WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Модифицирование нанокластеров германия в кремнии под действием импульсного лазерного излучения © В.А. Володин¶, Е.И. Гацкевич, А.В. Двуреченский, М.Д. Ефремов, Г.Д. Ивлев, + А.И. Никифоров, Д.А. Орехов, А.И. Якимов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия + Институт электроники Национальной академии наук Белоруссии, 220090 Минск, Белоруссия + Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 27 января 2003 г. Принята к печати 10 февраля 2003 г.) Исследовалось воздействие импульсов излучения рубинового лазера на нанокластеры Ge, сформированные на подложке Si (100). Плотность энергии облучения соответствовала порогу плавления поверхности Si.

Изменение структуры нанокластеров анализировалось на основании данных спектроскопии комбинационного рассеяния света в сопоставлении с расчетами на основе моделей Борна–фон-Кармана и Волькенштейна.

Установлено, что воздействие одного импульса изменяет структуру нанокластеров. Наблюдается изменение их размеров и частичная релаксация напряжений сжатия. Еще более существенные изменения происходят при воздействии 10 импульсов. Нанокластеры Ge трансформируются в кластеры твердого раствора GexSi1-x, предположительно за счет диффузионных процессов, стимулированных механическими напряжениями и вакансионными дефектами. Проведено численное моделирование динамики теплового воздействия лазерного излучения на нанокластеры германия в кремнии.

1. Введение экспрессный неразрушающий и информативный метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) с применением сравнительного анализа эксперимента Кремний является основным материалом микроэлеки результатов моделирования. Анализ основан на том, троники, но в силу непрямозонной структуры элекчто, подобно электронному спектру, фононный спектр тронного спектра и, следовательно, низкой вероятности КТ как искусственной квазимолекулы определяется разизлучательных переходов использование его в оптомерами, формой, составом нанокластеров, свойствами электронных прибораx весьма ограничено. Одно из окружающего материала и механическими напряженивозможных решений — это повышение вероятности ями [6].

излучательных переходов из-за эффективной „свертки“ волнового вектора в квантово-размерных структурах на основе кремния. Исследования самоорганизации кван2. Эксперимент товых точек (КТ) Ge в Si актуальны также из-за перспектив применения данных структур для создания оптоэлектронных приборов, работающих на оптических Набор из 3 исходных экспериментальных образцов переходах между уровнями квантования дырок [1]. Для был изготовлен с применением молекулярно-лучевой получения структур с заданными свойствами важно эпитаксии (МЛЭ) на подложке Si с ориентацией (100).

иметь возможность управлять размерами и плотно- На подложке марки КЭФ-5 выращивался буферный стью КТ Ge. В обзоре [2] широко освещены подходы слой кремния при температуре 600C толщиной 150 нм.

к модификации размеров нанокластеров Ge непосред- Затем при температуре 300C производился рост Ge ственно в процессе роста. Это достигается, например, с эффективной толщиной 4, 8 и 10 монослоев (МL).

следующими способами: варьированием температуры и Нанокластеры Ge закрывались слоем кремния толщискорости роста; изменением механических напряжений ной 150 нм, температура роста — 500C. В экспена гетерогранице путем создания буферных слоев; вве- рименте использовалось излучение рубинового лазера дением примесей как центров зарождения островков с длиной волны = 694 нм и длительностью импульса Ge; стимуляцией островкового роста ионными пучка- p = 80 нс. Оптическая схема обеспечивала высокую ми [3]; использованием окисления ультратонкого слоя однородность лазерного пучка. Неравномерность раскремния перед осаждением германия [4,5]. В данной пределения энергии в пятне диаметром 6 мм не преработе выясняется возможность модификации размеров, вышала ±5%. Плотность энергии W моноимпульсного состава и механических напряжений германиевых КТ че- облучения была близка к 1 Дж/см2, т. е. соответствовала рез воздействие импульсным лазерным излучением. Для порогу плавления монокристаллического Si [7]. Число контроля структурного состояния КТ Ge использовался воздействующих импульсов излучения составляло 1 или 10. Изменение структуры Ge-нанокластеров анализи¶ E-mail: volodin@isp.nsc.ru ровалось на основании данных спектроскопии КРС, Модифицирование нанокластеров германия в кремнии под действием... полученных до и после лазерного облучения образцов.

