WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 11 Эффекты упорядочения наноструктур в системе Si / Ge0.3Si0.7 / Ge при молекулярно-пучковой эпитаксии,+,=¶,+,= =,- © Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Л.В. Соколов, P. Werner= Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198063 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия = Max-Planck Institut fr Mikrostrukturphysik, D-06120 Halle / Saale, Germany Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 24 апреля 2002 г. Принята к печати 24 апреля 2002 г.) Исследованы структурные свойства нанообъектов в гетероэпитаксиальной системе Si / Ge0.3Si0.7 / Ge методом атомно-силовой микроскопии. Установлено, что образование нанометровых островков происходит при меньших толщинах осажденного Ge, чем в случае Si / Ge гетероэпитаксии. Обнаружены эффекты пространственного упорядочения наноструктур: образование hut-кластерами групп вокруг кратеров на начальной стадии образования трехмерных объектов и выстраивание dome-кластеров в ряды при повышении количества осажденного Ge.

1. Введение Однако такие методы не всегда позволяют создавать приборы на их базе из-за значительной плотности струкИсследование эффектов самоорганизации на поверх- турных дефектов в подобных структурах.

ности полупроводников различного состава привлекает В данной работе нами предлагается использовать в настоящее время значительный интерес. К одному из в качестве подслоя напряженную квантовую яму, соосновных направлений в этой области следует отнести став и толщина которой заведомо меньше критической процессы спонтанного образования наноразмерных кла- толщины образования как дислокаций, так и трехмерстеров в напряженных гетероэпитаксиальных системах, ных островков (например, по механизму Странскикоторые при последующем заращивании материалом Крастанова). Такая квантовая яма должна, с одной стороподложки могут образовывать так называемые кван- ны, создавать поля напряжений, а с другой — содержать товые точки (КТ), в которых возможно наблюдение низкую плотность структурных дефектов. В качестве эффектов трехмерного квантования и, как следствие, модельной была выбрана гетероэпитаксиальная система атомно-образного энергетического спектра [1,2]. При Si / Ge, рассогласование параметров решетки в которой определенных ростовых параметрах возможно наблю- составляет 4%.

дение пространственного упорядочения подобных наноструктур. Такие упорядоченные структуры необходимы 2. Эксперимент для создания таких приборов, как лазеры с распределенной обратной связью, а также устройств памяти. Так, для Ростовые эксперименты проводились на установке системы InGaAs / GaAs наблюдались спонтанное упорямолекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) Riber SIVA дочение КТ в ряды при использовании вицинальных (France) на подложках Si(100) p-типа (проводимость поверхностей GaAs(100) [3], пространственное упоря5-20 Ом · см, легирование бором). Использовались поддочение и уменьшение дисперсии размеров КТ в трехложки диаметром 5 дюймов производства фирмы мерных многослойных структурах [4] и т. д. Подобный „OKMETIC“ (Sweden). Подложки подготавливались хиже эффект был обнаружен для многослойных структур мически по методике, описанной в [8]. Подготовленс германиевыми КТ в кремниевой матрице [5].

ные подложки высушивались в потоке аргона чистоДля того чтобы получить упорядоченные структуты 6.0 и немедленно загружались в камеру перезары, необходимо, в частности, создать пространственнорядки установки МПЭ. Подобная методика позволяла неоднородное поле напряжений в слое, предваряющем удалять окисный слой с поверхности Si в ростовой собственно слой, содержащий наноструктуры. Впоследкамере при температуре 840C путем радиационного ствии квантово-размерным кластерам энергетически вынагрева. При росте использовалось вращение нагревагодно зарождаться в локальных максимумах или минителя образца, неравномерность температурного поля по мумах (в зависимости от расстояния до напряженных поверхности подложки составляла 5%. Постоянство слоев и выбора конкретного материала). Для создания скоростей напыления обеспечивалось с помощью двух подобных полей используются профилированные (или масс-спектрометров с обратной связью, настроенных литографически подготовленные) подложки [6], создаютна 28 (Si) и 74 (Ge) массы. Давление остаточных паров ся сетки дислокаций в нижележащих слоях [7] и т. д.

атмосферы во время роста было не хуже 5 · 10-10 Торр.

¶ E-mail: cirlin@beam.ioffe.rssi.ru Состояние поверхности контролировалось in situ с по7 1380 Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Л.В. Соколов, P. Werner Рис. 1. Картины ДБЭО при осаждении на поверхность: a —4 Ge с подслоем GeSi, b —6 Ge с подслоем GeSi, c —6 Ge без подслоя.

