WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Получение наноостровков Ge ультрамалых размеров с высокой плотностью на атомарно-чистой поверхности окиси Si © А.И. Никифоров, В.В. Ульянов, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, А.К. Гутаковский Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия E-mail: nikif@isp.nsc.ru Приведены экспериментальные результаты исследований начальных стадий роста пленки германия на атомарно-чистой окисленной поверхности кремния. Показано, что в данной системе рост пленки германия происходит в соответствии с механизмом Фольмера–Вебера. На окисленной поверхности кремния образуются упругонапряженные островки с латеральным размером менее 10 nm и плотностью 2 · 1012 cm-2.

При толщинах пленки более 5 монослоев наряду с ними образуются островки германия с латеральными размерами до 200 nm и плотностью 1.5 · 109 cm-2, которые полностью срелаксированы.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 03-0216468 и 03-02-16506) и INTAS (грант N 03-51-5051).

Интенсивные исследования явления самоорганизации поверхности Si(111) их латеральные размеры составляостровков нанометровых размеров в последние годы пе- ют менее 10 nm, а плотностью выше 1012 cm-2. Условия реходят от стадии изучения самого процесса к вопросам, окисления не только оказывают существенное влияние связанным с практическим использованием этого явле- на процесс образования островкой германия, но и явния. Наличие на поверхности Si(100) бездислокацион- ляются критическими для их дальнейшего заращивания ных островков германия размером 10-100 nm, которые слоем кремния. Наличие достаточно толстого слоя окиспоявляются после образования сплошной пленки Ge, ла не позволяет получить приемлемый по дефектности обусловливает интерес к этой системе [1]. Размеры эпитаксиальный слой Si. В связи с этим требуется тщатаких островков удалось уменьшить до значений, обестельный контроль условий окисления. В установке МЛЭ печивающих проявление эффектов размерного квантонаиболее удобным методом контроля является дифрация вания вплоть до комнатной температуры [2]. Область быстрых электронов (ДБЭ), которая позволяет послойно применения кремниевых структур с квантовыми точконтролировать как окисление [9], так и последующий ками германия в оптоэлектронике достаточно широка:

рост слоев германия и кремния.

от ИК-области [3] до длин волн, используемых в волоконно-оптической связи [4]. В работе [4] для уменьшения размеров островков германия и увеличения их 1. Эксперимент плотности выращивание проводилось на предварительно окисленной поверхности кремния.

Синтез проводился в установке МЛЭ „Катунь-С“. ИсРазмеры островков уменьшаются при снижении темпарение кремния осуществлялось из электронно-лучепературы осаждения германия. Минимальные размеры вого испарителя (ЭЛИ), поток германия формировался островков германия, получаемые при росте на чилибо ЭЛИ, либо эффузионной ячейкой с тиглем из стой поверхности кремния, составляют 15 nm. С ценитрида бора, легирующие примеси (Sb и B) испарялись лью уменьшения размеров и увеличения плотности из эффузионных ячеек. Аналитическая часть камеры выращивание германия осуществляется на атомарносостоит из квадрупольного масс-спектрометра, кварцечистой окисленной поверхности, которая подготавливавого измерителя толщины и дифрактометра быстрых ется непосредственно в установке полекулярно-лучевой электронов с энергией 20 kV. В процессе роста дифракэпитаксии (МЛЭ). Возможность создания окисного слоя ционная картина регистрировалась ССД-камерой, изобна поверхности кремния в условиях сверхвысокого варажение вводилось в персональный компьютер. Прокуума известна достаточно давно. Впервые в работе [5] граммное обеспечение позволяло наблюдать и регистрибыло показано, что в зависимости от давления кислороровать дифракционную картину со скоростью 10 кадров да и температуры можно подобрать режимы травления в секунду. Скорость роста Ge составляла 10 ML/min, и роста окисной пленки. Дальнейшее развитие эта температура подложки варьировалась от комнатной до методика получила совсем недавно, когда формирование сверхтонкого окисла было сопряжено с дальнешим ро- 700C. В качестве подложек использовались пластины кремния (100) с разориентацией менее 0.5. Окисление стом эпитаксиального слоя кремния [6]. Рост островков проводилось в установке МЛЭ при напуске кислорода в германия на предварительно окисленной поверхности кремния позволяет существенно уменьшить размеры и камеру до 10-4 Pa и температуре подложки 400-600C.

увеличить плотность островков. В работах [7,8] было После откачки кислорода на окисленную поверхность показано, что в случае роста островков на окисленной наносился германий.

5 68 А.И. Никифоров, В.В. Ульянов, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, А.К. Гутаковский 2. Результаты и их обсуждение камеру до давления 2 · 10-5 Pa. Минимум интенсивности зеркального рефлекса соответствует максимальной В процессе окисления регистрировалось изменение шероховатости поверхности, т. е. покрытию поверхности интенсивности различных рефлексов картины ДБЭ. Наи- окислом толщиной 0.5 ML. В дальнейшем его интенболее информативным оказалось изменение интенсивно- сивность повышается и стремится к стационарному значению. Образование второго и последующих слоев сти зеркального рефлекса. На рис. 1 показано изменение окисла не приводит к изменению интенсивности зеринтенсивности зеркального и сверхструктурного (2 1) кального рефлекса, так как морфология поверхности рефлексов во время окисления поверхности Si(100) при не меняется. Сверхструктурный рефлекс практически температуре подложки 400C и напуске кислорода в погасает при покрытии 0.5 ML и больше не изменяется.

