Кинетика и механизмы формирования нановискеров в системах si-au, ge-au (моделирование)
На правах рукописи
Настовьяк Алла Георгиевна
Кинетика и механизмы формирования нановискеров в системах Si-Au, Ge-Au (моделирование)
01.04.10 «Физика полупроводников»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Новосибирск – 2010
Работа выполнена в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник
Шварц Наталия Львовна.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
старший научный сотрудник Мороков Юрий Николаевич
кандидат физико-математических наук
старший научный сотрудник
Соколов Леонид Валентинович
Ведущая организация: Санкт-Петербургский академический университет
Защита состоится 21 декабря 2010 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Институте физики полупроводников СО РАН по адресу:
630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.
Автореферат разослан « »
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физико-математических наук, доцент А.Г. Погосов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В последнее время в микро- и наноэлектронике находят применения вертикальные нанопроволоки или нановискеры (НВ) – нанокристаллы с отношением длина/диаметр 10 и более. Рост таких нитевидных кристаллов возможен на основе широкого круга материалов: металлов, керамик, полупроводников [1]. Полупроводниковые НВ обладают уникальными электронными и оптическими свойствами [2-3], что делает возможным применение нановискеров в современных микро- и оптоэлектронных приборах [4-5]. На основе вертикальных нитевидных кристаллов созданы полевые транзисторы [6-7]. Отдельные вертикальные Si нанокристаллы применяются как зонды для атомно-силовой микроскопии, а регулярные ансамбли вискеров используются в качестве полевых острийных эмиттеров электронов и ионов [8]. Вертикальные нанопроволоки на основе A3B5 перспективны с точки зрения получения люминесценции в видимом и инфракрасном диапазоне. Одной из перспектив применения НВ является их использование в качестве химических и биологических сенсоров [9-10]. Особый интерес представляют кремниевые и германий-кремниевые нановискеры в связи с возможностью создания наноэлектронных приборов на их основе, совместимых с традиционной кремниевой технологией. Использование гетероструктур кремний - германий позволяет улучшить приборные характеристики. Так, на германиевых вискерах, покрытых кремниевой оболочкой, можно создавать вертикальные транзисторы с более высокой подвижностью, а вискеры с аксиальной гетероструктурой Si-Ge пригодны для создания туннельных приборов. Si и Ge образуют непрерывный ряд твердых растворов замещения Si1-xGex, что позволяет менять физические свойства материала.
Для выращивания полупроводниковых нановискеров применяют различные методики: газофазную эпитаксию из металл-органических соединений [11], химическое осаждение из газовой фазы (CVD) [12], молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ) [13], метод магнетронного осаждения [14], газофазную МЛЭ [15], лазерную абляцию [16].
В зависимости от условий роста и используемых материалов НВ имеют различную морфологию: могут расти прямыми или искривленными, быть полыми, иметь ответвления [17-19]. Практический интерес представляют упорядоченные массивы прямых НВ с малым разбросом по размерам и полые НВ. Полые НВ обладают меньшей массой и большей площадью поверхности по сравнению со сплошными, что повышает их чувствительность как сенсоров массы [20]. Так как морфология может влиять на электронно-оптические и механические свойства НВ, то процессы роста интенсивно исследуются как экспериментально, так и теоретически. Электронно-оптические и структурные свойства рассчитываются методами ab initio [3, 21], а для изучения кинетики роста используется аналитическое описание [22]. Получение вискеров с заданной морфологией является сложной экспериментальной задачей, решение которой может облегчить моделирование.
Важным этапом создания электронных приборов на основе НВ является формирование p-n переходов и гетеропереходов. Создание аксиальных p-n переходов и гетеропереходов в НВ не требует дополнительных технологических операций в отличие от планарных структур, так как гетеропереходы формируются непосредственно в процессе роста. Однако, как отмечалось в [23], при этом не удается получить атомарно узкий гетеропереход.
Одним из наиболее подходящих методов для выяснения кинетики и деталей роста НВ является моделирование методом Монте-Карло (МК), позволяющее исследовать кинетические атомарные процессы в сложных физико-химических системах с размерами, сопоставимыми с реальными размерами нанообъектов. Монте-Карло моделирование дает информацию не только о кинетике ростового процесса, но и морфологии ростовой поверхности, и позволяет учесть пространственно-временные флуктуации, часто существенные для кинетики рассматриваемого процесса.
Целью данной работы является изучение на атомно-молекулярном уровне процесса диффузии, химических превращений и морфологических преобразований поверхности при росте Si и Ge нановискеров в процессах газофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности Si(111), активированной Au.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- Реализована атомарная кинетическая Монте-Карло модель МЛЭ и CVD роста Si НВ на поверхности Si(111), активированной Au.
- С помощью этой модели исследовано влияние условий роста и параметров физико-химической системы на морфологию нановискеров.
- Исследован процесс формирования аксиальных гетеропереходов в НВ.