Спектры регистрировались при комнатной температуре на автоматизированной установке на базе спектрометра ДФС-52 (ЛОМО, Санкт-Петербург) при возбуждении Ar-лазером ( = 514.5нм). Использовалась геометрия квазиобратного рассеяния, вектор поляризации падающего излучения был направлен вдоль кристаллографического направления структур 001, рассеянный свет регистрировался в поляризации 010. Выбор такой геометрии обусловлен тем, что она является разрешенной для рассеяния на продольных оптических (LO) фононах в германии и кремнии и запрещенной для двухфононного рассеяния на поперечных акустических (TA) фононах от подложки кремния. Это позволило избавиться от сложностей в интерпретации спектров КРС, рассмотренных в работе [8]. Для анализа по данным КРС структурных свойств наноостровков Ge были проведены численные расчеты собственных частот и собственных векторов колебаний в приближении Борна–фон-Кармана с учетом 5 координационных сфер, а затем были рассчитаны спектры КРС в рамках модели аддитивной поляризуемости связи Волькенштейна [9].

3. Обсуждение результатов Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния света в исходных В спектрах КРС исходных образцов (рис. 1) приобразцах с нанокластерами германия.

сутствует пик, соответствующий рассеянию на оптических колебаниях Ge–Ge-связей с положением от до 312 см-1 в зависимости от эффективной толщины германия. В объемном германии (в отсутствие меха- толщиной германия 8 и 10 монослоев сформированы напряженные КТ германия. Наблюдаемые в промежутке от нических напряжений) положение пика рассеяния на 350 до 450 см-1 пики соответствуют КРС на оптических продольных и поперечных оптических фононах (LO и колебаниях связей Ge–Si. Подобная дублетная структура TO) в центре зоны Бриллюэна — 302 см-1. Вследствие пика Ge–Si наблюдалась многими авторами [10,11]. Полокализации оптических фононов уменьшение размеров ложение пиков зависит от механических напряжений и КТ Ge должно смещать пик в сторону меньших частот, от стехиометрии. Так как пики от Ge-Si-связей в спектогда как механические напряжения сжатия — в сторону трах выражены слабо, можно сказать, что гетерограница больших. Во всех пиках присутствует низкочастотное „крыло“. Это обусловлено вкладом в рассеяние локали- достаточно четкая, без переходного слоя из твердого зованных мод более высокого порядка, имеющих, вслед- раствора германий–кремний, как и должно быть в случае низкотемпературной эпитаксии.

ствие дисперсии оптических фононов, меньшие частоты.

Возможно, это также обусловлено некоторой флуктуа- Для того чтобы оценить сдвиг линий КРС в зависицией толщины германиевых слоев, особенно в случае мости от толщины слоев германия, было проведено чисобразцов с 8 и 10 монослоями германия, где вклад ленное моделирование спектров. Расчеты собственных в рассеяние вносят не только квантовые точки, но и частот и собственных векторов колебаний были выполсмачивающий слой. В образце с 4 монослоями германия нены в модели Борна–фон-Кармана. Силовые константы квантовых точек высотой более 1 нм, по-видимому, нет, подгонялись с использованием аппроксимации диспериначе положение пика при существующих в системе сий фононных мод для объемного германия и кремния механических напряжениях достигало бы 310–318 см-1, зависимостями, полученными из анализа рассеяния медчто и наблюдается для образцов с более толстым слоем ленных нейтронов [12]. Силовые константы для кремния германия. Положение пика КРС в этих образцах выше и германия отличались только масштабным множитепо частоте, чем в объемном германии, вследствие „вы- лем, что позволило построить элементарную ячейку сокочастотного“ сдвига, обусловленного механическими гетероструктур Si–Ge по принципу массозамещения.

напряжениями сжатия. Этот сдвиг намного превышает Из рассчитанных собственных частот и собственных „низкочастотный“, обусловленный эффектом локализа- векторов колебаний были вычислены спектры КРС на ции оптических фононов. Таким образом, по данным основе модели Волькенштейна аддитивной поляризуемоКРС можно утверждать, что в образцах с эффективной сти связей [9]. Некоторые аспекты расчетов приведены Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1354 В.А. Володин, Е.И. Гацкевич, А.В. Двуреченский, М.Д. Ефремов, Г.Д. Ивлев, А.И. Никифоров...

ний (рис. 1) для данного образца не превышает 12 см-1, что соответствует частичной релаксации механических напряжений в исходных структурах. В полностью напряженных структурах сдвиг составляет 17 см-1 [15].

