Modelli e simulazioni per la crescita eteroepitassiale di semiconduttori

L’integrazione su silicio di materiali con elevate proprietà ottiche e/o elettroniche è estremamente interessante perché apre la possibilità allo sviluppo di nuovi dispositivi per applicazioni innovative, pur fondandosi sulla tecnologia convenzionale del silicio. Tra questi
possiamo elencare Ge, SiGe, GeSn, SiC e GaAs. La crescita eteroepitassiale di tali materiali risulta dalla competizione tra fenomeni molteplici, principalmente legati alla differenza di passo reticolare (che provoca un accumulo di stress da misfit), alle differenze nei coefficienti di espansione termica (che generano uno stress termico) e a limitazioni cinetiche (crescita fuori equilibrio). In numerose applicazioni, risulta particolarmente critico il controllo della morfologia del materiale che cresce (faccettatura, crescita in direzioni preferenziali, etc.) e la distribuzione di difetti (dislocazioni, difetti di impilamento, etc.), specialmente quando si sfrutta la crescita 3D su substrati patternati.

Poiché le condizioni di crescita appartengono a uno spazio multidimensionale, troppo complesso per essere sondato con procedure trial-and- error, i modelli e le simulazioni sono estremamente utili per guidare gli esperimenti. Il nostro gruppo offre questo genere di suporto
teorico/computazionale, con l’obiettivo di indicare ai colleghi sperimentali le condizioni dicrescita ideali per l’applicazione richiesta. Poiché i problemi legati all’eteroepitassia sono spesso multiscala, utilizziamo approcci differenti ma sinergici, spaziando da simulazioni atomistiche a modelli continui. Nello specifico sfruttiamo calcoli ab-initio (utili per stimare energie di superficie, coefficienti di diffusione, energia di formazione di difetti, etc.), dinamica molecolare classica (moto dei difetti, scorrimento e parzializzazione di dislocazioni, etc. ), dinamica 3D di dislocazioni, simulazioni di crescita basate su modelli phase-field e teoria elastica, sfruttando metodi numerici a elementi finiti. La nostra attenzione è indirizzata verso un’ampia classe di sistemi qualitativamente differenti, come film sottili di semiconduttori, punti quantici, nanofili, membrane verticali e cristalli micrometrici su substrati patternati.

La nostra connessione con gli esperimenti e le applicazioni è molto forte: lavoriamo in strettacollaborazione con molteplici università internazionali e gruppi industriali. La nostra ricerca è finanziata da contratti industriali (SILTRONIC AG, Germania), progetti europei Horizon 2020 (CHALLENGE Industrial Leadership project, dedicato a migliorare la qualità della crescita eteroepitassiale di SiC su Si, µ-Spire FET project che punta allo sviluppo di una nuova piattaforma tecnologica per rivelatore di singolo fotone a effetto valanga) e progetti regionali (TEINVEIN - TEcnologie INnovative per i VEicoli Intelligenti, finanziato dalla Regione Lombarida, in cui si studiano innovativi rilevatori a infrarossi).

Gruppo di ricerca

Prof. Leonida Miglio
Dott. Emilio Scalise
Prof. Francesco Montalenti