Процесс роста пленки Ge контролировался по картине ДБЭ путем регистрации как качественных изменений структуры и морфологии растущей поверхности пленки, так и количественной информации об упругой деформации элементальной поверхностной ячейки [10]. Для анализа начальной стадии роста пленки германия на окисленной поверхности кремния проводилась регистрация изменения интенсивностей зеркального рефлекса и рефлекса трехмерной дифракции (3D-рефлекс). Эти величины очень чувствительны к изменению шероховатости поверхности, а возникновение 3D-рефлекса указывает на наличие трехмерных объектов на исследуемой поверхности. На рис. 2 показано характерное изменение интенсивностей рефлексов в процессе роста пленки Ge на окисленной поверхности Si(100).

Интенсивности этих рефлексов изменяются уже после напыления одного монослоя, и осцилляций интенсивРис. 1. Относительное изменение интенсивности зеркальноности зеркального рефлекса не неблюдается. Это свиго (1) и сверхструктурного (2) рефлексов в процессе окисдетельствует об отсутствии такой стадии роста, как ления Si(100) при температуре 400C и давлении кислорода образование смачивающего слоя. Во время напыления 2 · 10-5 Pa.

первого монослоя на поверхности SiO2 образуется адсорбционный слой германия, который со второго монослоя трансформируется в трехмерные островки. Таким образом, в отличие от механизма роста Странского– Крастанова, который реализуется на чистой поверхности кремния, на поверхности окисленного кремния рост пленки германия происходит по механизму Фольмера–Вебера.

В зависимости от толщины напыленного германия островки имеют различные размеры и плотность. На рис. 3 представлено СТМ-изображение ex situ массива островков Ge на поверхности окиси кремния, полученного после напыления 0.3 и 0.7 nm германия при температуре подложки 650C. При толщине пленки до 5 ML формируются островки с основанием менее 10 nm и плотностью более 1 · 1012 cm-2. Увеличение эффективной толщины осажденного германия приводит к образованию наряду с островками малого размера островков с большими размерами и существенно меньшей плотностью. Их латеральный размер достигает 200 nm, а плотность составляет 1.5 · 109 cm-2. Принимая во внимание изменение величины поверхностной элементарной ячейки, установленной в работе [11], можно Рис. 2. Относительное изменение интенсивности зеркальзаключить, что островки германия большого размера ного (1–3) и 3D-рефлексов (4–6) в процессе роста пленки срелаксированы и имеют параметр решетки, равный Ge при различных температурах подложки на окисленной поверхности Si(100). Ts, C: 1, 4 — 550, 2, 5 — 500, 3, 6 — 450. параметру объемного Ge. Об этом свидетельствует и Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Получение наноостровков Ge ультрамалых размеров с высокой плотностью на атомарно-чистой... Рис. 3. СТМ-изображение массива островков Ge на поверхности окиси кремния. dGe = 0.3 (a) и 0.7 nm(b).

наличие полос Муара на электронно-микроскопическом Список литературы изображении.

[1] D.J. Eaglesham, M. Cerullo. Phys. Rev. Lett. 64, 1943 (1990).

Необходимо отметить, что форма островков близка [2] A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov, O.P. Pcheк сферической без ярко выраженной огранки. Подобlyakov. Thin Solid Films 336, 332 (1998).

ная форма наблюдалась в работе [7], в которой про[3] A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov, Yu.Yu. Prosводился СТМ-анализ in situ островков германия на kuryakov. J. Appl. Phys. 89, 5676 (2001).

поверхности Si(111). По-видимому, форма островков [4] А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, А.И. Никифоров, зависит в основном от наличия слоя окисла, а не С.В. Чайковский, С.А. Тийс. ФТП 37, 1383 (2003).

от ориентации подложки и толщины окисла. Островки [5] J.J. Lander, J. Morrison. J. Appl. Phys. 33, 2098 (1962).

малого размера незначительно меняют слои размеры [6] Y. Wei, M. Wallace, A.C. Seabaugh. J. Appl. Phys. 81, и плотность при толщине покрытия, соответствую- 6415 (1997).

[7] A.A. Shklyaev, M. Shibata, M. Ichikawa. Phys. Rev. B 62, 43, щей появлению больших островков, сосуществующих 1540 (2000).

с ними (рис. 3, b). Таким образом, на окисленной [8] A. Barski, M. Derivaz, J.L. Rouviere, D. Buttard. Appl. Phys.

поверхности Si(100) при толщине пленки германия Lett. 77, 3541 (2000).

более 1 nm наблюдается бимодальное распределение [9] H. Watanabe, T. Baba. Appl. Phys. Lett. 74, 3284 (1999).

островков по размерам и плотности. Это подтвержда[10] A.I. Nikiforov, V.A. Cherepanov, O.P. Pchelyakov, A.V. Dvuется также и электронно-микроскопическими исследоваrechenskii, A.I. Yakimov. Thin Solid Films 380, 158 (2000).

ниями.

[11] А.И. Никифоров, В.В. Ульянов, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, Таким образом, в настоящей работе показано, что в А.К. Гутаковский. ФТТ 46, 80 (2004).

отличие от механизма Странского–Крастанова, реализуемого в системе Ge/Si(100), рост пленки германия на окисленной поверхности кремния происходит по механизму Фольмера–Вебера. Это проявляется в отсутствии смачивающего слоя перед образованием трехмерных островков. При толщинах германия менее 5 ML островки имеют латеральный размер менее 10 nm и плотность 2 · 1012 cm-2. При больших толщинах наряду с ними образуются островки германия с латеральными размерами до 200 nm и плотностью 1.5 · 109 cm-2, которые полностью срелаксированы.

Физика твердого тела, 2005, том 47, 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.