Введение к работе
Актуальность исследования. Наиболее широко распространенной технологической методикой создания полупроводниковых тонкоплеяочных структур на сегодняшний день является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) [1], обладающая большими возможностями контроля толщины, состава и структурного совершенства кристаллических пленок непосредственно в процессе роста. Возможности этой методики позволяют контролируемое выращивание слоев материала, отличного от материала подложки и создание как тонких пленок толщиной от нескольких ангстрем до нескольких микрон, так и слоистых гетероструктур с резкой границей раздела.
Важным достижением технологии МЛЭ стала возможность получения и практического использования наноразмерных структур, обладающих квантовыми свойствами, таких как квантовые проволоки и квантовые точки, формируемые на поверхности или в приповерхностных слоях полупроводниковых кристаллов. Одной из разновидностей квантовых точек являются трехмерные атомные островки, самопроизвольно возникающие при эпитаксиальном росте соединений, отличающихся по химической природе от материала подложки.
Несмотря на то, что технология МЛЭ широко используется в мировой практике, до сих пор нет детального понимания атомарных процессов, происходящих при эпитаксии. Это связано с тем, что в настоящее время не существует широко распространённых экспериментальных методов, которые, будучи совмещенными с технологическим процессом МЛЭ, позволяли бы наблюдать за поверхностью с атомным разрешением в реальном масштабе времени, обеспечивая при этом временное разрешение, сравнимое со временем жизни адсорбированного атома в решеточном узле.
Аналитическое описание процесса МЛЭ-роста также сопряжено с рядом
трудностей, связанных с невозможностью не только решить, но и зачастую записать
систему кинетических уравнений, учитывающую все ключевые процессы,
происходящие при росте тонких плЄнок. В частности, не поддается описанию атомная
диффузия в условиях сложного рельефа, изменяющегося во времени. Аналитическое
описание рельефа растущей поверхности, как правило, ограничивается расчетом
среднеквадратической шероховатости, которая не является однозначной
характеристикой рельефа. Трудно учесть влияние реконструкций поверхности
кристалла на диффузию атомов и особеннЪетжМЛвдеиедэаи^о.мов при
БИБЛИОТЕКА і
гетероэпитаксии. Это накладывает значительные ограничения на применение методов аналитического описания процесса МЛЭ и делает возможным их использование только в частных, наиболее простых случаях.
Для решения задач, связанных с изменением рельефа поверхности растущих плёнок, более оправданным и перспективным является применение методов имитационного моделирования. Одним из подходов, применяемых для имитационного моделирования процессов эпитаксии, является известный статистический метод Монте-Карло. В этом методе создается компьютерная модель ростовой системы, в которой эпитаксиальный рост слоя на кристаллической подложке происходит аналогично росту реальных слоев. Метод Монте-Карло обеспечивает вполне достоверное описание процесса формирования эпитаксиальньгх слоев благодаря большому количеству частиц в моделируемой системе и большому числу элементарных событий - адсорбции, десорбции и/или диффузии. Метод позволяет достаточно просто эффективным образом учесть различные особенности атомной диффузии, например, в гетеросистемах или при наличии реконструкций поверхности подложки.
Целью настоящей работы является определение с помощью моделирования взаимосвязи между морфологией эпитаксиальных слоев и особенностями атомной диффузии, такими как анизотропия латеральной диффузии и дополнительные энергетические барьеры, преодолеваемые атомами при пересечении ступеней моноатомной высоты.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Усовершенствована разработанная ранее кинетическая Монте-Карло (КМК) модель эпитаксиального роста на поверхности (100) кристалла Косселя. В модель введена возможность регулирования атомной диффузии как при движении атомов по одной атомно-гладкой террасе (латеральная диффузия), так и при движении с изменением террасы (межслоевая диффузия). Расширены аналитические возможности программы.
-
С помощью вычислительных экспериментов изучено влияние особенностей межслоевой атомной диффузии:
а) на потоки атомов через ступени по направлению от подложки и к подложке;
б) на форму рельефа, развивающегося в процессе эпитаксиального роста;
в) на плотность, размерное и пространственное распределение островков на
сингулярных и вицинальных поверхностях.
3 Проведён ряд вычислительных экспериментов, направленных на исследование влияния анизотропии латеральной диффузии атомов на процессы формирования двумерных островков, а также на кинетику движения ступеней при эпитаксиальном росте и термическом отжиге.