Научная новизна работы
Разработана Монте-Карло модель роста ННК. С ее помощью изучено влияние ростовых условий и физико-химических свойств пары катализатор-полупроводник на морфологию растущих вискеров. Исследованы характеристики аксиальных гетеропереходов в зависимости от условий роста и параметров капли катализатора.
- Впервые реализована атомарная кинетическая Монте-Карло модель роста нитевидных нанокристаллов кремния на поверхности Si(111), активированной золотом. В основу модели положен механизм роста пар-жидкость-кристалл.
- Впервые показано, что при достаточно большом контактном угле между каплей и вискером и существенном потоке атомов, встраивающихся вдоль тройной линии пар-жидкость-кристалл, возможно формирование полых вискеров. Определены области модельных ростовых условий, соответствующих росту НВ и нанотрубок.
- Впервые найдено, что резкость аксиальных гетеропереходов зависит от типа ростового процесса. Показано, что при CVD росте, в отличие от МЛЭ, при уменьшении диаметра НВ увеличивается резкость ГП.
Практическая ценность:
Полученные данные могут быть использованы для оптимизации процесса роста нановискеров заданной морфологии и формирования резких гетеропереходов в нановискерах.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Реализованная атомарная кинетическая Монте-Карло модель роста нитевидных нанокристаллов кремния на поверхности Si(111), активированной золотом, пригодна для изучения процессов формирования нановискеров по механизму пар-жидкость-кристалл.
2. На основе анализа результатов моделирования роста НВ при различных параметрах смачивания материала вискера веществом катализатора предложен атомарный механизм формирования вискеров с полостью. Определены области модельных ростовых условий, соответствующих росту НВ и нанотрубок.
3. При исследовании формирования гетеропереходов в НВ найдено, что резкость переходов зависит от радиуса нановискера: в адсорбционном режиме роста, характерном для CVD процесса, с увеличением диаметра резкость падает, а в диффузионном, характерном для МЛЭ роста, растет.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в обосновании задач исследований и определении способов их решения, в постановке и проведении вычислительных экспериментов и анализе полученных результатов.
Апробация работы и публикации:
Результаты диссертационной работы были представлены на 14 Российских и международных конференциях, в том числе: Восьмая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006), 15th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (Novosibirsk, Russia, 2007), 1-й Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» ММПСН-2008 (Москва, 2008), 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008 (Erlagol, Russia, 2008), 10 всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2008), 16th international symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Minsk, Belarus Republic, 2009), II Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях", ММПСН-2009 (Москва, 2009), 10th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM-2009 (Erlagol, Russia, 2009), the XIII International Autumn Meeting on Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology GADEST 2009 (Germany, 2009), 9-я Российская конференция по физике полупроводников (Новосибирск-Томск, 2009), IUPAC 5th International Symposium on Novel Materials and their Synthesis (NMS-V) & 19th International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers (Shanghai, China, 2009), 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St.Petersburg, Russia, 2010), 11-ой Международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2010 (Erlagol, Russia, 2010), 30th International Conference on the Physics of Semiconductors ICPS (Seoul, Korea, 2010).
Основные результаты опубликованы в 5 статьях в центральных отечественных и зарубежных журналах и в 15 трудах и тезисах Российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Объем работы составляет 114 страниц. Работа содержит 37 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные цели и задачи, описана структура дальнейшего изложения материала.
В первой главе представлен литературный обзор современных работ, посвященных процессам формирования нитевидных нанокристаллов.
Традиционно нановискеры выращивают из каталитических капель-затравок по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) [1]. На подложку, активированную каплями катализатора, осаждается полупроводниковый материал. Рост происходит за счет пересыщения капель поступающим из потока веществом с последующей кристаллизацией на границе раздела. Рост НВ возможен на основе широкого круга материалов и при использовании различных веществ в качестве затравки (Au [1, 12, 13], Ti [24], Fe [25], Cu [26], Zn [27]). Плотность ансамбля вискеров и их распределение по размерам в заданной системе материалов во многом определяется начальным распределением капель-катализаторов по размерам, которое в свою очередь зависит от метода нанесения вещества-катализатора на поверхность. Современные методики роста позволяют получать НВ в достаточно широком диапазоне диаметров 3-200 нм. Причем НВ, выращенные в CVD процессе, имеют большее отношение длина/диаметр по сравнению с МЛЭ. Скорость роста нановискеров и их морфология во многом определяются условиями ростового процесса (температурой и скоростью осаждения). При некоторых условиях наблюдалось формирование полых НВ по механизму ПЖК (например, рост трубок InP, активированный Au [19]). Причины роста трубок детально не изучены и требуют дальнейшего исследования.
