WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 9 Исследование методом сканирующей туннельной микроскопии процессов роста и самоорганизации наноструктур Ge на вицинальных поверхностях Si(111) © К.Н. Романюк, С.А. Тийс, Б.З. Ольшанецкий Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия E-mail: olshan@isp.nsc.ru (Поступила в Редакцию 15 сентября 2005 г.

В окончательной редакции 10 января 2006 г.) С помощью сканирующей туннельной микроскопии in situ исследованы начальные стадии роста Ge на вицинальных поверхностях Si(111), отклоненных в направлениях [112] и [112], в интервале температур 350-500C. Показано, что на поверхностях, отклоненных в направлении [112], при низких потоках Ge в диапазоне 10-2-10-3 BL/min возможно формирование упорядоченных нанопроволок Ge в режиме ступенчато-слоевого роста. Высота нанопроволок Ge составляет одно и три межплоскостных расстояния и задается высотой исходной ступени кремния. Установлено, что в процессе эпитаксии ступени с фронтом по направлению [112] заменяются на ступени с фронтом по направлению [112], в результате чего край ступени принимает зубчатую форму. Поэтому на ступенчатых поверхностях Si(111), отклоненных в направлении [112], формирование ровных и однородных по ширине нанопроволок Ge затруднено.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-02-16138) и Федеральной программы Министерства образования и науки РФ.

PACS: 61.30.Hn, 61.46.Hk, 68.37.Ef 1. Введение небольшие углы от грани Si(111) можно получать вицинальные поверхности, содержащие регулярные ряды В связи с потребностями электроники и вычисли- ступеней или фасеток [10–13].

тельной техники существует важная задача создания Целью настоящей работы является исследование с объектов типа квантовых точек и квантовых проволок помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) с размерами в диапазоне нескольких нанометров. Такие начальных стадий роста Ge на вицинальных поверхнообъекты не могут быть приготовлены с помощью совре- стях Si(111), а также выявление условий формирования менных литографмических методов. Перспективным для на этих поверхностях упорядоченных массивов нанообърешения этой проблемы является использование процес- ектов Ge.

сов самоорганизации. Под самоорганизацией понимается формирование упорядоченных металлических и полупроводниковых структур требуемых размеров и формы 2. Методика эксперимента с определенной плотностью без использования методов литографии, когда свойства наноструктур определяются Эксперименты проводились на образцах кремния nструктурой и морфологией поверхности, воздействием и p-типа размером 12 3 0.4 mm с сопротивлением адсорбированных инородных атомов и условиями роста, 10-103 · cm. Использовались образцы с отклонениями такими как скорость осаждения, температура подложки от плоскости (111) в направлениях [112] и [112] на и др. Способ самоорганизации является перспектив- углы 0.3-1. Получение атомарно-чистой поверхноным для создания наноструктур на поверхности крем- сти и осаждение Ge проводилось в вакууме не хуже ния [1–7].

2 · 10-10 Torr на установке фирмы Riber, оснащенной сиОдним из факторов, позволяющих управлять плотно- стемой СТМ фирмы OMICRON. Условия эксперимента стью и размерами получаемых объектов, могут быть детально описаны в [14]. Рост Ge осуществлялся в интератомные ступени на поверхности подложки. В этом вале температур 350-500C со скоростями осаждения случае зарождение нанообъектов может происходить в 10-2-10-3 BL/min. За двойной слой или бислой (1BL) местах встраивания, например у кромки ступени [8]. атомов Ge в направлении [111] принималась величина В связи с этим перспективным является использова- 1.44 · 1015 at/cm2. Изображения поверхности, полученние в качестве подложки вицинальных поверхностей, ные методом СТМ, регистрировались при комнатной отклоненных на небольшие углы от плоскости Si(111). температуре в режиме постоянного тока [15,16]. В качеГрань Si(111) является наиболее стабильной. Она обла- стве зондов СТМ использовались вольфрамовые иглы, дает наименьшей поверхностной энергией и наибольшей полученные электролитическим травлением в растворе энергией образования ступеней [9]. При отклонении на щелочи.

Исследование методом сканирующей туннельной микроскопии процессов роста и самоорганизации... Количество осажденного Ge на террасе (111) определялось с помощью СТМ-изображений по объему островков Ge, образовавшихся после роста, методом сложения площадей отдельных слоев островков [14]. Слои островков хорошо различались по уровням яркости на СТМ-изображениях. Общее покрытие определялось как отношение количества Ge в островках на террасе к ее площади.

Для нахождения локального покрытия вблизи ступени и автоматизации метода определения покрытия была написана специальная программа для обработки СТМизображений. Программа позволяла по заданным уровням яркости для конкретного СТМ-изображения определять суммарный объем Ge в островках и кластерах и получать зависимость покрытия Ge от расстояния до ступени. Количество Ge, поглощенного ступенью, мы определяли по разности объемов матриала в островках на участке поверхности, прилегающем к ступени, и на участке такой же площади вдали от ступеней и междоменных границ.

