WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Структурные и фотолюминесцентные свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире © С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, Л.В. Красильникова, М.В. Степихова, Д.А. Павлов, Т.В. Павлова, П.А. Шиляев, А.Ф. Хохлов Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: svetlov@phys.unn.ru Приводятся первые результаты изучения эпитаксиального выращивания легированных эрбием слоев кремния на сапфировых подложках с использованием метода сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Приведены данные структурного анализа, обсуждаются люминесцентные свойства слоев. Показано достаточно высокое совершенство гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире, выращенных при температурах Ts = 600-700C. В фотолюминесцентном отклике структур обнаружен сигнал на длине волны 1.54 µm, связываемый с внутрицентровыми переходами редкоземельного иона Er3+.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 01-02-16439 и 02-02-16773) и МНТП „Фундаментальная спектроскопия“ (проект № 08.02.043).

Одним из перспективных направлений развития со- 1. Методика эксперимента временной микро- и наноэлектроники является создание приборов и структур „кремний на изоляторе“, к кото- Подложками служили пластины сапфира с ориентаци рым относятся и гетероэпитаксиальные пленки кремния ей (1102). Перед осаждением слоев кремния пластины на сапфире (КНС). К преимуществам этих структур отжигались при температуре 1200-1400C в течение относятся их повышенная стойкость к радиационным 30-90 min непосредственно в ростовой камере. Потоки воздействиям, термостойкость, низкое энергопотребле- атомов Si и Er формировались при нагреве до 1330C ние интегральных микросхем [1]. При возможности сублимирующего источника, вырезанного из кремниереализации на сапфировых подложках многофункцио- вого слитка, легированного этой примесью. Источник нальных микропроцессорных схем и общей тенденции к разогревался электрическим током [5]. В ряде опытов повышению уровня интеграции возникает естественная на сапфире выращивались нелегированные слои Si, необходимость в разработке схем для оптоэлектроники. при этом в качестве источника использовался кремний В этой связи представляют интерес структуры на осно- марки КДБ-15, нагретый до 1380C. Скорость осаве кремния, легированного редкоземельными элемента- ждения слоев составляла 0.08-0.1 nm / s. Температура ми [2]. подложки варьировалась от 500 до 800C. Давление Доминирующим методом изготовления КНС-структур остаточных газов в процессе роста слоев не превышало является кристаллизация из газовой фазы с участием 1 · 10-7 Torr. Выращивались слои кремния с толщиной химических реакций [3]. Однако высокая температу- от 0.25 до 0.75 µm.

ра осаждения ( 1000C) приводит к появлению в Структура выращенных слоев анализировалась меслоях кремния напряжений сжатия из-за достаточно тодами дифракции электронов и рентгеновских лучей.

больших различий в величинах коэффициентов линей- Использовался электронограф ЭМР-102 в режиме „на ного расширения кремния и сапфира. Для повыше- отражение“ при скользящем угле падения и ускоряющем ния кристаллографического совершенства выращивание напряжении 100 kV. Рентгенодифракционные спектры КНС-структур проводят методом молекулярно-лучевой регистрировались на дифрактометре ДРОН-4 с моноэпитаксии (МЛЭ) [4]. При низких температурах ро- хроматором Ge(400) на CuK1-излучении. Морфолоста сводится к минимуму влияние разницы коэффи- гия поверхности слоев изучалась с помощью атомноциентов термического расширения этих материалов силовой микроскопии на приборе ТМХ-2100 „Accurex“.

и уменьшается плотность дефектов в эпитаксиальных Фотолюминесцентные измерения проводились на модерслоях.

низированной установке КСВУ-23 с базовым монохромаЦелью данной работы является исследование воз- тором МДР-23. Сигнал возбуждался аргоновым лазером можности выращивания методом сублимационной МЛЭ (линия 514.5 nm) с мощностью накачки 100 mW. Для легированных эрбием слоев кремния на сапфире, люми- регистрации спектров фотолюминесценции (ФЛ) иснесцирующих на длине волны 1.54 µm. пользовались высокочувствительный охлаждаемый гер16 С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник...

маниевый детектор модели ЕО-817А и стандартная техника „lock-in“ детектирования. Спектры измерялись при температурах 77 и 300 K с разрешением 6nm.

2. Результаты и обсуждение a) С т р у к т у р а в ы р а щ е н н ы х с л о е в. Исследовалось влияние температуры предэпитаксиального отжига подложки и температуры роста на структуру выращенных слоев кремния. Испарение кремния осуществлялось из нелегированного источника. После отжига подложки при высокой температуре ( 1400C) в течение 30 min на электронограммах слоя кремния наблюдались Кикучи-линии и Кикучи-полосы (рис. 1), что свидетельствует о высоком структурном совершенстве приповерхностной области слоя Si. С повышением температуры роста резкость Кикучи-картин увеличивалась, т. е. структура эпитаксиального слоя улучшалась. В то же время для исходной подложки сапфира они были едва заметны.

По-видимому, сказывается наличие нарушенного слоя на поверхности сапфира, возникающего при механической полировке.

Выращенные на отожженных при 1400C подложках слои кремния имеют достаточно гладкую поверхность (рис. 2, a), а на отожженных при 1200C подложках поверхность эпитаксиального слоя выглядит более грубой (рис. 2, b). Вероятно, в последнем случае температура оказалась недостаточно высокой для удаления с поверхности сапфира углеродных и кислородных загрязнений.

На подложках, отожженных при 1400C, происходит Рис. 2. Атомно-силовое изображение поверхности слоев Si, послойное наращивание. По данным рентгеновской ди- выращенных на подложках из сапфира, прошедших предварифракции при низких температурах роста (500-550C) тельный отжиг при 1400 (a) и 1200C (b).

слои кремния имели преимущественную ориентацию (110), а начиная с 600C и выше — ориентацию (100).

Максимальная интенсивность пика рентгеновской дифракции с такой ориентацией наблюдалась в слоях, выращенных при 700C. Типичная кривая качания, полученная для слоя Si(100), приведена на рис. 3.

После проведения исследований эпитаксии нелегированных слоев кремния на сапфире были выращены слои кремния, легированные эрбием. Температура роста Рис. 3. Рентгенодифракционная кривая качания слоя Si, выращенного при Ts = 700C. Отражение (400)Si.

слоев составляла 600C. Эта температура специально была выбрана несколько ниже оптимальной температуры получения структурно совершенных слоев (700C) Рис. 1. Электронограмма „на отражение“ структуры КНС. для того, чтобы избежать образования силицидных соФизика твердого тела, 2004, том 46, вып. Структурные и фотолюминесцентные свойства гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире с ухудшением структурного совершенства слоев.

Для сравнения на рис. 4 приведены спектральные зависимости слоев кремния на сапфрие, выращенных на подложках, предварительно отожженных при 1200 и 1400C. Данные рентгеновской дифракции для этих образцов дают значения полуширины кривых качания 0.4 и 0.36 при интенсивностях дифракционных пиков Si(400) в 400 и 3400 относительных единиц соответственно.

Видно, что линия ФЛ на 1.59 µm непосредственно коррелирует с параметрами структурного совершенства слоев. Фотолюминесцентный отклик самой сапфировой подложки в КНС-структурах проявляется лишь в незначительном сигнале в области длин волн 0.9-1.2 µm (зависимость 4 на рис. 4), присутствующем также в спектрах эпитаксиальных слоев. Отметим, что в спектрах ФЛ исследованных структур практически отсутствовали характерные линии дислокационной Рис. 4. Спектральные зависимости фотолюминесценции люминесценции (известная серия линий D1-D4 [7]), КНС-структур. 1 — для слоя кремния, легированного эрбием, 2, 3 — для нелегированных слоев кремния разного структурно- наблюдаемые, как правило, в кремнии с большим го совершенства, выращенных на подложках, предварительно содержанием дислокаций и структурных дефектов.

отожженных при 1200 и 1400C соответственно, 4 — для Сигнал ФЛ КНС-структур в диапазоне 1.5-1.7 µm сапфировой подложки.

значительно уменьшался при увеличении температуры измерений и практически не детектировался при 300 K.

Таким образом, в данной работе показано, что метод сублимационной МЛЭ позволяет выращивать структурединений в слое кремния. Концентрация эрбия в слоях но совершенные тонкие ( 0.5 µm) слои кремния на составляла порядка 5 · 1018 см-3.

сапфире, в том числе слои, легированные эрбием и b) Фотолюминесцентные особенности люминесцирующие на длине волны 1.54 µm.

К Н С - с т р у к т у р. Результаты фотолюминесцентных исследований нелегированных и легированных эрбием Список литературы КНС-структур приведены на рис. 4. При температуре измерений 77 K в спектре ФЛ КНС-структуры с [1] D. Mead, J. Hine. Rep. Progr. Phys. 8, 3, 327 (1987).

легированным эрбием слоем наблюдается достаточно [2] Н.А. Соболев. ФТП 29, 1153 (1995).

интенсивный сигнал в области длин волн 1.5-1.7 µm, [3] В.С. Панков, М.Б. Цыбульников. Эпитаксиальные кремниеспектр которого представлен двумя составляющими с вые слои на диэлектрических подложках и приборы на их максимумами на 1.54 и 1.59 µm (рис. 4). По положению основе. Энергия, М. (1979).

пика и узости спектральной линии фотолюминес[4] E.D. Richmond, J.G. Pelligrino, M.E. Twigg et al. Thin Solid центный отклик на длине волны 1.54 µm естественно Films 192, 287 (1990).

[5] С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров. ПТЭ 4, связать с переходами из возбужденного в основное состояние в 4 f -оболочке редкоземельного иона Er3+ (2000).

4 [6] W. Kuerner, R. Sauer, A. Doerner, K. Thonke. Phys. Rev. B 39, (переходы I13/2 I15/2). Вторая, более интенсивная 18 13 327 (1989).

линия в спектре с максимумом на 1.59 µm значительно [7] R. Sauer, J. Weber, J. Stolz. Appl. Phys. A 36, 1 (1985).

уширена и, судя по положению линии и соотношению интенсивностей, очевидно, не связана с внутрицентровыми переходами редкоземельной примеси. Наиболее вероятно (учитывая форму и ширину линии), что этот люминесцентный отклик в структуре обусловлен дефектными комплексами в напряженном слое кремния либо комплексами примесных центров, в частности известными дефектными комплексами в кремнии, включающими в себя атомы углерода и кислорода (люминесцентные линии C и P [6]), содержание которых может быть велико в эпитаксиальных слоях. Действительно, линия ФЛ с максимумом на 1.59 µm присутствовала также в спектрах КНС-структур, не легированных редкоземельной примесью (при отсутствии сигнала на 1.54 µm), причем интенсивность линии возрастала 2 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 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.