мощью дифракции быстрых электронов на отраже- ния составляли 0.5 / с для буфера и 0.11 / с для ние (ДБЭО). активной области, скорость роста для германия была Структуры состояли из буферного слоя Si тол- 0.05 / с. Характеризация поверхности производилась щиной 500, подслоя Ge0.3Si0.7 толщиной 50, ex situ с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) прикрываемого тонким слоем чистого Si (5 ), на котопроизводства Digital Instruments Inc (USA).

ром осаждалось 6-12 Ge. В процессе осаждения слоя квантовых точек делались двухминутные прерывания 3. Результаты и обсуждение после каждого выращенного монослоя (МС) (начиная с четвертого) с остановкой вращения для фиксации Наблюдения за картинами ДБЭО во время роста ДБЭО картин. Температура подложки составляла для буферной области Tsub = 450C и Tsub = 500C для подтверждают планарность подслоя и прикрывающего остальной части структуры. Скорости роста для крем- тонкого слоя кремния. Затем, при осаждении приблизиФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Эффекты упорядочения наноструктур в системе Si / Ge Si / Ge при молекулярно-пучковой эпитаксии 0.3 0.Рис. 2. АСМ изображение поверхности структуры с подслоем GeSi после осаждения 6 германия.

Рис. 3. АСМ изображение поверхности структуры с подслоем GeSi после осаждения: a —7 Ge и b —9 Ge.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1382 Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров, Л.В. Соколов, P. Werner тельно 4 германия, картины ДБЭО укaзывают на образование корругированной поверхности (рис. 1, a), а при достижении толщины Ge 6 происходит образование трехмерных островков (рис. 1, b). Следует отметить, что при осаждении даже 6 Ge на поверхность Si без подслоя каких-либо существенных отличий от изначальной поверхностной реконструкции (2 2) не наблюдалось (рис. 1, c). Полученные результаты позволяют предположить, что использование подслоя Ge0.3Si0.7 создает напряжения в верхней части структуры, вследствие чего переход от двумерного роста к трехмерному происходит раньше. На рис. 2 приведено АСМ изображение поверхности образца, содержащего 6 германия на верхнем слое. Из рисунка следует, что, несмотря на докритическую толщину слоя германия, после которой происходит переход от планарного роста к трехмерному росту, на поверхности появляются наноостровки (так называемые hut-кластеры). Следует заметить, что при осаждении на Si без напряженного подслоя толщина dcrit, измеренная с помощью регистрации динамики трансформации картин ДБЭО на поверхности, составляла 7. Латеральные размеры островков составляют 20-50 нм в длину и 8 нм в ширину. Отметим малый разброс по ширине. Высота островков также достаточно равномерна и составляет 2 нм. Интересной особенностью является образование кратеров глубиной до 3 нм, в районе которых (в основном) образуются группы островков, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях {011}.

Увеличение толщины осажденного германия до приводит к увеличению плотности островков (рис. 3, a) с одновременным уменьшением плотности кратеров при дальнейшем увеличении до 9 (рис. 3, b). Почти вся поверхность заполнена hut-кластерами, плотность их максимальна, кратеры практически исчезают. Для этих случаев размеры и форма островков существенно не меняРис. 4. a — АСМ изображение поверхности структуры ются по сравнению со случаем, когда осаждалось 6 AGe.

с подслоем GeSi после осаждения 12 Ge, b — картина ДБЭО При этом картины ДБЭО показывают образование более при осаждении на поверхность 12 Ge с подслоем GeSi.

выраженной фасетированной структуры с увеличением количества осажденного Ge, по-видимому, связанное с увеличением плотности наноостровков. При увели островков располагается вокруг кратеров, выстраиваясь чении количества осажденного германия до 12 A провдоль определенных кристаллографических направлений исходит существенное изменение структуры поверхнос высокой степенью упорядоченности. Возможным мести. Для данного случая характерно образование больханизмом образования таких кратеров является следуюших кластеров германия типа dome и super-dome [9] щее: упругие напряжения, индуцируемые подслоем GeSi, (рис. 4, a) с ярко выраженной фасеточной структурой, и (или) случайные флуктуации химического состава наблюдаемой на картинах ДБЭО (рис. 4, b). Латеральквантовой ямы могут приводить к локальным нарушениные размеры кластеров типа super-dome составляют ям целостности тонкого прикрывающего слоя Si. Подоб50-150 нм, их высота 20 нм. Плотность таких кластеров существенно падает. Из представленных изобра- ные разрывы являются центрами повышенной концентрации адатомов Ge вследствие дальнодействующего пожений, полученных методом АСМ, видно, что во всех случаях наноостровки германия упорядоченно выстраи- тенциала типа „дефект-адатом“ [10]. Однако на начальваются вдоль определенных направлений на поверхно- ном этапе — до 4 МС — количество осажденного Ge недостаточно для образования трехмерных островков, сти. В последнем случае кластеры super-dome образуют цепочки вдоль направлений [11n], где n — целое число происходит диффузия атомов Ge из GeSi-квантовой ямы.

