СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Обзор литературы. Формирование структур с
наноостровками ("квантовыми точками") германия на
поверхности кремния при эпитаксии из молекулярных
пучков
1.1. Особенности энергетического спектра электронных и дырочных состояний в низкоразмерных системах
1.2. Классификация гетерограниц по типу разрыва локальной зонной структуры
1.3. Механизмы роста пленок в гетероэпитаксиальных системах
1.4. Особенности процесса самоорганизации поверхности в системе кремний-германий
1.5. Самоформирование системы наноостровков при эпитаксии ве на 81(001)
1.6. Морфологические перестройки поверхности при эпитаксии германия на 81(111)
1.7. Влияние условий роста на фотолюминесценцию структур с "квантовыми точками" германия в кремнии
1.8. Перестройка поверхности монокристаллов тугоплавких и переходных металлов под действием сил электро- и термопереноса
1.9. Особенности перестройки вицинальных поверхностей 81(111) при отжиге прямым пропусканием электрического тока
1.10. Постановка задачи. Обоснование структуры диссертации
ГЛАВА 2. Приготовление образцов и методики их
исследования
2.1. Формирование наноостровков германия на поверхностях 81(001) и 81(111)
2.2. Установка для исследования перестройки поверхности кремния при отжиге кристаллов прямым пропусканием электрического тока
2.3. Исследование процессов формирования наноостровков германия на кремнии в условиях электропереноса
2.3.1. Описание экспериментальной установки
2.3.2. Получение рабочего вакуума
2.3.3. Калибровка молекулярных источников
2.3.4. Оценка зависимости скорости роста пленки германия от температуры молекулярного источника
2.4. Экспериментальные образцы
2.5. Исследование топографии поверхности полученных структур
2.6. Измерение спектров фотолюминесценции Оех81|.х структур и исследование взаимной диффузии Б1 и ве в процессе эпитаксиального роста и послеростового отжига образцов
ГЛАВА 3. Самоформнрование наноостровков при
эпитаксии ве на поверхности 81(001) и 81(111)
3.1. Экспериментальные образцы
3.2. Результаты исследования топографии поверхности полученных образцов
3.3. Оценка минимально достижимого размера островка в системе германий-кремний
4
56
56
57
65
65
70
71
72
76
76
79
81
81
83
97
5
3.4. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции 104
полученных структур
3.5. Выводы 106
ГЛАВА 4. Перестройка поверхности вицинальных граней 108
51(111) при отжиге кристаллов прямым пропусканием электрического тока в ноле градиента температуры
4.1. Отжиг кристаллов прямым пропусканием переменного 109
тока в поле градиента температуры
4.2. Отжиг кристаллов прямым пропусканием постоянного 112
тока в поле градиента температуры
4.3. Отработка лабораторной технологии формирования 119
подложек с заданным профилем ступенчатой структуры
4.4. Выводы 129
ГЛАВА 5. Особенности формирования наноостровков ве 131
пи эпитаксии на профилированных подложках 51(111)
5.1. Эксперимент 131
5.2. Результаты 132
5.3. Спектры фотолюминесценции полученных структур 155
5.4. Выводы 161
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
168
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Самоформирование системы наноостровков ("квантовых точек") германия на поверхности кремния в процессе эпитаксии из молекулярных пучков (МПЭ) в последние годы является объектом повышенного внимания исследователей. Структуры с квантовыми точками (КТ) на основе кремния и германия считаются перспективными в области оптоэлектроники, а также для реализации на их основе одноэлектронных устройств, способных стабильно работать при комнатных температурах (элементы памяти, одноэлектронные транзисторы и др.). Кроме того, данная система удобна для теоретического и экспериментального изучения механизмов формирования островков в процессе гетероэпитаксии в полупроводниковых системах со значительным несоответствием параметров кристаллических решеток.
Несмотря на большое число экспериментальных работ, направленных на исследование процесса формирования и эволюции островков ве на подложках различной кристаллографической ориентации, задача создания структур с КТ как элементной базы приборов нового поколения пока еще далека от своего окончательного решения. Основные проблемы, препятствующие получению
качественных структур с квантовыми точками, заключаются в больших размерах самоформирующихся островков, не позволяющих проявляться квантовым свойствам системы, а также случайном характере локализации островков в плоскости гетероперехода пленка-подложка. В связи с этим актуальными являются работы, направленные на изучение возможности дополнительного влияния на процессы самоорганизации поверхности с целью прогнозируемого получения структур с требуемыми свойствами.
