Исследование морфологии и спектральных свойств гетерокомпозиций GeSi/Si, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

Лапин Вячеслав Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И СПЕКТРАЛЬНЫХ

СВОЙСТВ ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ СЕ81/81, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность 01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор физико-математических наук, М. Д. Бавижев

5 ДЕК 2013

Нальчик-2013

005542115

005542115

Работа выполнена на кафедре «Нанотехнологий и технологии материалов электронной техники» ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» и в лаборатории «Солнечная энергетика» Южного научного центра РАН.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

профессор,

Бавижев Мухамед Данильевич

(ОАО НПП «Радий»)

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Компьютерных технологий и интегральных микросхем» Мустафаев Гасан Абакарович (Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова)

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Чеботарев Сергей Николаевич (Южный научный центр Российской академии наук)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М. И. Платова»

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в/^: б10 на заседании диссертационного совета Д. 212.076.11 по присуждению ученой степени кандидата наук в ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. X. М. Бербекова» по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат химических наук „ „Квашин В.А.

Актуальность темы. В настоящее время в полупроводниковой электронике большое внимание уделяется материалам, перспективным с точки зрения создания новых устройств на квантовых эффектах. Гетероструктуры на основе системы Ge-Si представляют большой научный и практический интерес в силу своих уникальных электрических и оптоэлектрических свойств, а также их совместимостью с существующей кремниевой технологией [1]. Область применения подобных структур включает в себя формирование быстродействующих полевых транзисторов, разработку каскадного GeSi лазера терагерцового диапазона, фабрикацию искусственных подложек германия и т.д. [2] Однако получение релаксированных GeSi/Si (100) слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой концентрацией дефектов является отдельной комплексной задачей. Особую сложность представляет собой изготовление искусственных подложек германия, в этом случае рассогласование параметров решеток подложки и слоя достигает ~ 4%. В качестве методик, позволяющих получить более высококачественные с точки зрения морфологии поверхности слои GeSi, можно указать следующие: рост градиентных слоев, применение низкотемпературных буферных слоев, использование поверхностно-активных примесей, разориентацию подложки. Однако все указанные методики позволяют лишь частично снизить влияние относительно большого рассогласования параметров кристаллических решеток подложки Si и растущего эпитаксиального слоя. В литературе на настоящий момент сведения об особенностях роста структур Ge/Si с эффективной толщиной слоя >25 нм не встречаются. В данной диссертационной работе представлены результаты исследования морфологии поверхности гетероструктур GeSi/Si и их спектральных свойств в зависимости от параметров роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Были исследованы и проанализированы структуры GeSi/Si в широком диапазоне эффективной толщины слоя, начиная с наноостровков различных типов (hut, dome, superdome), и заканчивая сплошными пленками с определенным рельефом поверхности. Отработаны некоторые известные и представлены новые методики, позволяющие снизить шероховатость поверхности пленок, улучшить совершенство выращиваемых слоев.

Целью диссертационной работы является исследование морфологии, механизмов релаксации в структуре и спектроскопических свойств эпитаксиальных пленок Ge/Si и GeSi/Si, осажденных на монокристаллические подложки Si(100) и Si(lll), в зависимости от эффективной толщины выращиваемого слоя и параметров роста.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установление зависимостей характеристик (формы, размера, плотности распределения) самоформирующихся наноостровков Ge/Si, GexSrWSi, Sn/Si с различной эффективной толщиной от параметров роста (температура

подложки, скорость распыления, время ростового процесса) для нахождения оптимальных условий синтеза заданных структур.

2. Установление параметров структур Ge/Si и механизмов их релаксации в зависимости от эффективной толщины гетерослоя.

3. Разработка методики снижения шероховатости поверхности пленок Ge/GexSí|.x/Si при помощи особой структуры буферного слоя Ge^i,.*.

4. Исследование возможности снижения плотности прорастающих дислокаций на поверхности слоя Ge/GexS¡i.x/S¡ за счет аннигиляции дислокаций несоответствия в объеме буферного слоя GexS¡i.x для улучшения структурного совершенства искусственных подложек Ge.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней установлена взаимосвязь параметров структур Ge/Si и GeSi/Si с ростовыми условиями и эффективной толщиной слоя. Выявлены условия получения наноостровков определенных типов, формы, плотности распределения, а также сплошных пленок с эффективной толщиной >25 нм, впервые установлены механизмы их релаксации на различных этапах роста. Предложены новые методики снижения шероховатости релаксированных пленок Ge/Si и улучшения их структурного совершенства.

Практическая значимость. Разработанные технологии могут быть использованы для получения искусственных подложек германия и эпитак-сиальных слоев GexSibx с низкой степенью шероховатости. Результаты работы могут быть полезны для технологов и разработчиков новых методов выращивания кремний-германиевых структур. Результаты могут использоваться при чтении лекционных курсов.

На защиту выносятся следующие результаты:

- Выявленные закономерности влияния условий и параметров роста самоформирующихся наноостровков на их характеристики (формы, размера, плотности распределения).

- Результаты комплексного исследования морфологии эпитаксиаль-ных пленок Ge/Si и механизмов их релаксации в зависимости от эффективной толщины гетерослоя.

- Методики по снижению шероховатости гетеросистем Ge/Si и GeSi/Si на подложках Si (111) и Sí (100).

- Метод снижения плотности прорастающих дислокаций на поверхности слоя Ge/GexS¡i_x/Si за счет аннигиляции дислокаций несоответствия в объеме буферного слоя GejSii.x.

Достоверность полученных результатов подтверждена:

- многократной повторяемостью экспериментальных данных;

- комплексом методов исследования (микроинтерферометрия, АСМ, РЭМ, ИК-спектроскопия, Раман-спектроскопия);

- согласием теоретических оценок с экспериментальными данными;

- согласованностью с известными литературными данными.

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы были получены и исследованы указанные в работе образцы, выведены зависимости свойств пленок и островковых структур от условий и параметров роста, предложены различные методики по снижению шероховатости поверхности слоев GeSi/Si и Ge/Si. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились при участии научного руководителя и соавторов публикаций.

Реализация результатов работы. Тематика данной работы соответствует перечню критических технологий Российской Федерации, утверждённых Указом Президента Российской Федерации № 899 от 7 июля 2011 г.

