WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Диффузионный механизм роста нановискеров GaAs и AlGaAs в методе молекулярно-пучковой эпитаксии †¶ † © Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский†, Н.В. Сибирев, И.П. Сошников†, Ю.Б. Самсоненко, А.А. Тонких†, В.М. Устинов† Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия † Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 сентября 2004 г. Принята к печати 12 октября 2004 г.) Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования методом молекулярно-пучковой эпитаксии нановискеров GaAs и AlGaAs на проверхности GaAs (111)B, активированной Au. Экспериментально показана возможность получения нановискеров длиной, на порядок превосходящей эффективную толщину осажденного GaAs. Обнаружено, что экспериментальная зависимость длины нановискера L от его диаметра D может иметь вид, качественно отличный от наблюдаемого при росте по механизму пар–жидкость–кристалл. Полученные в работе зависимости L(D) показывают уменьшение L при увеличении D. Обнаруженные эффекты связаны с наличием диффузионного транспорта атомов с поверхности на вершину вискера, который приводит к существенному увеличению скорости роста тонких вискеров. Развита теоретическая модель формирования нановискеров при молекулярно-пучковой эпитаксии, объединяющая механизм пар–жидкость–кристалл и диффузионную модель роста и качественно объясняющая полученные экспериментальные результаты.

1. Введение сти Si (111), активированной Au [13]. В России прогресс в данной области связан прежде всего с работами Нитевидными нанокристаллами, или нановискера- Гиваргизова [14]. Уже в середине 1970-х годов сформи (НВ), называют кристаллы с поперечным разме- мировались основные представления о механизме роста ром D порядка 10-100 нм и длиной L, на порядок вискеров пар–жидкость–кристалл (ПЖК) [14], которые в и более превосходящей поперечный размер. Уникаль- дальнейшем были перенесены на область нанометровых ные свойства НВ связаны прежде всего с высокими размеров и используются до сих пор [1,15]. Процесс форзначениями отношения L/D в нанометровом диапазоне мирования полупроводниковых вискеров обычно происразмеров [1]. НВ различных полупроводниковых мате- ходит в 3 этапа [1]: 1) нанесение тонкой пленки катализатора (в нашем случае Au) на поверхность полупрориалов (Si, GaAs, InP) имеют большие перспективы для водника (GaAs), 2) разогрев поверхности для получения применений в микро- и оптоэлектронике [2–5], а также жидких капель раствора (Au–GaAs) и 3) эпитаксиальный во многих других областях (многоострийные катоды, рост полупроводникового материала (например, GaAs, зонды для туннельных микроскопов, газовые анализатоAlGaAs). Классический механизм роста ПЖК состоит в ры и т. д.). Структурные свойства НВ (длина, размер, следующем. При разогреве активированной поверхности поверхностная плотность) во многом определяются спона ней образуются капли жидкого раствора Au–GaAs.

собом подготовки поверхности и ростовым процессом.

В процессе эпитаксиального роста за счет адсорбции Для создания ансамблей НВ с контролируемыми струкполупроводникового материала из газообразной фазы на турными свойствами необходимо детальное исследоваповерхности капли раствор становится пересыщенным и ние процессов формирования НВ. В настоящее время происходит кристаллизация на поверхности под каплей.

НВ в основном выращиваются методом газофазной эпиВ результате растет нитевидный кристалл под каплей таксии (ГФЭ) [2–4,6–8] и реже — методом молекулярнос поперечным размером, примерно равным диаметру пучковой эпитаксии (МПЭ) [5,9–11] на поверхностях, капли, а сама капля движется вверх. Более высокая активированных каталитическим веществом. Однако мескорость роста кристалла из жидкого раствора по сравтод МПЭ имеет ряд преимуществ по сравнению с ГФЭ, нению с процессом на неактивированной поверхности связанных с более неравновесными условиями роста при этом может объясняться двумя причинами [1,13–15]:

при МПЭ [12] и, как следстве, возможностью получения 1) лучшей адсорбцией материала на поверхности капли существенно более высоких значений L/D при меньших и 2) более высокой скоростью нуклеации двумерных поперечных размерах.

зародышей на границе жидкость–кристалл по сравнению Начало активных исследований процессов формирос границей газ–кристалл. Очевидно, что в описанном вания и структурных свойств нитевидных кристаллов классическом механизме роста ПЖК максимальная ско(вискеров), выращиваемых на активированных поверхрость роста нитевидного кристалла определяется поностях, было положено работой Вагнера и Эллиса, током вещества на поверхность. Поэтому длина нипосвященной выращиванию вискеров Si на поверхнотевидного кристалла, растущего по механизму ПЖК, ¶ E-mail: cirlin@beam.ioffe.ru не может первосходить (в общем случае) эффектив588 Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Н.В. Сибирев, И.П. Сошников, Ю.Б. Самсоненко...

