WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Пороговый характер формирования наноразмерных островков в системе Ge/Si (100) в присутствии сурьмы ¶ © Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, А.А. Тонких, Н.В. Сибирев, В.М. Устинов, P. Werner† Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Max-Planck Institut fr Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, D-06120 Halle, Germany (Получена 14 сентября 2004 г. Принята к печати 29 сентября 2004 г.) Методом атомно-силовой микроскопии проведено исследование поведения массива островков Ge, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности Si (100), в зависимости от потока сурьмы к поверхности. Показано, что при увеличении потока Sb до определенного уровня происходит увеличение поверхностной плотности островков, а по достижении его подавление нуклеации островков. При этом на поверхности наблюдаются мезоскопические кластеры Ge малой высоты. Качественное объяснение данного эффекта дается в рамках кинетической модели формирования островков в гетероэпитаксиальных системах, рассогласованных по параметру решетки.

1. Введение 2. Экспериментальные результаты Физическим свойствам и методам формирования наЭкспериментальное исследование влияния поверхноразмерных включений Ge в матрице Si в настояностной концентрации Sb на свойства массива островщее время посвящено большое количество публикаций.

ков Ge на поверхности Si (100) проводилось методом Интерес исследователей к данной тематике во мноатомно-силовой микроскопии (АСМ) на образцах, погом обусловлен возможностью применения подобных лученных в результате ростовых экспериментов на устаобъектов в качестве активных элементов светоизлуновке молекулярно-пучковой эпитаксии.

чающих/приемных устройств на основе кремния. Для Серия исследуемых образцов была выращена на эпиприборных приложений необходимо получать плотный таксиальной установке Riber SIVA-45. В каждом обмассив наноразмерных островков Ge на поверхности Si, разце на поверхности Si (100) выращивался буферный что позволяют, например, эпитаксиальные технологии и, слой кремния толщиной 100 нм. Далее при температуре в частности, молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ).

подложки 550C на буферный слой кремния осаждался В результате осаждения нескольких монослоев Ge на слой Ge с эффективной толщиной 0.8 нм, причем во всех поверхность монокристаллической подложки кремния методом МПЭ происходит формирование массива упру- образцах осаждение Ge сопровождалось экспозицией пого напряженных островков нанометрового диапазона по верхности в потоке сурьмы. Скорость роста Ge составлямеханизму Странски–Крастанова. К недостатку данного ла 0.016 нм/с. Изменение потока Sb4 достигалось путем метода (в общем случае) следует отнести достаточно изменения температуры эффузионного источника сурьбольшую дисперсию островков по форме и размерам.

мы в пределах 450-550C. В процессе осаждения Ge Например, в диапазоне температур 550-600C воз- состояние поверхности контролировалось с помощью можно формирование двух фаз островков — мультисистемы дифракции быстрых электронов на отражение.

фасетированные островки dome-типа и пирамидальные В первых четырех образцах (см. таблицу) в процессе островки hut-типа [1]. Ранее нами в работе [2] было поформирования островков Ge дифракционная картина казано, что при выращивании островков Ge на подложке изменялась с линейчатой на точечную, свидетельствуя о кремния в диапазоне температур 550-600C возможно трансформации упруго напряженного слоя Ge в систему уменьшить дисперсию островков по размерам за счет островки–смачивающий слой. Для образца 5, выращенподачи на поверхность растущей пленки одновременно ного при наибольшей температуре источника сурьмы, потока молекул Sb4 и атомов Ge.

картина дифракции оставалась в основном линейчатой В данной работе изложены результаты экспериментов с утолщениями линий на основных рефлексах. После по выращиванию островков Ge при различных величизавершения ростового процесса образцы охлаждались нах потока Sb4 на поверхность подложки. Полученные до комнатной температуры, извлекались на атмосферу результаты обсуждаются с точки зрения кинетической и исследовались в бесконтактном режиме на атомнотеории формирования островков в системах, рассогласиловом микроскопе производства Digital Instruments, сованных по параметру решетки.

Inc (USA). Для АСМ-измерений использовались зонды ¶ E-mail: cirlin@beam.ioffe.ru NSC15/NoAl производства MicroMasch.