Диссертационная работа выполнена при поддержке: молодежного научно-инновационного конкурса Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа - развитию экономики России». Тема НИОКР: «Разработка технологии изготовления искусственных подложек Ge на Si (100) с тонким гетерослоем» (2012 г.); грант в форме субсидии по теме «Получение и обработка функциональных наноматериалов» (2012 г.); контракт с ОАО "Радиотехнический институт им. Академика A.JI. Минца" (ОАО РТИ) "Создание подсистемы исследовательских и экспериментально-отработочных испытаний ФЭП и СБ стенда СЭП КА" (2009-2011 г).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехноло-гии», (Ставрополь, 2012); региональной научно-практической конференции «Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа - развитию экономики России» (Ставрополь, 2011, 2012 г.); Всероссийской молодежной конференции «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и нано-электроника» (Новочеркасск, 2012 г.); региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону», (Ставрополь, 2010 г.); конференции молодых ученых по физике полупроводников "Лашка-ревские чтения 2012" (Киев, 2012); Международной заочной научно-практической конференции «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика» (Новосибирск, 2012 г.); ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука -региону» (Ставрополь, 2013).

Публикации. По тематике диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых журналах и 14 тезисов к докладам на международных, российских и региональных научно-технических конференциях. Список печатных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов по работе. Содержит 129 страниц машинописного текста, включая 18 таблиц, 47 рисунков и список цитированной литературы в количестве 136 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

В первой главе приводится литературный обзор, в котором излагается современное состояние рассматриваемых в диссертации вопросов. В первом параграфе приведены физические свойства простых полупроводников - кремния и германия. Второй параграф посвящен особенностям эпитаксиального роста структур GeSi/Si в условиях МЛЭ. Приведена принципиальная конструкция установки МЛЭ, кинетика эпитаксиального роста в процессе моле-кулярно-лучевой эпитаксии, представлены современные сведения о механизмах релаксации механических напряжений в системе Ge-Si. В третьем параграфе представлены сведения об особенностях формирования и свойствах самоформирующихся наноостровков GeSi/Si. Указаны перспективы их использования и сложности получения однородных массивов наноостровков с заданными характеристиками. В четвертом параграфе особое внимание уделено возможностям пластической релаксации пленок GeSi/Si и Ge/Si. Описаны основные положения теории пластической релаксации, проблемы эпитаксии при большом несоответствии параметров кристаллических решеток, а также существующие методы снижения плотности дислокаций в формируемой структуре. Пятый параграф содержит сведения об особенностях и сложностях формирования искусственных подложек германия. Приведены современные методы их получения, а также перспективы формирования искусственных подложек на основе пластической релаксации гетероструктур Ge/Si.

Во второй главе описаны процедуры подготовки оборудования МЛЭ к эпитаксии и калибровки узлов установки. Приведена методика получения гетероструктур Ge/Si, методы их исследования.

Образцы получали методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке МЛЭ «ЦНА». Наладка оборудования заключалась в подготовке вакуумных камер, их герметизации, загрузке молекулярных источников, реализации водяного охлаждения рубашки источников. Предельное давление остаточных газов составило 3-10^ Па. Была проведена калибровка высокотемпературных узлов ростовой камеры, составлены графики зависимостей параметров роста от непосредственно измеряемых приборами величин.

В качестве подложек использовались пластины Si (111) и КДБ (100) диаметром 100. Перед процедурой предэпитаксиальной подготовки пластины Si раскалывались на фрагменты 10x10 мм. После стандартной химической очистки, подложки загружались в вакуумную камеру и подвергались высокотемпературному (850 °С) отжигу. Толщина слоев контролировалась по времени распыления при одинаковом заданном молекулярном потоке. Скорость осаждения Ge и Si варьировалась от 0.078 нм/мин до 8,3 нм/мин в зависимости от необходимой точности задания эффективной толщины слоя.

Кратко описаны методы исследования эпитаксиальных пленок. Измерения толщины слоев производились с помощью микроинтерферометра МИИ-4, сканирующей туннельной микроскопией (СТМ) исследовалась морфология поверхности. Методом Ик-спектроскопии определялось наличие примесей и оксидной пленки в гетеропереходе. Раман-спектроскопия позволила качественно определить состав пленок GeSi, степень релаксации механических напряжений в слое. Все измерения были выполнены при комнатной температуре.

В третьей главе представлены результаты исследования параметров наноостровков состава Ge/Si и Sn/Si в зависимости от условий роста и эффективной толщины осажденного на монокристаллических подложках Si(100) слоя.

При сравнении параметров структур Ge/Si, полученных при скоростях осаждения 7,6 и 0,78 А/мин, имеем: наноостровки в первом случае имеют большую высоту (5 нм против 2,5 нм) при меньшем поперечном размере (20 нм против 35 нм), то есть более релаксированы и имеют большую плотность распределения. Верхняя граница значений для скорости осаждения выбирается все же достаточно низкой (vce = 7,6 А/мин) для того, чтобы иметь возможность контролировать эффективную толщину слоя, варьируя время процесса.

При времени распыления t = 4 мин и скорости роста 7,6 А/мин расчетная эффективная толщина всего слоя Ge составляет 3 нм. Исходя из этой величины, были рассчитаны толщины пленок Ge под островками для пониженных температур роста (440 °С, 470 °С), а также толщины смачивающих слоев для остальных температур. Параметры островков Ge на Si при различных температурах подложки Si (100) приведены в таблице 1. Явно выраженные hut-островки наблюдались при температуре роста 550 °С. При более высоких температурах наблюдается образование dome и superdome островков с низкой плотностью распределения. При более низких температурах роста не наблюдалось формирование 3D когерентных островков Ge. Можно заключить, что оптимальной температурой подложки для выращивания наноостровков является Тподл = 550 °С.

Таблица 1 - Параметры островков йе на 81 при различных температурах ПОДЛОЖКИ Э! (100), ^асп = 4 МИН

Тпохъ °с Ширина D, нм Высота h, нм Эффективная толщина островков у, нм Толщина слоя под островками, Х,нм Особенности

440 80 1,3 0,3 2,58 2,58 нм пленка+островки

470 70 2 1 1,88 1,88 нм пленка+островки

550 20 5 1,8 1 Явно выраженные hut островки

630 50 7 2,38 0,5

700 60 8 2,38 0,5

Исследование параметров наноостровков в зависимости от эффективной толщины осаждаемого слоя сЦф проводилось при найденном оптимальном значении температуры подложки Тподл = 550 °С. Были получены образцы при различных значениях времени распыления: 4, 7, 10 мин, параметры островков структур Ge/Si(100) приведены в таблице 2. Получены наноостровки всех характерных типов: «hut» (d^=3,4 нм), «dorne» (ёЭфф=5,32 нм) и «superdome» (d^=7,6 нм).

