Гетероэпитаксиалыные структуры на периодически фасетированных подложках

Периодически фасетированные поверхности дают возможность для прямого получения упорядоченных массивов квантовых проволок в том случае, когда рост материала 2, осаждаемого на поверхность материала 1, происходит в "канавках" (рис.2). Для изучения этой возможности было выполнено оригинальное теоретическое исследование возможных структур гетероэпитаксиальной системы, образующейся при осаждении материала 2 на фасетированную поверхность материала 1[24]. Рассматривалась ситуация, для которой, во-первых, два материала почти согласованы по постоянной решетки (примером является система GaAs/AlAs), и, во-вторых, как поверхность материала 1, так и поверхность материала 2 неустойчивы относительно фасетирования. При температурах значительно ниже температуры плавления такая неустойчивость должна иметь место для вицинальных и высокоиндексных поверхностей.

Согласно [24], полная энергия гетерофазной системы равна

В это выражение, помимо трех вкладов, имеющихся в энергии фасетированной поверхности одного материала, входит энергия границы раздела. Сравнение энергий для нескольких различных типов гетероэпитаксиальных структур, дает следующее заключение.

Выбор между двумя возможными режимами роста определяется тем, смачивает ли осаждаемый материал 2 фасетированную подложку 1 или не смачивает. В случае смачивания возникает однородное покрытие периодически фасетированной подложки (рис. 2 ,а). Примером служит AlAs, осажденный на периодически фасетированную вицинальную поверхность GaAs(001), разориентированную на 3° в направлении [110] [25].

Если осаждаемый материал не смачивает подложку, то изолированные кластеры осаждаемого материала образуются в "канавках" периодически фасетированной поверхности (рис. 2, b). Такая ситуация реализуется при осаждении GaAs на вицинальную поверхность AlAs(00l), разориентированную на 3° в направлении [110] [25,26], а также при осаждении GaAs/AlAs(311) и AlAs/GaAs(311). Экспериментальные работы на системе GaAs/AlAs(311) [27,28] показали возможность прямого получения изолированных кластеров GaAs на AlAs и последующего образования квантовых проволок при заращивании структуры.

В случае неоднородного кластерного покрытия периодическое фасетирование поверхности восстанавливается после осаждения нескольких монослоев. Тогда "холмы" на поверхности осаждаемого материала образуются над "канавками" подложки и наоборот, и возникает непрерывный слой с модуляцией толщины (рис. 2, d). Таким образом, формирование кластеров при гетероэпитаксиальном росте дает возможность прямого получения изолированных квантовых проволок, сверхрешеток квантовых проволок, квантовых ям с модулированной толщиной. Так, периодическая модуляция толщины квантовой ямы наблюдалась методом просвечивающей электронной микроскопии для ямы GaAs в матрице AlAs при средней ориентации границы (775) [29], период модуляции составлял 12нм, а амплитуда модуляции - 1,2нм.

В гетероэпитаксиальной рассогласованной системе для случая, когда поверхность материала пленки неустойчива относительно фасетирования, имеются два источника деформаций: во-первых, рассогласование по постоянной решетки между пленкой и подложкой, и, во – вторых, скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах [30,31]. Найдена зависимость периода фасетирования от величины рассогласования. Было показано, что при увеличении величины рассогласования сначала период фасетирования растет, а затем исчезает возможность равновесного фасетирования.