5 578 Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, А.А. Тонких, Н.В. Сибирев, В.М. Устинов, P. Werner Результаты АСМ-измерений Многогранные островки Пирамидальные островки (domes) (pyramids) № Температура образца источника Sb, C основание, высота, плотность, основание, высота, плотность, нм нм см-2 нм нм 1010 см-1 450 64.0 9.3 2.4 · 109 39.3 3.38 1.2 475 38.5 2.90 1.3 500 35.1 2.99 3.4 525 29.6 1.15 6.5 550 - - - - - В таблицу сведены основные параметры ростовых реход к квазидвумерному росту. Данный эффект обычэкспериментов, а также результаты АСМ-измерений но связывается с уменьшением поверхностной энергии исследуемых образцов. системы (surfactant-mediated growth) [3]. Для выявления На рис. 1, a представлено АСМ-изображение образ- природы наблюдаемого эффекта нами было проведено ца 1. Из рисунка видно, что на поверхности образца дополнительное теоретическое исследование процессов присутствуют пирамидальные островки, а также остров- роста Ge/Si с участием Sb.

ки dome-типа, которые не наблюдаются в остальных образцах исследуемой серии. Это обстоятельство сви3. Теоретическая модель детельствует о том, что влияние Sb на формирование и обсуждение результатов островков Ge при данной температуре источника Sb невелико, а островки распределены по форме и разКак было показано в работах [4–7], процесс формерам бимодально, как и в случае осаждения чистого мирования квантовых точек в гетероэпитаксиальных Ge на поверхность Si (100) [1]. Сранивая данный ресистемах по механизму Странски–Крастанова на кинетизультат с результатами, опубликованными в [2], отмеческом этапе может быть описан в рамках классической тим, что при осаждении чистого Ge на поверхность Si теории нуклеации [8]. На основе модели для свободной при данной температуре подложки формирование domeэнергии формирования островка, предложенной в [5], островков сопровождается образованием hut-островков было получено следующее выражение для критической с прямоугольным и квадратным основаниями, в то толщины перехода от двумерного роста к трехмерному:

время как присутствие Sb на поверхности, даже в небольшом количестве, приводит к исчезновению hut2 Te 1/островков с прямоугольным основанием. На рис. 1, b hc = heq 1 +. (1) 5 T ln Q приводится АСМ-изображение участка поверхности образца 4. В данном случае островки более однородно Здесь heq — равновесная толщина смачивающего слоя, распределены по размерам, их плотность существенопределяемая балансом упругих и смачивающих сил [9] но выше, а размеры меньше, чем в образце 1. При и не зависящая от кинетики роста, T — температудальнейшем увеличении температуры источника Sb до ра подложки при росте слоя с квантовыми точками 550C (образец 5) структура меняется качественно. Из (предполагаемая постоянной), Te — квазиравновесный рис. 1, c следует, что для образца 5 наблюдается мезопараметр с размерностью температуры, определяемый скопическая шероховатость поверхности с характерной энергетикой поверхности, формой островка и рассоглавысотой менее 1 нм, что находится в соответствии с сованием решеток, Q — безразмерный кинетический картинами дифракции, наблюдаемыми in situ. Таким параметр, зависящий от условий эпитаксиального роста.

образом, при определенном пороговом значении потоКак показано в [5–7], физический смысл параметра Q — ка сурьмы происходит срыв нуклеации островков на отношение характерных времен осаждения вещества на поверхности. Экспериментальные зависимости поверхповерхность и роста когерентных островков из атомов ностной плотности и среднего латерального размера смачивающего слоя. Как следствие, зависимость Q от островков в зависимости от температуры источника температуры T и скорости осаждения материала V сурьмы приведены на рис. 2. Как видно из рисунимеет вид ка, формирование островков в системе Ge/Si (100) в 1 ED присутствии сурьмы имеет пороговый характер, т. е.

Q exp -, (2) V kBT вначале при увеличении концентрации Sb плотность ансамбля островков увеличивается, а по достижении где kB — постоянная Больцмана. Активационный банекоторого порогового значения стремится к нулю. При рьер ED определяет интенсивность диффузии атомов, наибольшем потоке сурьмы (в рамках данной работы) которая вызвана упругими напряжениями [4], из смачинаблюдается подавление формирования островков и пе- вающего слоя в островки.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Пороговый характер формирования наноразмерных островков в системе Ge/Si (100) в присутствии... Приведем основные результаты теоретического исследования кинетики формирования закритических квантовых точек (при эффективной толщине осаждаемого слоя H0, заметно превосходящей hc), полученные в [5–7].

Нуклеация островков происходит в промежуток времени от tc - t до tc + t, где tc = hc/V — время выращивания слоя критической толщины при данных условиРис. 2. Экспериментальные зависимости среднего латерального размера (1) и плотности (2) островков для образцов 1–5.

