WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 11 Молекулярно-пучковая эпитаксия и свойства гетероструктур с InAs нанокластерами в Si матрице, © Д.В. Денисов, И.Т. Серенков, В.И. Сахаров, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия E-mail: denisov@beam.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 18 марта 2003 г.) Методами дифракции быстрых электронов на отражение, рассеяния ионов средних энергий и сканирующей электронной микроскопии исследованы процессы формирования гетероэпитаксиальных структур с InAs-нанокластерами в Si-матрице при молекулярно-пучковой эпитаксии, а также изменение параметров таких структур при термическом отжиге. Показано, что в определенном температурном диапазоне при осаждении InAs на Si(100)-поверхности происходит формирование четырехгранных нанопирамид с {111}-ориентацией боковых граней. Установлена возможность последующего эпитаксиального заращивания InAs-наноостровков кремнием с постепенным сглаживанием трехмерного рельефа. Определено, что при отжиге в вакууме структуры Si\InAs\Si(100) являются стабильными при температурах до 700C.

Настоящая работа выполнена при частичной финансовой поддержке научными программами Минпромнауки и технологии РФ и Российского фонда фундаментальных исследований.

В настоящее время Si по-прежнему является основ- в активной области в традиционной гетеросистеме ным материалом полупроводниковой электроники. Это InGaAs-AlGaAs [3]. В настоящее время активно исслеобъясняется во многом природными качествами Si как дуются Si1-x Gex \Si(100) структуры, демонстрирующие технологичного и относительно дешевого материала. квазипрямозонную излучательную рекомбинацию элекДальнейшее развитие Si-микроэлектроники предполага- тронов из кремния с дырками в кремний-германиевых ет увеличение степени интеграции, рабочей частоты, наноостровках [4].

уменьшение энергопотребления, а также совмещение МПЭ для гетеросистемы InAs-Si, содержащей как на одном кристалле интегральных схем микро- и опто- элементарный неполярный, так и бинарный полярэлектронных элементов. Однако по своей природе Si ный полупроводники, имеет свои особенности: больявляется непрямозонным материалом с низкой эффек- шее рассогласование периодов кристаллических решетивностью межзонной излучательной рекомбинации, что ток (InAs/Si — 11%, в то время как InAs/GaAs — 7%, a накладывает существенные ограничения на его приме- Ge/Si — 4%), взаимодиффузия материалов гетеропары, нения в оптоэлектронике. Поэтому проведение научных возможное образование антифазных доменов. Следует исследований, направленных на создание оптоэлектрон- отметить также значительно различающиеся условия ных приборов нового типа, совместимых конструктивно гомоэпитаксии InAs и Si. InAs растят при температурах и технологически с существующей Si-планарной техно- 400-500C и давлении паров As 10-6 Torr [5,6].

логией, является весьма актуальной задачей современ- Эпитаксиальные слои Si высокого качества получают ной твердотельной электроники. при температурах роста 600-800C и фоновом давлении Одним из возможных вариантов решения этой за- остаточной атмосферы 10-8 Torr и менее [7] (при таких условиях происходит термическая диссоциация дачи является формирование в Si-матрице множества оптически активных центров — плотного массива на- InAs [8]).

норазмерных включений прямозонного полупроводника В данной работе методами дифракции быстрых элекс меньшей, чем у Si, шириной запрещенной зоны [1]. тронов на отражение (ДБЭО), рассеяния ионов средних Для получения такого рода структур было предложено энергий (РИСЭ) и сканирующей электронной микроиспользовать молекулярно-пучковую эпитаксию (МПЭ) скопии (СЭМ) проведено исследование особенностей InAs на Si [2]. В этом случае массив нанообъектов формирования и свойств InAs-Si-гетероструктур со вначале формируется на поверхности в результате воз- встроенным в Si-матрицу слоем наноразмерных 3Dникновения и самосогласованного роста наноразмерных кластеров InAs, полученных методом МПЭ на пластинах когерентно-напряженных островков при гетероэпитак- кремния ориентации (100).

сии материалов с большим рассогласованием периодов Эксперименты по МПЭ-росту в гетеросистеме кристаллических решеток. Последующее заращивание InAs-Si проводились на установке SUPRA-32, имевшей массива нанообъектов слоем основного материала созда- в своем составе электронно-лучевой испаритель (ЭЛИ) ет в итоге структуру с квантовыми точками (КТ). Таким для получения необходимого потока Si и эффузионные образом были получены лазерные структуры c InAs-КТ ячейки для испарения In и As. Базовое давление в ростоМолекулярно-пучковая эпитаксия и свойства гетероструктур с InAs нанокластерами в Si матрице вом модуле установки составляло не хуже 3 · 10-10 Torr.

При работе ЭЛИ (мощность 1 kW, скорость осаждения Si 1.0 /s) давление не превышало 1 · 10-8 Torr.

