Эпитаксиальный рост Ge на поверхности Si(100)

Обзор литературы

Ge-Si гетероструктуры с квантовыми точками

Фундаментальные предпосылки

Рост и особенности упорядочения ансамблей Ge нанокластеров. Поверхность кремния (100)

Морфологические перестройки

Эффекты самоорганизации

Размеры и плотность островков: возможности управления

Контроль in situ

Описание экспериментальной установки

Установка молекулярно-лучевой эпитаксии "Катунь"

Электронно-лучевой испаритель

Дифрактометр быстрых электронов

Кварцевый измеритель толщины

Подготовка образцов

Результаты эксперимента

Обсуждение результатов

Сравнение диаграммы с данными имеющимися в литературе

Температурное поведение характерных тощин

Выводы

Благодарности

Cписок литературы

С физикой тонких пленок связаны достижения и перспективы дальнейшего развития микроэлектроники, оптики, приборостроения и других отраслей новой техники. Успехи микроминиатюризации электронной аппаратуры стали возможны благодаря использованию управляемого эпитаксиального выращивания тонких слоев полупроводников, металлов и диэлектриков в вакууме из различных сред.

Сейчас очень трудно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Если возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования различными примесями и идея инжекции неравновесных носителей заряда были теми семенами, из которых выросла полупроводниковая электроника, то гетероструктуры дают возможность решить значительно более общую проблему управления фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах: шириной запрещенной зоны, эффективными массами носителей и их подвижностями, показателем преломления, электронным энергетическим спектром и т. д.

Полупроводниковые гетероструктуры и, особенно, двойные гетероструктуры, включая квантовые ямы, проволоки (КП) и точки (КТ), являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп в области физики полупроводников. Наиболее многообещающим методом формирования упорядоченных массивов КП и КТ является метод, использующий явление самоорганизации на кристаллических поверхностях. Релаксация упругих напряжений, в случаях роста на рассогласованных по параметру решетки материалах, может приводить к формированию упорядоченных массивов КТ.

Взрыв интереса к данной области связан с необходимостью получения полупроводниковых наноструктур с размерами в диапазоне нескольких нанометров, чтобы обеспечить энергетические зазоры между подуровнями электронов и дырок порядка нескольких kT при комнатной температуре. А спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока. Явления спонтанного возникновения наноструктур создают основу для новой технологии получения упорядоченных массивов квантовых проволок и квантовых точек – базу для опто- и микроэлектроники нового поколения.

Несмотря на многочисленные и разносторонние исследования, процессы эпитаксиальной кристаллизации не получили полного объяснения. Обусловлено это, в первую очередь, сложностью проблем связанных с процессами кристаллизации в различных системах и средах. В данной работе исследуется эпитаксиальный рост Ge на поверхности Si(100) методом анализа изменений дифракционной картины при дифракции быстрых электронов на отражение.

Обзор литературы

Ge-Si гетероструктуры с квантовыми точками

Рост SiGe растворов, с низким содержанием дефектов, и Ge-Si гетеропереходов, имеет большое значение для прикладных целей, таких, например, как электронных и оптических приборов большой мощности. Хотя А₃В₅ технология продемонстрировала более лучшие характеристики, по сравнению с кремниевой, тем не менее, кремниевая технология все еще доминирует на рынке над А₃В₅, которая составляет малый процент всех продаж. Есть много разных причин, которые могут объяснить данное обстоятельство, но главная их них – это цена. Стоимость изготовления схем, на один квадратный сантиметр, на основе КМОП в сто раз дешевле аналогичных использующих А₃В₅ технологию. Использование некоторых соединений А₃В₅ обходится еще дороже, поэтому А₃В₅ технология еще не скоро сможет конкурировать с КМОП за большую часть рынка полупроводников. Приборы на основе германий кремниевых гетеропереходов интегрированные с КМОП для создания схем, уже значительно дешевле, чем А₃В₅ технологии, несмотря на то, что германий кремниевому направлению всего около 15 лет. Добавление в технологический процесс эпитаксии германия, по мнению Microsystems Inc. добавит всего 15% к стоимости продукта(). Поэтому системы на основе сочетания германия и кремния давно привлекают исследователей, для возможности получения приборов с новыми характеристиками. Биполярные транзисторы с SiGe гетеропереходом уже выпускаются IBM, Simens и другими компаниями.