Таблица 2 - Параметры островков структур Ge/Si( 100), выращенных при Т=550 °С при различных значениях времени распыления: 4, 7, 10 мин

Время распыления, мин Ширина D, нм Высота h, нм Эффективная толщина островков у, нм Толщина слоя под островками, х, нм Плотность островков, см"2 Особенности

4 20 5 2 1 1,7-10" Hut островки (рис. 1,а)

7 100 25 4,3 1 5-10У Dome островки (рис. 1,6)

10 300 100 7 0,6 МО* Dome и Superdome островки (рис. 1, в)

Рисунок 1 - а) АСМ изображение образца t=4 мин, Т=550 °С (2x2 мкм); б) АСМ изображение образца t=7 мин, Т=550 °С (2x2 мкм); в) АСМ изображение образца t=10 мин, Т=550 °С (2x2 мкм)

Км

1» íso Ш) aso зш 350 •»« ¿so то ът еоо Частота, см-1

Рисунок 2 - Спектры рамановского рассеяния образцов структур Ge/Si(100)

На рис. 2 приведены спектры КРС для полученных образцов. Пик на частоте 520 см"1 соответствует наличию связи Si-Si, что говорит о том, что глубина проникновения лазерного луча больше толщины смачивающего слоя Ge. Пик на частоте 298 см"1 (ширина островков 100 нм) и 295 см"1 (ширина островков 300 нм) соответствует связи Ge-Ge. Интенсивность пика Ge-Ge для «superdome» островков несколько меньше, чем у образца с «dome» островками. Вероятно, что это связано со значительно меньшей плотностью распределения (МО8 см"2 против 5-109см"2). На спектре образца с «hut» островками пик Ge-Ge невыражен. Это связано как с малой эффективной толщиной осажденного слоя германия, так и с малой высотой самих «hut» островков. На всех трех спектрах КРС присутствует пик малой интенсивности в районе частот 380-400 см"1. Такой диапазон соответствует связи Si-Ge. Он указывает на наличие гетероперехода кремний-германий. Тем самым, можно заключить, что слой германия осаждается на свободную от окисла поверхность подложки Si (100).

В четвертой главе исследованы пленки Ge с эффективной толщиной слоя более 25 нм, при которой superdome-островки начинают сливаться в сплошную пленку с определенной степенью шероховатости. Проанализированы различные механизмы релаксации в гетерослое Ge/Si (100), преобладающие на той или иной стадии роста, в зависимости от эффективной толщины (р.

На рис. 3 представлены АСМ-изображения поверхности пленок Ge с различной эффективной толщиной (25-750 нм), выращенных при температуре ПОДЛОЖКИ ТПодл=600 °С.

Образец 5 Образец 6 Образец 7

Рисунок 3 — АСМ-изображения поверхности образцов 2-7 (сканы размером 10x10 мкм)

Результаты анализа АСМ-сканов сведены в таблицу 3, где представлены характерные размеры островков, шероховатость и средние расстояния между островками. На рис. 4 изображены графики зависимости табличных параметров от эффективной толщины слоя ве. При рассмотрении данных параметров прослеживаются следующие зависимости: увеличение латеральных размеров (рис. 4, в), высоты островков (рис. 4, а), среднего расстояния между островками (рис. 4, г) с ростом эффективной толщины осаждаемого слоя.

Таблица 3 - Статистика 3D островков для полученных образцов

Образец № Время осаждения t, мин Эффективная толщина СЛОЯ ф, нм Средняя высота h, нм Средний латеральный размер с/, нм Шероховатость с, нм Среднее расстояние между островками s, нм

1 3 25 131 750 29,1 5

2 7 60 144,6 950 33,4 27

3 15 125 163,8 1100 31,4 42

4 30 250 271 1400 57 50

5 60 500 278 1700 56 85

6 90 750 330 2000 63,4 -

Как видно из рис. 4 (а, б) средняя высота h островков и шероховатость поверхности а нелинейно зависят от эффективной толщины слоя ср. При этом наблюдается резкое увеличение значений h и а между значениями <p3=125 нм и ф4=250 нм. Предполагается, что это обусловлено усилением эффекта упругой релаксации гетерослоя Ge по достижении определенной эффективной толщины слоя (125 нм). При значениях эффективной толщины до 125 нм и после 250 нм прослеживается плавное увеличение значений параметров h и а, что можно объяснить преимущественным проявлением эффекта пластической релаксации, то есть увеличивается количество дислокаций несоответствия в объеме островковых структур. При изменении эффективной толщины от 0 до 25 нм реализуется механизм упругой релаксации, что подтверждает наличие определенной шероховатости поверхности образца 1. Сделанные выводы при анализе графиков на рис. 4 (а, б) подтверждаются также зависимостью среднего расстояния между островками от эффективной толщины слоя 5(ср) (рис. 4 г). Пологий участок графика, соответствующий воздействию механизма упругой релаксации островков, обусловлен постоянством уровня упругих напряжений у их оснований и миграцией новых адатомов преимущественно к вершине островка, за счет чего растет высота h и шероховатость а. Так как график d(ф) представляет из себя линию близкую к прямой (рис 4, в), можно заключить, что латеральный размер островковых структур увеличивается монотонно. Это происходит за счет слияния более мелких структур, либо за счет заполнения адатомами межостровкового пространства, вследствие чего и возникают дислокации несоответствия в объеме островка.

О 200 400 600 800 Эффективная толщина слоя ф, им

200 400 600 800 Эффективная толщина слоя ф, нм

200 400 600

Эффективная толщина слоя ф, ш

В Г

Рисунок 4 - Графики зависимостей параметров островков германия от эффективной толщины слоя <р (Т„одл=600 °С): а) средней высоты h; б) шероховатости о; в) среднего латерального размера d; г) среднего расстояния между островками s

Анализ положения пика Ge-Ge относительно частоты 291 см"1, соответствующей квазиаморфному слою (р=0%) [3] и частоты 301 см"1, соответствующей монокристаллическому германию (р=100%) [4] на спектре рамановского рассеяния образца (рис. 5) позволяет судить о степени релаксации р пленки. Точность ее определения составляет (в среднем) значение лучше, чем ±10 % [5]. Если принять зависимость р от положения пика Ge-Ge линейной, то график р(ср) будет иметь вид, как показано на рис. 6. Можно заметить, что до толщины 125 нм слой активно релаксирует, причем на начальных стадиях роста, при проявлении механизма упругой релаксации, процесс снятия механических напряжений идет интенсивнее.