Из сравнения спектров КРС исходных и лазерномодифицированных образцов (рис. 3) можно заключить, что воздействие даже одного импульса приводит к радикальному изменению структуры германиевых точек, особенно в случае образцов с 8 и 10 монослоями германия. Пик, соответствующий КРС на колебаниях Ge–Ge-связей, уширяется и смещается в сторону меньших частот. Это говорит об уменьшении размеров кластеров чистого германия (за счет образования на границе слоя Ge–Si), об увеличении их дисперсии по размерам и, возможно, о некоторой релаксации в них механических напряжений сжатия. Еще более радикальные изменения видны в спектрах образцов, подвергнутых воздействию 10 импульсами лазерного излучения. Из анализа спектров можно сделать вывод, что в данном случае во всех образцах произошло образование твердого раствора германий–кремний. Возросла интенсивность и ширина пиков, соответствующих КРС на колебаниях Ge–Si-связей, а особенности, наблюдаемые в области от 220 до 300 см-1, соответствуют рассеянию на локальных оптических колебаниях связей Ge–Ge в твердом растворе [10,11]. Из данных спектроскопии КРС можно Рис. 2. Рассчитанные спектры комбинационного рассеяния сделать вывод, что происходит модификация размеров и света для плоских слоев германия толщиной 4 ML (1), 8ML (2), 10 ML (3).

в работах [13,14]. Поскольку оцененный объем элементарной ячейки для характерных размеров нанокластеров германия включал в себя более десяти тысяч атомов, то в силу ограниченности расчетного времени использовалась одномерная модель с периодическими граничными условиями. Влияние механических напряжений в расчете не учитывалось, но его можно учесть посредством сдвига всех частот на величину, пропорциональную напряжениям. Из расчетов (рис. 2) виден сдвиг пика КРС на колебаниях Ge–Ge-связей в сторону меньших частот при уменьшении толщины германия (упоминавшийся выше эффект локализации оптических фононов). Из анализа собственных векторов можно сделать вывод, что LO-колебания германия (LOGe) взаимодействуют с продольными акустическими колебаниями кремния (LASi). Это приводит к появлению „cвернутых“ (folded) мод LOGe-LASi, что является следствием периодичности граничных условий. Однако в исследуемых образцах был только один слой германия, и поэтому такие моды не должны проявляться в эксперименте. Частота колебаний основной Ge–Ge-моды в образце с 10 монослоями германия всего на 4 cм-1 меньше частоты фононов в объемном германии. В КТ Ge эффективная толщина германия еще больше, и сдвиг за счет квантовоРис. 3. Спектры комбинационного рассеяния света в образцах, размерного эффекта еще меньше. Следовательно, сдвиг модифицированных 1 (сплошная линия) и 10 (штриховая) в сторону больших частот из-за механических напряже- импульсами лазерного излучения.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Модифицирование нанокластеров германия в кремнии под действием... состава КТ германия, а также механических напряжений в гетероструктуре, контролируемая режимом импульсной лазерной обработки.

Чтобы определить температурные режимы обработки КТ, проводилось численное моделирование лазерного воздействия. Поскольку нанокластеры германия, ввиду их незначительного объемного содержания, не оказывают существенного влияния на теплофизические свойства изучаемых структур, расчет проводился для воздействия импульса рубинового лазера на монокристаллический Si, т. е. КТ не учитывались. Вклад нанокластеров германия в поглощение лазерного излучения также не учитывался. Для нашей экспериментальной ситуации можно ограничиться одномерным приближением, так как интенсивность лазерного излучения равномерно распределена по облучаемой зоне, а ее размер намного превышает длину тепловой диффузии даже за времена, на порядок большие длительности импульсного нагрева.

Одномерное нелинейное уравнение теплопроводности с условием Стефана на границе фазового перехода записывалось в виде T (x, T ) c(x, T ) +L(T - Tm) t T Рис. 4. Рассчитанные временные (a) и пространственныe (b) = k(x, T ) + Q(x, t), x x распределения температуры для плотностей энергии в импульсе, Дж/см2: 1 —0.6 (131 нс), 2 —0.8 (128 нс), 3 —0.9 (130 нс).

T = 0, x x=T = T = T0, для различных плотностей энергии (рис. 4, a), а также x=D t=распределение температуры по глубине в момент врегде T — температура, T0 = 300 K, t — время, коордимени, когда достигается максимум нагрева (рис. 4, b).

ната x направлена в глубь образца, — плотность, При плотности энергии более 0.9 Дж/см2 достигается c — удельная теплоемкость, k — теплопроводность, температура плавления поверхности Si (TmSi), хотя на L — скрытая теплота плавления, Tm — температура глубине залегания нанокластеров температура ниже.

плавления, (T ) — -функция Дирака. Функция Q(x, t) При W 0.8 Дж/см2 Si остается кристаллическим, а описывает выделение тепла при поглощении лазерного включения Ge нагреваются почти до температуры плавизлучения:

ления объемного Ge (TmGe). Таким образом, наиболее x интересным режимам облучения соответствуют плотности энергии облучения в диапазоне от 0.7 до 1 Дж/см2.

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.