Важной характеристикой процесса является скорость роста кристалла. Экспериментальные исследования показали, что скорость роста нановискеров зависит от их латерального размера: при CVD процессе скорость роста тем больше, чем больше диаметр кристалла и существует минимальный размер капли-затравки, при котором скорость роста обращается в нуль [1, 12]. Для роста методом МЛЭ и магнетронного распыления найдена обратная зависимость скорости роста нитевидных кристаллов от диаметра [13, 14]. Наблюдалась также независимость скорости роста НВ методом CVD от диаметра кристалла [28]. Выделяют два основных режима роста НВ: 1) диффузионный и 2) адсорбционный. В диффузионном режиме рост НВ происходит за счет диффузионного потока вещества с подложки, а в адсорбционном – за счет непосредственной адсорбции на поверхность капли. Обобщение теорий для адсорбционного и диффузионного роста НВ методом МЛЭ с учетом характера зарождения на границе раздела жидкость-кристалл было сделано в работе [29]. Было показано, что в зависимости от размеров капель-затравок и условий проведения эксперимента может реализовываться либо диффузионно- либо адсорбционно-стимулированный рост. В диапазоне малых диаметров капель рост носит диффузионно-стимулированный характер, а при увеличении размера капель вклад атомов, поступающих на каплю сверху, возрастает и постепенно происходит переход к адсорбционному росту. В [22] получены аналитические выражения для скорости роста в различных режимах. Монте-Карло моделирование процесса роста НВ позволит отдельно исследовать вклад диффузионной и адсорбционной компоненты в рост и выявить их роль.
Одним из этапов при создании электронных приборов на основе НВ является формирование гетеропереходов. При этом не удается получить атомарно узкий гетеропереход Ge-Si [30], что связано с принципиальными ограничениями механизма роста ПЖК. В теоретической работе [31] были получены аналитические зависимости ширины ГП от диаметра нановискера, не учитывающие, однако, зависимость скорости роста НВ от диаметра.
Во второй главе описана кинетическая Монте-Карло модель роста НВ по механизму пар-жидкость-кристалл. В модель заложены основные стадии процесса ПЖК: растворение полупроводникового материала в капле катализатора с образованием эвтектического расплава, диффузия полупроводникового материала в капле и кристаллизация на границе раздела капля-подложка.
Моделирование проводилось для полупроводника с алмазоподобной кристаллической решеткой. В качестве исходного модельного слоя рассматривалась подложка с ориентацией (111), активированная каплей катализатора. Модельная подложка представляла собой полубесконечный кристалл в направлении Z, а для направлений X, Y выполнялись циклические граничные условия. Рост НВ осуществлялся за счет поступления в систему полупроводникового материала. Частицы внешнего потока осаждались в атомарном или молекулярном виде либо перпендикулярно подложке, либо под случайными углами. Вещество попадало на каплю-катализатор непосредственно из потока и за счет диффузионного сбора с подложки. Рост НВ осуществлялся за счет: (1) растворения полупроводникового материала в капле с последующей кристаллизацией на границе раздела капля-вискер (классический механизм ПЖК); (2) встраивания атомов вдоль тройной линии ПЖК (механизм встраивания).
В решеточной модели перенос атомов полупроводникового материала в жидкой капле осуществлялся в виде обменной диффузии с помощью реакции: A+BB+A, где A – атом полупроводникового материала, B – атом вещества катализатора. Необходимость имитации обменной диффузии с помощью химической реакции обусловлена тем, что в решеточной модели диффузионные скачки атомов возможны только по свободным узлам кристаллической решетки, которые отсутствуют в объеме капли. Энергия активации обменной диффузии ERi зависела от окружения атомов A и B. В целом схема процесса роста НВ выглядела следующим образом. Атомы кремния (из поверхностного слоя подложки или поступающие из потока), Si(s), растворялись в капле золота: Si(s)+AuSi(liq)+Au, где Si(s) и Si(liq) – кремний в твердой и жидкой фазах, соответственно. Диффузия кремния в капле имитировалась с помощью реакции Si(liq)+AuSi(liq)+Au. Кристаллизация кремния Si(liq) происходила только при контакте с кристаллической фазой кремния: Si(liq)+Si(s)Si(s)+Si(s).
Были проведены вычислительные эксперименты, подтверждающие адекватность предложенной Монте-Карло модели. Получены зависимости состава капли катализатора при росте и отжиге от температуры, диаметра капли и интенсивности ростового потока. Концентрация полупроводникового материала в капле возрастает с увеличением температуры и количественно соответствует фазовым диаграммам для системы Si-Au. Увеличение стационарной концентрации кремния в капле с уменьшением диаметра свидетельствует о наличии эффекта Гиббса-Томсона в системе.
Рис. 1. а - эффект Оствальдовского созревания капель катализатора; длительность процесса осаждения t, с: 1 – 0, 2 – 3, 3 – 110 (размер поверхности 10050 атомных мест; диаметры капель 3,0 и 4,2 нм; T=800 K; F=0.05 МС/с); б – ветвление НВ из-за миграции капли с вершины на боковую грань и (в) распада капли при малом поверхностном натяжении.
Найдено, что концентрация полупроводникового материала в капле осциллирует во времени около некоторого среднего значения. Это связано с необходимостью создания пересыщения для начала нуклеации нового слоя на границе раздела капля-вискер. Среднее значение концентрации – это та неравновесная концентрация, которая устанавливается в капле данного диаметра при заданных ростовых условиях, а максимальное значение соответствует пересыщению, необходимому для начала кристаллизации.
