Отчёт по гранту РФФИ № 16-31-00120 (2016 год)
Исследование механизмов формирования квантовых колец GaAs/AlGaAs методом Монте-Карло моделирования процесса капельной эпитаксии
Целью проекта является исследование роста гетероструктур GaAs/AlGaAs в процессе капельной эпитаксии с помощью решеточного моделирования методом Монте-Карло.
Выбор входных энергетических параметров модели
Энергии активации растворения и кристаллизации Ga на границе раздела жидкий металл-подложка AIIIBV были оценены из температурной зависимости равновесной концентрации As в жидком Ga CAs(T):
|
|
|
Искомые параметры реакции растворения Kdis, Edis align="center" class="namepart" и кристаллизации Kcr, Ecr kэксп, k1, k2 – предэкспоненциальные множители, Eэксп, E1, E2 – энергии активации, определяющие угол наклона экспериментальной и двух модельных температурных зависимостей.
Совпадение расчетной и экспериментальной зависимостей получено при следующих значениях параметров:
Kdis = 1015c-1
Kcr = 1011c-1
Учет реконструкции (2х1) модельной поверхности (001)
Введение анизотропии диффузии адатомов в решеточную модель
Димеризованная поверхность (вид сверху). Стрелками показаны возможные пути диффузии. Встраивание в димер (путь 1) ограничено энергетическим барьером Einc. Поэтому движение атомов преимущественно происходит вдоль димерных рядов по междурядным промежуткам (путь 2).
Анизотропия формы растущих островков
Учет димеризации позволил стабилизировать исходную ростовую поверхность и наблюдать при моделировании анизотропию диффузии адатомов и анизотропию формы растущих островков.
Кинетика роста островков , формирующихся на димеризованной поверхности Si(001) при T=500 K и потоке атомов Si FSi=10-4 МС/с.
t=0 c
t=240 c
t=3200 c
При осаждении Si на димеризованную поверхность Si(001) происходит зарождение островков монослойной высоты. Ориентация димеров островков перпендикулярна ориентации димеров исходной поверхности, что согласуется с экспериментальными наблюдениями [Y.W. Mo, J. Kleiner, M.B. Webb, M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett., 1991, 66, pp. 1998-2001.].
Кинетика формирования кольца GaAs на подложке AlGaAs(001)
Процесс капельной эпитаксии состоит из двух этапов: 1) осаждение элемента III группы (Ga/In) с образованием жидких капель на ростовой поверхности; 2) осаждение мышьяка при выключенном потоке элемента группы III, приводящее к кристаллизации капель в виде различных наноструктур A3B5. На данном этапе проекта была исследована кинетика формирования кольца GaAs на подложке AlGaAs (001).
| t = 10 c |  |
Вид сбоку |
 |
Вид сверху | |
| t = 70 c |  |
 |
 |
||
| t = 225 c |  |
|
 |
||
| Фрагмент модельной поверхности длиной 62 нм |
T = 600 К, FAs2 = 0.02 МС/с, диаметр исходной капли Ga d0 = 28 нм, расстояние между каплями L = 190 нм.
Исходное состояние системы – мышьяк стабилизированная подложка с каплей Ga- в центре и Ga-стабилизированной областью вокруг нее. Размер Ga-стабилизированной области определяется длиной диффузии атомов галлия из капли. Сразу после включения потока мышьяка наблюдается зарождение внутреннего и внешнего колец. Внутреннее кольцо формируется вдоль тройной линии (вдоль границы раздела трех фаз пар-жидкость-кристалл). На стыке Ga- и As-стабилизированных областей зарождается внешнее кольцо GaAs. Внутреннее кольцо формируется за счет поступления мышьяка с поверхности капли к тройной линии, а внешнее – за счет сбора мышьяка с As-стабилизированной области подложки. Если расстояние между каплями было меньше, чем длина диффузии галлия по поверхности, то внешнее кольцо GaAs не формировалось вследствие отсутствия As-стабилизированной области.