ную толщину осажденного материала, т. е. количество вертикального роста кристалла. Для этого необходимо, материала, поступившего на поверхность в течение чтобы пересыщение в капле было меньше, чем пересыростового процесса. щение адатомов на поверхности подложки. Механизм В связи с тем, что поперечный размер кристалла опре- роста нитевидных кристаллов, при котором вершина деляется диаметром капли жидкого раствора, зависяще- кристалла в силу определенных причин активирует го от толщины пленки Au, способа разогрева поверх- диффузию адатомов и является их стоком, называется ности (характера образования и коалесценции капель), диффузионным [14]. Теоретический и экспериментальранее были исследованы зависимости скорости роста ни- ный анализ диффузионного роста нитевидных кристалтевидного кристалла от диаметра капли [10,14,15]. Боль- лов был проведен Диттмаром и Нойманом еще до шинство полученных экспериментальных зависимостей открытия механизма роста ПЖК и изложен, например, как в методе ГФЭ [14,15], так и в МПЭ [10] имеет вид в работах [20,21]. В рамках некоторых приближений возрастающей функции D. Для объяснения полученных теоретическая зависимость скорости роста от диаметра зависимостей Е.И. Гиваргизов и А.А. Чернов предложипри диффузионном механизме имеет вид VL A + B/D, ли феноменологическую модель формирования вискеров где константы A и B определяются условиями роста, по механизму ПЖК, которая дает для скорости вертидлиной вискера и коэффициентом диффузии атомов кального роста VL = dL/dt квадратичную зависимость по его поверхности (модель ДН). Следовательно, при от 1/D: VL (A - B/D)2 (теория ГЧ) [14]. Константы диффузионном росте скорость роста убывает с увелиA и B определяются условиями эпитаксиального роста и чением диаметра, т. е. тонкие вискеры растут быстрее, межфазовой энергией на границе газ–кристалл. Данная что и наблюдается в эксперименте [14,20,21]. Таким зависимость в теории ГЧ является следствием размернообразом, механизм ПЖК и диффузионный механизм го эффекта Гиббса–Томсона, связанного с конечной крироста вискеров имеют качественно различные зависимовизной поверхности вискера [16]. Теория ГЧ объясняет, сти скорости вертикального роста от диаметра. Кроме в частности, существование некоторого минимального того, в диффузионном механизме скорость роста вискера диаметра капли, меньше которого при данных условиях отнюдь не лимитирована скоростью осаждения материэпитаксиального процесса вискеры не растут, что мноала из газообразной фазы. Как показывают результаты гократно наблюдалось в экспериментах [14,15]. Более работы [9], посвященной росту в методе МПЭ НВ Si детальная кинетическая модель роста НВ по механизму на поверхности Si (111), активированной Au, при МПЭ ПЖК, развитая авторами настоящей работы [17–19], диффузионный механизм роста НВ может доминировать.

обобщает теорию ГЧ. В частности, было показано, что Полученная в [9] экспериментальная зависимость L(D) зависимость скороcти роста от D имеет более сложный отвечает чисто диффузионному механизму роста, котовид, однако в определенной области диаметров капли рый авторы связывали с диффузией адатомов по боковой может быть аппроксимирована формулой ГЧ. При этом поверхности на вершину вискера. Однако теоретическобыл найден кинетический коэффициент кристаллизации го описания данного эффекта предложено не было. Для из жидкого раствора. Было показано, что отношение скосистемы AlGaAs/{GaAs (111)B–Au} аналогичные данные ростей роста на активированной и неактивированной поотсутствуют.

верхности примерно равно (1/3)(vs /ls )2 для “тонких“ Цель настоящей работы — проведение теоретических и (vs /ls )2 для “широких“ НВ (vs и ls — межфазовые и экспериментальных исследований процессов формироэнергии границ раздела газообразной (v) и твердой (s), вания НВ GaAs и AlGaAs, выращиваемых методом МПЭ жидкой (l) и твердой (s) фаз соответственно). Пона поверхности GaAs (111)B, активированной золотом.

строенная модель позволяет объяснить более высокую Данная работа является продолжением наших эксперискорость роста НВ на активированной поверхности по ментальных [10,11] и теоретических [18,19] исследовасравнению с ростом на неактивированной части поверхний процессов формирования и структурных свойств НВ ноcти. Однако и она предсказывает возрастающую с при МПЭ. Работа направлена прежде всего на изучение диаметром капли скорость роста НВ и максимальную зависимости скорости роста НВ GaAs и AlGaAs от их скорость роста, равную скорости осаждения материадиаметра и условий роста в методе МПЭ при достаточно ла. Таким образом, можно сформулировать основные больших эффективных толщинах осажденного материаотличительные черты роста НВ по механизму ПЖК:

ла (500 нм и более), а также на установление механизма 1) широкие вискеры растут быстрее тонких, 2) скорость роста НВ в методе МПЭ. При этом особое внимание роста НВ при некотором D = Dmin обращается в нуль, уделяется процессу диффузионного движения адатомов а при больших D стремится к предельному значению, с поверхности подложки по боковой поверхности НВ в определяемому скоростью осаждения материала.

