Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы наиболее значительные успехи в области физики полупроводников связаны с созданием или использованием структур с пониженной размерностью. Уникальные электрофизические свойства систем с квантовыми нитями, квантовыми точками и «^-легированными слоями открывают возможности создания принципиально новых полупроводниковых приборов. Основным методом получения низкоразмерных структур в настоящее время является молекулярно-лучевая эпитаксия. С использованием этого метода, в сочетании с методами in situ контроля состояния поверхности, такими как дифракция быстрых электронов и сканирующая туннельная микроскопия, могут быть выращены структуры атомного масштаба. Однако на пути управляемого синтеза таких структур стоит ряд проблем, связанных с недостаточным пониманием закономерностей формирования микрорельефа поверхности при росте.
Известно, что при молекулярно-лучевой эпитаксии в широком диапазоне условий роста кристаллизация происходит по механизму образования и разрастания зародышей двумерных (2D) кристаллических островков. Теория зародышевого роста наиболее полно разработана для субмонослоинои стадии осаждения. В описании процессов коалесценции 2Б-островков, перехода к многоуровневому росту, формирования многослойных структур имеются существенные пробелы. Также слабо изучены особенности захвата и сегрегации примеси при росте 20-островков. Решение этих задач в рамках существующих моделей затруднено, поскольку аналитические теории, как правило не учитывают случайную природу процесса зародышеоб-разования, а компьютерные модели из-за ограниченных размеров моделируемых систем не позволяют представить эволюцию поверхности в целом. В связи с этим представляется актуальной разработка комбинированного подхода, который бы сочетал аналитическое описание роста 2D-octpobkob и компьютерную имитацию случайного процесса их образования.
Цель работы. Исследование закономерностей формирования микрорельефа поверхности и особенностей захвата и сегрегации примеси при кристаллизации из молекулярного пучка по механизму образования зародышей двумерных кристаллических островков. Для достижения указанной цели планировалось решение следующих задач:
1. Построение комбинированной модели зародышевого роста, сочетающей аналитическое описание разрастания двумерных кристалличес-
ких островков и компьютерную имитацию случайного процесса зародышеобразования.
-
Обобщение данной модели для самосогласованного описания процессов роста 2Б-островков и процессов захвата и сегрегации примеси.
-
Анализ статистики зародышеобразования при кристаллизации из молекулярных пучков и компьютерное моделирование эволюции поверхности в широком диапазоне температур роста.
-
Изучение особенностей захвата и сегрегации примеси при росте двумерных кристаллических островков.
-
Компьютерное моделирование эволюции поверхности при кристаллизации из молекулярных пучков с участием сурфактантов.
Научная новизна работы.
-
Разработан оригинальный подход к моделированию эволюции поверхности при кристаллизации из молекулярных пучков по зародышевому механизму, позволяющий самосогласованно описать образование зародышей 2Б-островков и их разрастание. На основе разработанного подхода предложена процедура моделирования, сочетающая аналитическое описание роста 2Б-островков и компьютерную имитацию случайного процесса их образования.
-
В рамках предложенного подхода проведен анализ статистики зародышеобразования при кристаллизации из молекулярного пучка. Показано, что значительные флуктуации времени ожидания появления зародышей кристаллических слоев могут существовать даже при низких температурах кристаллизации.
-
Путем компьютерного моделирования эволюции поверхности удалось воспроизвести характерные картины осцилляции интенсивности зеркального рефлекса при дифракции быстрых электровнов в широком диапазоне температур роста. Впервые в рамках единого подхода удалось описать немонотонную (с максимумом) температурную зависимость времени затухания осцилляции интенсивности зеркального рефлекса.
4. Захват и сегрегация примеси описаны с учетом особенностей зароды
шевого механизма роста. Впервые показано, что увеличение числа од-
повременно растущих кристаллических слоев может приводить к существенному увеличению степени размытия профиля S-легирования, особенно в области низких температур.
5. Впервые самосогласованным образом описано влияние блокирования изломов атомами сурфактанта на образование зародышей новых кристаллических слоев и на разрастание уже существующих 2Б-островков. Показано, что в результате блокирования изломов сурфактантом возможно как уменьшение, так и увеличение шероховатости поверхности в зависимости от влияния сурфактанта на величины энергетических барьеров для встраивания атомов основного компонента в ступень сверху и снизу.
Практическая значимость работы.
-
Установленное в работе соответствие между температурой, при которой наблюдается наименьшее затухание ДБЭ-осцилляций, и температурой, при которой достигается минимум флуктуации высоты пирамиды роста может быть использовано для выбора оптимальных, с точки зрения однородности микрорельефа поверхности, условий роста.
-
Полученная в работе зависимость эффективности захвата примеси от числа одновременно растущих кристаллических слоев может быть использована для совершенствования существующей технологии получения (5-легированных слоев.
Положения, выносимые на защиту.
-
Среднеквадратичное отклонение времени ожидания появления зародышей 2Б-островков и среднеквадратичное отклонение высоты пирамиды роста немонотонно зависят от температуры кристаллизации. Значения этих величин могут быть велики, в том числе и в области низких температур, что должно приводить к неоднородности формирующегося микрорельефа поверхности.
-
Существуют кореляции между температурными зависимостями времени затухания ДБЭ-осцилляций и среднеквадратичного отклонения высоты пирамиды роста. Наиболее продолжительные ДБЭ-осцилляций наблюдаются при температуре, соответствующей минимальному разбросу высоты пирамиды роста в момент появления зародыша нового кристаллического слоя.
-
Сегрегация примеси при росте 2Б-островков может осуществляться за счет перескоков адатомов примеси через движущиеся ступени. Уменьшение скорости перескоков приводит к преимущественному накоплению примеси на нижних террасах пирамиды роста, что может быть причиной наблюдаемого в эксперименте ослабления сегрегации примеси при уменьшении температуры подложки и увеличении скорости роста.
-
При малых степенях покрытия поверхности сурфактантом блокирование изломов может быть причиной изменения асимметрии барьеров для встраивания атомов основного компонента в ступень сверху и снизу. При этом шероховатость поверхности в присутствии сур-фактанта может как увеличиваться, так и уменьшаться. Снижение барьера Швебеля для уменьшения шероховатости поверхности не является необходимым.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, 1998 г.), Международной конференции по росту и физике кристаллов (Москва, 1998 г.), IV Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999 г.), конференции молодых ученых Сибирского физико-технического института (Томск, 1998 и 1999 гг.), а также обсуждались на научных семинарах в Сибирском физико-техническом институте (Томск) и Институте физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) .
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 119 страниц текста, 1 таблицу, 24 рисунка. Список литературы составляет 105 наименований.