г

250

min

.... ; : / < 7 min

"V<3¡}>V 15 min

min

min

1 'Г

350 400 450

Raman shift, cm-'

Рисунок 5 - Спектры Рамановского рассеяния света (514, 5 нм) для образцов пленок Ое/БЦЮО)

100 i во

о- 40 л

S g 20 H

О

0 100 200 300 400 500

эффективная тол щи на слоя ф. нм

Рисунок 6 - График зависимости степени релаксации от эффективной толщины слоя, р(ф)

Анализируя морфологию поверхности и рамановский спектр образца 4 (t = 30 мин), можно определить глубину проникновения лазерного луча с длиной волны Х=514,5 нм. Так как при большей эффективной толщине слоя германия (/ = 60 мин) пик, соответствующий связи Si-Si не проявляется, то можно предположить, что толщина области между островками Ge в образце 4 (минимальная толщина гетерослоя) и является глубиной проникновения лазерного луча (Х.=514,5 нм). Она составляет приблизительно 50 нм.

В пятой главе изложены результаты применения различных методик по снижению шероховатости гетеросистем Ge/Si и GeSi/Si на подложках Si (111) и Si (100).

Релаксация напряжений при помощи сверхструктур. Суть методики заключается в том, что при увеличении времени отжига подложки шероховатость пленки снижается. Кроме того, уменьшается средний размер островков Ge во всех трех измерениях. Перед выращиванием гетерослоя Ge/Si была проведена следующая операция: каждый из образцов выдерживался при температуре 850 °С (выше точки сверхструктурного перехода Si (111)- 7x7 при 830 °С) в течение различного времени (образец №1-5 мин; образец №2 - 10 мин; образец №3 - 15 мин и т. д.). Данная операция проводилась с целью формирования на поверхности пластины сверхструктур различного размера. Далее на протяжении 10 минут температура образца опускалась до 650 °С. После этого сразу начиналось напыление германия при потоке, соответствующем скорости роста 300 нм/час, в течение 1 часа. Полученные статистические данные приведены в таблице 4. Зависимости шероховатости пленки и геометрического параметра островков от времени отжига приведены на рис. 7.

i i

I í

í

Образец Время отжи- Средняя Средняя Средняя Шерохо- Геометриче-

№ га подложки высота h, длина 1, ширина d, ватость о, ский параметр

toa*, мин. нм нм нм нм у, 10"3 нм"1

1 5 417 1228 1170 112 0,291

2 10 297 1153 1149 79 0,225

3 15 278 1058 1098 70 0,239

4 20 273 1010 1040 52 0,260

5 25 224 832 784 44 0,344

6 30 228 759 708 37 0,424

7 35 218 743 673 39 0,436

8 40 211 558 569 35 0,667

9 45 202 553 518 30 0,704

Геометрический параметр у - величина, характеризующая соотношение между высотой 3D островка и его площадью основания:

7 = h/(ld) (1), где h - высота островка, / -длина островка, d- ширина островка.

120 100 80 60 40 20 О

i 1

I

! i

I

20 40

ta™, мин

0,0008

0,0006 •

Рисунок 7 - Зависимости от времени отжига (t,,™) подложки Si (111) при Т=850 °С: а) шероховатости пленки германия а; б) геометрического параметра островков германия у

Влияние низкотемпературного буферного слоя на морфологию пленки Ge/Si. Показано, что число шагов изменения температуры N подложки Si (100) в процессе роста влияет на шероховатость пленки германия, выращенной на этой подложке. Для каждого из полученных образцов пленок Ge/Si (100) эпитаксия начиналась при температуре подложки 300 °С, таким образом был сформирован низкотемпературный слой (LT-Ge/Si). Эпитаксия происходила в течение 2 часов со скоростью роста 250 нм/ч. Температура подложки в процессе роста увеличивалась ступенчато до 600 °С, причем для разных образцов число шагов изменения температуры различно (Таблица 5).

Образец № Число шагов изменения температуры, N Средняя высота h, нм Средняя длина 1, нм Средняя ширина d, нм Шероховатость о, нм

1 1 310 1418 1370 91

2 2 315 1435 1090 78

3 3 286 1414 1378 65

4 4 257 1309 1015 62

5 5 203 1220 962 47

6 10 194 959 846 47

400,0

100,0

""«^Шероховато сть

поверхност и о, нм

Средняя высота островков h, 10,0 нм

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

Число шагов изменения температуры, N

Рисунок 8 - Зависимость средней высоты островков Ge (h) и шероховатости пленки германия (и) от числа шагов изменения температуры подложки N

Влияние профиля изменения состава буферного слоя GejSi^ на морфологию пленки Ge/Si. Показано, каким образом шероховатость пленки и размеры растущих островков зависят от изменения состава сплава GexSii_x по толщине при постоянной эффективной доле Ge х = 0,5. Изменения доли германия х в сплаве GexSi|.x от времени, прошедшего с начала процесса напыления пленки, приведены на рис. 9. При этом во всех полученных образцах интегральная доля германия х по всей толщине пленки остается постоянной (х„„т = 0,5). i

Рисунок 9 - График зависимостей изменения доли германия х в сплаве Ое^^х от времени I процесса

Номер образца Средняя высота h, нм Средняя длина /, нм Средняя ширина d, нм Шероховатость а, нм

1 120,5 520 470 26,9

2 249,6 1520 1200 55,1

3 280,5 1700 1300 59,8

4 315,2 1920 1342 65,3

5 303,5 1600 1500 56,7

6 342,8 2360 1400 65,9

7 354,8 2385 1670 71,6

Из таблицы 6 видно, что наименьший рельеф поверхности (h = 120,5 нм, а = 26,9 нм) имеет образец 1. Это связано с отсутствием поверхностного слоя пленки с долей германия х, стремящейся к 1. За счет накопленных в пленках образцов 2-7 значительных напряжений, связанный с различием параметров решеток подложки (Si) и поверхностного слоя (Ge), происходит рост 3D островков и образуется развитый рельеф поверхности. Образец 2, с графиком зависимости x(t), наиболее близким к графику образца 1, т. е. на протяжении большей части времени проведения процесса х = 0,5, имеет наименьшие значения высоты h = 249,6 нм и шероховатости а = 55,1 нм. Образец 7 имеет наибольшие среди всех остальных параметры: h = 354,8 нм, <7= 71,6 нм. Это связано с тем, что распределение х по времени t близко к 0 в первой половине процесса и стремится к 1 во второй. Предельный случай — это эпитаксиаль-ный слой германия с эффективной толщиной 300 нм на эпислое Si/Si (100) толщиной 300 нм. Остальные образцы имеют промежуточные, возрастающие с порядковым номером образца, значения приведенных параметров. Исключение составляет образец 5, где х изменяется по закону х = 0,01-t Можно заключить, что при таком характере изменения состава сплава тормозится выделение кристаллитов Ge в виде отдельной фазы.

