WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 4 Свойства нанокристаллов Ge, сформированных имплантацией ионов Ge+ в пленки SiO2 и последующим отжигом под гидростатическим давлением + © И.Е. Тысченко¶, А.Б. Талочкин, А.Г. Черков, К.С. Журавлев, А. Мисюк, М. Фельсков, В. Скорупа+ Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт электронной технологии, 02-668 Варшава, Польша + Институт ионно-лучевой физики и материаловедения, Исследовательский центр Росседорф, Д-01314 Дрезден, Германия (Получена 22 июля 2002 г. Принята к печати 6 сентября 2002 г.) Изучено влияние гидростатического сжатия на процессы ионного синтеза нанокристаллов германия в SiO2. Обнаружено замедление диффузии атомов Ge в SiO2 при высокотемпературном отжиге под давлением. Показано, что при обычном отжиге формируются ненапряженные нанокристаллы Ge. Отжиг под давлением сопровождается формированием гидростатически напряженных нанокристаллов Ge. По сдвигу частоты оптических фононов в спектрах комбинационного рассеяния света определена величина деформации нанокристаллов Ge. Наблюдаемый в нанокристаллах сдвиг энергии резонанса комбинационного рассеяния света E1, E1 + соответствует квантованию энергии основного состояния двумерного экситона критической 1 точки германия M1. Установлено, что полоса фотолюминесценции 520 нм формируется лишь в спектрах пленок, содержащих напряженные нанокристаллы Ge.

1. Введение излучательной рекомбинации [2,8,9]. Одним из методов управления электронными и структурными свойствами Теоретические расчеты [1] предсказывают достаточно nc-Ge может быть гидростатическое сжатие. В основном большие значения ширины запрещенной зоны нано- гидростатическое сжатие используется как эффективный кристаллов германия (nc-Ge). Кроме того, близость инструмент исследования зонного спектра полупроводэнергий минимумов прямых и непрямых переходов ников, в том числе и нано-объектов Si и Ge. С другой должна обеспечивать короткие времена излучательной стороны, в литературе есть указание на то, что использорекомбинации электронов и дырок в nc-Ge [1,2]. Это вание гидростатического сжатия в процессе высокотемявилось причиной повышенного интереса к созданию пературного отжига [10] сопровождается замедлением и изучению свойств nc-Ge, материала, излучающего в диффузионных процессов, что может приводить к форвидимой области спектра эмиссии и способного кон- мированию более высокой плотности объектов новой курировать с прямозонными полупроводниками (напри- фазы с более мелкими размерами. В наших ранних исмер, GaAs, AlGaAs). Однако квантовые точки Ge, тра- следованиях [11,12] было обнаружено усиление коротковолновой ФЛ после отжига под давлением пленок SiOдиционно создаваемые методом молекулярно-лучевой и SiOx Ny, имплантированных ионами Si+ и Ge+, котоэпитаксии (МЛЭ) [3], являются сильно напряженными.

рое связывалось с ускоренным формированием центров Причем напряжения в них распределены неоднородно.

Si - Si, Ge - Si и Ge - Ge. В данной рабоНеоднородные напряжения могут привести к сложным, трудно предсказуемым смещениям спектра электрон- те мы впервые использовали гидростатическое давление как параметр ионного синтеза с целью создания одноных состояний nc-Ge [4]. Это может быть одной из причин отсутствия фотолюминесценции (ФЛ) в види- родно напряженных нанокристаллов Ge в матрице SiO2, стабильных при комнатной температуре. Цель данной мом спектральном диапазоне от квантовых точек Ge, работы — исследование свойств nc-Ge, формирующихся выращенных МЛЭ. ФЛ в зелено-желтой (520-580 нм) в имплантированных ионами Ge+ пленках SiO2 при области спектра наблюдали от пленок SiO2, содеротжиге в условиях гидростатического сжатия.

жащих нанокристаллы германия [5–9]. Однако до сих пор нет четких представлений в определении природы этой полосы ФЛ. Противоречия в определении механиз2. Методика эксперимента ма ФЛ в основном обусловлены отсутствием корреляций между размерами nc-Ge и положением максимума ФЛ.