Одно из направлений исследований на основе сочетания германия и кремния явилось создание структур содержащих Ge_xSi_1-x нанокластеры в кремниевой матрице. Гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех измерениях (квантовые точки) реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств материала наиболее выражена. Электронный спектр идеальной квантовой точки (КТ) представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальная квантовая точка при этом может состоять из сотен тысяч атомов. Таким образом, появляется уникальная возможность моделировать эксперименты атомов физики на макроскопических объектах. С приборной точки зрения, атомоподобный электронный спектр носителей в квантовых точках в случае, если расстояние между уровнями заметно больше тепловой энергии, дает возможность устранить основную проблему современной микро– и опто–электроники – "размывание" носителей заряда в энергетическом окне порядка kT, приводящее к деградации свойств приборов при повышении рабочей температуры.

Возросший интерес к таким нанокластерам связан с рядом обстоятельств. Это успехи в разработке технологии получения достаточно однородного по размеру массива нанокластеров Ge. Размеры нанокластеров удалось уменьшить до значений, обеспечивающих проявление эффектов размерного квантования и электрон-электронного взаимодействия вплоть до комнатной температуры. Разработанные методы совместимы с существующей кремниевой технологией изготовления дискретных приборов и схем. Такие разработки, считавшиеся до последнего времени экзотическими, могут привести к настоящей революции в кремниевой интегральной технологии. Светоизлучающие и фотоприемные кремний - германиевые устройства, позволят кремниевой технологии успешно конкурировать с традиционно оптоэлектронными материалами, такими как соединения А₃В₅.

С 1992 года начинают происходить изменения в технологии получения структур с квантовыми точками. До этого времени основным способом создания таких структур была фотолитография, с присущим этому методу ограничением в минимальных размерах. Проявление эффекта самоорганизации упорядоченных массивов островков нанометровых размеров в гетеросистемах Ge-Si и InAs-GaAs позволило получать бездефектные квантовые точки предельно малых размеров (10 - 100 нм) с плотностью 10¹⁰ -10¹¹ см^-2 и привело к более четкому проявлению атомно-подобных характеристик в электронных и оптических спектрах этих объектов.

Интерес к исследованию оптических свойств КТ обусловлен ярко выраженной практической направленностью и рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными сверхрешетками (квантовыми долинами). Особенностью КТ является, во-первых, возможность управления спектральной полосой фотоотклика путем предварительного заселения дискретных состояний с требуемой энергией переходов; во-вторых, наличие латерального квантования в нульмерных системах снимает запрет на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, а значит, предоставляет возможность осуществить поглощение света при нормальном падении фотонов; в третьих, в КТ ожидается сильное увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей вследствие так называемого эффекта "узкого фононного горла".

На примере гетеросистемы германий на кремнии давно изучается переход от послойного роста пленки к образованию 3D островков (механизм Странского - Крастанова). При относительно низких температурах синтеза, такие островки не содержат дислокаций несоответствия (ДН), даже после существенного превышения ими критических толщин, что на Ge-Si было показано, например, в работах Eaglesham and Cerullo(). Последние 10 лет идет бурный рост исследований механизмов образования напряженных наноостровков и особенностей их самоорганизации, как имеющих практическое применение в наноэлектронике.

