WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации ¶ + = © Ю.Н. Пархоменко, А.И. Белогорохов, Н.Н. Герасименко, А.В. Иржак, М.Г. Лисаченко Московский институт стали и сплавов (Технологический университет), 119936 Москва, Россия ФГУП „Гиредмет“, 119017 Москва, Россия + Московский государственный институт электронной техники (Технический университет), 103498 Москва, Россия = Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119892 Москва, Россия (Получена 29 октября 2003 г. Принята к печати 4 ноября 2003 г.) С использованием методов оже-электронной спектроскопии, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии исследованы свойства самоорганизованных квантовых точек SiGe, впервые сформированных с использованием метода ионно-лучевого синтеза. Обнаружено, что в имплантированных ионами германия слоях Si после их отжига проявляется пространственное коррелированное распределение атомов германия, в результате чего образуются области нанометровых размеров, обогащенные германием, в которых его концентрация на 10-12% выше, чем в окружающей матрице твердого раствора SiGe. Оптические свойства слоев с квантовыми точками SiGe исследовались с помощью методов комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции. Обнаружен интенсивный пик фотолюминесценции в диапазоне длин волн 1.54-1.58 мкм при комнатной температуре.

1. Введение (x = 0.3), впервые сформированных с помощью метода ионного синтеза.

В последнее время пристальное внимание уделяется проблеме поиска новых возможностей для генерации, 2. Образцы и методика эксперимента модуляции и детектирования электромагнитного излучения инфракрасного и микроволнового диапазонов длин В пластины кристаллического кремния p-Si ориенволн. Наноразмерные полупроводниковые структуры мо74 тации (111) имплантировали ионы германия Ge+ на гут применяться для конструирования оптоэлектронных сильноточном ускорителе SCI-218 „BALZERS“. Дозы приборов нового поколения, работающих в этих спекимплантации составили D = 5 · 1016, 1 · 1017 см-2, энертральных областях и обладающих свойствами, которые гия ионов E = 50 кэВ. Для предотвращения эффектов принципиально невозможно получить при использоваканалирования падающий на кремниевую подложку ионнии традиционных материалов. В связи с этим требуный поток направляли с отклонением 7 от нормального ется разработать новые типы полупроводниковых нападения. После имплантации образцы подвергались фоноструктур и провести исследования, направленные на тонному импульсному отжигу при температуре 900Cв выявление закономерностей протекания межчастичных атмосфере азота в течение 3 с. В результате подобного взаимодействий и коллективных явлений в системах повоздействия в тонком слое твердого раствора SiGe ниженной размерности. Среди них наноструктуры SiGe удалось сформировать области с повышенной концензанимают особое место вследствие их потенциального трацией атомов Ge, протяженность которых составляла приборного применения и интеграции на базе кремниенесколько десятков нм и высота — до 10 нм (наноразвой технологии.

мерные структуры).

Прогресс в создании структур с квантовыми точ- На электронном оже-спектрометре (ЭОС) PHI-ками (КТ) достигнут благодаря самоорганизованному фирмы Physical Electronics (США) проводили исследования локального элементного состава структур, а также росту последних в режиме Странского-Крастанова при оценивали геометрические размеры и пространственное использовании метода молекулярно-лучевой эпитаксии.

расположение квантовых точек в приповерхностной обВместе с тем существует ряд других методов синтеза ласти. Ускоряющее напряжение первичных электронов упорядоченных наноструктур, обладающих своими досоставляло 10 кэВ, ток 10 нА, диаметр первичного пучка стоинствами. Одним из них является метод ионного 15 нм, а глубина анализа не более 50. Топографию синтеза.

поверхности изучали на атомно-силовом микроскопе В работе представлены результаты исследований свойств самоорганизованных квантовых точек Si1-xGex (АСМ) Solver P47 фирмы NT-MDT. Для исследования формы наноразмерных структур и элементного состава ¶ E-mail: belog@mig.phys.msu.su поверхность образцов обрабатывали раствором КОН 6 594 Ю.Н. Пархоменко, А.И. Белогорохов, Н.Н. Герасименко, А.В. Иржак, М.Г. Лисаченко Рис. 1. Изображения областей, обогащенных германием, в образце SiGe, полученные методами атомно-силовой микроскопии (a) и растровой электронной микроскопии (b). Доза имплантации D = 5 · 1016 см-2.

Рис. 2. Оже-спектры образца SiGe в области, обогащенной Ge (1), и в окружающей ее матрице SiGe (2). Доза имплантации D = 5 · 1016 см-2.

(33%) в течение 25 с при 100C, что позволило выявить лировалось прерывателем с частотой 400 Гц. Образцы области с максимальным содержанием германия. помещались в оптический криостат под углом 45 к Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) падающему световому пучку, диаметр которого составбыли получены в геометрии обратного рассеяния (когда лял 0.3 мм. Регистрация спектров ФЛ проводилась в плоскости поляризации падающего и рассеянного света диапазоне температур T = 11-300 K.

