Аннотация 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Рост ННК с использованием метода селективной эпитаксии 6
1.1 Принципы селективной эпитаксии и создание диэлектрической маски .. 6
1.2 Различные способы выращивания ННК 8
2. Феноменологическая модель бескаталитического роста III -V ННК с
использованием метода селективной эпитаксии 10
2.1 Элементарные процессы бескаталитического роста III-V ННК 10
2.2. Феноменологические кинетические уравнения 13
2.3 Роль поверхностной диффузии 16
3. Модель послойного роста ННК 20
3.1 Краевая задача поверхностной диффузии при послойном росте ННК .. 20
3.2 Задача поверхностной диффузии с модифицированными краевыми
условиями 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 29
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.
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.