7
Один из возможных путей улучшения геометрических параметров самоорганизующихся наноостровков, таких как форма, размер и однородность по размерам, плотность расположения, степень пространственной упорядоченности, связан с созданием на кремниевой подложке мест преимущественного зарождения островков,
формирующихся в результате частичной релаксации упруго-напряженной пленки германия. С этой целью используются подложки с литографически сформированным на поверхности рисунком в виде окон или меза-полосок. Однако использование литографии требует проведения ряда операций вне вакуумной камеры установки МПЭ, создавая определенные проблемы для последующего эпитаксиального процесса. Кроме того, физические пределы разрешения литографии позволяют получать только разреженные массивы наноостровков. Одной из альтернативных представляется идея повышения
пространственной упорядоченности наноостровков за счет
использования естественной ступенчатой структуры поверхности
вицинальных граней кристаллов. Данный подход широко распространен для соединений группы А3В5 и практически не исследован для системы ве-Бь
В то же время достаточно хорошо известен эффект перестройки поверхности вицинальных граней при отжиге кристаллов пропусканием постоянного тока. Однако к моменту выполнения данной работы не было опубликовано ни одной статьи, в которой бы исследовалась возможность использования отмеченного эффекта с целью создания подложек с заданным профилем ступенчатой структуры
(профилировнных подложек) для последущей эпитаксии германия.
Механизмы самоорганизации кристаллических поверхностей определяются энергетикой процессов и кинетикой их протекания. Если энергетика процесса в основном задана несоответствием параметров
8
кристаллических решеток пленки и подложки для данной толщины эпитаксиальной пленки, то роль кинетики в формировании островков становится определяющей. Поэтому дополнительным фактором, способным оказать воздействие на характер формирования и локализации островков, может являться создание неравновесных направленных диффузионных потоков адатомов, вызванных, например, эффектом электромиграции. Отсутствие работ по изучению формирования наноостровков германия на профилированной поверхности кремния в процессе электромиграции явилось основным стимулом для проведения данных исследований.
Основной целью диссертационной работы является экспериментальное исследование особенностей самоорганизации наноостровков в зависимости от условий формирования, а также поиск путей создания высокоупорядоченных структур с квантовыми точками германия на поверхности кремния. Достижение этой цели включает в себя решение следующих задач:
исследование зависимости размеров и формы самоорганизующихся островков ве на поверхностях 81(001) и 81(111) от количества осажденного германия, температуры роста и времени послеростового отжига образцов. Определение оптимальных условий получения массивов наноостровков с высокой плотностью расположения и малой неоднородностью по размерам;
экспериментальное исследование особенностей формирования наноостровков ве на 81 в условиях электромиграции адатомов ве. Определение принципиальной возможности влияния дополнительной внешней силы электропереноса на процесс самоорганизации трехмерных островков;
9
изучение возможности создания пространственно упорядоченных массивов наноостровков при эпитаксии ве на профилированные кремниевые подложки. Исследование зависимости пространственных характеристик (размеров, формы, степени упорядоченности) наноостровков от морфологии поверхности профилированной подложки и технологических режимов роста пленки германия.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
1. Показано, что на начальной стадии самоорганизации пленки ве на вицинальной поверхности 81(001) образуется структура в виде эшелонов наноступеней, размеры которых зависят от толщины напыленного слоя ве.
2. Исходя из особенностей образования наноступеней ве на поверхности 81(001), проведен расчет упругой силы, вызывающей направленное перемещение адатомов вс, и определен минимальный размер островков , формирующихся при переходе от двумерной к трехмерной стадии роста пленки (с1 > 60 нм).
о
Показано, что величина упругой силы Ре1а51 составляет ~ 10' дин/атом, что на два порядка превышает силу, вызванную градиентом химического потенциала и приводящую к развитию "естественной шероховатости" на поверхности монокристаллов.
3. Показано, что для уменьшения размера самоформирующихся островков при увеличении плотности и упорядочения их расположения необходимо дополнительное воздействие на процесс самоорганизации пленки ве за счет увеличения неравновесной составляющей диффузионной части процесса, а также образование мест преимущественного зарождения островков.
10
4. Показано, что в качестве мест преимущественного зарождения и локализации самоорганизующихся островков германия могут быть использованы эшелоны ступеней, формирующиеся в результате процессов электро- и термомиграции атомов кремния на вицинальных поверхностях Si(l 11).
5. Исследование особенностей перестройки поверхности вицинальных граней (111) кремния при резистивном отжиге кристаллов в поле градиента температуры позволило установить основные величины, характеризующие процессы электро-термопереноса атомов, в частности определить величину эффективного заряда z* и теплоту переноса Q* атома кремния, что, в свою очередь, позволило определить функциональную зависимость размеров формирующихся наноступеней от времени отжига.
6. Показано, что в случае эпитаксии германия на профилированные подложки Si(lll) образование островков происходит строго вдоль фронта наноступеней подложки, а размеры островков определяются эффективной толщиной осажденной пленки и шириной террас наноступеней.
