Компьютерное моделирование роста наноструктур: нанокластеров и нанокристаллов

Введение
Глава 1. Физические основы роста полупроводниковых наноструктур
1.1. Роль наноструктур в полупроводниковой технологии
1.2. Механизмы роста наноструктур
1.3. Теоретические исследования нанострукту р
1.3.1. Теория зародышеобразования
1.3.2. Методы компьютерного моделирования
1.3.2.1. Методы расчета из первых принципов
1.2.3.2. Метод молекулярной динамики
1.3.2.3 Метод Монте-Карло
1.3.2.4. Метод кинетических уравнений
1.4. Цели и задачи работы
Глава 2. Начальная стадия роста нанокластеров на неактивнрованной подложке [А1-А5]
2.1. Физическая модель формирования нанокластеров карбида кремния на подложке кремния
2.2. Определение новерхносгных барьеров миграции адатомов кремния и углерода на кремнии
2.2.1. Поверхность кремния без кластера
2.2.2. Поверхность кремния с кластером карбида кремния
2.3. Расчет упругих напряжений в подложке кремния под кластером карбида кремнии
Глава 3. Формирование и роет нитевидных нанокристаллов арсенида галлия на активированной подложке [А6-А10]
3.1. Физическая модель роста нитевидных нанокристаллов арсенида галлия
3.2. Моделирование роста массива нитевидных нанокристаллов арсенида галлия на поверхности (111) арсенида галлия
3.2. Влияние флуктуаций состава расі вора капли на формирование квазипериодических кристаллических сгруктур
Заключение Список литературы
Введение
В настоящее время полупроводниковые нанокластеры и нанокристаллы имеют большое значение для микро- и оптоэлектроники. Нанокластеры - это группы атомов с размерами, не превышающими 100 нм вдоль каждого направления. Нанокристаллы - кристаллы, у которых размер хотя бы вдоль одного направления меньше 100 нм. При создании наноструктур на основе массивов нанокластеров или нанокристаллов большое значение играет процесс роста, поскольку именно он определяет качество и физические свойства получаемых структур: Формирование и эволюция массива нанокластеров происходит на начальной- стадии эпитаксиального роста слоя (топкой пленки) на поверхности подложки. При этом первые несколько атомных слоев выращенной пленки формируются1 в'результате зарождения, эволюции и последующей коалесценции системы кластеров на поверхности. Поэтому итоговое состояние тонкой пленки: ее структура, однородность, наличие упругих напряжений и дефектов во многом определяется процессом роста массива нанокластеров. При росте массива нанокристаллов можно выделить две стадии: зарождение и последующая эволюция, массива нанокристаллов. При этом кристаллическая.структура массивов нанокристаллов, а. значит, и физические свойства наноструктур на их основе; будут зависеть от условий роста и локального окружения каждого нанокристалла (наличия поблизости других нанокристаллов, ступеней или дефектов).
На сегодняшний день значительный интерес для микро- и оптоэлектронных технологий представляет карбид кремния (как в виде тонких пленок, так и массивов нанокластеровI карбида кремния на кремнии); Карбид кремния -широкозонный материал, позволяющий создавать на своей основе приборы, выдерживающие высокие мощности, и более стойкий к условиям высокой температуры, жесткого облучения, агрессивной окружающей среды, чем кремний. Другим привлекательными для микро- и оптоэлектроники, объектами являются
массивы нитевидных нанокристаллов соединений ПТ-У. Отличительной особенностью этих нанокристаллов является высокое отношение длины (1 - 10 мкм). к поперечному размеру (10 - 100 нм). Также эти материалы представляют интерес для создания на их основе эмиссионных катодов и газоанализаторов.
Комбинируя осаждаемые материалы, тип подложки, и задавая условия роста, можно получать как массивы нанокласгеров (а в дальнейшем тонкие пленки), так и массивы нитевидных нанокрисгаллов. При этом1 типг формирующейся кристаллической структуры и морфология нанокласгеров или нанокристаллов будет в значительной- степени определяться, процессами, протекающими на начальной стадии их роста. Кроме этого в, ходе эволюцию нанокластеров и нанокристаллов может происходить изменение их кристаллической структуры или-морфологии, что также.будет оказывать сильной влияние на свойства получаемых наноструктур. В этой связи задача изучения ранних этапов эпитаксиального роста массивов нанокластеров и нанокристаллов, и процессов* их. эволюции представляется весьма актуальной. При этом большое влияние на свойства микро-
и. оптоэлектронных устройств1, оказывают размер, форма, плотность и однородность используемых дляшх создания-наноструктур.
В настоящее время перспективным подходом- при рассмотрении роста полупроводниковых структур являются методы компьютерного моделирования. Характерной особенностью таких методов является возможность детально описать физику процесса роста, выявить роль структурных параметров системы в формировании нанокристаллов и нанокласгеров, а также предложить способы оптимизации технологических процессов. Во многих ситуациях компьютерное моделирование оказывается единственно возможным подходом при исследовании процесса роста массивов напокластеров и нанокристаллов. Моделирование позволяет получать подробную информацию о протекающих физических
процессах, что делает возможным не только решение физических задач, но и детальное изучение их особенностей и эффектов.