Давление в камере и состав фоновой атмосферы контролировались вакууметром Байярда-Альперта и квадрупольным масс-спектрометром. Конструкция манипулятора позволяла осуществлять непрерывное вращение образца в процессе роста, а штатный танталовый ленточный нагревательный элемент обеспечивал его термический нагрев до 800C. Для измерения температуры образцов использовались ИК-пирометр IRCON-V и W-Re-термопара. Для контроля морфологии поверхности роста in situ применялись система ДБЭО с энергией электронов в пучке до 10 keV и аппаратура регистрации дифракционных картин на основе компактной цифровой камеры. Для эпитаксии были использованы (100)-ориентации подложки кремния n-типа с концентрацией легирующей примеси 2 · 1015 cm-3.

Послеростовые исследования полученных структур Рис. 1. Картина ДБЭО от поверхности Si(100)-подложки поспроводились методами СЭМ и РИСЭ. Для получения ле предростовой химической подготовки. Энергия электронов электронно-микроскопического изображения поверхнос10 keV. Направление падения электронного пучка [011].

ти образцов использовался электронный микроскоп CamScan S4-90FE. Регистрация осуществлялась во вторичных электронах при энергии зондирующего пучка обезгаживалась при температурах 400 и 750C в те20 keV. Исследование образцов методом РИСЭ выполчение 50 и 20 минут соответственно, после чего при нялось на установке, описанной в работе [9]. Для температуре 750C в слабом потоке Si ( 0.02 /s) за зондирования использовались ионы He+ с энергиями 96 и 191 keV. Обратнорассеянные на угол 120 15-20 минут с поверхности удалялся слой оксида кремния. Процесс предэпитаксиальной подготовки в вакууме ионы регистрировались электростатическим анализатоконтролировался методом ДБЭО.

ром (ЭСА) с разрешением E/E = 0.005 в режимах Кремниевые подложки, использовавшиеся для пронеориентированного пучка или каналирования вдоль ведения ростовых экспериментов, имели микроскооси [100]. Объектами исследования являлись образпически-гладкую поверхность. На это указывает цы, соответствующие основным этапам формирования отсутствие топографического контраста на электроннометодом МПЭ гетероструктур с InAs-нанокластерами микроскопических изображениях, полученных на СЭМ.

в Si-кристаллической матрице: 1) Si\Si(100) — полуПосле проведения химической обработки морфология чение химически-чистой, атомарно-гладкой, структурноповерхности подложек на микроскопическом уровне совершенной (100)-поверхности Si; 2) InAs\Si(100) — не изменялась. Наличие на ДБЭО-картине от такой формирование на поверхности Si массива наноразмерповерхности вытянутых дифракционных рефлексов ных островков InAs; 3) Si\InAs\Si(100) — заращивание (рис. 1), соответствующих решетке Si, свидетельствует наноостровков InAs слоем Si.

об атомарной гладкости поверхности подложек, а также Для получения достоверных данных о процессах зарождения и роста InAs-наноостровков при гетеро- о том, что толщина сформированного слоя SiO2 не превышает нескольких монослоев. Удаление защитного эпитаксии необходимо учитывать состояние исходной окисла прогревом при 750C в потоке атомов Si поверхности Si. Использование только метода ДБЭО ( 0.02 /s, t 15-20 min) либо чисто термическим пудля мониторинга предростовой подготовки подложки тем при 800C (t 10-15 min), согласно данным СЭМ может приводить к неверным выводам, так как возможно и ДБЭО(рис. 2), позволяет получить атомарно-гладкую, возникновение ямок травления в процессе удаления защитного окисла [10,11]. Поэтому состояние поверх- структурно-упорядоченную поверхность кремния.

По данным РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная ности на всех этапах предэпитаксиальной подготовки спектроскопия) в пределах чувствительности метода дополнительно отслеживалось методом СЭМ.

Предростовая химическая обработка Si-подложек за- (менее 0.1 монослоя) на поверхности отсутствовали ключалась в очистке и последующем формировании на какие-либо загрязнения. На подготовленных подложках рабочей поверхности защитного слоя тонкого нестехио- при температурах от 350 до 750C и скорости осаждения метрического оксида кремния по методу Шираки [12]. 1.0 /s выращивались контрольные слои Si толщиной от Подготовленные таким образом образцы сразу же загру- 100 до 500. Все полученные образцы демонстрировали жались в установку. Непосредственно перед проведени- линейчатые (2 2)-картины дифракции и имели ем ростовых экспериментов подложка последовательно поверхность без микронеровностей.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2092 Д.В. Денисов, И.Т. Серенков, В.И. Сахаров, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов лись более размытыми основные рефлексы, усиливался диффузный фон.

