Тема: ФОРМИРОВАНИЕ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОЙ ЭПИТАКСИИ

Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы (ННК) - это квазиодномерные кристаллические структуры и являются предметом растущего интереса в области получения, изучения и применения новых наноматериалов. Длина ННК может варьироваться от 100 нм до 100 мкм, при этом их диаметр значительно меньше. Данные одномерные объекты демонстрируют уникальные транспортные, электрические, оптические и другие характеристики. Благодаря этим свойствам ННК могут найти широкое применение в различных областях, включая современную микро- и оптоэлектронику, химико-биологическую сенсорику, энергетику и других областях [1].
Важными научными задачами в этой области являются фундаментальные исследования процессов роста, морфологии, кристаллической структуры и физических свойств ННК. Благодаря большой площади боковой поверхности ННК могут более свободно деформироваться и адаптироваться к различиям в параметрах решетки, не накапливая критических напряжений. Это способность к эффективной релаксации упругих напряжений является ключевым преимуществом ННК и позволяет реализовывать в рамках одной нанокристаллической структуры комбинации материалов с сильно различающимися параметрами решетки, что невозможно для планарных полупроводниковых структур.
В отличие от самоорганизующихся наноструктур, таких как квантовые точки, ННК формируются путем каталитического роста на предварительно подготовленных поверхностях с использованием металлических капель - катализаторов. Капли формируются в результате отжига поверхности с предварительно нанесенным тонким слоем металла или путем осаждения капель из газовой фазы. Этот подход обеспечивает высокую степень контроля над морфологией и составом ННК, открывая возможности для создания нового поколения функциональных наноустройств с улучшенными характеристиками.
Таким образом, развитие исследований в области полупроводниковых ННК является важной задачей, решение которой позволит создавать инновационные материалы с контролируемыми свойствами на основе непланарных нанообъектов [2].
В настоящей работе рассматривается альтернативный способ синтеза ННК - метод селективной эпитаксии (SAE).
Селективная эпитаксия (SAE) может использоваться для выращивания высокооднородных массивов наноструктур III-V полностью контролируемым способом. Эпитаксия снизу вверх полупроводниковых наноструктур III-V — отличный метод для производства разнообразных «строительных блоков» для наноразмерных электронных, фотонных и оптоэлектронных устройств. Селективная эпитаксия (SAE) вызывает все больший интерес благодаря нескольким явным преимуществам. Во-первых, SAE является масштабируемым методом создания ННК с высокой степенью однородности по размерам, форме и распределению на поверхности подложки. Во-вторых, плотность, диаметр и взаимное расположение ННК можно произвольно задавать и контролировать для формирования массивов различных ННК. В- третьих, локализованная природа SAE может смягчить напряжения, возникающие из-за несоответствия кристаллических решеток различных материалов, а также из-за различий в коэффициентах теплового расширения. В результате, характер роста по методу селективной эпитаксии позволяет снизить плотность структурных дефектов, таких как дислокации, которые могли бы возникать из-за упругих напряжений. Кроме того, это поможет уменьшить эффект изгиба (искривления) пластины. Наконец, слой диэлектрической маски и однородность делают SAE идеальным методом эпитаксии для изготовления устройств. Помимо ННК, SAE можно использовать для выращивания массивов полупроводниковых наноструктур III-V различной формы и геометрии, таких как наномембраны, нанокольца и горизонтально ориентированные нанопроволоки, путем создания соответствующих рисунков на диэлектрической маске. Этот метод роста может быть расширен для реализации расширенной интеграции наноструктур III-V на кремниевых подложках.
В разделе 1 рассматриваются основные принципы метода селективной эпитаксии (SAE), используемого для выращивания ННК, а также формирование диэлектрической маски на поверхности подложки (подраздел 1.1). После этого, в отдельных открытых областях подложки контролируется рост ННК с использованием различных способов (подраздел 1.2). В разделе 2 представлена феноменологическая модель бескаталитического роста III-V ННК (подраздел 2.1) с кинетическими уравнениями контролирующие рост (подраздел 2.2) и роль поверхностной диффузии (подраздел 2.3). В разделе 3 представлен модель послойного роста ННК.

Купить

В выпускной квалификационной работе представлен обзор работ по выращиванию ННК полупроводниковых соединений III-V методом селективной эпитаксии без использования капель катализатора, изложены основные кинетические модели роста ННК методом селективной эпитаксии, решена задача поверхностной диффузии при послойном росте ННК с модифицированными краевыми условиями. Получены следующие основные результаты:
- предложена новая формулировка краевых условий для задачи поверхностной диффузии на границе боковой поверхности и верхней грани ННК;
- получены аналитические выражения для потоков адатомов в 2D островок на верхней грани ННК и в ступень на боковой поверхности ННК. Из полученных выражений следует, что в общем случае должна иметь место конкуренция между 2D островком и ступенью за атомы III группы, адсорбирующиеся на поверхность ННК;
- показано, что в предельных случаях толстых ННК и длинных ННК скорость роста 2D островка не зависит от наличия ступени на боковой поверхности. В этих случаях аксиальный и латеральный рост ННК происходят независимо друг от друга.
Полученные результаты могут быть использованы для численного моделирования бескаталитического роста ННК.

Купить