Нанокристаллы Ge были сформированы в пленС другой стороны, достаточно противоречивы мнения ках SiO2 толщиной 500 нм, термически выращенных и относительно роли границы раздела между nc-Ge и на пластинах Si n-типа, с удельным сопротивлением окружающей матрицей диоксида кремния в процессах 5-10 Ом · см, с ориентацией (100). Сначала пленки ¶ окисла были имплантированы ионами Ge+ с энерE-mail: tys@isp.nsc.ru Fax: (383) 2332771 гией 450 кэВ, затем с энергией 200 кэВ, соответству480 И.Е. Тысченко, А.Б. Талочкин, А.Г. Черков, К.С. Журавлев, А. Мисюк, М. Фельсков...

ющими дозами 1.1 · 1015 и 6.6 · 1014 см-2 (0.1 ат % Ge), 6.6 · 1015 и 4.0 · 1015 см-2 (0.67 ат % Ge), 3.0 · и 1.8 · 1016 см-2 (3ат%Ge). Использованные энергии и дозы ионов позволяли сформировать профиль Ge на глубине 0.1-0.35 мкм. В процессе имплантации плотность ионного тока составляла 0.5-1мкА/см2, а температура мишени была около 120-130 K. После имплантации образцы отжигались при температурах Ta = и 1130C в течение 5 ч в атмосфере Ar. Отжиг проводился в печи высокого давления при гидростатическом сжатии P = 12 кбар, а также в печи при атмосферном давлении. Исследование профилей распределения внедренного Ge исследовалось методом резерфордовского обратного рассеяния (RBS) ионов He+ с энергией 1.5 МэВ. Идентификация сформированных наноРис. 1. Профили распределения атомов Ge, полученные метокристаллов Ge проводилась методами спектроскопии дом RBS от пленок SiO2, содержащих 3 ат % Ge и отожженных комбинационного рассеяния света (КРС), высокоразре- при Ta = 1130C и давлениях 1 бар (1) и 12 кбар (2).

шающей электронной микроскопии (HRTEM) и фотолюминесценции (ФЛ). Измерения КРС проводились с помощью спектрометра ДФС-52 и возбуждались линией Ширина на полувысоте этого пика составляла окоAr-лазера 488 нм в геометрии обратного рассеяния. Рело 30 см-1, что указывает на его связь с колебанизонансные зависимости КРС исследовались при возбужями связей Ge-Ge в неупорядоченной матрице. На дении излучением Ar-лазера с длинами волн 457, 476, рис. 2 представлены спектры КРС от пленок SiO2, 488, 496 и 514 нм. Исследования HRTEM проводились с содержанием 0.1, 0.67 и 3 ат % Ge и отожженных на микроскопе JEM-4000 EX с разрешением 0.2 нм при при Ta = 1130C и P = 12 кбар. В пленках с низким ускоряющем напряжении 250 кВ. ФЛ в интервале длин содержанием Ge (0.1%) также формируется пик вбливолн em = 340-850 нм возбуждалась излучением N2-лази 300 см-1, полная ширина на полувысоте которого зера с длиной волны ex = 337 нм и мощностью 10 мВт.

составляет около 15 см-1. Увеличение содержания Ge Все измерения проводились при комнатной температуре.

до 0.67% сопровождается дальшейшим уменьшением ширины пика 300 см-1 до значения 10 см-1, а также 3. Результаты исследований появлением слабоинтенсивного узкого пика с максимумом около 307 см-1. В спектрах КРС от пленок, содери их обсуждение жащих 3% Ge, пик 307 см-1 становится доминирующим. Его интенсивность возрастает более чем в 2 раза.

На рис. 1 представлены профили распределения атоПолная ширина этого пика на полувысоте составляет мов Ge, полученные из анализа спектров RBS, для около 4.5 см-1. Вблизи 300 см-1 также наблюдается образов, имплантированных большими дозами Ge+ и слабо выраженный максимум, интенсивность которого отожженных при Ta = 1130C как при атмосферном уменьшается по сравнению с интенсивностью пика, давлении, так и при P = 12 кбар. Отжиг в условиях гидростатического сжатия не приводил к перераспре- наблюдаемого от образцов, содержащих 0.67 ат % Ge.