7. Показана возможность получения высокоупорядоченных структур с GeSi наноостровками размерами (10 ... 20) нм и плотностью их расположения до МО11 см'2 при эпитаксии Ge на профилированные подложки Si (111) с размерами террас наноступеней (50 ... 100) нм в условиях электромиграции адатомов по направлению к фронту наноступеней подложки.
Научно-практическое значение результатов работы заключается в том, что:
1. Разработана технология формирования профилированных кремниевых (111) подложек, позволяющая получать периодический
11
ступенчатый профиль топографии поверхности без применения
литографии, что повышает качество границы раздела при последующей эпитаксии германия, позволяет преодолеть дифракционный предел разрешения литографических методов, а также существенно упрощает и удешевляет данный процесс.
2. Показана принципиальная возможность контролируемого
воздействия на размеры, форму и степень пространственной
упорядоченности самоформирующихся наноостровков германия на поверхности кремния за счет использования профилированных подложек и введения дополнительной силы электропереноса.
3. Отработана методика получения высокоупорядоченных структур с наноостровками германия, размеры которых сравнимы с длиной волны де-Бройля носителей заряда для гетеросистемы Ge-Si и не превышают 20 нм. Поверхностная плотность самоорганизующихся островков составляет при этом ~ 1*10й см"2.
4. Результаты исследований использовались и используются в учебном процессе: лекционных курсах по дисциплинам "Электроника и микроэлектроника", "Квантовые структуры пониженной размерности", "Физические основы наноэлектроники", в лабораторных работах по курсу "Автоматизация процессов электронной технологии", при разработке курсовых и дипломных проектов, а также в электронном учебнике, созданном в рамках программы Минобразования РФ "Высокие технологии в образовании".
Достоверность результатов работы обусловлена проведением экспериментов в условиях сверхвысокого и высокого вакуума с диагностикой состояния поверхности в режиме in situ методом дифракции быстрых электронов, подтверждается данными тестирования используемых для диагностики поверхности атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопа на образцах с известной
12
морфологией (в случае исследований на воздухе), повторяемостью полученных результатов при сканировании но различным направлениям, использованием тестовых образцов (исследования методом электронной Оже-спектроскопии), а также соответствием полученных результатов данным других исследовательских групп.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Размер самоорганизующихся островков германия на кремнии при гетероэпитаксии из молекулярных пучков определяется не только минимизацией энергии гетеросистемы, но и особенностями кинетики диффузионных процессов, что в совокупности затрудняет получение островков с размерами, соответствующими условиям размерного квантования энергетического спектра.
2. Совершенные по кристаллической структуре островки размерами менее 20 нм, соответствующие условиям размерного квантования, можно получать при температурах эпитаксии, превышающих 500°С, за счет усиления неравновесной анизотропно-диффузионной составляющей процесса самоорганизации при использовании эффекта электромиграции адатомов германия на поверхности кремния.
3. Высокая степень упорядочения вдоль кристаллографического направления [121] и поверхностная плотность расположения островков германия до МО11 см’2 обеспечиваются формированием островков на поверхности профилированной подложки 81(111) при воздействии на адатомы германия силой электропереноса Ре1есь
о
сравнимой с упругой силой (Ре!ес1 - 10’ дин/атом).
4. Использование эффекта объединения ступеней в условиях электротермомиграции атомов кремния позволяет получать
13
профилированные подложки Si(lll) с равномерно расположенными ступенями с шириной террас от 50 нм до 15 мкм.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 9 международных и Российских научно-технических конференциях и совещаниях, в том числе на:
- Всероссийском совещании "Зондовая микроскопия - 99",
Н.Новгород, 1999;
Всероссийском совещании "Нанофотоника - 99", Н.Новгород, 1999;
- II Республиканской конференции по физической электронике, Ташкент, Узбекистан, 1999;
- Всероссийском совещании "Зондовая микроскопия - 2000",
Н.Новгород, 2000;
- Международной конференции "Фундаментальные проблемы физики - 2000", Саратов, Россия, 2000;
- Международной конференции "Fundamental Aspects of Surface
Science", Castelvecchio Pascoli, Italy, 2000;
- Всероссийском совещании "Нанофотоника - 02", Н.Новгород, 2002;
- Международной конференции "ICSNN - 2002", Toulouse, France, 2002;
- Международной конференции "EPS - 12: Trends in Physics",
Budapest, Hungary, 2002.
По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 6 - в рецензируемых периодических изданиях РАН. Список публикаций приведен в конце диссертационной работы.