В модельной системе воспроизводился ряд явлений, наблюдаемых экспериментально: перетекание маленьких капель золота в большие, захват золота растущим кремниевым кристаллом, уход капли с вершины вискера, ветвление НВ, фасетирование боковой поверхности вискера (Рис.1).
Таким образом, показано, что предложенная Монте-Карло модель пригодна для изучения процессов формирования нановискеров по механизму ПЖК. Диаметр капель варьировался в диапазоне d=3.6-12 нм. Диапазон температур T=740-860 K и потоков F=0.01-0.055 монослоев в секунду (МС/с).
В третьей главе представлены результаты моделирования роста НВ в различных режимах.
Было проведено сравнение морфологии НВ, полученных в режиме CVD и МЛЭ роста. При моделировании эти режимы отличались типом осаждаемых частиц (атомарный и молекулярный поток) и углом их падения. При фиксированном угле падения, характерном для МЛЭ роста, осаждаемое вещество, собираясь с подложки, достигает капли, диффундируя вдоль всей длины вискера. А при случайном угле падения, имитирующем давление газа в процессе CVD, часть частиц осаждается непосредственно на боковые стенки вискера, оказываясь ближе к вершине. В этом случае меньшая доля частиц встраивается в изломы на боковых стенках. Это является одной из причин меньшей длины и большей толщины вискеров при МЛЭ росте по сравнению с CVD.
Рост нитевидных кристаллов может идти за счет двух механизмов: за счет диффузии кремния через затравку с последующей кристаллизацией на границе раздела капля-вискер и за счет встраивания Si вдоль тройной линии ПЖК. Механизм роста определяется физико-химической природой материалов вискера и катализатора. Проведенные исследования показали, что оптимальным с точки зрения скорости роста и вертикальности кристаллов является сочетание обоих путей встраивания Si под каплю: вдоль тройной линии ПЖК и за счет диффузии через объем капли.
Качество границы раздела капля-вискер и характер зарождения каждого нового слоя вискера могут определять дальнейшую морфологию растущего НВ. Исследована зависимость распределения зародышей нового слоя полупроводникового материала на границе раздела от вклада диффузионной компоненты в процесс роста НВ. При малой диффузионной составляющей зародыши распределены случайным образом. Увеличение диффузионной составляющей приводит к повышению концентрации зародышей вдоль периметра границы раздела (Рис.2а). Такое распределение зародышей ожидается при МЛЭ росте.
Рис.2 а) Сечение границы раздела капля-вискер при малой (1) и большой (2) диффузионной составляющей роста; б) сечение фрагмента НВ с каплей катализатора на вершине при CVD (1) и МЛЭ (2) росте.
Форма границы раздела зависит от типа ростового процесса: чашеобразная форма, характерная для МЛЭ, определяется большой диффузионной составляющей роста, а плоская граница раздела соответствует адсорбционному росту, характерному для CVD (Рис.2б). Таким образом, на основе формы границы раздела между НВ и каплей катализатора можно сделать предположение о механизмах роста.
Параметры смачивания материала вискера веществом катализатора существенным образом влияют на морфологию НВ. Показано, что при определенном выборе материалов катализатора и подложки возможен рост полых нановискеров. Это возможно при большом контактном угле между каплей и вискером и существенном потоке атомов, встраивающихся вдоль тройной линии ПЖК. В этом случае вдоль тройной линии формируется кольцо, которое препятствует дальнейшему попаданию вещества под каплю и способствует формированию полости. Так как условия встраивания меняются при изменении внешних условий, то было проведено исследование морфологии НВ в зависимости от температуры и потока поступающего вещества. Найдены области ростовых условий, соответствующие формированию нанотрубок (Рис.3).
Рис.3. Формирование нановискеров с различной морфологией. Условия роста НВ с разной морфологией в координатах T-F (d=4.8 нм): 1 –рост отсутствует; 2 –сплошные НВ; 3 – НВ с мелкими полостями; 4 – нанотрубки; 5 – рост отсутствует. Темно-серым цветом обозначено вещество катализатора, светло-серым – материал вискера.
Исследовались зависимости скорости роста НВ от размеров капли катализатора, температуры и скорости осаждения. Получены модельные зависимости скорости роста нановискеров от радиуса. В диффузионном режиме скорость роста пропорциональна 1/R2, если рост осуществляется по механизму ПЖК, или ~1/R, если основным вкладом в рост является встраивание вещества вдоль тройной линии ПЖК. В адсорбционном режиме скорость роста не зависит от радиуса и определяется только внешним потоком. Анализ зависимости скорости роста от диметра НВ позволяет судить о механизмах роста вискеров.
