WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Гетероэпитаксия легированных эрбием слоев кремния на сапфире © В.Г. Шенгуров, Д.А. Павлов, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, П.А. Шиляев, М.В. Степихова, Л.В. Красильникова, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: svetlov@phys.unn.ru Обсуждаются возможности получения методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) легированных эрбием кремниевых слоев на сапфировой подложке для оптоэлектронных приложений.

Преимущество этого метода — относительно низкие температуры роста слоев. Показано, что с применением СМЛЭ можно выращивать кремниевые слои приемлемого кристаллического качества. Продемонстрировано влияние температуры роста не только на структуру слоев „кремний на сапфире“, но и на кристаллографическую ориентацию выращенных слоев. Обсуждаются электрофизические параметры и люминесцентные свойства слоев. В структурах этого типа получена обусловленная эрбием интенсивная фотолюминесценция при 1.54 µm.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 04-0217120) и INTAS (проект N 03-51-6486).

Одним из перспективных направлений развития со- 1. Методика эксперимента временной микро- и наноэлектроники является создание Эпитаксиальные слои кремния выращивались с помоприборов и структур „кремний на изоляторе“, к которым щью метода СМЛЭ способом, близким к описанному относятся и гетероэпитаксиальные пленки кремния на в [5]. Подложками служили пластины сапфира размесапфире (КНС). Преимуществом этих структур явля ром 35 35 mm с толщиной 0.5 mm ориентации (1102).

ются их повышенная стойкость к радиационным возПеред осаждением слоев кремния пластины отжигались действиям, термостойкость и низкое энергопотребление при температуре 1400C в течение 30 min непосрединтегральных микросхем [1]. При возможности реалиственно в камере роста. Потоки атомов Si и Er форзации на сапфировых подложках многофункциональных мировались при нагреве до 1330 C сублимирующего микропроцессорных схем и общей тенденции к повыисточника, вырезанного в виде прямоугольного бруска шению уровня интеграции возникает естественная необиз кремниевого слитка, легированного этой примесью ходимость в разработке схем оптоэлектроники. В этой в процессе роста. Источник разогревался пропусканием связи значительный интерес представляют структуры через него электрического тока. В ряде опытов на на основе кремния, легированного редкоземельными сапфире выращивался тонкий (0.1-0.7 µm) нелегироэлементами [2].

ванный буферный слой Si из кремниевого источника Целью данной работы является исследование возмарки КЭФ-15. Скорость осаждения слоев составляла можности выращивания методом сублимационной мо0.08-0.1 nm / s. Температура подложки Ts варьировалась лекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) легированных от 550 до 730C и измерялась оптическим пирометром эрбием слоев КНС, излучающих на длине волВИМП-015 с точностью ±20C. Давление остаточных ны 1.54 µm.

газов в процессе роста слоев не превышало 1 · 10-7 Torr.

В отличие от широко применяемого в настоящее Толщина выращенных слоев кремния составляла от 0.время для выращивания КНС-структур метода кридо 0.75 µm, она измерялась с помощью интеферометра сталлизации из газовой фазы [3] в разрабатываемой МИИ-4 по ступеньке, образованной на подложке после методике используются низкотемпературные режимы стравливания части пленки кремния.

роста, что позволяет минимизировать влияние разницы Структура слоев анализировалась методами дифраккоэффициентов термического расширения материалов ции быстрых электронов и рентгеновской дифракции кремния и сапфира [4] и, как следствие, приводит (РД). Для этих целей использовался электронограф к уменьшению напряжений сжатия в гетероэпитаксиЭМР-102 в режиме „на отражение“ при скользящем альных слоях. В работе демонстрируется возможность угле падения луча, ускоряющее напряжение было раввыращивания методом СМЛЭ слоев Si : Er на сапфире но 100 kV. РД-спектры измерялись на дифрактометре с хорошим структурным совершенством, рассмотрено ДРОН-4 с монохроматором Ge(400), где в качестве влияние условий роста на структуру и электрофизиче- тестирующего использовалось излучение CuK. Морские параметры слоев, обсуждаются их люминесцентные фология поверхности слоев изучалась методом атомносвойства. силовой микроскопии (АСМ) на приборе ТМХ-Гетероэпитаксия легированных эрбием слоев кремния на сапфире „Accurex“. Для измерения профилей распределения носителей заряда использовался метод электрохимического CV-профилирования.

