3.10.4. Самосборка при эпитаксии

При осаждении одного материала на подложку из другого материала возможно три варианта формирования поверхностных структур (рис. 3.18):

1) послойный рост сплошной пленки (двухмерный рост) в режиме, называемом модой Франка-Ван-дер-Мерве (Frank-van der Merwe);

2) образование и рост островков (трехмерный рост) – мода Волмера-Вебера (Volmer-Weber);

1) комбинированный режим – мода Странского-Крастанова (Stranski-Krastanov), когда изначально пленка растет послойно, а затем трансформируется в островковую структуру.

Рис. 3.18. Режимы (моды) роста тонких пленок

Режим (мода) формирования поверхностных структур определяется рассогласованием параметров решеток подложки и наносимого материала, а также соотношением поверхностной энергии и энергии границы раздела этих материалов. Важно отметить, что все энергетические аргументы справедливы для равновесного состояния системы. Формирование же эпитаксиальных пленок происходит в условиях, отличающихся от равновесных, что затрудняет их анализ и интерпретацию по энергетическим критериям. Кинетические эффекты, контролируемые температурой подложки и скоростью осаждения материала, существенно влияют на режим формирования поверхностных структур. Тем не менее, энергетические соображения, рассматриваемые ранее, полезны для многих практических случаев, поскольку, по крайней мере, предсказывают поведение различных систем в равновесных и квазиравновесных условиях.

В системе, образованной материалами с согласованными параметрами решеток, режим роста определяется только соотношением поверхностной энергии и энергии границы раздела. Если сумма поверхностной энергии эпитаксиальной пленки и энергии границы раздела меньше, чем поверхностная энергия подложки (осаждаемый материал смачивает подложку), наблюдается послойный рост пленки в режиме Франка-Ван-дер-Мерве. При этом формируются однородные когерентные псевдоморфные и напряженные сверхрешетки. Этот режим пригоден также для создания самоорганизующихся квантовых шнуров на вицинальных поверхностях кристаллов.

Вицинальными называют поверхности, которые не являются равновесными для данного кристалла (теорема Вульфа). Обычно это поверхности, слегка разориентированные относительно низкоиндексных плоскостей кристалла – на практике чаще всего используют разориентацию относительно (001) и (311) плоскостей.

Рассмотрим основные этапы формирования методом самосборки встроенных квантовых шнуров с использованием вицинальной поверхности кристалла (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Создание квантовых шнуров самосборкой в процессе эпитаксиального роста на вицинальной поверхности

Подготовленная вицинальная поверхность (рис. 3.19, а) состоит из равнодистанционно расположенных террас, плоскость которых совпадает с одной из низкоиндексных плоскостей кристалла. Высота каждой террасы соответствует одному моноатомному слою. Создание квантовых шнуров начинают с нанесения материала (рис.3.19, б), из которого будет формироваться шнур. Температуру подложки выбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточную диффузионную подвижность атомов наносимого материала на поверхности подложки. Осажденным атомам энергетически более выгодно прикрепляться к ступеньке террасы, нежели находиться на ее поверхности. Количество наносимого материала составляет лишь долю от той величины, которая необходима для покрытия подложки сплошным моноатомным слоем. Это необходимо для того, чтобы оставить место на террасе для заполнения материалом подложки, что и делается после прекращения подачи материала шнура (рис. 3.19, г).

Нанесение материала подложки продолжают до полного восстановления террас, которые при этом становятся на один моноатомный слой толще. Нанесение материала шнура, а затем подложки повторяют несколько раз, обеспечивая, таким образом, создание квантового шнура, встроенного в подложку.

Основной проблемой в практической реализации представленного подхода является волнообразный характер границ террас, что приводит к таким же волнообразным шнурам. Чтобы получить строго линейные шнуры, поверхность искусственно профилируют канавками, вдоль котор
ых и происходит самоорганизованный рост (сборка) квантовых шнуров.

Однородные напряженные эпитаксиальные пленки начинают расти послойно, даже когда имеется рассогласование решеток наносимого материала и подложки. Накопление энергии в напряженном состоянии по мере увеличения толщины пленки неизбежно ведет к образованию островков, что понижает общую энергию в системе. Такие превращения происходят при эпитаксии в режиме Странского-Крастанова. При

этом образуются самособирающиеся нанокристаллические эпитакисальные островки на монокристаллической подложке.

Переход от двухмерного послойного роста сплошной пленки к трехмерному росту островков (2D→3D переход) происходит, когда межатомные расстояния в кристаллической решетке осаждаемого материала больше, чем в решетке подложки. Островковая структура энергетически более благоприятна для релаксации напряжений, нежели слоистая. Релаксация напряжений в двухмерном слое может осуществляться только в направлении, перпендикулярном плоскости этого слоя. В островковой структуре напряжения имеют возможность релаксировать как в самом островке, так и вокруг него.

Рис. 3.20. Изменение во времени полной энергии эпитаксиальной структуры, растущей в режиме Странского-Крастанова

Рассмотрим поведение общей энергии системы, образуемой рассогласованными кристаллическими решетками, в зависимости от продолжительности нанесения материала, полагая, что скорость нанесения материала мала для проявления динамических эффектов (рис.3.20). Материал, подвергающийся сжатию на подложке, наносится с постоянной скоростью вплоть до момента времени X. Различимы три основных периода (А, В и С).

В начальный период А послойным ростом формируется двухмерная эпитаксиальная пленка. Поверхность подложки идеально смочена наносимым материалом. Упругие напряжения линейно возрастают с увеличением объема нанесенного материала. В момент времени tcw смачивающий слой достигает критической толщины, когда послойный рост становится метастабильным. При дальнейшем поступлении материала создаются суперкритические условия, в которых все еще сплошной эпитаксиальный слой готов к разрыву и переходу в режим роста трехмерных островков по механизму Странского-Крастанова. Временной диапазон существования метастабильного состояния определяется высотой энергетического барьера для этого перехода Еа.

Период В, представляющий 2D→3D-переход, т.е. фрагментацию суперкритического смачивающего слоя, начинается, когда накопленной упругой энергии становится достаточно для преодоления энергетического барьера этого перехода в момент времени X. Предполагается, что, уже начавшись, 2D→3D-переход может продолжаться без дальнейшего поступления материала, при этом используется материал, запасенный в суперкритическом смачивающем слое. Период В включает две стадии – зарождение островков и их последующий рост. Флуктуации толщины пленки или напряжений по поверхности подложки приводят к зарождению островков в определенных местах.

Рис. 3.21. Локальные напряжения на границе с подложкой (а) и деформациярешетки вкогерентном островке (б)

Толщина смачивающего слоя, при которой начинается спонтанное зарождение островков, зависит от рассогласования параметров решеток материалов, а также от наносимого материала и от анизотропии свойств подложки. Например, при эпитаксии германия на монокристаллическом кремнии это происходит, когда толщина германия превышает несколько монослоев. Для контролируемого расположения островков в определенных местах подложки ее подвергают предварительной обработке для создания на ее поверхности неоднородностей, служащих центрами зарождения.

Стадия зарождения определяет поверхностную плотность островков. Образование первого сверхкритического зародыша немедленно приводит к фрагментации всего смачивающего слоя. Предполагаемое распределение напряжений в окрестности островка показано на рис. 3.21. Поверхность островка благоприятна для понижения напряжений, максимальная величина которых – у границы с подложкой. Благодаря релаксации напряжений в объеме островка, на поверхности они минимальны. Островок имеет монокристаллическую напряженную бездислокационную структуру.

Последующий рост островков стимулируется избытком матер