ях гетероэпитаксиального роста. По окончании стадии нуклеации (при t > tc + t) поверхностная плотность островков N выходит на постоянное значение 3/T ln Q N = N0. (3) Te Q Здесь N0 — известная константа, не зависящая от условий роста. После окончания стадии нуклеации начинается более длительная стадия релаксации островков по размерам. Средний латеральный размер островков L возрастает до своего квазистационарного значения LR при t tc + 3tR, где tR — характерное время релаксации по размерам островков. Квазистационарный средний размер островков зависит от их поверхностной плотности, а также от эффективной толщины осаждения:

H0 - heq 1/LR = C0. (4) N Здесь C0 — безразмерная величина, определяемая формой островков, которая на кинетической стадии предполагается независимой от условий роста.

В отсутствие экспозиции структуры в потоке сурьмы (например, при немедленном охлаждении поверхности или низкотемпературном заращивании структуры после остановки роста слоя с квантовыми точками) экспериментально наблюдаемое значение среднего размера может быть существенно меньше LR. Зависимость среднего размера от времени имеет вид L = LR f [(t - tc)/tR], где f (x) — определенная в [7] возрастающая функция x, причем f (0) =0 и f (3) 1. В отсутствие экспозиции после напыления H0 монослоев материала размер L(t0) в момент остановки роста t0 = H0/V есть H0 - hc L(t0) =LR f. (5) VtR Рис. 1. АСМ-изображения поверхности образцов: 1 (a), Анализ результатов [5–7] позволяет заключить, что 4 (b), 5 (c). Размер области сканирования для всех образцов зависимости характерных продолжительностей стадий 2 2мкм.

5 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 580 Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, А.А. Тонких, Н.В. Сибирев, В.М. Устинов, P. Werner упрощенной модели будем считать, что увеличение температуры источника и концентрации Sb на поверхности существенно увеличивает эффективный активационный барьер ED диффузии атомов Ge из смачивающего слоя в островок (входящий в Q в формуле (3) для N) и менее сильно сказывается на поверхностной энергии системы (входящей в Te в той же формуле). Рассматривая N и LR как функции Q при постоянных T, Te и H0, убеждаемся, что в соответствии с формулами (3) и (4) плотность островков всегда имеет максимум, а их квазистационарный размер имеет минимум при Q = e.

Что касается размера в момент остановки роста L(t0), то при уменьшении Q в соответствии с формулой (5) он будет все более уменьшаться по сравнению с LR в силу двух причин — увеличения критической толщины hc ( формула (1)) и увеличения времени релаксации Рис. 3. Зависимость поверхностной плотности островпо размерам tR (формула (6)). Таким образом, при ков N (1) и квазистационарного латерального размера LR (2) уменьшении Q до порогового значения Q e происот величины ED/kBT, увеличивающегося при увеличении походит эффект срыва нуклеации в гетероэпитаксиальной тока Sb.

системе. Величина активационного барьера нуклеации, согласно (7), мала. Следовательно, термодинамических препятствий к формированию островков нет. Однако в нуклеации и релаксации по размерам от Q имеют вид выражении для скорости нуклеации и поверхностной плотности островков начинает резко сказываться пред1 экспоненциальный кинетический множитель [8], про t, tR. (6) (ln Q)3/2 (ln Q)5/порциональный скорости диффузии. Островки просто не могут сформироваться, поскольку при практически Дальнейшая эволюция системы требует длительной эксполном подавлении диффузии отсутствует механизм позиции структуры и происходит уже на временах, переноса материала из смачивающего слоя в островок, существенно превосходящих tc + 3tR.

а вероятность поступления атомов непосредственно из Условием применимости классической теории нуклеамолекулярного пучка мала. Теоретическая зависимость ции является малость термодинамических флуктуаций в поверхностной плотности островков N и их латеральдокритической области: exp(F) 1, где F — активациного размера по окончании стадии релаксации LR от онный барьер нуклеации в тепловых единицах [10]. Для активационного барьера диффузии в тепловых едининашей модели именно это условие позволяет получить цах ED/kBT приведена на рис. 3.

связь между минимальным активационным барьером В применении изложенной модели к интерпретации нуклеации островков при максимальной толщине смаизложенных экспериментальных результатов по зависичивающего слоя h = hc и кинетическим параметром Q в мости плотности и среднего размера квантовых точек виде [5] в системе Ge/Si (100) от потока Sb следует отметить F(hc) =(5/2) ln Q. (7) достаточно хорошее качественное согласие эксперименСледствием (7) для специального вида свободной энер- тальных результатов (рис. 2) с выводами теоретической гии образования когерентного островка и является фор- модели (рис. 3). Оба рисунка говорят о пороговом характере формирования островков в зависимости от конмула (1) для критической толщины. Очевидно, условие центрации Sb. Однако здесь не следует ожидать строгого применимости теории нуклеации заведомо выполняется количественного соответствия по следующим причинам.

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.