Из температурной зависимости скорости роста оценена энергия активации процесса: при низких температурах Ea оказалась чувствительна к изменению растворимости полупроводникового материала в капле катализатора, при высоких температурах – к изменению диффузии вдоль подложки и боковых стенок НВ. В низкотемпературной области величина энергии активации равна 0.5 эВ, а в высокотемпературной ~1 эВ. Энергия активации низкотемпературной области близка к экспериментально найденному значению (0.53±0.02 эВ) [28].
В четвертой главе представлены результаты моделирования формирования гетеропереходов Si-Ge в нановискерах. Рассмотрена зависимость состава и резкости аксиального гетероперехода от соотношения потоков, длительностей осаждения германия и кремния и диаметра НВ. Рост кремниевого и германиевого фрагментов вискера производился за счет попеременного включения потоков атомарного Si и Ge (FSi и FGe, соответственно). Условия роста были выбраны в соответствии с экспериментальной работой [30].
Вид модельного вискера с аксиальными гетеропереходами приведен на Рис. 4а. При росте кремниевого НВ в него последовательно было внедрено три тонких слоя Ge. На Рис. 4б приведен профиль концентрации германия вдоль НВ. Граница раздела между Si и фрагментами Ge получается нерезкой, а внедренные слои имеют состав GexSi1-x. Найдено, что состав гетероструктур GexSi1-x зависит от соотношения потоков и длительностей осаждения германия и кремния. Исследовалась кинетика изменения состава капли катализатора при переключении потоков (Рис.5). Скорость изменения состава капли оказалась зависящей от ее диаметра. Зависимость состава слоя
Рис.4. а – Si нановискер с тремя аксиальными слоями Ge (Si обозначен светло-серым, а Ge – темно-серым цветом): FSi=0.05 МС/с, FGe=0.01 МС/с, T=800 K, d=6 нм, длительность осаждения слоев Ge tGe1=20 c, tGe2=40 c, tGe3=60 c; b – профиль концентрации Ge вдоль линии А-А, x – доля Ge в слое GexSi1-x.
GexSi1-x от длительности осаждения германия связана с постепенным изменением состава капли при переключении потока (эффект остаточной концентрации).
Рис.5 Изменение концентрации кремния в жидкой фазе Si(liq) (a) и германия в жидкой фазе Ge(liq) (б) в капле со временем для различных диаметров d0 и длительностей включения германиевого источника : 1- d0 =6 нм, 2- d0 =12 нм; 1 – 20 с (сплошные значки), 2 - 100 с (незаштрихованные значки). Стрелками обозначены моменты переключения потоков.
Изучалось влияние различных факторов на ширину ГП. Ширину ГП можно выразить как: =v·tst, где v – скорость роста НВ, tst – время, необходимое для полного замещения Si на Ge в капле катализатора. В общем случае и v, и·tst зависят от диаметра капли катализатора d. Моделирование показало, что tst прямо пропорционально диаметру. С учетом различной функциональной зависимости скорости роста от диаметра в разных режимах роста была получена зависимость резкости ГП от диаметра НВ. Показано, что в адсорбционном режиме роста, характерном для CVD процесса, с увеличением диаметра резкость падает, а в диффузионном, характерном для МЛЭ роста, - растет (Рис.6). Увеличение ширины ГП с увеличением диаметра НВ наблюдалось экспериментально при CVD росте. Невозможность увеличить резкость ГП за счет уменьшения диаметра вискера является теоретическим предсказанием для МЛЭ роста.
Рис. 6 Зависимость резкости гетероперехода от диаметра НВ в адсорбционном (a) и диффузионном (б) режимах роста. На врезках показаны схемы адсорбционного и диффузионного роста (a) и (б) соответственно.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Реализована атомарная кинетическая Монте-Карло модель роста нитевидных нанокристаллов на поверхности Si(111), активированной золотом. В модель заложено растворение вещества в капле катализатора с последующим выделением Si на границе раздела капля/вискер. Рассмотрен рост при наличии и отсутствии диффузионного потока вещества с подложки к затравке. В модельной системе найден ряд эффектов, наблюдаемых экспериментально: формирование капель эвтектического состава при отжиге Si подложки, покрытой золотом, рост вискеров в потоке полупроводникового материала, фасетирование вискеров, уход капли с вершины кристалла, ветвление, диффузионное перетекание маленьких капель золота в большие, захват золота растущим кристаллом.
- Исследовано влияние смачиваемости подложки веществом затравки на характер роста по механизму ПЖК. Найдено, что параметры смачивания существенным образом влияют на морфологию растущих вискеров. Определен диапазон модельных параметров системы, позволяющих добиться роста вертикальных и длинных нитевидных кристаллов. Найдено, что для получения тонких вискеров с оптимальной морфологией, неискривленных и однородных по толщине, необходим правильный выбор катализатора роста: контактный угол между каплей и вискером должен быть достаточно большим. В такой физико-химической системе возможно формирование полых вискеров. Предложен атомарный механизм формирования вискеров с полостью. Определены области модельных ростовых условий, соответствующих росту НВ и нанотрубок.
