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Simulazioni e Modellizzazione della deposizione epitassiale di semiconduttori e di nanostrutture

Leo Miglio, Emilio Scalise, Francesco Montalenti

La deposizione di Ge (o di leghe SiGe) su Si comporta l’accadere di molti interessanti fenomeni, causati in prevalenza dall’accumulo di energia elastica, che si ottiene necessariamente quando si cerca di crescere epitassialmente un materiale (Ge) su di un substrato (Si) con un passo reticolare differente. Nel nostro gruppo di ricerca questi fenomeni vengono analizzati, individuando specifici modelli interpretativi basati su simulazioni computazionali.

Per esempio, studiamo la formazione, la stabilità termodinamica, l’evoluzione morfologica ed l’ordinamento di nanostrutture di Ge (isole), frutto del processo di riduzione (rilassamento) della deformazione elastica,  includendo anche il possibile mescolamento (intermixing) con il Si sottostante. Per la comprensione di tali meccanismi è necessario l’utilizzo contemporaneo di diverse metodologie. Se simulazioni atomistiche di Kinetic Monte Carlo e/o modelli nel continuosono necessari per descrivere la cinetica della crescita, aspetti di termodinamica possono essere trattati attraverso l’utilizzo sinergico della teoria del Funzionale Densità, con cui si possono ottenere i valori delle energie superficiali, e delle simulazioni di dinamica molecolare classica o calcoli di teoria dell’elasticità (risolta numericamente tramite metodi agli Elementi Finiti), utilizzati per ottenere valori di energia elastica nel volume considerato.

Simulazioni e Modellizzazione della deposizione epitassiale di semiconduttori e di nanostrutture

Particolare attenzione è anche rivolta alla comprensione del rilassamento plastico (dislocazioni) sia in film piatti di SiGe/Si che in isole SiGe 3D, e della sua competizione con il rilassamento elastico. A tal fine, abbiamo sviluppato una metodologia specifica per la trattazione dei difetti estesi in un approccio di teoria del continuo risolta ad elementi finiti.

Recentemente, la maggior parte della nostra ricerca è stata finalizzata alla progettazione di opportune geometrie di litografia profonda del substrato Si(001), per ottenere matrici di strutture Ge o GaAs ordinate e/o per influenzare la nucleazione delle dislocazioni e confinare tali difetti in posizioni prestabilite. Abbiamo sviluppato programmi di simulazione numerica originali, con particolare riguardo alla evoluzione di dislocazioni, alla crescita cinetica di strutture tridimensionali e ai fenomeni di mescolamento composizionale, che avvengono durante le crescite epitassiali.

Per noi è di massima importanza mantenere stretto nesso con gli esperimenti: lavoriamo in collaborazione costante con molti gruppi internazionali e con i colleghi del Centro Interuniversiario L-NESS. La maggior parte dei risultati più rappresentativi, ottenuti nella nostra attività di ricerca, è stata pubblicata congiuntamente a tali partner, offrendo nello stesso tempo, sia evidenze sperimentali, che interpretazioni teoriche di un dato fenomeno.