Введение к работе
Актуальность темы
Характеристики полупроводниковых оптоэлектронных приборов непосредственным образом зависят от свойств их ключевых элементов — полупроводниковых структур, имеющих характерный размер порядка десятков нанометров. Морфология и физические свойства эпитаксиальных наноструктур, в частности, наноструктур полупроводниковых соединений АЗВ5, во многом определяются кинетическими механизмами их формирования. Теоретические исследования ростовых процессов и связанных с ними физических свойств абсолютно необходимы для контролируемого синтеза наноструктур различного типа для конкретных приложений.
Рост эпитаксиальных наноструктур происходит за счёт процессов нуклеации и конденсации на поверхности твердого тела в динамических условиях. В диссертационной работе данные процессы рассматриваются применительно к двум классам эпитаксиальных объектов: поверхностным наноостровкам и вертикальным наноструктурам, перпендикулярным поверхности подложки — нитевидным нанокристаллам (ННК) полупроводниковых соединений АЗВ5.
Рост наноостровков описывается кинетическим уравнением (КУ) в частных производных типа Фоккера-Планка [1]. Ранее при его исследованиях обычно рассматривалось приближённое уравнение, содержащее только первую производную по размеру зародыша. В этом приближении функция распределения в терминах некоторого специально выбранного инвариантного размера сохраняет свою форму (образованную на стадии нуклеации) в течение существенно более длительного процесса изолированного роста. Первая часть работы посвящена теоретическому исследованию более точного КУ с учётом второй производной по размеру. Особое внимание уделено флуктуационным эффектам, приводящим к изменению формы распределения и увеличению дисперсии по размерам.
Вторая часть работы посвящена применению теории нуклеации к
моделированию роста и кристаллической структуры ННК
полупроводниковых соединений АЗВ5. Полупроводниковые ННК в подавляющем большинстве случаев синтезируются по механизму «пар-жидкость-кристалл» (ПЖК) с использованием металлического катализатора (обычно Аи). При ПЖК росте полупроводниковый материал из ростовой камеры вначале попадает в жидкую каплю раствора на вершине ННК, а затем кристаллизуется на твердой поверхности под каплей за счет двумерной нуклеации.
Как известно, все полупроводниковые соединения АЗВ5, за исключением нитридов, имеют в объёмной фазе устойчивую кристаллическую структуру типа цинковой обманки (сфалерит). Для создания гексагональной фазы (вюрцит) необходимы огромные давления порядка нескольких десятков ГПа. Тем не менее, во многих экспериментах было продемонстрированно образование ННК в гексагональной вюрцитной фазе [2,3]. Наличие перехода вюрцит-сфалерит открывает новые возможности по управлению свойствами ННК, например, шириной запрещённой зоны и поляризацией излучения. В то же время, неконтролируемый политипизм приводит к дефектам упаковки, что ухудшает свойства материала в ННК. Исследования влияния процессов нуклеации на кристаллическую фазу АЗВ5 ННК открывают возможность управления последней за счет изменения параметров эпитаксиального процесса, в частности, потока и температуры роста.
Основной целью настоящей работы является исследование процессов нуклеации, роста и кристаллической фазы полупроводниковых наноструктур АЗВ5.
Задачами работы являются Развитие кинетической теории нуклеации на основе уравнения
Фоккера-Планка с учетом кинетических флуктуации для описания
процессов роста наноостровков, в том числе, двумерных и трехмерных
островков GaAs; Исследование влияния ростовых процессов на кристаллическую фазу различных АЗВ5 ННК, синтезируемых по механизму ПЖК.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые исследовано кинетическое уравнение теории нуклеации второго порядка на стадии роста, и получено его фундаментальное решение в виде гауссиана с увеличивающейся во времени дисперсией;
Проведены численные расчеты распределений по размерам, показывающие, что в случае роста двухмерных островков GaAs в баллистическом режиме дисперсия составляет порядка одной десятой от среднего размера, а в диффузионном режиме превосходит его в два раза;
Впервые построена самосогласованная модель роста и кристаллической структуры АЗВ5 ННК, учитывающая различные материальные потоки, нуклеацию из пересыщенного раствора в капле и их влияние на политипизм «вюрцит-сфалерит»;
Впервые рассчитаны критические радиусы перехода вюрцит-сфалерит в АЗВ5 ННК при различных условиях роста; полученные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработана флуктуационная теория нуклеации-конденсации в материально открытой системе, позволяющая производить расчеты функции распределения по размерам для широкого класса эпитаксиальных нанообъектов в различных системах материалов;
Полученные результаты открывают возможность управления кристаллической фазой АЗВ5 ННК за счёт контролируемого изменения параметров эпитаксиального роста, что позволяет устранить
нежелательный политипизм и создавать ННК без дефектов упаковки.
Положения, выносимые на защиту:
-
Фундаментальное решение континуального уравнения теории нуклеации с учетом производной второго порядка по размеру, описывающей кинетические флуктуации, имеет вид расплывающегося гауссиана с возрастающей во времени дисперсией.
-
При росте двумерных наноостровков кинетические флуктуации вносят существенный вклад в дисперсию распределения по размерам в диффузионном режиме роста, а в баллистическом режиме роста их вклад мал.
-
Разность скоростей роста нитевидных нанокристаллов в кубической и гексагональной фазе в условиях подавленной диффузии немонотонно зависит от пересыщения газообразной среды, что приводит к существованию максимального радиуса, при котором может наблюдаться гексагональная структура.
-
Полученные значения характерных радиусов перехода вюрцит-сфалерит в рамках самосогласованной модели роста по механизму «пар-жидкость-кристалл» составляют около 40 нм для GaAs нитевидных нанокристаллов, 75 нм для InAs, 70 нм для InP и менее 10 нм для GaP, GaSb и InSb при использовании Аи катализатора в отсутствие диффузии.
-
Разработанная самосогласованная модель предсказывает зависимость кристаллической фазы нитевидных нанокристаллов АЗВ5 от температуры поверхности и потока осаждения, что дает новый метод управления кристаллической структурой и политипизмом вюрцит-сфалерит.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на следующих конференциях,
симпозиумах и семинарах:
XIII и XIV Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 и 15-19 марта 2010;
17ьш и 18ьш Международная конференция «Наноструктуры: Физика и Технологии», Минск, 16-22 июня 2009 и Санкт-Петербург, 21-26 июня 2010;
4 и 5ЫИ Семинар по росту нитевидных нанокристаллов, Париж, 26-27 октября 2009 и Рим, 4-5 ноября 2010;
Международный семинар по нано- и оптоэлектронике, Пекин и Чаньчунь, 1-15 августа 2010,
а также на научном семинаре Санкт-Петербургского Академического университета - научно-образовательного центра нанотехнологий РАН
Публикации. Основные результаты изложены в 19 печатных работах, в том числе, в 12 научных статьях и в 7 материалах конференций.
Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 3 главы и заключение.