Анализ спектров фотолюминесценции (ФЛ) проводился на Фурье-спектрометре BOMEM DA3 с разрешением до 1 cm-1, для возбуждения использовалась линия 514.5 nm аргонового лазера с мощностью 270 mW.

Спектры регистрировались с помощью охлаждаемого германиевого детектора марки North-Coast EO-817A, температура измерений 77 и 300 K.

2. Результаты эксперимента и их обсуждение 2.1. С т р у к т у р а в ы р а щ е н н ы х с л о е в. РассмотРис. 1. Электронограмма на отражение структуры КНС.

рим структурные особенности КНС-слоев и влияние температуры роста на их структуру. Параметры роста и данные структурного анализа представлены в таблице.

Как уже обсуждалось ранее [6], для слоев, выращенных на подложках, отожженных при высокой температуре (1400C), на электронограммах наблюдаются Кикучилинии и Кикучи-полосы (рис. 1), свидетельствующие о высоком структурном совершенстве приповерхностной области кремниевого слоя. Повышение температуры роста приводило к увеличению резкости наблюдаемых Кикучи-картин, что прямо указывает на улучшение структуры слоев.

Установлено, что слои кремния, выращенные при высокой температуре роста (730C), характеризуются высоким структурным совершенством: по данным РД ширина кривой качания на половине максимума интенсивности составляла 1/2 = 0.32-0.44. С уменьТехнологические параметры роста и данные структурного анализа гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире Рис. 2. АСМ-изображение поверхности слоя Si, выращенного Условия роста на подложке сапфира при Ts = 600C.

Номер Ориентация пленки d, µm 1/2, deg образца пленки Ts, C t, min 12-42 730 20 0.30 (100) 0.шением температуры роста проявлялось ухудшение 12-52 730 20 0.30 (100) 0.структуры слоя. Как видно из таблицы, для слоев, 12-54 730 15 0.25 (100) 0.выращенных при 600C, значение 1/2 находится в 12-59 730 30 0.40 (100) 0.пределах 0.5-0.7. В этом случе интересны данные, по12-62 730 30 0.4 (100) 0.лученные для кристаллографической ориентации слоев.

12-39 600 120 0.75 (100) 0.Если при температуре роста Ts = 600C и выше фор12-35 600 20 0.50 (100) 0.мировались слои с ориентацией (100), то дальнейшее 12-27 600 20 0.27 (100) 0.снижение температуры подложки до 550C приводило 730 15 0.к росту кремниевого слоя, кристаллические блоки в 12-60 (100) 0.600 60 0.котором имели двойную ориентацию: (100) и (110). При этом образовавшиеся слои были монокристаллическими:

730 12-64 0.3 (100) 0.на электронограммах, полученных как от поверхности 600 этих слоев, так и от поверхности слоев, выращенных 730 при более высокой температуре, присутствовали только 12-66 600 25 0.55 (110) 0.Кикучи-линии. По данным АСМ выращенные слои име550 ли достаточно гладкую поверхность (рис. 2).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 88 В.Г. Шенгуров, Д.А. Павлов, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, П.А. Шиляев, М.В. Степихова...

Видно, что профиль неоднороден по толщине: на границе слоя с подложкой и вблизи его поверхности слой имеет p-тип проводимости, в основной части слоя проводимость n-типа. Такое распределение, на наш взгляд, можно объяснить следующим образом. В процессе предэпитаксиального высокотемпературного отжига подложки происходит накопление атомов алюминия на поверхности сапфира, по мере наращивания часть их внедряется в растущий слой, а часть оттесняется поверхностью роста, что и приводит к формированию областей p-типа проводимости. Можно полагать, что в случае КНС-слоев, легированных эрбием, этот механизм будет также определять тип проводимости слоя.

2.3. Фотолюминесцентные свойства КНСс т р у к т у р. Результаты фотолюминесцентных исследований легированных эрбием КНС-структур приведены на рис. 4. Видно, что при температуре измерений 77 K в спектрах ФЛ наблюдается достаточно интенсивный сигнал в области длин волн 1.54 µm, который по своему спектральному положению и ширине спектральных линий является характерным для излучательных пере4 ходов редкоземельного иона (переходы I13/2 I15/2 в 4 f -оболочке иона Er3+). Наиболее эффективный сигнал ФЛ в этом диапазоне наблюдался в образце № 12-60, спектр которого представлен тонкой структурой линий с полушириной 10 cm-1. Спектр этой структуры аналогичен спектрам ФЛ слоев Si : Er с большим содержанием кислорода. В частности, здесь можно выделить серию Рис. 3. Профили распределения концентрации носителей линий кислородсодержащих центров иона Er3+ (центры заряда по толщине слоя кремния на сапфире. a, b — слои, Er-O1,2), впервые обнарженных в материалах, полученлегированные эрбием и фосфором соответственно.