Исследование возможности зарожения дислокаций несоответствия на островках состава Ge/Si в буферном слое с термоциклированием. Методика получения образцов данной серии состоит в следующем: на поверхности подложки Si выращиваются островки Ge, размер и плотность которых варьируется в зависимости от эффективной толщины, а следовательно, от времени распыления Ge. Полученные наноразмерные структуры германия (ni-nanoislands) заращиваются низкотемпературным слоем состава GexSii_x, в котором прорастают дислокации несоответствия. При последующем термоциклировании возникшие в низкотемпературном слое дислокации аннигилируют, тем самым снижается их плотность. Полученная после этих операций структура на подложке кремния и будет являться «подготовительным» слоем (рис. 10, г). Условия получения образцов приведены в таблице 7.

Рисунок 10 - Схематическое изображение профиля структур: а) Ое/81( 100); б) Ое/Ое^мЛЗ^ЮО); в) Ое/Оех811.х/п1/85( 100); г) Ое/^е^^пОзЩЮО)

Таблица 7- Варьируемые параметры образцов 1-8

Номер Количество Время рас- Термоциклиро- Значение х

образца «подготовитель- пыления вание в сплаве Оех811.х

ных» слоев островков

йе, мин

1 - - - -

2 1 - + 0,5

3 1 1 + 0,5

4 1 2 + 0,5

5 1 3 + 0,5

6 1 4 + 0,5

7 1 4 0,5

8 1 6 + 0,5

170

£

X 150

Л Б 130

1 (и 110

О 90

О

Ш 70

3

50

С-.....х ж

—х г

2 4

Время 1, мин

2 4

Время 1, мин

Рисунок 11 - Зависимость морфологии поверхности структуры ОеЛЗех811_х/ш/81(ЮО) от времени осаждения наноостровков (скорость роста 7,6 А/мин): а) шероховатость поверхности; б) средняя высота островков

Из графика зависимости шероховатости поверхности от времени осаждения наноостровков (рис. 11, а) видно, что лучших результатов с точки зрения структурного совершенства удалось достичь при времени осаждения островков Х„{=2 мин (а = 78 нм), т. е. в образце 4. Предположе-

ние об аннигиляции дислокаций в «подготовительном» слое при помощи наноостровков подтверждается тем, образец 2 со структурой Ge/LTGexSii-x/Si(100) значение шероховатости (<т = 121 нм), и высоты островков (h = 538 нм) значительно превосходят таковые для образца 4. Однако, при увеличении t„¡ до 4 мин и выше «контрольный» становится даже более рельефным, чем без «подготовительного» слоя, т.е. аннигиляции ДН не происходит, режим роста пленки переходит к трехмерному на стадии низкотемпературного слоя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что оптимальной температурой подложки для выращивания самоформирующихся наноостровков является Тподл = 550 °С.

2. Сравнены параметры структур Ge/Si, полученных при скоростях осаждения 7,6 и 0,78 А/мин: наноостровки в первом случае имеют большую высоту (5 нм против 2,5 нм) при меньшем поперечном размере (20 нм против 35 нм), то есть более релаксированы и имеют большую плотность распределения. ,

3. Экспериментально установлены эффективные толщины слоя германия, при которых образуются наноостровки характерных типов: «hut» (с1*|,ф=3,4 нм), «dome» (d^=5,32 нм) и «superdome» (d^=7,6 нм).

4. Установлено усиление эффекта упругой релаксации гетерослоя Ge по достижении эффективной толщины слоя 125 нм в силу увеличения значений h и а между значениями фз=125 нм и ф4=250 нм.

5. Глубина проникновения лазерного луча с длиной волны Х.=514,5 нм при рамановской спектроскопии в пленке Ge составляет приблизительно 50 нм.

6. Величина релаксации слоя Ge/Si при Тподл=600° С достигает ~ 75% при эффективной толщине 125 нм, т.к. на начальных стадиях роста, при проявлении механизма упругой релаксации, процесс снятия механических напряжений идет интенсивнее.

7. Установлено, что при увеличении времени отжига подложки Si (111) шероховатость пленки а снижается.

8. Показано, что число шагов изменения температуры подложки Si (100) (N) от 300 °С до 600 °С в процессе роста влияет на шероховатость пленки германия, выращенной на этой подложке.

9. При увеличении массовой доли Ge в сплаве GexSi].x, пик Ge-Si на спектре КРС смещается в сторону меньших значений частоты, а пик Ge-Ge на спектре проявляется при большей частоте, т. е. стремится к значению, соответствующему монокристаллическому германию (301 см"').

10. Показано, что шероховатость пленки и размеры растущих островков зависят от изменения состава сплава GexSÍ!_x по толщине при постоянной эффективной доле Ge х = 0,5. Лучшие результаты достигнуты при по-

степенном изменении концентрации Ос в растущей пленке в диапазоне времени процесса 10-90 мин.

11. Наименьшая шероховатость слоя в структурах типа Ое/Оех51|. х/п!/81(100) получается про времени осаждения наностровков 1т=2 мин. Предположение об аннигиляции дислокаций в «подготовительном» слое при помощи наноостровков подтвердилось при анализе экспериментальных структур.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Лунин Л. С. Влияние характера изменения температуры подложки в процессе роста на топологию поверхности пленки Ое/81( 100) / Л. С. Лунин, М. Д. Бавижев, И. А. Сысоев, В. А. Лапин, Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин // Вестник Российского университета дружбы народов: серия инженерные исследования. - Москва, 2012. -№ 3. - С. 98-103

2. Лапин В. А. Метод снижения шероховатости релаксированной пленки §е на (111) при помощи сверхструктур $¡(111)- (7x7) / В. А. Лапин, М. Д. Бавижев, Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин // Вестник СевероКавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2012.-№3 (32).-С. 6-9

3. Лапин В. А. Исследование особенностей роста островков ве на (100) в условиях МЛЭ / В. А. Лапин, Б. М. Синельников, М. Д. Бавижев, И. А. Сысоев, Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. № 5. С. 100-104.

4. Лунин Л. С. Зависимость топологии поверхности и спектров рама-новского рассеяния пленок Оех81[.х/81 от изменения состава по толщине слоя / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев, М. Д. Бавижев, В. А. Лапин, Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин // Кристаллография. 2013. Т. 58. № 3. С. 504-507.

5. Сысоев И. А. Технология формирования металлических контактов солнечных элементов с использованием ионно-лучевого травления / И. А. Сысоев, Л. Д. Прокопенко, Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин, В. А. Лапин // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2012. - № 3 (32). - С. 12-16.

Список прочих публикаций по теме диссертации:

1. Бавижев М. Д. Исследование влияния условий роста на морфологию поверхности слоев нитрида галлия,полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии / М. Д. Бавижев, А. Н. Залозный, В. А. Лапин // Материалы XII регионально- технической "Вузовская наука - СевероКавказскому региону" : Естественные и точные науки.Технические и прикладные науки. - Ставрополь, 2008. - Т. 1. - С. 3.