14
ГЛАВА 1. Обзор литературы. Формирование структур с наноостровками ("квантовыми точками") германия на поверхности кремния при эпитаксии из молекулярных пучков
В последнее десятилетие в физике полупроводников наметился резкий поворот интересов в сторону гетеросистем пониженной размерности. К ним относятся так называемые квантовые ямы (КЯ), квантовые проволоки (КП) и квантовые точки (КТ), а также переходные состояния между ними [1]. Оказалось, что, изменяя размерность и регулируя величину квантового ограничения, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы, что способствует не только решению фундаментальных проблем квантовой механики и физики полупроводниковых кристаллов, но и созданию совершенно новых полупроводниковых приборов. По-видимому, именно низкоразмерные гетеросистемы станут основной материальной базой микроэлектроники и оптоэлектроники нынешнего столетия.
1.1. Особенности энергетического спектра электронных и дырочных состояний в низкоразмерных системах
Низкоразмерным, в отличие от объемного (ЗД three-dimensional), называют такое состояние кристаллов, когда движение носителей заряда ограничено в одном, двух или всех трех измерениях. Соответственно говорят о двумерных (2D), одномерных (1D) и нульмерных (0D) объектах. Квантовое ограничение реализуется в тех случаях, когда характерная квантовая длина носителя заряда (электрона или дырки), определяемая длиной волны де Бройля или же размером волновой функции квазичастицы, становится равной или меньше соответствующего физического размера объекта. В случае тонкой пленки с квантовомалой толщиной материального слоя электрон или дырка оказываются в прямоугольной потенциальной яме. Вдоль ямы по
15
измерениям х и у движение остается свободным, как и в объемном кристалле, тогда как поперек ямы в направлении 2 движение ограничено и энергетические состояния носителей заряда квантуются, образуя систему дискретных уровней. Тогда говорят о квантовой яме.
Для оценки размера волновой функции электрона или дырки достаточно вычислить боровский радиус (я**.л), так, как это делалось для вычисления боровского радиуса экситона, только вместо приведенной массы при этом следует использовать эффективную массу электрона т*<> или дырки т*и соответственно [1]:
а’,н =0.53-^-£, А (1)
т<м
Здесь х ~ статическая диэлектрическая проницаемость кристалла. Условием образования квантовой ямы, таким образом, является
Ь;<а\ь (2)
где Ь - это размер в направлении 2 или же толщина квантовой ямы.
В случае ограниченности движения объекта в двух направлениях, например г их, остается лишь одно направление свободного движения -у, тогда как два других квантуются. В таком случае говорят о квантовой проволоке. Условием образования квантовой проволоки является
Ьхл<а\н, (3)
И, наконец, если ограничены все три направления движения, то это квантовая точка. В отличие от математической точки она может быть вполне осязаемых размеров и включать в себя многие тысячи атомов. Условием образования квантовой точки соответственно будет
1ху<: < а\ь (4)
Все основные свойства электронной (дырочной) системы определяются законом дисперсии, то есть зависимостью энергии носителей заряда от их импульса [2]. В этой связи очень интересно сравнить между собой электронные системы различных размерностей:
16
массивные полупроводники с законом дисперсии Е = {р)+ргу+р))12гпв9 двумерные структуры с законом дисперсии
Е = Еп + (р] + р2})/ 2т], квантовые проволоки с законом дисперсии
Е = Еп + р2у 12т] и квантовые точки с законом дисперсии
Е-Еп =--------—-, где (1- физический размер КТ.
2 тееі
Несмотря на внешнюю схожесть приведенных формул, разнос число измерений, по которым носители заряда могут свободно двигаться, обуславливает качественную разницу почти во всех свойствах.
Важнейшей характеристикой электронной системы наряду с ее законом дисперсии является плотность состояний, то есть число состояний в единичном интервале энергии. Поскольку электроны подчиняются принципу запрета Паули, то плотность состояний определяет то максимальное число электронов, которое может разместиться в данном интервале энергий, а распределение электронов по энергиям в свою очередь определяет все остальные свойства системы [2].
Для начала необходимо вычислить важную промежуточную характеристику системы Є(Е) - полное число состояний, имеющих энергию, меньшую, чем Е. В трехмерном случае: Є(Е) = Арх •Ару - Ар. х
х ЬхЬуЬ. /(2яй)3 = Ур(Е) • V /(2яй)3, где V - объем образца, а Ур - объем
так называемого импульсного пространства, т.е. области в осях рх, ру, рг9 для которой энергия электрона (р] + р2у + р))/2т] меньше, чем Е.
Легко видеть, что эта область представляет собой шар радиусом л/2/я*£ и объемом (4д’/3)(2т*£)3/2, так что окончательно в трехмерном случае в(Е) = 42 (т]Е)312 V /(3 тг2П}) .
- Київ+380960830922