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On the theory of surface diffusion in InAs/GaAs(001) heteroepitaxy

Penev, Evgeni Stefanov

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Einblicke in die Oberflächendiffusion in der Heteroepitaxie von InAs auf GaAs(001) auf atomarer Skala zu liefern. Die Methode, die wir benutzt haben, um das Problem der Oberflächendiffusion von In anzugehen, basiert auf der Dichtefunktionaltheorie. Bei der Untersuchung des Wachstums von InAs/GaAs(001) haben wir uns auf die Legierungsbildung konzentriert, die experimentellen Hinweisen zufolge im Anfangsstadium der Ausbildung der Adsorbatschicht stattfindet. Unsere Analyse der Stabilität bestätigt das experimentell vorgeschlagene (2x3) Modell der InGaAs(001)-Oberfläche. Als Resultat wurde ein Diagramm der Oberflächenphasen der Benetzungsschicht erstellt. Desweiteren wurde der Effekt einer mechanischen Verspannung auf die In-Diffusivität auf der reinen GaAs(001)-c(4x4)-Oberfläche untersucht, die oft als Substrat für die Deposition von InAs dient. Unsere Berechnungen ergeben einen maximalen Anstieg der In-Diffusionbarriere von 30 meV bei isotroper Druckspannung. Da unter den relevanten Wachstumsbedingungen dieser Wert von der Größenordnung k_b T ist, ist der Effekt auf den Diffusionskoeffizienten klein.Allerdings führt das Verzerrungsfeld zu einer deutlichen Abhängigkeit der Bindung des Indium-Adatoms entlang des Diffusionspfades. Dies verursacht eine stark repulsive Wechselwirkung zwischen der verspannten Insel und dem Adatom, das zur Insel diffundiert. Diese Wechselwirkung stellt den dominierenden Effekt der Verspannung auf die Adatommigration dar. Schließlich wurde ein einfaches eindimensionales Modell benutzt, um zu zeigen, dass die Diffusion auf verspannten Oberflächen ein Grundprinzip des sich selbst begrenzenden Wachstums verspannter Inseln ist.
The goal of the present work was to provide understanding of surface diffusion in InAs lattice mismatched heteroepitaxy on GaAs(001) on the atomic scale. The method we have employed to pursue the problem of In surface diffusion is based on density-functional theory. In considering the InAs/GaAs(001) growth process itself, we focused on the alloying which was experimentally found to occur in the initial stages of the wetting layer formation. Our stability analysis supports the experimentally proposed (2x3) structural model for the InGaAs(001) surface. We also derived a diagram of the wetting layer surface phases. Further analysis concentrated on the effect of strain on indium diffusivity on the bare GaAs(001)-c(4x4) surface. An isotropic compressive strain was found to gives rise to a significant repulsive interaction between a strained island and an adatom diffusing towards the island, which appears to be the dominant effect of strain on the adatom migration. Finally, a simple 1D model problem was employed to demonstrate that strain-limited diffusion can lead to self-limiting growth of strained islands.