3. Результаты исследований и их обсуждение 3.1. Рост Ge на поверхностях, отклонен ных от Si(111) в н а п р а в л е н и и [112]. Вицинальные поверхности, отклоненные на углы 0-15 от плоскости (111) в направлении [112], при температурах выше температуры фазового перехода (830-800C соответственно) представляют собой систему ступеней высотой в одно межплоскостное расстояние (1d111) [17].

При температурах ниже температуры фазового перехода на поверхностях с углами отклонения менее 1, коРис. 1. Распределение Ge вблизи ступени 1d111 с фронтом торые использовались в наших экспериментах, система по 112 после осаждения Ge. a — изображение островков и ступеней 1d111 сохраняется [18]. Длина ступеней между кластеров Ge в окрестности ступени при покрытии 0.18 BL;

изломами составляла 200-400 nm.

b — зависимость покрытия Ge от расстояния до ступени.

На рис. 1, a приведено СТМ-изображение ступени с фронтом по направлению [112] после осаждения 0.18 BL Ge при 380C. В результате встраивания Ge в ступень ее исходно ровный край стал шероховатым. Вдоль ступени Vu и Vl представляют собой объемы встроенного гермасо стороны верхней и нижней террас видны области с ния, приходящиеся на единицу длины ступени, и имеют пониженной концентрацией островков и кластеров — размерность nm2. Границы области питания ступени или области обеднения. На рис. 1, b показана зависимость зон обеднения на верхней и нижней террасах опредепокрытия Ge от расстояния до ступени. Темные участки, лялись как точки пересения линии среднего покрытия обозначенные как Vu и Vl, соответствуют покрытию Ge в с графиком зависимости покрытия от расстояния до областях обеднения на верхней и нижней террасах. Незаступени. На рис. 1, b размеры зон обеднения для верхней крашенная площадь, обозначенная как Vst, соответствует и нижней террас обозначены как Lu и Ll соответственно.

объему Ge, встроившемуся в ступень. Положение исЗная размеры зон обеднения и покрытие, можно ходного края Si-ступени можно было определить по Vst.

определить приходящиеся на единицу длины ступени Величина Vst рассчитывалась с помощью соотношения ad количества германия Vu и Vlad, поглощенного ступенью с верхней и нижней террасы соответственно, Vst + Vl + Vu = Lst. (1) ad Здесь Lst — длина области питания ступени в nm, — Vu = Lu - Vu, средняя толщина покрытия Ge на террасе в nm. Один бислой германия имеет толщину 0.326 nm. Величины Vst, Vlad = Ll - Vl.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1718 К.Н. Романюк, С.А. Тийс, Б.З. Ольшанецкий готовление системы ступеней высотой в 1d111 с низкой частотой изломов производилось следующим образом.

Образец прогревался при 600C в течение 4 h, затем поверхность очищалась вспышкой при 1250Cв течение 20 s, после чего температура снижалась за 1 min до 1060C. Далее следовало быстрое охлаждение до 850C за 3s, выдержка при850C в течение 15 min, охлаждение до 800C за 15 min и охлаждение до 400C со скоростью 10C/min. Чтобы избежать эффектов, связанных с электромиграцией, прогрев образца производился переменным током. Для того чтобы среднее расстояние между изломами на таких образцах было больше 0.5 µm, точность ориентации поверхности в направлении [110] должна быть не ниже 5. Такая точность не всегда достижима. Поэтому для получения ступеней с меньшим Рис. 2. Изображение ступени с фронтом по 112 после осаждения 0.3 BL Ge со скоростью 1.5 · 10-3 BL/min при температуре 400C.

Из СТМ-данных (рис. 1) были получены значения ad Vu = 0.99 nm2 и Vlad = 0.66 nm2. Таким образом, из экспериментов следует, что количество материала, поглощенного ступенью со стороны верхней террасы, превосходит количество материала, поглощенного со стороны нижней террасы. Это означает, что эффективная величина барьера Швебеля для встраивания адатомов Ge в ступень со стороны нижней террасы превосходит соответствующую величину для верхней террасы.

С увеличением покрытия возрастает доля участков, ограненных ступенями с фронтом по направлению [112].

После эпитаксии Ge при температуре 400C исходно ровный край ступени приобретает пилообразную форму из-за увеличения числа участков, ограненных ступенями с фронтом по 112 (рис. 2). При дальнейшем росте атомы Ge взаимодействуют с участками ступеней с фронтом по 112. Одновременно с формированием пилообразного края ступени наблюдается образование островков Ge высотой 1-2 BL у края ступени со стороны верхней террасы (рис. 2). Вероятнее всего, зарождение островков вблизи края происходит на дефектной границе между исходной ступенью кремния и приросшим слоем германия. Во время роста высота островков Ge на краю ступени ограничивается тремя бислоями относительно нижней террасы.