- Получены зависимости скорости роста НВ от температуры, скорости осаждения и типа потока (МЛЭ, CVD). С увеличением скорости осаждения увеличивается как вертикальная, так и латеральная скорость роста. Из температурной зависимости скорости роста оценена энергия активации процесса роста нановискеров: при низких температурах Ea чувствительна к изменению растворимости полупроводникового материала в капле катализатора, при высоких температурах – к изменению диффузии вдоль подложки и боковых стенок НВ. В низкотемпературной области величина энергии активации равна 0.5 эВ, что близко к экспериментально найденному значению (0.53±0.02 эВ).
- Исследованы зависимости скорости роста нановискеров от диаметра в различных режимах роста. В диффузионном режиме скорость роста убывает при увеличении радиуса пропорционально 1/R2, если рост осуществляется по механизму ПЖК, или ~1/R, если основным вкладом в рост является встраивание вещества вдоль тройной линии пар-жидкость-кристалл. В адсорбционном режиме скорость роста не зависит от радиуса и определяется только внешним потоком.
- Исследован процесс формирования гетероструктур Si-Ge на основе нановискеров, выращенных по механизму пар-жидкость-кристалл. Найдено, что при росте аксиальных гетеропереходов невозможно получить атомарно гладкую гетерограницу Si-Ge, что связано с постепенным изменением состава капли катализатора при переключении потоков. Исследована зависимость состава переходного слоя GexSi1-x от соотношения потоков и длительностей осаждения германия и кремния. Найдено, что ширина аксиальных гетеропереходов Si-Ge зависит от диаметра НВ. В адсорбционном режиме роста она линейно зависит от диаметра, а в диффузионном ширина ГП убывает с увеличением диаметра. Это означает, что при уменьшении толщины нановискера резкие гетеропереходы в системе Ge-Si можно получить только при СVD росте, когда не существенна диффузионная составляющая роста.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах
- Настовьяк А. Г. Исследование механизмов роста нитевидных нанокристаллов методом Монте-Карло моделирования / А. Г. Настовьяк, Н. Л. Шварц // Восьмая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. - 4-8 декабря 2006. - Санкт-Петербург. - С. 74.
- Nastovjak A. G. Monte Carlo simulation of silicon nanowhiskers growth / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz, Z.Sh.Yanovitskaja, A.V.Zverev // 15th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology". - June 25-29, 2007. - Novosibirsk, Russia. P. 179-180.
- Настовьяк А. Г. Монте-Карло модель роста нитевидных кристаллов / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц, З. Ш. Яновицкая // I Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях». Сборник тезисов докладов. 2008. - Москва, МИФИ. С. 224-225.
- Nastovjak A. G. Effect of substrate-drop parameters on nanowhiskers morphology / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz, E. S. Sheremet, Z. Sh. Yanovitskaja // Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008. July 1-5, 2008. - Erlagol, Altai. P. 41-44.
- Настовьяк А. Г. Монте-Карло моделирование роста кремниевых нановискеров на основе механизма пар-жидкость-кристалл / А. Г. Настовьяк, Н. Л. Шварц // Тезисы докладов X всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. - 1-5 декабря 2008 г. - Санкт-Петербург. - C. 35.
- Настовьяк А. Г. Исследование особенностей роста кремниевых нановискеров методом Монте-Карло моделирования / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц // Электроника Сибири. – 2008. - №3. C. 12-14.
- Настовьяк А. Г. Особенности реализации процесса кристаллизации при Монте-Карло моделировании роста нановискеров / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, С. В. Усенков, Н. Л. Шварц // Тезисы докладов II Всероссийской конференции "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов. - 27-28 мая 2009. Москва. - С. 294-295.
- Настовьяк А. Г. Механизмы формирования нановискеров: Монте-Карло моделирование / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц, Е. С. Шеремет // Автометрия. – 2009. - Т. 45, №4. - С. 72-79.
- Nastovjak A. G. Monte Carlo simulation of growth condition effect on nanowhisker characteristics Si Au drop / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Proceedings of the 16th international symposium "Nanostructures: Physics and Technology". June 22-26, 2009. - Minsk, Belarus Republic. - P.157-158.
- Sheremet E. S. Examination of nanotube growth conditions by Monte Carlo simulation / E. S. Sheremet, A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Proceedings of 10th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2009. - July 1-6, 2009. - Erlagol, Altai. - P. 80-82.
- Настовьяк А. Г. Влияние условий роста на морфологию нановискеров (Монте-Карло моделирование) / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц // 9-я Российская конференция по физике полупроводников. Cборник тезисов. 28.09-3.10 2009 г. - Новосибирск-Томск. C. 53.
- Nastovjak A. G. Examination of nanowhisker growth mechanisms by Monte Carlo simulation / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Abstract of IUPAC 5th International Symposium on Novel Materials and their Synthesis (NMS-V) & 19th International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers. 18-24 October, 2009. - Shanghai, China. - P.109.