в пределах 2-4, с сохранением ближнего порядка. Тем самым эффективно повышается количество Ge на Из рис. 2 видно, что, хотя и встречаются оди- поверхности. Такой транспорт материала наиболее эфночно стоящие островки, подавляющее большинство фективен для центров упругих напряжений (кратеров), Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Эффекты упорядочения наноструктур в системе Si / Ge Si / Ge при молекулярно-пучковой эпитаксии 0.3 0.и Ge-наноостровкам энергетически выгоднее образовы- Ordering effects of nanostructures ваться группами в районе локальных разрывов Si-слоя.

in a Si / Ge0.3Si0.7 / Ge system during Прерывание роста в начальные моменты образования molecular beam epitaxy островков дополнительно стимулирует миграцию адато мов германия к локальным центрам упругих напряже- G.E. Cirlin,+,=, V.A. Egorov,+,=, L.V. Sokolov=,-, ний. При увеличении толщины осаждаемого Ge происхо- P. Werner= дит постепенное заполнение наноостровками поверхно Institute for Analytical Instrumentation, сти, а затем и кратеров. Наблюдаемое ярко выраженное Russian Academy of Sciences, упорядочивание наноостровков в ряды при дальнейшем 198063 St. Petersburg, Russia увеличении количества осажденного Ge не может быть + Ioffe Physicotechnical Institute, объяснено эффектом „складирования ступеней“, харакRussian Academy of Sciences, терным, например, для вицинальных поверхностей [11].

194021 St. Petersburg, Russia Возможным объяснением данного эффекта является = Max-Planck Institut fr Mikrostrukturphysik, образование поверхности с квазипериодическим макроD-06120 Halle / Saale, Germany рельефом при упругом взаимодействии напряженной Institute of Semiconductor Physics квантовой ямы с ансамблем наноостровков.

of the Siberian Branch, Таким образом, нами исследованы некоторые эффекты Russian Academy of Sciences, упорядочения, возникающие в системе Si / Ge0.3Si0.7 / Ge при МПЭ росте. Установлено, что образование на- 630090 Novosibirsk, Russia норазмерных островков в этой системе происходит раньше, чем при обычной гетероэпитаксии Si / Ge. Для

Abstract

Structural properties of the nanoobjects in a нашего случая характерно упорядочение островков по Si / Ge0.3Si0.7 / Ge heteroepitaxial system have been studied using размерам, а также по групповому пространственному the atomic-force microscopy method. Formation of nanometer расположению на начальном этапе и наличие дальнего islands occurs at lower Ge thickness in comparison with Si / Ge порядка при образовании рядов наноостровков при дальheteroepitaxy. Effects of nanostructure space ordering are found:

нейшем осаждении Ge.

(i) formation of groups of hut-clusters around craters at the initial Данная работа выполнена при частичной поддерж- stage of three-dimensional objects appearance and (ii) domeке научных программ СПбНЦ и Министерства про- clusters alignment in rows upon increasing Ge content.

мышленности и науки РФ „Низкоразмерные квантовые структуры“. Г.Э. Цырлин выражaет благодарность фонду Гумбольдта.

Список литературы [1] Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алфёров, Д. Бимберг. ФТП, 32, 385 (1998).

[2] D. Bimberg, M. Grundmann, N.N. Ledentsov. Quantum dot heterostructures (Willey, Chichester, 1998).

[3] G.E. Cirlin, G.M. Guryanov, A.O. Golubok, S.Ya. Tipissev, N.N. Ledentsov, P.S. Kop’ev, M. Grundmann, D. Bimberg.

Appl. Phys. Lett., 67, 97 (1995).

[4] Г.Э. Цырлин, В.Н. Петров, С.А. Масалов, А.О. Голубoк.

ФТП, 33, 733 (1999).

[5] J. Tersoff, C. Teichert, M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett., 76, (1996).

[6] O.G. Schmidt, N.Y. Jin-Phillipp, C. Lange, U. Denker, K. Eberl, R. Schreiner, H. Grbeldiner, H. Schweizer. Appl.

Phys. Lett., 77, 4139 (2000).

[7] D.D. Chambliss, R.J. Wilson, S. Chiang. Phys. Rev. Lett., 66, 1721 (1991).

[8] Г.Э. Цырлин, П. Вернер, У. Гёзеле, Б.В. Воловик, В.М. Устинов, Н.Н. Леденцов. Письма ЖТФ, 27 (1) (2001).

[9] О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров, А.И. Якимов, Б. Фойхтлендер. ФТП, 34, 1281 (2000).

[10] A. Madhukar. Surf. Sci., 132 344 (1983).

[11] P. Smilauer. Vacuum, 50, 115 (1998).




© 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.