Дальнейшая эволюция дифракционной картины в процессе осаждения InAs определялась температурой образца. Для температур 400C и менее точечные рефлексы появлялись почти синхронно с ослаблением основных тяжей. В диапазоне от 410 до 440C точки на дифракционной картине становились заметными при толщине InAs на Si от 2 до 20 ML. Причем при приближении к верхней границе этого температурного диапазона наблюдаемые точечные рефлексы становились все менее четкими, а количество осажденного InAs, необходимого для их появления, должно было быть увеличено. Для Рис. 2. Картина ДБЭО от поверхности Si(100)-подложки после удаления оксидного слоя. Энергия электронов 10 keV.

Направление падения электронного пучка [011].

Перед ростом InAs давление паров As в камере поднималось до 10-6-10-5 Torr. При таком давлении число молекул из фоновой атмосферы, достигающих поверхности образца, приблизительно соответствует монослою (ML) за несколько секунд (для Si(100)-поверхности 1ML = 6.8 · 1014 atom/cm2), но так как давление насыщенных паров As при температуре 200C составляет 10-5 Torr, на поверхности кремния, нагретого выше 200C, не может адсорбироваться более одного монослоя атомов As. Это подтверждается как результатами исследования электронного состояния атомов As на Si [13,14], так и тем, что осаждение As из фоновой атмосферы или из прямого потока эффузионной ячейки Рис. 3. Картина ДБЭО от поверхности InAs\Si(100)-структуне вызывает изменений (2 2)-картины дифракции от ры. Количество осажденного при 400C InAs 4.0 ML. Энергия электронов 10 keV. Направление падения электронного пуч(100)-поверхности Si, нагретого выше 200C. С другой ка [011].

стороны, РФЭС-измерения показали, что заметная термическая десорбция As с (100)-поверхности кремния начинается после 600C [15,16]. Таким образом, еще до начала роста поверхность Si оказывается покрыта монослоем упорядоченно расположенных атомов As, что согласуется с выводами работы [17].

Осаждение InAs осуществлялось при следующих неизменных условиях роста: давление паров As в камере составляло 2-5 · 10-6 Torr, поток In из эффузионного источника был предварительно откалиброван на скорость роста InAs, равную 0.1 ML/s, соотношение потоков In и As поддерживалось в пределах от 1 : 2 до 1 : 5.

Температура для различных образцов варьировалась от 350 до 500C. Процесс гетероэпитаксиального роста InAs на (100)-поверхности Si контролировался путем наблюдения за динамикой картин ДБЭО.

На начальном этапе осаждения InAs исходная (2 2)картина дифрации, соответствующая Si(100)-поверхности, претерпевала следующие общие для всех ростовых Рис. 4. Картина ДБЭО от поверхности InAs\Si(100)-структуэкспериментов изменения. При толщине осажденного ры. Количество осажденного при 400C InAs 4.0 ML. Энергия InAs 1/3 ML исчезали сверхструктурные рефлексы.

электронов 10 keV. Направление падения электронного пучПри осаждении 2/3 ML InAs ослаблевали и станови- ка [010].

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Молекулярно-пучковая эпитаксия и свойства гетероструктур с InAs нанокластерами в Si матрице этих оценок следует, что полное количество вещества, содержащееся в островках, составляет (1-7) · 1015 молекул InAs на квадратный сантиметр при доле покрытия поверхности подложки 10-60%.

Следует отметить, что значительное изменение исходной (2 2)-картины дифракции происходит уже при осаждении менее чем 1.0 ML InAs. Это, по всей видимости, обусловлено отмеченным выше различием периодов решеток в гетеросистеме InAs/Si. Островки InAs толщиной в 1.0 ML, занимая чуть более 1/3 площади, порождают упругие напряжения в приповерхностном слое, приводящие к исчезновению упорядоченной структурной перестройки Si(100)-поверхности. При осаждении 2/3 ML InAs кристаллическая решетка приповерхностного слоя Si искажается на глубину в несколько монослоев, Рис. 5. CЭМ-изображение поверхности InAs\Si(100)-структучто вызывает ослабление основных тяжей и возрастание ры. Количество осажденного при 400C InAs 4.0 ML. Стороны диффузного фона.

изображения параллельны [011]- и [0 -11]-направлениям.

Таким образом, на основании анализа картин ДБЭО можно говорить о том, что критическая толщина, при которой происходит трансформация слоя осажденного образцов, нагретых выше 450C, появление точечных InAs, зависит от температуры осаждения. При 400C и рефлексов не фиксировалось даже после осаждения менее InAs-наноостровки формируются непосредственнескольких десятков монослоев InAs. На картине ДБЭО но на поверхности Si. При этом за счет частичного в этом случае наблюдался лишь зеркальный рефлекс на снятия упругих напряжений открытые участки Si вносят фоне сильного диффузного рассеяния. вклад в дифракционную картину в виде основных и Появление точечных рефлексов на картине ДБЭО сверхструктурных тяжей. В диапазоне 410-430C на(рис. 3, 4) однозначно свидетельствует о трехмерном ноостровки возникают поверх смачивающего слоя InAs.

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.