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 риса211+

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. Рисб211+

3.Механизм Странского-Крастанова. рисв Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток в несколько процентов. Этот механизм используется для получения массивов квантовых точек арсенида индия в матрице арсенида галлия (рассогласование 7%) или квантовых точек германия в матрице кремния.

Рис Схемы трех видов начальной стадии гетероэпитаксиального роста.

Материал В осаждается на подложку А

а) механизм Франка-Ван дер Мерве,

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 больше чем у . При осаждении на подложку сначала формируется слой .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. рисв. Когда образуется островок, решетка частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. образовании островков начинается после осаждения 1,6-1,7 слоев .

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

Формирование массивов островков наблюдается также в системах .размер и форма островков. Для заданных условий роста существует определенный размер островков.который соответствует минимуму энергии системы. Островки ограняются поверхностями с малой энергией системы. На подложке с ориентацией индексов Миллера (100) равновесная форма островков пирамидки с квадратным основанием (тетраэдры).

Взаимодействие островков на поверхности –всегда отталкивание., что обеспечивает устойчивость массива островков. Для лазерных структур необходима плотность островков .

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 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 можно получить туннельно-связанные и электронно- связанные квантовые точки в вертикальных массивах.