложкой (Si), замечено, что новый слой островков растет так, что островки оказываются расположенными друг под другом в вертикальном направлении [] и приводит к улучшению упорядочения островков по их размерам. Возмущения полей упругой деформации от кластера проникают на разные расстояния в заращивающий слой, в зависимости от объема конкретного островка и от их скопления. На поверхности заращивающего слоя создаются места преимущественного зарождения новых островков на следующем "этаже". Регулируя толщину заращивающего слоя можно отфильтровывать влияние слабых островков. Такие многослойные гетероструктуры с квантовыми точками имеют прикладное значение в связи с открывающимися новыми возможностями (например, электронная связь кластеров по вертикали, формирование трехмерных решеток, состоящих из островков - кластеров, часто называемых "искусственными атомами" []).
Морфология поверхности, на которой формируются 3D островки, играет существенную роль и может использоваться как управляющий фактор, способствующий упорядочению островков как по размерам, так и по их пространственному распределению. Управление параметрами поверхности может быть осуществлено следующими путями:
- использование подложек, отклоненных от поверхности (001) и связанные с этим различные способы упорядочения ступеней, являющихся в дальнейшем шаблонами для зарождения островков [, ,].
- использование сурфактантов, модифицирующих поверхностные характеристики (поверхностная энергия, длина диффузии адатомов) как подложки, так и эпитаксиального слоя [, , ].
- создание на поверхности подложки микрострессоров, инициирующих зарождение островков в определенных местах [, ].
Размеры и плотность островков: возможности управления
Исследования твердых растворов GeSi с большим содержанием Si весьма удобны для модельных экспериментов, поэволяющих легко выяснить основные закономерности формирования островков вследствие их относительно больших размеров [16]. С ростом доли Si напряжения в кластере уменьшаются, и необходимый выигрыш знергии за счет упругой релаксации островков наступает при их больших размерах. Однако практический интерес исследователей концентрируется на системах с размером наноостровков около 10 нм и менее (чистый Ge на Si), что, в первую очередь, связано с их оптическими свойствами. Плотность островков имеет также большое значение, поскольку отклик системы на внешнее воздействие напрямую связан с числом островков, а значит и с их плотностью. Оба этих параметра (размер и плотность) зависят от таких условий выращивания, как температура подложки и скорость роста. Понижение температуры роста, также как и увеличение потока Ge ведут к уменьшению диффузионной длины Ge адатомов на подложке. Соответственно, область сбора адатомов для одного островка уменьшается, уменьшаются и его размеры, а плотность возрастает. Abstreiter et al [], понизив температуру роста до 5500С и увеличивая поток Ge, закономерно варьировали плотностью островков вплоть до 1010 см-2. Дальнейшее понижение температуры роста до 3000С позволило существенно повысить плотность Ge нанокластеров до ~ 3.1011см-2 []. Pengetal [30], используя сурьму как сурфактант, понижающий поверхностную диффузионную длину адатомов Ge, достигли рекордно высокой на сегодняшний день величины плотности Ge островков ~5*1011см-2.