2. Лапин В. А. Измерение толщин слоев в гетероструктурах, выращенных методом МЛЭ / В. А. Лапин // Вузовская наука - СевероКавказскому региону: материалы XIV научно-технической конференции. -Ставрополь, 2010.-Т. 1.-С. 15-16.

3. Головко С. М. Исследование параметров ионно- лучевой установки для получения гетероструктуры Ое на 8! / С. М. Головко, В. А. Лапин, И. А. Сысоев // Научный потенциал студенчества в XXI веке : IV Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых. -Ставрополь, 2010. - Т. 1. - С. 28-29.

4. Кулешов Д. С. Высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи нового поколения для автономных робототехнических систем / Д. С. Кулешов, Ф. Ф. Малявин, В. А. Лапин // Итоги и перспективы развития Российско-Германского сотрудничества в области мехатроники: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы для молодежи — Новочеркасск, 2011. -Т. 1,-С. 50-53.

5. Лапин В. А. Исследование спектров Рамановского рассеяния пленок сплава Оех811-х/81(100) с различной долей германия / В. А. Лапин, Д. С. Кулешов // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика. — Новосибирск, 2012.-Т. 1.-С 142-145.

6. Лапин В. А. Исследование спектров Рамановского рассеяния на островках ве, сформированных на зародышах 5пх811-х/81 (100) / В. А. Лапин // Конференция молодых ученых по физике полупроводников "Лашкарев-ские чтения 2012" (3-5 апреля) - Киев, 2012. -С. 63-65.

7. Лапин В. А. Исследование спектров рамановского рассеяния на островках ОЕ на 81 (100) разных типов / В. А. Лапин // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии: XI Международная научная конференция (22-27 апреля). - Ставрополь, 2012. - С. 111-113.

8. Лапин В. А. Оптимизация установки МЛЭ "ЦНА" для выращивания микро- и наноструктур Ое/51 и Ое51/81 / В. А. Лапин // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии : XI Международная научная конференция (22-27 апреля). - Ставрополь, 2012. — С. 113-115.

9. Кулешов Д. С. Получение полупроводниковых микро- и наноструктур методом ионно-лучевого травления через самоорганизующуюся маску / Д. С. Кулешов, В. А. Лапин // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика-Новосибирск, 2012.-Т. 1.-С. 138-141.

10. Лапин В. А. Разработка технологии изготовления искусственных подложек ве на 81 (100) с тонким гетерослоем / В. А. Лапин // Региональная научно-практическая конференция «Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа - развитию экономики России» (15-16 мая). - Ставрополь, 2012.-С. 36.

11. Сысоев И. А. Применение метода ионно-лучевого осаждения/травления для получения полупроводниковых квантовых точек / Сысоев И. А., Кулешов Д. С., Малявин Ф. Ф., Лапин В. А. // Научная дискуссия: инновации в современном мире: материалы I Международной заочной научно-практической конференции. Часть I. (23 мая 2012 г.) - Москва: Изд. "Международный центр науки и образования", 2012. - 186 с.

12. Малявин Ф. Ф. Нанокластеры Ge/Si (100), полученные методом ионно-лучевого осаждения / Ф. Ф. Малявин, Д. С. Кулешов, В. А. Лапин // Материалы всероссийской молодежной конференции «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (11-12 октября). - Новочеркасск, 2012. - С. 69-71.

13. Лапин В. А. Метод генерации дислокаций несоответствия в буферном слое GexSil-x с их последующей аннигиляцией для улучшения структурного совершенства искусственных подложек Ge / В. А. Лапин // ежегодная научно-практическая конференция Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука - региону» (5-26 апреля). -Ставрополь, 2013.

14. Лапин В. А. ИК-спектроскопия оксидных слоев в объеме структур Ge/Si / В. А. Лапин // Девятая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (19 апреля), Ростов-на-Дону, 2013.

Список цитируемой литературы

1. Electron transport properties of Si/SiGe heterostructures: measurements and device implications / K. Ismail, S. F. Nelson, J. O. Chu, В. S. Meyerson // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63. C. 660 - 662.

2. Возможности и основные принципы управления пластической релаксацией пленок GeSi/Si и Ge/Si ступенчато изменяемого состава / Ю.Б. Болховитянов, А.К. Гутаковский, A.C. Дерябин, О.П Пчеляков, Л.В. Соколов // ФТП. 2008. Т. 42. Вып. 1. - С. 3-22.

3. Raman and ТЕМ studies of Ge nanocrystal formation in SiOx:Ge/SiOx multilayers / A. Dana, S. Agan, S. Tokay, A. Aydinli, and T. G. Finstad // phys. stat. sol. (c) 4, N 2. C. 288-291 (2007).

4. Surface and interface effects on plasmon loss features in Ge thin films and Si/Ge multilayers / S. Tripathi, R. Brajpuriya, A. Sharma, S.M. Chaudhari // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 151 (2006). P. 165-169.

5. Определение состава и механических деформаций в GexSil-x - ге-тероструктурах из данных спектроскопии комбинационного рассеяния света: уточнение параметров модели / В. А. Володин, М.Д. Евремов, A.C. Дерябин, Л.В. Соколов // ФТП. 2006. Т. 40. Вып. 11. - С. 1349-1355.

Лапин Вячеслав Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И СПЕКТРАЛЬНЫХ

СВОЙСТВ ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ ОЕ81/81, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность 01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Печатается в авторской редакции Компьютерная верстка М.И. Толмачёв

Подписано в печать 19.11.2013 Формат 60x84 1/16 Усл. п. л. 1,22 Уч.-изд. л. 0,98

Бумага офсетная Заказ 205 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» 355029, г. Ставрополь, пр-т Кулакова, 2.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201455478

Лапин Вячеслав Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ И СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ СеЗ^, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

01.04.15 - Физика и технология наноструктур, атомная и молекулярная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук Бавижев М. Д.

