Механизмы гетероэпитаксии

В основу современной классификации механизмов гетерогенного образования зародышей и эпитаксии положена величина изменения удельной поверхностной энергии системы ∆σ. Можно записать изменение свободной энергии единицы поверхности раздела подложка – среда с поверхностной энергией σsv при появлении на ней кристаллического слоя и соответственно границ раздела кристалл (зародыш) - среда и подложка - кристалл с поверхностными энергиями σcv и σsc соответственно как: ∆σ =σcv +σsc −σsv. (2)

Изменение удельной поверхностной энергии системы ∆σ можно выразить через удельную свободную энергию адгезии σs. Удельная свободная энергия адгезии представляет собой работу (в расчете на единицу поверхности раздела фаз), которую надо затратить для обратимого изотермического отделения кристалла от подложки. Ее можно выразить через удельные поверхностные энергии поверхностей раздела следующим образом: σs =(σcv +σsv)−σsc. (3)

Будем обозначать удельную свободную энергию поверхности раздела кристалл — среда σ =σcv и, воспользовавшись выражениями (2) и (3), получим изменение удельной поверхностной энергии системы ∆σ: ∆σ =2σ −σs. (4)

Величина ∆σ есть мера того, насколько труднее расщепить кристалл, чем отделить его от подложки. Чем прочнее адгезия кристалла на подложке, тем меньше ∆σ, и тем меньше работа образования зародыша новой фазы. Изменение удельной поверхностной энергии системы ∆σ можно выразить через энергию связи между ближайшими соседями в кристалле εс и энергию адсорбции εs. Если считать, что кристалл и подложка имеют простые кубические решетки с одним и тем же межатомным расстоянием а, то σs =εs/a^2, (5)

σ =εc/2a^2. (6)

Тогда выражение (4) можно записать в виде: ∆σ = 2σ −σs = (εc –εs)/a^2. (7)

Разность εc −εs на начальных стадиях эпитаксиального роста определяет главные характеристики процесса.

В зависимости от знака ∆σ и величины рассогласования параметров решетки нарастающего слоя и подложки различают три основных механизма гетероэпитаксиального выращивания (см. таблицу 1).

Механизмы эпитаксии и их характеристики.

Механизм Франка - Ван дер Мерве характерен для прочной адгезии кристалла на подложке. Энергия связи кристалл – подложка в этом случае больше энергии связи между атомами кристалла, εs>ε1, наблюдается полное смачивание и ∆σ<0. Образование одного или нескольких слоев конденсата на подложке термодинамически выгодно, даже если пар недосыщен, точнее, при условии εc −εs <∆µ <0, (8) где ∆µ – разность химических потенциалов фаз. Работа образования зародышей на подложке невелика.

При нарастании по механизму Франка - Ван дер Мерве межатомные расстояния a в атомных сетках конденсата и подложки, параллельных границе или раздела, оказываются в точности одинаковыми. Другими словами, слой конденсата либо растянут, либо сжат в плоскости подложки. Соответственно в направлении, перпендикулярном этой плоскости, он будет сжат или растянут, причем эта деформация определяется в первом приближении уравнениями теории упругости и величиной коэффициента Пуассона. Если отвлечься от этой последней деформации, то можно сказать, что атомы конденсата укладываются в решетку подложки, надстраивая ее и образуя псевдоморфный слой. Псевдоморфизм – явление упругой деформации нарастающей фазы.

Механизм Фольмера — Вебера характерен для слабой адгезии кристалла на подложке. В этом случае работа образования зародыша на подложке больше, чем при других механизмах роста, и может даже приближаться к работе гомогенного зарождения при нулевой адгезии (σs<<2σ), когда ∆σ≅2σ. Соответственно роль неоднородностей, снижающих барьер зарождения, для механизма Фольмера-Вебера наибольшая. Слабая адгезия ведет также к менее выраженной связи ориентации нарастающей фазы с подложкой, что проявляется в образовании для одной и той же пары кристалл – подложка нескольких эпитаксиальных соотношений, реализующихся в разных условиях осаждения, а также одновременно.

Механизм Странского - Крастанова характерен для одинаковых по структуре, но решеточно-рассогласованных материалов. Он происходит при наличии смачивания подложки (∆σ<0), т.е. для первого (или нескольких) монослоев справедливо условие хорошей адгезии, реализуется двумерный псевдоморфный рост так называемого смачивающего слоя. Однако более толстый слой осажденного материала имеет и большую упругую энергию. При некоторых критических толщинах слоя происходит релаксация упругой энергии путем спонтанного перехода к трехмерному островковому росту. В отношении электронных свойств при соответствующих размерах смачивающий слой представляет собой квантовую яму, а трехмерные островки – квантовые точки.

Если на основании предложенных механизмов эпитаксиального роста попытаться сопоставить гомо- и гетероэпитаксию, то вероятнее при гомоэпитаксиальном наращивании будет работать механизм Франка-ван-дер-Мерве. Конечно, это будет справедливо при очень чистых условиях эксперимента в условиях сверхвысокого вакуума, когда поверхность подложки является однородной, и на ней нет каких-либо загрязнений, которые являются инициаторами трехмерного зародышеобразования.

Таблица 1.