3.2. Рост Ge на поверхностях, отклонен ных от Si(111) в направлении [112]. Чистые поверхности кремния, отклоненные на небольшие углы от плоскости (111) в направлении [112], содержат ступени высотой в одно (1d111) и в три (3d111) межплоскостных расстояния. С увеличением угла отклонения от плоскоРис. 3. Вицинальная Si(111)-поверхность со ступенями 1dсти (111) доля степеней 3d111 увеличивается [19,20].

до и после эпитаксии Ge. a — исходная атомарно-чистая В наших экспериментах использовались образцы, от- поверхность; b — поверхность после осаждения 0.3 BL Ge со клоненные на 20 от (111) в направлении [112]. При- скоростью 7 · 10-3 BL/min при температуре 380C.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Исследование методом сканирующей туннельной микроскопии процессов роста и самоорганизации... краях ступеней высотой в 1d111. Из рис. 3, b видно, что края ступеней декорированы островками. Атомы Ge не только встраиваются в ступень, но и формируют у ее края на верхней террасе треугольные островки с предельной высотой в два межплоскостных расстояния (2d111). В результате вдоль ступени формируется пленка Ge высотой в три межплоскостных расстояния. Край ступени при этом преимущественно сохраняет исходную ориентацию [112].

На рис. 4 показаны СТМ-изображение ступени высо той в 1d111 с фронтом по направлению [112] и схема встраивания в нее Ge. Островки высотой в 1d111 и2d111 у края ступени сливаются в протяженные цепочки с огран кой преимущественно ступенями с фронтом по [112].

Направление [112] на рис. 4, a показано стрелкой. Схема Рис. 4. Трехслойные островки Ge на ступенях 1d111 с фронтом по 112 при осаждении 0.45 GL Ge со скоростью 4 · 10-3 BL/min при температуре подложки 400C. a — поверхность (111) после эпитаксии Ge; b — профиль ступени вдоль светлой горизонтальной линии на части a; c — схематическое изображение поперечного сечения ступени.

числом изломов создавались мезаструктуры, выполненные в виде канавок, перпендикулярных ступеням с фронтом по [112]. Мезаструктуры представляют собой канавки шириной 1 µm и глубиной 0.3 µm, чередующиеся с периодом в 11 µm. Отжиг мезаструктуры в режиме, описанном выше, позволял получать системы параллельных ступеней с ровными, без изломов краями длиной до 1 µm.

На рис. 3, a приведено изображение чистой поверхноРис. 5. a — изображение вицинальной поверхности Si(111) сти Si(111), содержащей ступени с расстоянием между с островками Ge на ступенях; b — увеличенный фрагмент изломами более 400 nm. После осаждения Ge морфо- изображения ступени 0U, выделенный темной рамкой на логические изменения появляются в первую очередь на части a.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1720 К.Н. Романюк, С.А. Тийс, Б.З. Ольшанецкий Рис. 6. Ступень 0U, образовавшаяся из исходной ступени 2U в процессе эпитаксии 0.2 BL Ge при 380C со скоростью 8 · 10-3 BL/min. Штриховой линией обозначена дефектная межфазная граница между Si и Ge.

края ступени (рис. 4, c) построена с помощью измеренного профиля ступени, представленного на рис. 4, b.

По СТМ-изображениям с атомным разрешением был проведен статистический анализ. В результате было установлено, что на исходно чистой поверхности образца более 90% ступеней относилось к ступеням группы 2U и несколько процентов от всех ступеней составляют ступени группы 0U. Основные группы и классификация ступеней высотой 1d111 для поверхности Si(111) приведены в [21,22]. Поэтому общая статистическая картина определяется ростом на ступенях группы 2U. Ступени группы 0U выделяются на фоне других ступеней. При покрытиях менее 0.2 BL они практически не декорированы островками. На рис. 5, a такая ступень показана стрелкой. Из СТМ-изображений с атомным разрешением (рис. 5, b) видно, что после осаждения Ge эти ступени сохраняют свою структуру и границы между фазами кремния и германия являются бездефектными.

При осаждении Ge вдоль исходной ступени группы 2U прирастающий участок ступени германия имеет конфигурацию 0U (рис. 6) и образуется межфазная граница с дефектами. В экспериментах наблюдалось образование островков на межфазной границе у края ступени 2U со стороны верхней террасы и на порядок Рис. 7. Распределение Ge вблизи ступени 3d111 после осаменьшее число островков на ступени 0U. На основаждения 0.6 BL Ge при температуре 380C со скоростью нии этого можно заключить, что межфазные границы, 8 · 10-3 BL/min. a — изображение поверхности Si(111) со содержащие дефекты, являются основной причиной и ступенями 1d111 и 3d111; b — увеличенный фрагмент с местами зарождения островков у края ступени. Важная изображением ступени 3d111, выделенный светлой рамкой на роль дефектов на межфазных границах при зарождении части a, с предполагаемой межфазной границей между Si и Ge островков Ge подтверждается не только при сравнении (штриховая линия); c — зависимость покрытия от расстояния роста на ступенях групп 2U и 0U, но и при росте вблизи ступени 3d111.

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.