Природа пика 300 см-1 может быть связана как с делению германия внутри пленки SiO2. В этом случае изолированными связями Ge-Ge, встроенными в SiOпрофили Ge от неотожженного и отожженного под в различных положениях, так и с аморфными кластерадавлением образцов совпадали. Обычный отжиг при P = 1 бар сопровождался стоком части Ge к поверх- ми Ge. В пользу формирования таких кластеров говорит сужение пика по сравнению с образцами, отожженными ности SiO2. Часть имплантированного Ge оставалась в слое на глубине 150-300 нм, причем в концентрации, при 600C. Для сравнения на рис. 2 приведен спектр равной той, которая была в исходном слое. Заметим от образца с содержанием 3 ат % Ge после отжига при также, что часть германия также стягивается с глубины Ta = 1130C при атмосферном давлении. В этом случае в захороненный слой 150-300 нм, что может быть в спетрах КРС наблюдается пик Ge с объемным знасвязано с процессом зарождения и последующего роста чением частоты (300 см-1), а спектр аморфной компопреципитатов германия. ненты практически отсутствует. Высокочастотный сдвиг спектра оптических фононов (кривая 3) указывает на Сведения о структуре формируемых nc-Ge могут быть получены из формы и положения пиков в спект- наличие механических напряжений, сжимающих nc-Ge.

ре КРС на оптических фононах. Отжиг под давлением Эти напряжения имеют гидростатический характер, попри Ta = 600C приводит к формированию широкого скольку не наблюдается расщепление фононной линии пика в спектрах КРС с максимумом около 300 см-1. на поперечную и продольную моды. Величина этих Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Свойства нанокристаллов Ge, сформированных имплантацией ионов Ge+ в пленки SiO2... больше, чем после отжига при P = 1 бар. Это говорит о более неоднородном их распределении по размерам.

Меньшие голубые смещения перехода E1 свидетельствуют о более крупных средних размерах nc-Ge при P = 12 кбар. В Ge эффективные массы электронов и дырок, вовлеченных в переход E1, сильно различаются в направлениях, перпендикулярном и параллельном направлению. Это означает, что экситон E1 можно рассматривать как двумерно-ограниченную частицу. Для расчетов размеров nc-Ge мы воспользовались выражением, полученным в приближении эффективной массы для энергии двумерно-ограниченного экситона E1 [16].

Для ненапряженных nc-Ge величина энергии квантового ограничения составила Ec = 0.3 эВ, что, согласно расчетам, соответствует величине радиуса nc-Ge (3.5 ± 0.2) нм. При оценке параметров напряженных nc-Ge необходимо учитывать увеличение энергии экситона E1 на величину деформационного сдвига уровней Estress = P, где = 7.5 · 10-3 эВ/кбар [17] — коэффициент давления переходов E1, E1 +, P = 19.7кбар. Отсюда Estress 0.15 эВ. Вычитая эту энергию из величины сдвига резонанса, мы найдем значение Ec = 0.09 эВ, что соответствует nc-Ge с радиусом около (5.7 ± 0.4) нм.

Чтобы проверить достоверность сделанных нами оценок параметров нанокристаллов, мы провели исследование свойств сформированных нами структур методом HRTEM. Никаких признаков формирования нанокластеров или нанокристаллов Ge не было обнаружено после отжига при Ta = 600C. После отжига при 1130C Рис. 2. Спектры КРС пленок SiO2, содержаших 0.1 (1), 0.67 (2) и 3 (3, 4) ат % Ge и отожженных при Ta = 1130C под пленок, содержащих 0.1 ат % Ge, происходило лишь обдавлением 12 кбар (1–3) и 1 бар (4). Длина волны возбуждаюразование нанокластеров, не имеющих кристаллической щего излучения 448 нм.