Фундаментальные предпосылки

Движущей силой образования кластера, в общем случае, является стремление системы к состоянию с минимальной свободной энергией. Основные закономерности зарождения островков в эпитаксиальной гетеросистеме определяются балансом поверхностной энергии пленки и подложки, а также энергии границы раздела пленка-подложка и внутренней энергии объема островка. Свободная энергия вновь образованного зародыша на поверхности подложки может быть выражена в виде трех составляющих ():

Здесь первый член – работа образования нового зародыша объема V, - термодинамическая движущая сила кристаллизации - пересыщение; второй член - работа, необходимая для создания дополнительной поверхности , - поверхностная энергия зародыша. Третий член представляет дополнительную энергию, возникающую из-за упругой деформации зародыша. Если два первых члена этого выражения представляют классический вариант теории зарождения (см., например, ()), то последний член появляется только в случае выращивания напряженных пленок.

Вклад поверхности в изменение свободной энергии системы наиболее значителен для кластеров малого размера. Влияние упругой деформации возрастает по мере увеличения размера кластера. Строгие количественные оценки названных величин затруднены, ибо для этого необходимо построение точной модели кластера. Поэтому такие понятия, как "кристаллическая решетка" или "поверхность" кластера часто носят весьма условный характер.

При больших рассогласованиях, таких как в системе Ge-Si, величина этой дополнительной энергии зависит не только от объема зародыша, но и его формы, h/l (отношение высоты к поперечному размеру зародыша) и является существенной в переходе 2D - 3D.Вклад зтого члена по расчетам Muller and Kern (3) выглядит как быстро спадающая функция h/l. Чем более выражена трехмерность напряженного зародыша, тем меньше дополнительный вклад энергии напряжений в его свободную энергию. Поверхностная энергия системы Ge пленка (и Ge островок) - Si подложка также зависит от толщины покрытия Ge (и формы Ge островка) (3, ).

В первом приближении ключевым фактором перехода от двумерно-слоевого к трехмерному островковому росту псевдоморфных пленок является понижение энергии напряжений в вершинах островков из-за упругой релаксации. Определяющую роль морфологической нестабильности поверхности пленок играют упругие напряжения несоответствия, приводящие к релаксации пленки путем образования островков. В случае гомоэпитаксии на достаточно чистой поверхности практически для всех полупроводников объемные островки не образуются, а рост пленок идет либо за счет движения ступеней (ступенчато-слоевой рост), либо путем формирования и срастания двумерных островков. Шероховатая поверхность напряженного слоя имеет меньшую суммарную энергию вследствие упругой релаксации напряжений в вершинах выступов. Увеличение поверхностной энергии является фактором, противодействующим развитию рельефа пленки, однако только частично уменьшает энергетический выигрыш за счет релаксации. Чем больше рассогласование параметров решетки пленки и подложки, тем при меньшей толщине псевдоморфной пленки теряется ее морфологическая стабильность. Образование островков является крайним проявлением морфологической неустойчивости напряженных пленок и обычно наблюдается в системах с большим рассогласованием параметра решеток пленки и подложки (>2%), типичными представителями которых являются Ge-Si и InAs-GaAs.

Процесс образования новой фазы включает такие основные стадии как зародышеобразование, независимый рост центров и, наконец, их развитие во взаимодействии друг с другом.

Начальная стадия роста Ge на чистой поверхности Si(100) такая же как для гомоэпитаксии кремния. В начальном состоянии на поверхности подложки находится пересыщенный адсорбат, и на первом этапе происходит зарождение 2D центров.

Далее наступает второй этап роста центров, в процессе которого происходит снижение пересыщения вокруг центров, но последние еще не взаимодействуют. Поэтому зарождение новых центров в местах, удаленных от уже образовавшихся островков, продолжается. После того, как области диффузионного "питания" центров перекрываются и пересыщение между островками снижается, вероятность появления новых центров падает, наступает третий этап - этап коррелированного роста. Большие островки растут, малые исчезают.