Нальчик, 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

Глава I. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ GE-SI, ИХ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ....................................................................11

1.1. Физические свойства элементарных полупроводников Si и Ge.............11

1.2. Особенности эпитаксиального роста структур GeSi/Si в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии...............................................................13

1.2.1 Принципиальная конструкция установки молекулярно-лучевой эпитаксии......................................................................................................13

1.2.2 Кинетика эпитаксиального роста структур при молекулярно-лучевой эпитаксии.......................................................................................14

1.2.3 Типы релаксации механических напряжений в системе Ge-Si. 15

1.3. Формирование самообразующихся наноостровков GeSi/Si и их свойства........................................................................................................18

1.4. Пленки GeSi/Si и Ge/Si и возможности их пластической релаксации ...23

1.4.1. Основные положения теории пластической релаксации напряженных пленок...................................................................................24

1.4.2 Методики улучшения структурного совершенства гетероструктур Ge-Si..................................................................................29

1.4.3 Типы источников зарождения дислокаций для гетероструктур GeSi/Si...........................................................................................................32

1.5. Особенности формирования искусственных подложек германия.........33

1.5.1. Сравнительный анализ методов получения слоев GeSi постоянного и переменного состава..........................................................34

1.5.2. Аннигиляция дислокаций как метод снижения плотности пронизывающих дислокаций в искусственных подложках Ge..............37

1.6. Выводы по главе 1........................................................................................39

Глава II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................................41

2.1. Материалы....................................................................................................41

2.2 Методика подготовки подложек.................................................................41

2.3. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии ЦНА...................................42

2.3.1. Конструкция установки молекулярно-лучевой эпитаксии «ЦНА»..........................................................................................................43

2.3.2. Подготовка вакуумных камер, их герметизация и высокотемпературный отжиг.....................................................................45

2.3.3. Подготовка и загрузка молекулярных источников....................47

2.4. Калибровка узлов установки молекулярно-лучевой эпитаксии «ЦНА»..........................................................................................................49

2.4.1 Калибровка узла нагрева подложки.............................................49

2.4.2 Калибровка молекулярных источников Ge и Si..........................50

2.5. Методы исследования состава и структуры..............................................53

2.5.1 Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)..............................53

2.5.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния света....................55

2.5.3 ИК-Фурье-спектроскопия.............................................................56

2.5.4 Микроинтерферометрия для измерения толщин слоев.............57

2.6. Выводы по главе II.......................................................................................58

Глава III. ПОЛУЧЕНИЕ НАНООСТРОВКОВ СОСТАВА GE/SI, SN/SI И

ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ....................................................59

3.1. Анализ влияния условий получения на параметры наноостровков.......59

3.1.1 Выявление оптимальной эффективной скорости распыления Ge для формирования наноостровков Ge/Si..................................................60

3.1.2 Исследование параметров структур Ge/Si в зависимости от температуры подложки...............................................................................61

3.1.3 Исследование параметров структур Ge/Si в зависимости от эффективной толщины слоя германия......................................................62

3.2 Исследование параметров островков Sn/Si (100), а также структур Ge/Sn/Si (100)...............................................................................................64

3.3. Особенности роста наностровков Ge на подложке Si(100).....................67

3.4. Выводы к главе III........................................................................................73

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОСЛОЯ GE/SI(100) В ЗАВИСИМОСТИ ОТ

ЭФФЕКТИВНОЙ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ГЕРМАНИЯ.......................75

4.1. Контроль гетероперехода Ge/Si на наличие окисного слоя методом ИК-спектроскопии..............................................................................................75

4.2. Исследование морфологии поверхности гетерослоя Ge/Si(100) в зависимости от эффективной толщины слоя германия..........................77

4.3. Исследование степени релаксации гетерослоя Ge/Si(100) в зависимости от эффективной толщины слоя германия.................................................80

4.4. Выводы к главе IV.......................................................................................83

Глава V. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРНОГ О

СОВЕРШЕНСТВА СПЛОШНЫХ СЛОЕВ GE/SI...........................85

5.1 Релаксация напряжений при помощи сверхструктур...............................85

5.2. Исследование влияния низкотемпературного буферного слоя на морфологию пленки Ge/Si..........................................................................89

5.3. Слои сплава GexSij.x, их использование в качестве буфера в структуре Ge/GexSi,.x/Si(100).......................................................................................93

5.3.1 Исследование спектров комбинационного рассеяния света пленок сплава GexSii_x с различной долей германия...............................93

5.3.2 Исследование влияния профиля изменения состава буферного слоя GexSi).x на морфологию пленки Ge/Si..............................................95

5.4. Исследование возможности зарождения дислокаций несоответствия на островках состава Ge/Si в буферном слое с термоциклированием.....101

5.5. Выводы по главе V.....................................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................107

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Почетная грамота фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере победителю программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного

Конкурса - УМНИК 2012»...............................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Сертификат участника Международной научно-практической конференции «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика».................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в полупроводниковой электронике большое внимание уделяется материалам, перспективным с точки зрения создания новых устройств на квантовых эффектах. Гетероструктуры на основе системы Ge-Si представляют большой научный и практический интерес в силу своих уникальных электрических и оптоэлектрических свойств, а также их совместимостью с существующей кремниевой технологией [1]. Область применения подобных структур включает в себя формирование быстродействующих полевых транзисторов, разработку каскадного GeSi лазера терагерцового диапазона, фабрикацию искусственных подложек германия и т.д. [2] Однако получение релаксированных GeSi/Si (100) слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой концентрацией дефектов является отдельной комплексной задачей. Особую сложность представляет собой изготовление искусственных подложек германия, в этом случае рассогласование параметров решеток подложки и слоя достигает ~ 4 %. В качестве методик, позволяющих получить более высококачественные с точки зрения морфологии поверхности слои GeSi, можно указать следующие: рост градиентных слоев, применение низкотемпературных буферных слоев, использование поверхностно-активных примесей, разориентацию подложки. Однако все указанные методики позволяют лишь частично снизить влияние относительно большого рассогласования параметров кристаллических решеток подложки Si и растущего эпитаксиального слоя. В литературе на настоящий момент сведения об особенностях роста структур Ge/Si с эффективной толщиной слоя >25 нм не встречаются. В данной диссертационной работе представлены результаты исследования морфологии поверхности гетероструктур GeSi/Si и их спектральных свойств в зависимости от параметров роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Были исследованы и проанализированы структуры GeSi/Si в

широком диапазоне эффективной толщины слоя, начиная с наноостровков различных типов (hut, dome, superdome), и заканчивая сплошными пленками с определенным рельефом поверхности. Отработаны некоторые известные и представлены новые методики, позволяющие снизить шероховатость поверхности пленок, улучшить совершенство выращиваемых слоев.

Целью диссертационной работы является исследование морфологии, механизмов релаксации в структуре и спектроскопических свойств эпитаксиальных пленок Ge/Si и GeSi/Si, осажденных на монокристаллические подложки Si(100) и Si(lll), в зависимости от эффективной толщины выращиваемого слоя и параметров роста.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установление зависимостей характеристик (формы, размера, плотности распределения) самоформирующихся наноостровков Ge/Si, GexSnj.x/Si, Sn/Si с различной эффективной толщиной от параметров роста (температура подложки, скорость распыления, время ростового процесса) для нахождения оптимальных условий синтеза заданных структур.