- Настовьяк А. Г. Особенности реализации процесса кристаллизации при Монте-Карло моделировании роста нановискеров / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, С. В. Усенков, Н. Л. Шварц // Известия ВУЗов (Физика). – 2009. - Вып. 11. С.52-57.
- Настовьяк А. Г. Моделирование роста нановискеров методом Монте-Карло / А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц, З. Ш. Яновицкая // ФТП. – 2010. - Т.44, Вып.1. С. 130-135.
- Nastovjak A. G. Monte Carlo simulation of Si-Ge nanowhisker growth / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Proceedings of the 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". - June 21-26, 2010. - St.Petersburg, Russia. - P.179-180.
- Nastovjak A. G. Effect of growth conditions and catalyst material on nanowhisker morphology: Monte Carlo simulation / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Solid State Phenomena. – 2010. - Vols. 156-158. - P. 235-240.
- Nastovjak A. G. Abruptness of axial Si-Ge heterojunctions in nanowires / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Proceedings of 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2010. June 30 - July 4, 2010. - Erlagol, Altai. - P. 55-58.
- Nastovjak A. G. Peculiarities of vapor-liquid-solid process realization in Monte Carlo model of nanowhisker growth / A. G. Nastovjak, N. L. Shwartz, Y. V. Titovskaya // Proceedings of 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2010. - June 30 - July 4, 2010. - Erlagol, Altai. - P. 64-67.
- Nastovjak A. G. Examination of Si-Ge heterostructure nanowire growth using Monte Carlo simulation / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Abstract book of the 30th International Conference on the Physics of Semiconductors. ICPS-30", Coex, Seoul, Korea. - July 25-30, 2010. - P.709.
- Nastovjak A. G. Possibilities of Monte Carlo simulation for examination of nanowhisker growth / A. G. Nastovjak, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz // Pure Appl. Chem. – 2010. - Vol. 82, N 11. - P. 2017-2025.
Список цитируемой литературы:
- Гиваргизов Е. И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара / Е. И. Гиваргизов. - Москва : Наука, 1977. - 304 стр.
- Persson M. P. Electronic structure of nanometer-scale GaAs whiskers / M. P. Persson, H. Q. Xu // APL. - 2002. - Vol. 81, N 7. - P. 1309-1311.
- Zhao X. Quantum connement and electronic properties of silicon nanowires / X. Zhao, C. M. Wei, L. Yang, M. Y. Chou // PRL. - 2004. - Vol. 92. - P. 236805-1-4.
- Bjork M. T. Nanowire resonant tunneling diodes / M. T. Bjork, B. J. Ohlsson, C. Thelander, A. I. Persson, K. Deppert, L. R. Wallenberg, L. Samuelson // APL. – 2002. - Vol. 81, N 23. - P. 4458-4460.
- De Franceschi S. Single-electron tunneling in InP nanowires / S. De Franceschi, J. A. van Dam, E. P. A. M. Bakkers, L. F. Feiner, L. Gurevich, L. P. Kouwenhoven // APL. - 2003. - Vol. 83, N 2. - P. 344-346.
- Goldberger J. Silicon vertically integrated nanowire field effect transistors / J. Goldberger, A. I. Hochbaum, R. Fan, P. Yang // Nano Lett. – 2006. - Vol. 6, N 5. - P. 973-977.
- Bryllert T. Vertical high-mobility wrap-gated InAs nanowire transistor / T. Bryllert, L. Wernersson, L.E. Froberg, L. Samuelson // IEEE Electron Device Letters. – 2006. - Vol. 27, N 5. - P. 323-325.
- Гиваргизов Е. И. Управляемый рост нитевидных кристаллов и создание монокристаллических вискерных зондов / Е. И. Гиваргизов // Кристаллография. - 2006. - Т. 51, №5. – C. 947-953.
- Patolsky F. Nanowire-based nanoelectronic devices in the life sciences / F. Patolsky, B. P. Timko, G. Zheng, Ch. M. Lieber // MRS bulletin. - 2007. - Vol. 32. - P. 142-149.
- Koto M. Vertical germanium nanowire arrays in microfluidic channels for charged molecule detection / M. Koto, P. W. Leu, P. C. McIntyre // J. Electrochem. Soc. - 2009. – Vol. 156, N 2. - P. K11-K16.
- Dick K. A. Failure of the vapor-liquid-solid mechanism in Au-assisted MOVPE growth of InAs nanowires / K. A. Dick, K. Deppert, T. Martensson, B. Mandl, L. Samuelson, W. Seifert // Nano Lett. - 2005. - Vol. 5, N 4. – P. 761-764.
- Kikkawa J. Growth rate of silicon nanowires / J. Kikkawa, Y. Ohno, S. Takeda // APL. - 2005. - Vol. 86. - P. 123109-1-3.
- Zakharov N. Growth of Si whiskers by MBE: Mechanism and peculiarities / N. Zakharov, P. Werner, L. Sokolov, U. Gosele // Physica E. – 2007. - Vol. 37, Is. 1-2. - P. 148-152.