каплю и его вкладу в результирующую скорость роста.

Вместе с тем очевидно, что для метода МПЭ характерна большая диффузионная длина адатомов на кристаллической поверхности (для GaAs порядка 2. Эксперимент 1-10 мкм). При определенных условиях диффузионное движение атомов с поверхности подложки по боковой Рост НВ GaAs и AlGaAs осуществлялся в установке поверхности НВ в каплю может существенно увеличи- МПЭ ЭП1203 на подложках GaAs (111)B, на которые вать пересыщение в капле и, следовательно, скорость предварительно был напылен слой Au в установке Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Диффузионный механизм роста нанокластеров GaAs и AlGaAs... данной температуре в течение 5 мин. В настоящей работе с целью уменьшения размера эвтектических капель (при данной толщине нанесенного слоя Au), формирующихся при разогреве поверхности, была исключена стадия 5-минутной выдержки, а температура образца повышалась за достаточно короткое время (общая длительность цикла нагрева до 630C ограничивалась временем 5 мин). Для образца 1 толщина напыленного слоя золота была равна 2.5 нм, для образца 2 — 1.25 нм. В образце 1 производилось осаждение GaAs эффективной толщиной 1000 нм со скоростью осаждения 1 монослой в 1 с (1МС/с). В образце 2 наносился слой Al0.3Ga0.7As эффективной толщиной 725 нм со скоростью осаждения 1.4 МС/с. Для обоих образцов осаждение материала Рис. 1. РЭМ-изображение поверхности в геометрии поперечосуществлялось на подложку, нагретую до 585C. После ного сечения образца с НВ GaAs на поверхности GaAs (111)B.

выращивания НВ температура резко понижалась до комнатной и образцы извлекались из ростовой камеры для проведения исследования структурных параметров методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сканирующем электронном микроскопе CamScan S4-90FE с полевым катодом в режиме регистрации вторичной электронной эмиссии. Энергия зондирующего пучка была равна 20 кэВ. Типичные РЭМ-изображения образцов и 2 с НВ представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

На изображениях в планарной геометрии видно, что НВ с меньшими поперечными размерами, как правило, группируются в виде неправильной сетки, а в центре „ячеек сетки“ располагаются НВ с большими размерами.

При этом отмечается, что сетка совпадает с границами микрокристаллических блоков. Такой характер распределения НВ, по-видимому, связан с особенностями процессов коалесценции Au на поверхности образца.

Анализ РЭМ-изображений образцов 1 и 2 позволяет получить эксперименатльные зависимости высоты НВ L от их поперечного размера D. На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость L(D) для образца 1.

Из рисунка видно, что наибольшая высота, которой Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности в геометрии поперечного сечения (a) и в планарной геометрии (b) образца с НВ AlGaAs на поверхности GaAs (111)B.

ВУП-5. Используемый трехстадийный метод формирования вискеров детально изложен в [10]. В указанном методе особо следует отметить этап, который в данной работе был модифицирован. На стадии, непосредственно предшествующей росту НВ, с поверхности подложки, активированной Au, необходимо удалить оксидный слой.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость длины НВ GaAs от В методе [10] это осуществлялось следующим способом:

их диаметра для образца 1 (точки). Сплошная линия — теоподложка нагревалась в ростовой камере установки ретическая зависимость L(D), рассчитанная на основе модели, МПЭ до температуры 630C и выдерживалась при изложенной в теоретической части работы.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 590 Г.Э. Цырлин, В.Г. Дубровский, Н.В. Сибирев, И.П. Сошников, Ю.Б. Самсоненко...

при котором скорость роста обращается в нуль. Все эти данные свидетельствуют о наличии диффузионного дрейфа атомов с поверхности подложки по боковой грани НВ к его вершине. (Отметим, что высота НВ, выращенных из чистого AlAs, из-за того, что диффузионная длина атома Al мала — почти в 50 раз меньше по сравнению с атомом Ga, не превышала эффективной толщины осажденного материала и, следовательно, диффузионная составляющая не являлась основной). Этот эффект на порядок величины увеличивает скорость роста тонких НВ и кардинально меняет зависимость L(D). Наблюдаемый эффект не может быть объяснен с позиций теории ПЖК роста НВ [14,18,19] и требует учета процессов, связанных с диффузионным движением атомов по поверхности. Следует также отРис. 4. Экспериментальная (точка) и теоретическая (сплош- метить, что полученные нами ранее экспериментальные ная линия) зависимости длины НВ AlGaAs от их диаметра для результаты для коротких НВ (при эффективной толщине образца 2.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.