В случае непрерывной подачи атомов на поверхность (открытая система) островки разрастаются до соприкосновения и образуется сплошной монослой. Затем ситуация повторяется, но из-за рассогласования решеток, пленка германия оказывается сжатой, и по мере увеличения толщины растет энергия упругих деформаций. Так, в случае роста Ge на Si и InAs на GaAs именно наличие этих деформаций приводит к переходу от послойного роста к образованию 3D кластеров на поверхности подстилающего слоя германия (или InAs), т. е. реализации механизма Странского - Крастанова. Существенная неоднородность упругой релаксации островка по его высоте приводит к зависимости энергетического выигрыша от формы островка. Появляются несколько дискретных энергетически наиболее выгодных форм ("hut", "dome", "superdome").

Упругие искажения по периферии кластера и в прилегающей области подложки возрастают с увеличением его размеров, что изменяет закономерности присоединения адатомов к кластеру(,,).

Рисунок 1. Схема формирования 3D островков в системе Ge/Si.

Рис.1 схематично показывает основные этапы образования ансамбля напряженных островков. В начальном состоянии (а) на поверхности имеется пересыщенный адсорбат, но теперь он образовался на поверхности подстилающего (смачивающего) слоя напыляемого материала (Ge). Зарождение 3D - "hut"-кластеров (позиция (б)) обусловлено релаксацией упругих деформаций. Далее (позиция (в)) появляются две выделенные формы: "hut" и "dome". Энергетическая выгодность первой и второй форм зависит от их объема, но возможно их сосуществование. Возможен переток атомов к более энергетически выгодной форме (позиция (г, но: нет непрерывного распределения по размерам, а наблюдается бимодальность в распределении); в работе () наблюдался обратный пере ход от "dome" к "hut". Возможно квазиравновесное состояние системы, когда размеры и форма кластеров практически не изменяются во времени при отсутствии внешнего потока (позиция (д)). Вероятность стабильного состояния ансамбля островков возрастает с увеличением анизотропии поверхностной энергии (ее возрастанием на фасеточных гранях островков). При определенных условиях (близкое расположение островков) теоретически обосновано взаимодействие кластеров через перекрывающиеся поля упругих деформаций в подложке (,), что может способствовать упорядочению пространственного распределения островков на поверхности.

Рост и особенности упорядочения ансамблей Ge нанокластеров. Поверхность кремния (100)

Из-за взаимодействия оборванных связей, атомы в приповерхностной области стремятся перестроиться в более энергетически выгодные положения, образуя на поверхности двумерную периодическую структуру. С помощью метода ДМЭ Шлиер и Фарнсворт () впервые наблюдали реконструированную поверхность Si(100), имеющую элементарную ячейку 2x1 и домены двух типов, ориентированные вдоль направлений (011) и (0-11). Атомы идеальной поверхности (100) имеют две ненасыщенные связи, одна из двух оборванных связей поверхностного атома вместе с соответствующей связью соседнего атома образует новую димерную связь. Соседние атомы притягиваются друг к другу образуя пары, что ведет к удвоению элементарной ячейки в направлении перпендикулярном рядам димеров. СТМ изображение чистой поверхности представлено на рисунке 2.

Обычно, поверхность имеет две чередующиеся реконструированные фазы, повернутые на 90⁰ относительно друг друга (см. рис.2), т.е. на поверхности присутствуют два вида террас – SA и SB, с димерными рядами перпендикулярно и параллельно ступени соответственно. Поверхность может состоять так же из террас только одного вида, при этом ступени между ними имеют высоту два монослоя. В работе авторы рассчитали из какого типа террас состоит поверхность Si(100) в зависимости от угла разориентации и температуры образца.

Рисунок 2. Изображение структуры ступени вицинальной поверхности Si(100)

Из-за такой реконструкции поверхности, поверхностная диффузия становится анизотропной. Адатомы "бегают" вдоль димерных рядов значительно быстрее, чем поперек. При малых скоростях осаждения Ge и достаточной температуре, анизотропия поверхностной диффузии приводит к тому, что островки имеют вытянутую форму.

Морфологические перестройки