- Сошников И. П. Формирование массивов GaAs нитевидных нанокристаллов на подложке Si (111) методом магнетронного осаждения / И. П. Сошников, В. Г. Дубровский, Н. В. Сибирев, В. Т. Барченко, А. В. Веретеха, Г. Э. Цырлин, В. М. Устинов // Письма в ЖТФ. – 2006. - Т. 32, Вып. 12. С. 28-33.
- Plante M. C. Growth mechanisms of GaAs nanowires by gas source molecular beam epitaxy / M. C. Plante, R. R. LaPierre // J. Cryst. Growth. – 2006. - Vol. 286. - P. 394-399.
- Wang K. Morphology of Si nanowires fabricated by laser ablation using gold catalysts / K.Wang, S.Y. Chung, D. Kim // Appl. Phys. A. – 2004. – Vol. 79. - P. 895-897.
- Westwater J. Growth of silicon nanowires via gold/silane vapor-liquid-solid reaction / J. Westwater, D. P. Gosain, S. Tomiya, S. Usui, H. Ruda // J. Vac. Sci. Technol. B. -1997. – Vol. 15, N 3. - P. 554-557.
- Regolin I. Growth and characterisation of GaAs/InGaAs/GaAs nanowhiskers on (111) GaAs // I. Regolin, D. Sudfeld, S. Luttjohann, V. Khorenko, W. Prost, J. Kastner, G. Dumpich, C. Meier, A. Lorke, F.-J. Tegude // J. Cryst. Growth. - 2007. - Vol.298. - P. 607-611.
- Bakkers E. P. A. M. Synthesis of InP nanotubes / E. P. A. M. Bakkers, M. A. Verheijen // J. Am. Chem. Soc. - 2003. – Vol. 125, N 12. - P. 3440-3441.
- Quitoriano N. J. Single-crystal, Si nanotubes, and their mechanical resonant properties / N. J. Quitoriano, M. Belov, S. Evoy, T. I. Kamins // Nano Lett. - 2009. - Vol. 9, N 4. - P. 1511-1516.
- Vo T. First principles simulations of the structural and electronic properties of silicon nanowires / T. Vo, A. J. Williamson, G. Galli // Phys. Rev. B. - 2006. Vol. 74. - P. 045116-1-12.
- Dubrovskii V. G. General form of the dependences of nanowire growth rate on the nanowire radius / V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev // J. Cryst. Growth. - 2007. – Vol. 304. - P. 504-513.
- Clark T. E. Diameter dependent growth rate and interfacial abruptness in vapor-liquid-solid Si/Si1-xGex heterostructure nanowires / T. E. Clark, P. Nimmatoori, K.-K. Lew, L. Pan, J. M. Redwing, E. C. Dickey // Nano Lett. – 2008. - Vol. 8, N 4. - P. 1246-1252.
- Kamins T. I. Ti-catalyzed Si nanowires by chemical vapor deposition: Microscopy and growth mechanisms / T. I. Kamins, R. Stanley Williams, D. P. Basile, T. Hesjedal, J. S. Harris // J. Appl. Phys. – 2001. - Vol. 89, N 2. P. 1008-1016.
- Feng S. Q. The growth mechanism of silicon nanowires and their quantum confinement effect / S. Q. Feng, D. P. Yu, H. Z. Zhang, Z. G. Bai, Y. Ding // J. Cryst. Growth. – 2000. - Vol. 209. P. 513-517.
- Wen C.-Y. Structure, growth kinetics, and ledge flow during vapor-solid-solid growth of copper-catalyzed silicon nanowires / C.-Y. Wen, M. C. Reuter, J. Tersoff, E. A. Stach, F. M. Ross // Nano Lett. – 2010. - Vol. 10. - P. 514-519.
- Chung S. Silicon nanowire devices / S. Chung, J. Yu, J. R. Heath // APL. – 2000. - Vol. 76, N 15. - P. 2068-2070.
- Kodambaka S. Diameter-independent kinetics in the vapor-liquid-solid growth of Si nanowires / S. Kodambaka, J. Tersoff, M. C. Reuter, F. M. Ross // Phys. Rev. Lett. – 2006. - Vol. 96. – P. 096105-1-4.
- Dubrovskii V. G. Theoretical analysis of the vapor-liquid-solid mechanism of nanowire growth during molecular beam epitaxy / V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev, G. E. Cirlin, J. C. Harmand, V. M. Ustinov / Phys. Rev. E. – 2006. - Vol. 73. - P. 021603-1-10.
- Zakharov N. D. Growth phenomena of Si and Si/Ge nanowires on Si(111) by molecular beam epitaxy / N. D. Zakharov, P. Werner, G. Gerth, L. Schubert, L. Sokolov, U. Gosele // J. Cryst. Growth. – 2006. - Vol. 290. - P. 6-10.
- Li N. Tranzition region width of nanowire hetero- and pn-junctions grown using vapor-liquid-solid processes / N. Li, T. Y. Tan, U. Gosele // Appl. Phys. A. – 2008. - Vol. 90. - P. 591-596.