структуры. Максимум их распределения по размерам соответствовал радиусу 2 нм. Нанокристаллы Ge формировались лишь в пленках, содержащих более или напряжений может быть оценена по сдвигу частоты порядка 0.67 ат % Ge. В случае 0.67 ат % Ge средние моды Ge-Ge в кристаллическом Ge:

=(B/0)(d0/dP), (1) где — параметр Грюнайзена, B — объемный модуль Ge (B = 750 кбар [13]), d0 — сдвиг частоты 0 300 см-1 с изменением гидростатического давления dP. Параметр Грюнайзена для Ge-Ge-колебаний в объемном Ge был найден равным 0.89 [14]. Подстановка приведенных численных значений в выражение (1) дает величину гидростатических напряжений связи Ge-Ge в nc-Ge порядка 19.7 кбар. Данные о размере nc-Ge могут быть получены из резонансных зависимостей КРС на оптических Ge-Ge-фононах. На рис. 3 представлены такие зависимости для nc-Ge, сформированных в результате отжига (при P = 1бар и 12кбар) пленок, содержащих 3 ат % Ge, а также для объемного Ge. Стрелками указаны значения энергий E1 и E1 + экситона в объемном Ge [15]. Голубой сдвиг энергии E1, E1 + 1 Рис. 3. Резонансные зависимости КРС на оптических резонанса КРС в nc-Ge соответствует квантованию энерGe-Ge-фононах в nc-Ge, сформированных в результате отгии основного состояния двумерного экситона критичежига при P = 1бар (1) и 12 кбар (2) пленок SiO2, содержаской точки M1 германия. При этом видно, что ширина щих 3 ат % Ge, а также в объемном Ge (3). Стрелками указаны резонанса в nc-Ge, сформированных при P = 12 кбар, значения энергий экситона E1 и E1 + в объемном Ge.

7 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 482 И.Е. Тысченко, А.Б. Талочкин, А.Г. Черков, К.С. Журавлев, А. Мисюк, М. Фельсков...

этих пиков объясняется рекомбинацией электронов и дырок на нейтральных вакансиях кислорода в центрах Ge-Si и Si-Si соответственно. После отжига при Ta = 600C и P = 12 кбар также формируется широкий пик большой интенсивности в фиолетовоголубой области спектра. Повышение Ta до 1130C при P = 12 кбар сопровождалось красным смещением спектра ФЛ. При этом решающим фактором в формировании пиков ФЛ являлась концентрация внедренного Ge.

Никакой ФЛ в видимом диапазоне не было обнаружено от образцов, содержащих 0.1 ат % Ge. В спектрах ФЛ образцов, содержащих 0.67 ат % Ge, доминирует пик в голубой части спектра (около 427 нм), а в зеленой области спектра формируется плечо с меньшей интенсивностью (рис. 5). Дальнейшее увеличение концентрации Ge до 3% приводит к усилению интенсивности зеленого пика ФЛ ( 520 нм) в 4 раза, а интенсивность пика голубой ФЛ увеличивается незначительно.

Анализ полученных данных показывает, что гидростатическое сжатие, с одной стороны, препятствует стоку Ge на поверхность, а с другой — способствует формированию нанокристаллов с большими размерами и с более широким их распределением по размерам.

Из сравнения спектров 3 и 4 на рис. 2 видно, что Рис. 4. Распределения нанокристаллов по размерам, полученные из статистической обработки данных HRTEM пленок SiO2, содержащих 3 ат % Ge и отожженных при Ta = 1130C и давлении P = 1бар (a) и 12 кбар (b).

радиусы нанокристаллов составляли 6.2нм. На рис. представлены их распределения по размерам для случаев содержания 3 ат % Ge после отжига при Ta = 1130C и при давлениях P = 1 бар и 12 кбар. Их средние радиусы составляли (4.5 ± 0.2) нм и (7.4 ± 0.4) нм соответственно. Эти значения лишь на 20-25% отличаются от значений, полученных из резонансных зависимостей КРС. В условиях наших экспериментов мы находим такое совпадение весьма удовлетворительным.

В случае отжига при P = 1 бар распределение nc-Ge по размерам было значительно уже, чем после отжига под давлением. Значения рассчитанных межплоскостных расстояний соответствовали расстояниям в алмазоподобной решетке объемного Ge. Важно отметить, что nc-Ge наблюдались лишь на глубинах более 120 нм.

В приповерхностном слое, куда Ge стекал при отжиге, нанокристаллы обнаружены не были.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.