В. А. Зиновьев, Ж. В. Смагина, А. В. Двуреченский

Развита модель плавления и кристаллизации нанокластеров Ge (квантовых точек) в кристаллической матрице кремния в нестационарных условиях нагрева при импульсном лазерном воздействии. Модель описывает кинетику плавления и кристаллизации нанокластеров с учётом их размеров, формы, а также упругих деформаций, возникающих вследствие различия постоянных решёток нанокластеров и матрицы. Показано, что температура плавления нанокластеров возрастает при уменьшении их размеров. С учётом вклада упругих деформаций, температура плавления нанокластеров Ge может быть, как выше точки плавления (размер меньше 15 нм), так и ниже точки плавления (размер больше 15 нм) объёмного Ge (рис.1). Получено, что при параметрах лазерного воздействия близких к экспериментальным (длительность импульса 80 нс, плотность энергии 0.85 Дж/см²), нанокластеры размером > 15 нм плавятся, тогда как нанокластеры меньших разме- ров остаются кристаллическими (рис.2). Плавление «больших» нанокластеров сопровождается уменьшением их размеров, за счёт частичного растворения в матрице Si за время кристаллизации расплава после лазерного воздействия. В

Рис. 1. Расчётная зависимость темпера- туры плавления нанокластеров Ge, встроенных в кристаллический Si, от их размеров с учётом их формы и деформации из-за несоответствия постоянных решёток Ge и Si.

результате исходный разброс нанокластеров по размерам, задаваемый условиями их формирования, должен уменьшиться. При этом их слоевая плотность не должна сильно измениться, поскольку полное растворение больших кластеров маловероятно. Отметим, что согласно данным моделирования, режим плавления избирательного по размеру нанокластеров наблюдается при плотностях энергии от 0.8 до 0.9 Дж/см². При более высоких плотностях энергии лазерного излучения наблюдается режим полного плавления нанокластеров независимо от их размера. Поскольку с уменьшением размера нанокластера возрастает отношение его поверхности к

Рис. 2. Временная зависимость доли расплава Ge в квантовых точках в форме hut- кластеров с различными размерами основания. Толщина слоя Si, закрывающего нанокластеры Ge, составляет 300 нм. Длительность лазерного воздействия - 80 нс. Плотность энергии в лазерном импульсе - 0.85 Дж/см2.

объему, то при фиксированном времени существования расплава, мелкие кластеры способны легче растворяться в окружающей Si матрице. Это может приводить к полной диссоциации нанокластеров с размерами меньше некоторого характерного размера, определяемого длинной диффузии Si в расплаве Ge. Таким образом, для обоих из рассмотренных режимов лазерного воздействия можно ожидать уменьшения разброса нанокластеров по размерам. Однако в последнем случае должно наблюдаться значительное уменьшение слоевой плотности нанокластеров, за счёт их полного растворения. Полученная кинетика фазовых превращений при импульсном лазерном отжиге демонстрирует возможность уменьшения дисперсии по размерам в гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками.