WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Влияние сурьмы на морфологию и свойства массива Ge / Si(100)-квантовых точек,,,, © Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, В.Э. Птицын, В.Г. Дубровский, С.А. Масалов, В.П. Евтихиев, Д.В. Денисов, В.М. Устинов, P. Werner Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Max-Planck-Institut fr Mikrostrukturphysik, 06120 Halle (Saale), Germany E-mail: cirlin@beam.ioffe.rssi.ru Методами дифракции быстрых электронов на отражение и атомно-силовой микроскопии исследованы морфологические особенности формирования квантовых точек в системе (Ge,Sb) / Si при молекулярнопучковой эпитаксии. Обнаружено, что в случае одновременного напыления Ge и Sb происходит увеличение плотности и однородности наноостровков по сравнению со случаем напыления чистого Ge.

Закономерности образования островков обсуждаются с точки зрения теории формирования островков в системах, рассогласованных по параметру решетки. Проведено исследование полевых эмиссионных свойств полученных объектов с помощью сканирующего электронного микроскопа. Оценка приведенной яркости для (Ge,Sb) / Si-наноструктур дает величину B 105 A/(cm2 · sr · V), что на порядок превышает значение этой величины для Шоттки-катодов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке научными программами Министерства науки и образования, Российской академии наук, а также Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16374). Г.Э. Цырлин выражает признательность Alexander von Humboldt Stiftung, А.А. Тонких благодарит фонд DFG.

1. Введение нейшие исследования в этой области. Известно, что при МПЭ-росте островки Ge (в общем случае) образуют на поверхности кремния (100) две фазы, различающиеся Кремний является базовым материалом современной по форме и размерам, — так называемые hut- и domeполупроводниковой промышленности, большинство мифазы [4]. При МПЭ в области температур 550-600Cна кроэлектронных устройств создается с помощью планарповерхности подложки обычно наблюдаются обе эти фаной кремниевой технологии. Вместе с тем в последнее зы, что приводит к существенному разбросу островков время активно развиваются и другие направления испо размерам. В данной работе нами предлагается подход, пользования структур на основе кремния. Перспективпозволяющий избежать формирования dome-кластеров ной с точки зрения создания светоизлучающих приборов при температурах подложки 550-600C, повысить одна подложке Si является система материалов Ge / Si.

нородность размеров и плотность Ge-островков.

Внедрение Ge в матрицу Si возможно, например, в виде наноразмерных включений — островков, получаемых естественным путем в процессе молекулярно-пучковой 2. Эксперимент эпитаксии (МПЭ). Общепринятым считается, что дырки в этом случае локализованы в Ge, а электроны за Ростовые эксперименты проводились на установках счет кулоновского притяжения локализуются в приле- МПЭ Riber Siva-45 и Riber Supra. Источниками атогающем слое Si. Подобные объекты служат источни- марных потоков Si и Ge служили электронно-лучевые ками излучательной рекомбинации, которая наблюдает- испарители. Контроль потоков осуществлялся с помося в спектрах фотолюминесценции в диапазоне длин щью двух квадрупольных масс-спектрометров, настроволн 1.5-1.9 µm [1]. В случае создания многослойных енных на 28 и 74 массы соответственно, а также структур с квантовыми точками (КТ) Ge в матрице кварцевых датчиков. Предростовая химическая подгоSi возможно получение массива туннельно-связанных товка поверхности кремния выполнялась RCA-методом.

наноостровков и образование мини-зоны для электро- Удаление защитного оксидного слоя с подложки Si(100) нов [2]. При этом времена излучательной рекомбинации (использовались подложки p-типа с удельным сопротивмогут существенно уменьшаться по сравнению с объем- лением 2-20 / cm и n-типа с удельным сопротивленым кремнием. Системы Ge-наноостровков на подлож- нием 0.001-0.01 / cm) происходило непосредственно ке Si используются также в многоострийных полевых в ростовой камере, после чего осаждался буферный эмиттерах [3]. Для приборных приложений необходимо слой кремния толщиной 100 nm. Слой Ge с эквиваполучение по возможности наиболее однородных мас- лентной толщиной 0.75-1.0 nm наносился на этот слой сивов нанометровых островков, что стимулирует даль- кремния. Температура подложки Ts варьировалась от Влияние сурьмы на морфологию и свойства массива Ge / Si(100)-квантовых точек сти рефлекса (01) по сечению A-A1, отмеченному на рис. 1, с помощью методики, описанной в [5]. Следует отметить, что для всех образцов, в которых использовалось одновременное осаждение потоков Sb и Ge, момент образования трехмерных островков наступал раньше (при прочих равных условиях роста), чем в случае осаждения чистого германия, в то время как при росте на сильно разориентированной поверхности Si(100) и предварительном осаждении 0.5-1.0ML сурьмы наблюдалась обратная картина [6]. Морфология образцов при наличие / отсутствие Sb существенно различалась. В качестве примера на рис. 2, a представлено АСМ-изображение поверхности Si(100) с островками Ge, полученными при скорости роста Vgr = 0.02 nm / s и Ts = 550C. Островки имеют основания прямоугольной Рис. 1. ДБЭО-изображение поверхности Si, покрытой 0.7 nm Ge. и квадратной формы. Это типичные hut-кластеры [3].

На рис. 2, b приводится АСМ-изображение поверхности Si(100), покрытой Ge-островками, которые были сфор500 до 600C, причем в ряде исследуемых образцов осаждение германия сопровождалось экспозицией поверхности подложки в потоке Sb, в других образцах на поверхность Si осаждался только Ge. Скорость роста Ge изменялась в интервале 0.002-0.02 nm / s. Температура источника Sb4 была постоянной (450C), что соответствовало эффективной скорости осаждения 0.2 ML / s (1ML = 6.8 · 1014 cm-2) на холодную подложку. Наблюдения за картинами дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) свидетельствовали об образовании островков Ge для всех образцов. После окончания ростовых экспериментов образцы быстро охлаждались до комнатной температуры и извлекались из вакуумной камеры. Исследование морфологических характеристик структур проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в бесконтактном режиме на атмосферном микроскопе производства Digital Instruments Inc.

Для исследования полевых эмиссионных свойств Ge / Siнаноструктур использовался высоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) LS SPM Omicron.

3. Результаты и обсуждение 3.1. Морфологические характеристики анс а м б л я Ge / Si - KT. Для исследования влияния ростовых параметров на морфологические характеристики ансамбля Ge / Si-КТ было выращено несколько серий образцов с различными скоростями роста Ge, температурой подложки в присутствие / отсутствие сурьмы.

На рис. 1 представлена типичная картина ДБЭО в направлении [011] от поверхности Si (100) в момент времени, соответствующий напылению слоя Ge с эффективной толщиной 0.7 nm. Температура подложки в данном случае составляла 550C. Яркие точечные реРис. 2. АСМ-изображение 0.85 nm Ge на поверхности Si флексы свидетельствуют об образовании на поверхности (Ge осаждался при температуре подложки 550 со скоростью подложки трехмерных островков. Для получения точной 0.02 nm / s) (a) и на поверхности Si(100) с островками Ge, информации о моменте перехода от двумерного к трех- который осаждался вместе с Sb при температуре подложки мерному росту была прослежена динамика интенсивно- 550C со скоростью 0.02 nm / s (b).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 60 Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, В.Э. Птицын, В.Г. Дубровский, С.А. Масалов, В.П. Евтихиев...

Морфологические характеристики ансамблей Ge / Si-KT при различных условиях роста Германий Hut-кластеры Dome-кластеры Пирамидальные кластеры Общая Номер Прямоуголь- Поверх- Поверх- Поверх- поверхКвадратНали Толоб- Ts, C ное основа- ностная D, H, ностная D, H, ностная ностная Vgr, ное осночие Sb щина, разца вание, nm плотность, nm nm плотность, nm nm плотность, плотность, nm / s вание, nm 1010 cm-2 108 cm-2 1010 cm-2 1010 cm-nm X Y 1 500 0.85 0.002 - 97.0 17.0 23.2 8 53 15 6 - - - 2 500 0.85 0.004 - 73.8 17.2 22.0 11 47 16 4 - - - 3 500 0.85 0.008 - 52.5 14.0 18.0 15 - - - - - - 4 500 0.85 0.015 - 42.2 13.7 19.5 18 - - - - - - 5 550 0.85 0.002 - 75.5 22.3 27.0 2.1 64.5 9.3 20 - - - 2.6 550 0.85 0.005 - 57.0 25.0 23.7 4.1 57.2 7.4 32 - - - 4.7 550 0.85 0.01 - 63.0 22.7 34.0 - - - - - - - 2.8 550 0.85 0.02 - 64.0 26.3 35.7 - - - - - - - 3.9 600 0.75 0.02 - - - - - 73.5 10 50 - - - 0.10 500 0.7 0.02 + - - - - - - - 17.3 1.2 22 11 550 0.85 0.002 + - - - - - - - 24.0 2.6 14 12 550 0.85 0.02 + - - - - - - - 40.0 3.1 5.2 5.13 550 1 0.02 + - - - - - - - 45.3 4.0 5.6 5.14 600 0.75 0.02 + - - - - - - - 40.6 1.5 1.3 1.мированы при тех же условиях роста, однако во время ваны по направлениям {106}. В последнем случае харакосаждения германия поверхность подложки подверга- терный латеральный размер кластеров по крайней мере лась экспозиции в потоке сурьмы. Очевидны следую- в 2 раза меньше характерного размера dome-кластеров, щие различия. Во-первых, в присутствии сурьмы с по- образующихся при тех же значениях эффективной толверхности полностью пропадает hut-фаза Ge-островков. щины и температуры поверхности в отстутствие Sb.

Во-вторых, средние размеры островков увеличиваются и Представленные результаты могут быть интерпретисоставляют D = 40 nm (сторона основания пирамиды) рованы с позиций кинетической модели формирования и H = 3nm (высота пирамиды). Грани пирамид имеют упругонапряженных островков в гетероэпитаксиальных индексы {106}. Нельзя считать подобные островки dome- системах, рассогласованных по параметру решетки, разфазой, так как при анализе картин ДБЭО не была выяв- витой в работе [8]. В соответствии с теорией квазисталена мультифасеточная структура граней, что подтвер- ционарный размер островков LR (при фиксированном ждается данными АСМ. Фурье-образ АСМ-изображения отношении его высоты к линейному размеру) может (рис. 2, b) свидетельствует об упорядочении объектов быть записан в следующем виде [8]:

пирамидальной формы (в нашем случае Ge-островков) ( Esurf)3/2D1/2(T ) в реальном пространстве по кристаллографическим наLR, (1) ( Eelas)1/2TV1/правлениям 010 [7].

Результаты измерения выращенных образцов сведены где D — коэффициент диффузии, T — температура в таблицу. На основании анализа приведенных данных поверхности, V — скорость поступления потока на поможно сделать следующие выводы.

верхность, Esurf и Eelas — соответственно изменение 1) Во всех случаях, когда осаждение Ge сопровождаповерхностной и упругих энергий на единицу площади лось экспозицией поверхности подложки в Sb, плотность за счет образования островков.

массива Ge-островков была выше, чем в соответствуКинетическая модель предсказывает увеличение поющих образцах, выращенных без Sb. Это находится верхностной плотности островков и уменьшение их в соответствии с данными ДБЭО, согласно которым размера с увеличением скорости осаждения материала эффективная толщина смачивающего слоя меньше в при постоянной температуре поверхности и эффективслучае одновременного напыления Ge и Sb.

ной толщине осажденного слоя. В рассматриваемой 2) Увеличение скорости осаждения Ge, а также од- системе повышение скорости роста приводит к увелиновременное осаждение Sb и Ge позволяет подавить чению центров флуктуационного зарождения кластеров, образование dome-кластеров на поверхности Si, а так- при этом характерные размеры, до которых кластеры же сформировать плотный и однородный по размерам успевают дорасти к моменту выключения источника ансамбль кластеров.

Ge, остаются достаточно малыми и dome-кластеры не 3) При осаждении чистого Ge формируются либо hut- появляются. Примесь Sb приводит к изменению как кластеры с гранями {105}, либо hut- и dome-кластеры. энергетических, так и кинетических свойств системы [9].

При добавлении примеси Sb грани кластеров ориентиро- Во-первых, уменьшается диффузионная длина атомов Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Влияние сурьмы на морфологию и свойства массива Ge / Si(100)-квантовых точек на поверхности, что приводит к снижению скорости роста кластеров по сравнению с осаждением чистого Ge.

Во-вторых, уменьшается активационный барьер нуклеации кластеров, что при прочих равных условиях ведет к увеличению их числа, уменьшению среднего размера и снижению критической толщины образования островков.

3.2. Исследование полевых эмиссионных с в о й с т в. Для реализации полевых эмиттеров на основе наноструктур необходимо соблюдение ряда условий, главным из которых является наличие массива наноостровков, равномерных по размерам и пространственному расположению [10]. Для исследования полевых эмиссионных свойств ансамбля Ge / Si-КТ был выращен образец, морфологические характеристики которого соРис. 3. Вольт-амперные характеристики Ge / Si-наноструктур.

ответствовали образцу № 14 (см. таблицу); в качестве Области сканирования: 1 — смачивающий слой Ge, 2 —смаподложки использовалась плоскость Si(100) n+-типа. Отчивающий слой Ge + Ge-КТ, 3 — отдельная КТ Ge.

метим, что поверхностная плотность кристаллических Ge-наноструктур составляла 1 · 1010 cm-2. Для указанной плотности при измерении полевых эмиссионных свойств (в пределах выбранной микрообласти) можно выделить два типа характерных направлений перемещения зонда СТМ в процессе пространственного сканирования: 1) направление, в котором зонд преимущественно движется только над „гладкой“ поверхностью подложки;

2) направление, в котором зонд сканирует площадь преимущественно над вершинами нанокристаллов Ge.

Кроме того, специально ограничивая пределы пространственного сканирования зонда, можно было проводить измерения тока полевой эмиссии с поверхности вершины единичной КТ.

При измерениях вольт-амперных характеристик (ВАХ) между зондом и подложкой прикладывалось пилообразное напряжение, которое изменялось от Рис. 4. Вольт-амперные характеристики Ge / Si-наноструктур, некоторого начального значения V0 (V0 0V) до построенные в координатах Фаулера–Нордгейма. Обозначение максимального значения Vm. Полное перемещение зонда кривых то же, что на рис. 3.

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.