ных методом ионной имплантации [8].

По мере ухудшения структурного совершенства КНСслоев (см. таблицу) в спектрах ФЛ наблюдалось значительное уширение спектральной линии на длине волны В ряде случаев эпитаксиальные слои кремния выращи1.54 µm, вызванное, очевидно, наличием напряжений в вались при двух температурах роста: первая часть слоя слое. Более того, одновременно с сигналом ФЛ, обус(приблизительно 1 / 4 от его толщины) — при повышенловленным редкоземельной примесью, формировалась ной температуре роста (730C), вторая — при более вторая люминесцентная зона с максимумом вблизи низкой (600C). При этом сохранялось достаточно высокое структурное совершенство слоев (образцы № 12-60, 12-64). Если же в процессе наращивания второй части слоя проводилось дальнейшее снижение температуры роста, например до 550C (образец № 12-66), то, как и в предыдущем случае, происходила смена кристаллографической ориентации с (100) на (110).

2.2. Р а с п р е д е л е н и е п р и м е с и в К Н С - с т р у к т у р а х. На рис. 3, a приведен профиль распределения концентрации носителей заряда по толщине в слое кремния, легированного эрбием (образец № 12-60). Видно, что слой преимущественно имеет p-тип проводимости, что нехарактерно для автоэпитаксиальных слоев Si : Er, выращиваемых в аналогичных режимах [7]. Для выявления причин этого расхождения было проведено дополнительное исследование легированного фосфором слоя кремния, выращенного на сапфировой подложке.

Рис. 4. Спектральные зависимости фотолюминесценции КНСПрофиль распределения носителей заряда в слое крем- структур. Стрелками показано положение линий люминесценния, легированном фосфором, приведен на рис. 3, b. ции доминирующих оптически активных центров иона Er3+.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Гетероэпитаксия легированных эрбием слоев кремния на сапфире 1.59 µm. Учитывая ширину линии и ее форму, этот люминесцентный отклик можно связать с образованием дефектных комплексов в слое кремния либо комплексов примесных центров, например включающих атомы углерода и кислорода [9]. Отметим, что линия ФЛ с максимумом на 1.59 µm наблюдалась также в спектрах КНС-структур со слоем, не легированным эрбием.

Интенсивность ФЛ КНС-структур значительно уменьшалась с увеличением температуры и практически не детектировалась при 300 K.

Таким образом, в данной работе продемонстрирована возможность низкотемпературного (600-700C) выращивания методом СМЛЭ легированных эрбием, структурно совершенных слоев КНС, проявляющих достаточно интенсивную люминесценцию на длине волны 1.54 µm. Показано, что температура роста влияет на структурное совершенство КНС-слоев. В свою очередь структура слоев влияет на фотолюминесцентный отклик.

Список литературы [1] S. Cristoloveanu. Rep. Prog. Phys. 50, 3, 327 (1987).

[2] Н.А. Соболев. ФТП 29, 1153 (1995).

[3] В.С. Панков, М.Б. Цыбульников. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. Энергия, М. (1979). 88 с.

[4] E.D. Richmond, J.G. Pelligrino, M.E. Twigg, S. Qadri, M.T. Duffy. Thin Solid Films 192, 287 (1990).

[5] С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров. ПТЭ 4, (2000).

[6] 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. Изв.

вузов. Материалы электронной техники 2, 27 (2003).

[7] В.Б. Шмагин, Б.А. Андреев, А.В. Антонов, З.Ф. Красильник, М.В. Степихова, В.П. Кузнецов, Е.А. Ускова, Р.А. Рубцова.

Изв. РАН. Сер. физ. 65, 2, 276 (2001).

[8] H. Przybylinska, W. Jantsch, Yu. Suprun-Belevitch, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, G. Hendorfer, A. Kozanecki, R.J. Wilson, B.J. Sealy. Phys. Rev. B 54, 2532 (1996).

[9] W. Kuerner, R. Sauer, A. Doerner, K. Thonke. Phys. Rev. B 39, 18, 13 327 (1989).




© 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.