2. Установление параметров структур Ge/Si и механизмов их релаксации в зависимости от эффективной толщины гетерослоя.

3. Исследование полученных образцов методами просвечивающей ИК-спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеивания света и методом сканирующей зондовой микроскопии.

4. Разработка методики снижения шероховатости поверхности пленок Ge/GexSi].x/Si при помощи особой структуры буферного слоя GexSii.x.

5. Исследование возможности снижения плотности прорастающих дислокаций на поверхности слоя Ge/GexSit.x/Si за счет аннигиляции дислокаций несоответствия в объеме буферного слоя GexSii„x для улучшения структурного совершенства искусственных подложек Ge.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней установлена взаимосвязь параметров структур Ge/Si и GeSi/Si с ростовыми условиями и эффективной толщиной слоя. Выявлены условия получения наноостровков определенных типов, формы, плотности распределения, а также сплошных пленок с эффективной толщиной >25 нм, впервые установлены механизмы их релаксации на различных этапах роста. Предложены новые методики снижения шероховатости релаксированных пленок Ge/Si и улучшения их структурного совершенства. Практическая значимость

Разработанные технологии могут быть использованы для получения искусственных подложек германия и эпитаксиальных слоев GexSii_x с низкой степенью шероховатости. Результаты работы могут быть полезны для технологов и разработчиков новых методов выращивания кремний-германиевых структур. Результаты могут использоваться при чтении лекционных курсов по специальности «Нанотехнология в электронике». Основные положения, выносимые на защиту;

1. Выявленные закономерности влияния условий и параметров роста самоформирующихся наноостровков на их характеристики (формы, размера, плотности распределения).

2. Результаты комплексного исследования морфологии эпитаксиальных пленок Ge/Si и механизмов их релаксации в зависимости от эффективной толщины гетерослоя.

3. Методики по снижению шероховатости гетеросистем Ge/Si и GeSi/Si подложках Si(l 11) и Si (100).

4. Метод снижения плотности прорастающих дислокаций на поверхности слоя Ge/GexSi].x/Si за счет аннигиляции дислокаций несоответствия в объеме буферного слоя GexSii_x.

Достоверность полученных результатов подтверждена:

- многократной повторяемостью экспериментальных данных;

- комплексом методов исследования (микроинтерферометрия, АСМ, РЭМ, ИК-спектроскопия, Раман-спектроскопия);

- согласием теоретических оценок с экспериментальными данными;

- согласованностью с известными литературными данными.

Личный вклад автора

Автором диссертационной работы были получены и исследованы указанные в работе образцы, выведены зависимости свойств пленок и островковых структур от условий и параметров роста, предложены различные методики по снижению шероховатости поверхности слоев GeSi/Si и Ge/Si. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились при участии научного руководителя и соавторов публикаций.

Реализация результатов работы

Тематика данной работы соответствует перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденных президиумом РАН.

Результаты диссертационной работы легли в основу проекта, поддержанного фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе Умник 2012 №16888

Диссертационная работа выполнена при поддержке: молодежного научно-инновационного конкурса Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа - развитию экономики России». Тема НИОКР: «Разработка технологии изготовления искусственных подложек Ge на Si (100) с тонким гетерослоем» (2012 г.); грант в форме субсидии по теме «Получение и обработка функциональных наноматериалов» (2012 г.); контракт с ОАО "Радиотехнический институт им. Академика А.Л. Минца" (ОАО РТИ) "Создание подсистемы исследовательских и экспериментально-отработочных испытаний ФЭП и СБ стенда СЭП КА" (2009-2011 г.).

9

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии», (Ставрополь, 2012); региональной научно-практической конференции «Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа - развитию экономики России» (Ставрополь, 2011, 2012 г.); Всероссийской молодежной конференции «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (Новочеркасск, 2012 г.); региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону», (Ставрополь, 2010 г.); конференции молодых ученых по физике полупроводников "Лашкаревские чтения 2012" (Киев, 2012); международной заочной научно-практической конференции «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика» (Новосибирск, 2012 г.); ежегодной научно-практической конференции Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2013).

Публикации

По тематике диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых журналах и 14 тезисов к докладам на международных, российских и региональных научно-технических конференциях.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов по работе. Содержит 129 страниц машинописного текста, включая 18 таблиц, 47 рисунков и список цитированной литературы в количестве 136 наименований.

Глава I. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ GE-SI, ИХ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

1.1. Физические свойства элементарных полупроводников Si и Ge Германий (лат. Germanium, Ge) является химическим элементом IV группы периодической системы Д. И. Менделеева; имеет порядковый номер 32, атомную массу 72,59. В простом виде представляет из себя твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Существование и свойства германия были предсказаны в 1871 году Д. И. Менделеевым. В природе обнаружен в 1886 году немецким химиком К. Винклером в минерале аргиродите и был назван германием в честь родины Винклера.

Физические свойства германия. Кристаллы германия имеют кубическую структуру типа алмаза с параметром элементарной ячейки а = 5,6575 Â. Плотность твердого Ge составляет 5,327 г/см3 при 25 °С; жидкого -5,557 (при 1000 °С); tm 937,5 °С; tKHn около 2700 °С; коэффициент теплопроводности ~ 60 Вт/(м К) при 25 °С [3]. Чистый германий довольно хрупок при обычной температуре, но при повышенной температуре (выше 550 °С) поддается пластической деформации. Твердость германия по минералогической шкале составляет 6-6,5; коэффициент сжимаемости 1,4-10"6 см2/кгс; поверхностное натяжение 0,6 н/м. Германий - типичный полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 1,104-10"19 Дж или 0,69 эв (25°С); удельное электрическое сопротивление германия высокой

чистоты 0,60 ом м при 25 °С; подвижность электронов 3900 и подвижность

2 8 дырок 1900 см/в еек (25 °С) (при концентрации примесей менее 10" %).

Прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны больше 2 мкм.

Германий является единственным химическим элементом, образующим с Si непрерывный ряд твердых растворов GexSii_x во всём диапазоне концентраций х = 0 1, кристаллизующихся в структурном типе алмаза (пространственная группа симметрии Fd3m). Постоянные решёток Ge

11

и Si составляют при 300 К as¡ = 0,5431 нм, аСе = 0,5657 нм, то есть различаются на 4,2 %.

Кремний (лат. Silicium, Si) является химическим элементом IV группы периодической системы Д. И. Менделеева; имеет порядковый номер 14, атомную массу 28,086. В природе элемент имеет три ст