перпендикулярны) с использованием линии возбуждения Ar+-лазера на длине волны 457.9 нм. Во избежание 3. Результаты измерений необратимых тепловых воздействий на образец или и их обсуждение его деградации мощность накачки Ar+-лазера составляла 30 мВт. В состав установки входил двойной моХимическое травление поверхности исследуемых обнохроматор Jobin-Yvon T64000 и охлаждаемый до 78 K разцов позволило выявить упорядоченную по размеGaAs-фотоумножитель.

Возбуждение фотолюминесценции (ФЛ) осуществля- рам структуру, рельеф которой обусловлен различной скоростью травления кремния и германия (германий в лось излучением He–Ne-лазера (длина волны 632.8 нм, мощность 20 мВт). Интенсивность возбуждения варьи- указанных выше условиях травится медленнее). Обнаруровалась от 10 до 20 мВт / см2. Спектры ФЛ регистри- женная с привлечением методов АСМ структура состоит ровались с использованием InGaAs-фотодиода (рабочий из областей, латеральные размеры которых составляют диапазон длин волн 700-1800 нм) и схемы синхронного (50 ± 10) нм, а высота — от 5 до 10 нм (рис. 1, a).

детектирования. Для этого лазерное излучение моду- Проведенный анализ изображения поверхности структур Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации во вторичных электронах подтвердил наличие областей Спектры КРС образцов представлены на рис. 3. После различного контраста, связанного с неоднородностью отжига исследуемых структур в их спектрах исчезли пики, располагающиеся на частотах 270 см-1 (Ge-Ge, распределения германия (рис. 1, b), имеющих размеры TO), 370 см-1 (Si-Ge, TO) и 480 см-1 (Si-Si, LO) 30-50 нм.

и соответствующие рассеянию квантов света на попеС помощью метода ЭОС с высоким пространственречных (TO) и продольных (LO) оптических фононах ным разрешением был определен элементный состав пов аморфном материале SiGe [1], что свидетельствует добных областей (рис. 2). Оказалось, что концентрация об отсутствии аморфной фазы, которая имела место в атомов Ge в них на 10-12% выше, чем в окружающем неотожженных образцах. В спектрах образцов не наблютвердом растворе Si1-xGex (вне такой области) и составдаются также пики на частотах 316 см-1 (оптический ляет x 0.3.

фонон в напряженном германии [2]) и 500-515 см-(оптический фонон в напряженном кремнии [3]). Это позволяет заключить, что слой твердого раствора SiGe не напряжен и, следовательно, появление областей, обогащенных германием, обусловлено релаксацией упругих напряжений.

Присутствие в спектрах КРС дополнительных пиков 502.7 и 250 см-1 (колебания связей Si-Si и Ge-Ge в SiGe соответственно) наряду с пиками, присущими твердым растворам Si0.8Ge0.2 (518.6, 403.3 см-1 (колебания Si-Ge) и 285.7 см-1 [4]), свидетельствует о наличии областей Si0.7Ge0.3. В последнем случае (Si0.7Ge0.3) значения указанных частот должны быть равными 517.9, 404.и 287.3 см-1 [4]. Смещение пиков в низкочастотную область спектра для x 0.3 вызвано пространственным ограничением основных мод оптических фононов, что характерно для колебаний в квантовых точках SiGe [3,5].

В спектрах ФЛ, полученных при различных температурах (рис. 4), присутствуют два основных пика — на длинах волн = 1124 нм (1.1 эВ, T = 11-30 K) и = 1530-1540 нм (0.794-0.805 эВ, T = 11-300 K), соРис. 3. Спектры комбинационного рассеяния света образца ответствующих в первом случае бесфононной линии SiGe. Доза имплантации: D, см-2: 1 —5 · 1016, 2 —1 · 1017.

излучения кремния (в спектре также наблюдается линия фононного повторения на 1.04 эВ при T = 11 K, отстоящая от основной линии на 60 мэВ, что соответствует энергии поперечного оптического фонона в Si) и во втором — излучению квантовых точек Six Ge1-x.

Свидетельством того, что пик ФЛ в области 1540 нм обусловлен излучением упорядоченных квантовых точек Si0.7Ge0.3, служит тот факт, что для твердого раствора Si1-xGex с x = 0.2-0.3 он должен был бы располагаться на длинах волн = 1252-1310 нм. Кроме того, интенсивность излучения в области 0.8 эВ значительно выше, чем в области 1.1 эВ, и регистрируется в образце с дозой имплантации D = 5 · 1016 см-2 даже при температурах выше комнатной, а полуширина данного пика ФЛ составляет 61 мэВ. Релаксация упругих напряжений в слое SiGe в процессе его отжига привела, по всей вероятности, к упорядочению областей с повышенной концентрацией атомов германия — к формированию квантовых точек, что и обусловило подобную интенсивность сигнала ФЛ. Еще одной причиной появления излучения с энергией 800 мэВ может быть излучение Рис. 4. Спектры фотолюминесценции образца SiGe. Доза дислокаций кремния. В этом случае в спектре ФЛ должимплантации D = 5 · 1016 см-2. Температура измерения T, K:

на иметь место пара характерных линий 810 и 870 мэВ, 1 — 11, 2 — 30, 3 — 45, 4 — 60, 5 — 75, 6 — 100, 7 — 150, ширина которых составляет 10 мэВ, а интенсивность 8 — 300.