Научная новизна работы.
В данной работе впервые с помощью моделирования было проведено комплексное исследование поведения рельефа растущей поверхности при наличии таких особенностей атомной диффузии, как анизотропия поверхностной диффузии и энергетические барьеры, преодолеваемые атомами при пересечении ступеней моноатомной высоты. В частности:
Впервые было показано, что именно характер обмена атомами между последовательно растущими атомными слоями является фактором, определяющим форму развивающегося рельефа. При изменении параметров межслоевой атомной диффузии наблюдались все известные для МЛЭ формы роста.
Показано, что потоки атомов по боковым стенкам островков, определяющие рельеф эпитаксиального слоя, зависят как от параметров межслоевой атомной диффузии и условий роста, так и от количества осаждённого вещества.
Найдены параметры межслоевой атомной диффузии, при которых происходит переход от двумерно-слоевого к трехмерному росту в одном ростовом процессе (рост по механизму Странского-Крастанова). Исследована кинетика этого перехода на атомарном уровне.
Показано, что ступени моноатомной высоты на исходной подложке могут оказывать ориентирующее влияние на систему трёхмерных островков.
Определена степень влияния анизотропии латеральной диффузии на кинетику распределения ступеней, а также на процессы зарождения двумерных островков.
Показано влияние параметров межслоевой атомной диффузии и анизотропии латеральной диффузии на форму и период осцилляции интенсивности зеркально-отражённого электронного луча в методе дифракции быстрых электронов (ДБЭ-осцилляций) в процессе эпитаксии. В частности, найдена область условий осаждения и параметров межслоевой диффузии, где может возникать увеличение периода ДБЭ-осцилляций по сравнению со временем осаждения одного монослоя.
Практическая ценность:
Полученные данные найдут применение в научных исследованиях, ориентированных на изучение процессов преобразования рельефа при эпитаксии, а
также в технологических процессах молекулярно-лучевой эпитаксии для оптимизации условий роста тонкоплёночных структур.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Межслоевая атомная диффузия является фактором, определяющим механизм роста, и, как следствие, форму развивающегося на поверхности рельефа.
-
В определённой области параметров межслоевой атомной диффузии может происходить переход от двумерно-слоевого к трёхмерному росту в одном ростовом процессе. Такой переход является следствием комплекса явлений, не связанных с изменением характера диффузии.
-
Анизотропия латеральной атомной диффузии определяет динамику пространственного распределения ступеней и форму двумерных островков.
-
Существует область условий осаждения и параметров межслоевой диффузии, где наблюдается увеличение периода ДБЭ-осцилляций по сравнению со временем осаждения одного монослоя. Наличие анизотропии латеральной атомной диффузии изменяет область существования этого эффекта.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в обосновании задач исследований и определении способов их решения, в развитии программного обеспечения, в постановке и проведении вычислительных экспериментов и анализе полученных результатов.
Апробация работы н публикации;
Результаты диссертационной работы были представлены более чем на 15 Российских и Международных конференциях, в том числе: IV Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-99», (Новосибирск, 1999 г), Всероссийской конференции «Нанофотоника-2000», (Нижний Новогород, 2000 г.), IV Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике «ИНПРИМ-2000» (Новосибирск, 2000 г.), II и ПІ Всероссийских конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опта- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2000 и 2001 гг), 9 и 10 международных симпозиумах «Nanostructures: Physics and technology» (Санкт-Петербург, 2001 и 2002 гг.), 2, 3 и 4 Международных конференциях «Siberian Russian Student Workshop EDM'2001, 2002 и 2003» (Эрлагол, Республика Алтай, 2001, 2002, 2003 гг.), Международной конференции «Actual Problems of Mechanics» (Санкт-Петербург, 2001 г), конференциях «Europhysics Conference of Computational Physics» (Аахен, Германия, 2001 г.), «Микро- и наноэлектроника-2001» (Москва, 2001 г.), «Physics of Low-Dimensional Structures-3»
(Черноголовка, 2001 г), Совещании по росту кристаллов, плёнок и дефектам структуры кремния «Кремний-2002», (Новосибирск, 2002 г.).
Основные результаты опубликованы в 7 статьях в центральных отечественных и зарубежных журналах и 7 статьях в трудах российских и международных конференций.
Структура и объём диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Работа изложена на 171 странице, содержит 56 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 119 наименований.