В работе рассмотрены физические процессы методами компьютерного моделирования: динамическим и кинетическим.
Целью работы является исследование физических процессов роста наноструктур: нанокласгеров карбида кремття на поверхности кремния и нитевидных нанокристаллов арсснида галлия под каплями-катализаторами золота при молекулярно-пучковой эпитаксии:
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Первая глава носит обзорный характер, в ней представлено состояние методов получения полупроводниковых наноструктур. Дано описание основных методов компьютерного моделирования роста нанокристаллов. В первой главе описано развитие исследований в области выращивания нанокласгеров и нанокристаллов в различных полупроводниковых системах. Перечислены возможности применения массивов нанокласгеров и наиокристаллов в современной микро- и оптоэлектронике. Проведен обзор основных эпитаксиальных методов получения массивов нанокластеров и нанокристаллов. Рассмотрены особенности их роста. Также в первой главе изложены основные теоретические методы и подходы исследования процесса роста нанокласгеров и наиокристаллов. Обоснован выбор метода молекулярной динамики для исследования начальной стадии роста нанокластеров и метода кинетических уравнений для описания процесса роста нитевидных нанокристаллов под каплями-катализаторами при молекулярно-пучковой эпитаксии.
Вторая глава, основные результаты которой опубликованы в работах [А1-А5], посвящена исследованию процесса роста нанокластеров карбида кремния
на кремнии при* молекулярно-пучковой эпитаксии углерода на подложку кремния. Предложена модель роста нанокластеров карбида кремния' на поверхности кремния. Методом молекулярной динамики рассчитаны барьеры миграции адатомов кремния и углерода на поверхности кремния, как на поверхности с кластером, так и без него. Определены границы влияния нанокластеров карбида кремния' на диффузию адатомов кремния и углерода. Исследованы и количественно охарактеризована упругая деформация под кластерами карбида кремния разного размера. Показано, что деформация' сжатия, максимальна под денаром кластера и спадает к его границам. Сделано предположение о роли градиента сжатия в процессе роста тонких пленок карбида, кремния на кремнии при осаждении углерода:
Третья глава содержит результаты теоретических исследований роста массива нитевидных нанокрисгаплов арсенида галлия» под каплями-катализаторами роста на поверхности (111) арсенида галлия при молекулярнопучковой эпитаксии [А6-А10]. Сформулирована физическая, модель роста массива таких нитевидных нанокристаллов. Отмечены-физические особенности их роста. На основе предложенной модели записана сис тема кинетических уравнений* для физических величин, характеризующих процесс роста нитевидных нанокристаллов арсенида галлия. Выявлено влияние флуктуаций состава раствора капли-катализатора на процесс формирования кристаллической структуры нитевидных нанокристаллов. Проведено моделирование роста нанокристаллов при наличии и отсутствии флуктуаций состава раствора капли-катализатора. Объяснена смена кристаллических фаз при отсутствии флуктуаций с кубической на гексагональную, на начальной стадии роста, и обратно с гексагональной на кубическую при выключении потока галлия. Показано, что при возникновении флуктуаций состава раствора капли-катализатора возможно образование квазипериодических кристаллических структур, состоящих из чередующихся
слоев кубической и гексагональной фаз. Учтено влияние нижележащих слоев на процесс формирования нового слоя в таких структурах.
Научная новизна работы определяется следующим.
1. Рассчитаны значения барьеров миграции адатомов кремния и углерода на подложке кремния с кластером карбида кремния разного размера; определены границы влияния нанокластеров карбида кремния на процесс диффузии адатомов кремния и углерода.
2. Показано наличие деформации сжатия в подложке кремния иод нанокластерами карбида кремния. Предложен механизм формирования вакансионных пор в подложке кремния при росте карбида кремния на кремнии.
3. Предложена кинетическая модель нестационарного роста нитевидных нанокристаллов арсенида галлия под каплями-катализаторами при молекулярно-пу чковой эиитакс ии.
4. Впервые показана роль флуктуаций состава раствора в капле-катализаторе при формировании квазипериодических кристаллических структур в нитевидных нанокристаллах арсенида галлия.
Практическая значимость работы обусловлена тем, что полученные с помощью компьютерного моделирования данные о механизмах роста массивов нанокластеров и нитевидных нанокристаллов при молекулярно-пучковой эпитаксии, могут быть использованы для разработки новых и модификации существующих методов создания полупроводниковых наноструктур с нужными характеристиками.
Положения, выносимые на защиту.
1. Нанокластеры карбида кремния на кремнии существенно изменяют барьеры миграции адатомов кремния и углерода только непосредственно вблизи своих границ.
2. Рост нанокластеров карбида кремния на кремнии при молекулярнопучковой эпитаксии углерода приводит к возникновению нанопор в подложке кремния. При этом нанопоры формируются в областях, расположенных под краями нанокластеров.
3. Разработанная кинетическая модель нестационарного роста нитевидных нанокристаллов арсенида галлия под каплями-катализаторами золота позволяет успешно описывать процесс их роста.
4. Формирование квазипериодической кристаллической структуры в нитевидных нанокристаллах арсенида галлия обусловлено флуктуациями состава раствора в капле-катализаторе.