6 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 596 Ю.Н. Пархоменко, А.И. Белогорохов, Н.Н. Герасименко, А.В. Иржак, М.Г. Лисаченко приводит к периодическому распределению областей с его повышенным содержанием — квантовых точек.

По данным [2], концентрация дислокаций в полностью релаксированной эпитаксиальной пленке Si0.7Ge0.3 толщиной 100 равна 1010-1011 см-2. Концентрация КТ в полученной нами структуре (D = 5 · 1016 см-2) составляет 1010 см-2, т. е. подтверждается предположение о том, что дислокации являются центрами захвата германия.

4. Заключение В заключение отметим, что методом ионно-лучевого синтеза впервые сформирован массив самоорганизованных упорядоченных квантовых точек SiGe. Приведенные результаты экспериментов по обнаружению кластеризации внедренных атомов германия в кремний с помощью метода ионного синтеза открывают новые возможности формирования наноразмерных структур в системе германий–кремний.

Рис. 5. Рассчитанные значения энергии межзонных переходов Появление сигнала интенсивной ФЛ в сформированв КТ SiGe в зависимости от размера КТ для температур ных КТ SiGe при комнатной температуре в диапазоне T = 11 (1) и 77.3 K (2). Горизонтальные линии показывают энергии переходов, определенные по спектрам ФЛ (PL). длин волн 1.54-1.58 мкм позволяет надеяться на практическое использование подобных структур в оптоэлектронных приборах и волоконно-оптических системах для передачи информации.

уменьшается в несколько раз при повышении темпеРабота выполнена при финансовой поддержке Росратуры образца от 11 до 77 K [2]. Анализ изменения сийского фонда фундаментальных исследований (проект с температурой спектров ФЛ (рис. 4) показывает, что № 03-02-16938) и в рамках программы „Интеграция“ в нашем случае вклад от излучения дислокаций Si (И-0964).

незначителен.

В рамках модели, основанной на приближении эффективной массы [6], можно оценить средний размер Список литературы квантовых точек. На рис. 5 представлены рассчитанные зависимости энергии межзонных переходов в КТ SiGe [1] Sunil Kumar, H.J. Trodahi. J. Appl. Phys., 70, 3088 (1991).

от их высоты для T = 11 и 77.3 K. Горизонтальными [2] Т.М. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельлиниями отмечены энергии переходов, определенные по ник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Никифоров. ФТП, 35, 979 (2001).

спектрам ФЛ (с учетом погрешности эксперимента), для [3] K. Sawano, Y. Hirose, S. Koh, K. Nakagawa, T. Hattori, указанных температур. Сопоставление экспериментальY. Shiraki. J. Cryst. Growth, 251, 685 (2003).

ных и расчетных данных позволило оценить средний [4] J.C. Tsang, P.M. Mooney, F. Dacol, J.O. Chu. J. Appl. Phys., 75, размер КТ, который оказался равным (7.2-7.3) нм, 8098 (1994).

что с хорошей степенью точности совпадает с резуль[5] Н.Н. Герасименко, В.Ю. Троицкий, М.Н. Павлюченко, татами АСМ.

А.А. Валяев, К.К. Джаманбалин. Перспективные материаВозникновение упорядоченных областей с повышенлы, № 5, 26 (2002).

ным содержанием германия можно объяснить следую[6] L.E. Brus. J. Chem. Phys., 80, 4403 (1984).

щим образом. Несоответствие периодов кристалличеРедактор Л.В. Шаронова ских решеток кремния и германия, составляющее 4%, является причиной возникновения в структуре SiGe значительных упругих напряжений, релаксация которых при определенных условиях (изменение толщины слоя твердого слоя Si-Ge, условия получения и др.) происходит за счет генерации дислокаций. Поля упругих напряжений, возникающие вокруг дислокаций несоответствия, и их взаимодействие приводят к перераспределению и пространственному упорядочению дислокаций.

Пространственно упорядоченные дислокации являются центрами геттерирования германия, что в свою очередь Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации Properties of self-organized SiGe nanostructures formed by ion implantation Yu.N. Parkhomenko, A.I. Belogorokhov, + N.N. Gerasimenko, A.V. Irzhak, M.G. Lisachenko= Moscow Institute of Steel and Alloys, 119936 Moscow, Russia Institute for Rare Metals, 119017 Moscow, Russia + Moscow Institute of Electronic Engineering, 103498 Moscow, Russia = Moscow State University, Physics Department, 119899 Moscow, Russia

Abstract

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.