Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
Формирование квантовых точек посредством самоорганизации при
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
| 2.8.2. Формирование квантовых точек посредством самоорганизации при
эпитаксии Экспериментально установлено, что при осаждении атомов на подложку из газовой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста: 1.Механизм Франка-Ван дер Мерве. Осаждаемый материал смачивает подложку. Постоянные решеток практически совпадают. Происходит послойный двухмерный рост. см. рис. 2.9.а. 2.Механизм Фольмера-Вебера. осаждаемый материал не смачивает подложку (из-различия свойств или большой разницы в постоянных решеток). Происходит островковый трехмерный рост. Материал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки. См. Рис. 2.9.б. 3.Механизм Странского-Крастанова (См. Рис. 2.9.в). Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток в несколько процентов. Этот механизм используется для получения массивов квантовых точек арсенида индия InAs в матрице арсенида галлия GaAs (рассогласование 7%) или квантовых точек германия в матрице кремния. Рис. 2.9. Схемы трех видов начальной стадии гетероэпитаксиального роста. [6] Материал В осаждается на подложку А . а) механизм Франка-Ван дер Мерве, 110 б) Механизм Фольмера-Вебера. в) Механизм Странского-Крастанова. На начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя. Затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой подложке. Каждая вертикальная атомная плоскость подложки продолжается в объеме островка. Однако островок становится «когерентно напряженным». Постоянная решетки InAs больше чем у GaAs . При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется слой InAs . Этот слой, напряженный из-за различия решеток ячейки стремятся выгнуться. При увеличении толщины слоя упругая энергия растет. Связи меду атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала, и образуются трехмерные островки. См. Рис.2.9.в. Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование островков начинается после осаждения 1,6-1,7 слоев InAs . После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если теперь на островки InAs снова нарастить GaAs , получатся квантовые точки InAs узкозонного полупроводника в матрице GaAs широкозонного полупроводника. Формирование массивов островков наблюдается также в системах , , Si Ge InAs InP AlInAs AlGaAs . Для заданных условий роста существует определенный размер островков, который соответствует минимуму энергии системы. Островки ограняются поверхностями с малой энергией системы. На подложке GaAs с ориентацией индексов Миллера (100) равновесная форма островков InAs пирамидки с квадратным основанием (тетраэдры). Взаимодействие островков на поверхности – всегда отталкивание, что обеспечивает устойчивость массива островков. Для лазерных структур необходима плотность островков 11 2 10 см . С ростом температуры подложки увеличивается размер основания, уменьшается высота и уменьшается поверхностная плотность островков. Эти параметры зависят также от давления паров мышьяка. Подбор оптимальных условий осуществляется экспериментально. Для системы InAs GaAs минимальный размер островков 4 нм и максимальный 20 нм, когда их можно рассматривать как квантовые точки, имеющие хотя бы один энергетический уровень. Вертикальные массивы квантовых точек получают путем покрытия островков несколькими слоя материала подложки, с последующим осаждением нового слоя островков. Островки нового слоя будут строго располагаться над островками предыдущего слоя, вследствие наличия напряжений в монослоях подложки над вершинами нижнего слоя островков. Регулируя толщину осажденных слоев GaAs можно получить туннельно- связанные и электронно- связанные квантовые точки в вертикальных массивах. |