Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Рост и оптоэлектронные свойства гетероструктур с SiGe/Si(001) самоформирующимися островками (Литературный обзор)
ГЛАВА 2. Фотолюминесценция одно и многослойных SiGe/Si(001) структур с самоформирующимися островками
2.1. Методика эксперимента. 36
2.2. Методы подготовки подложек и характеризации структур
2.3. Зависимость спектров ФЛ однослойных GeSi структур с самоформирующимися островками от температуры роста
2.4. Рост и ФЛ многослойных структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками
2.5. ФЛ структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками при комнатной температуре
ГЛАВА 3. Сравнительный анализ ФЛ островков и дефектов кристаллической решетки
3.1. Фотолюминесценция GeSi/Si(001) структур с дефектами кристаллической решетки
3.2. Зависимость сигнала ФЛ Ge(Si) островков и дислокаций от мощности оптической накачки и температуры измерения
ГЛАВА 4. Рост и фотолюминесценция Ge(Si) островков, сформированных на напряжённом GexSii-x слое
4.1 Методика эксперимента 102
4.2 Особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на напряжённом Sii-xGexcnoe
4.3 ФЛ структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, выращенными на напряжённом Sii-xGex слое 127
Заключение 141
Список цитированной литературы
- Методы подготовки подложек и характеризации структур
- Рост и ФЛ многослойных структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками
- Зависимость сигнала ФЛ Ge(Si) островков и дислокаций от мощности оптической накачки и температуры измерения
- Особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на напряжённом Sii-xGexcnoe
Введение к работе
Актуальность темы исследований
В настоящее время активно развивается физика низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур. Интерес к подобным исследованиям связан как с изучением фундаментальных физических явлений, проявляющихся в низкоразмерных системах, так и с возможностью применения таких структур в полупроводниковых приборах. Несмотря на то, что наибольшие успехи в области практического использования гетероструктур к настоящему времени достигнуты для полупроводников группы А3В5 [1], значительный интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения представляют исследования низкоразмерных гетероструктур на основе кремния.
Германий является наиболее интересной гетеропарой для кремния, позволяя получать эпитаксиальные гетероструктуры на кремневых подложках в широком диапазоне состава и толщин слоев твердого раствора SiGe. В настоящее время ведутся активные исследования особенностей роста и свойств SiGe/Si(001) гетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками (см. например [2]). Данная диссертация посвящена изучению особенностей формирования и фотолюминесценции одного из типов низкоразмерных систем на Si подложках - Ge(Si) самоформирующимся островкам. Актуальность исследования Ge/Si структур связана с выявлением на примере данной гетеропары общих для напряженных полупроводниковых гетероструктур механизмов зарождения и роста самоформирующихся нанообъектов.
Электрические и оптические свойства полупроводниковых гетероструктур с самоформирующимися Ge(Si) наноостровками зависят от энергетического спектра носителей заряда в островках. Последний существенно зависит от таких параметров островков как их размеры, состав, форма и упругие напряжения. В связи с этим, важно уметь получать структуры с самоформирующимися островками, имеющими определённые параметры. К моменту начала работ над диссертацией процессы зарождения и роста Ge(Si) самоформирующихся островков на Si(OOl) подложках были достаточно подробно исследованы. Для структур без верхнего покровного слоя была получена экспериментальная зависимость состава Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков от температуры роста [3, 4]. В то же время имелись лишь единичные исследования параметров Ge(Si) островков с покровным слоем в одно и многослойных структурах.
Наряду с исследованием особенностей роста Ge(Si) самоформирующихся островков важным является установление однозначной связи между
параметрами (размерами, составом, формой и упругими напряжениями) островков и энергией оптических переходов в них. К моменту начала работы над диссертацией такая однозначная количественная связь не была установлена. Хотя в литературе имелись отдельные сообщения о наблюдении сигнала электро- и фотолюминесценции (ФЛ) в структурах с Ge(Si) островками вплоть до комнатной температуры [5], не были определены условия получения Ge/Si структур для повышения интенсивности сигнала люминесценции от островков при комнатной температуре. Существовали противоречивые объяснения различий в спектрах ФЛ одно- и многослойных структур с Ge(Si) островками. В литературе отсутствовали однозначные результаты по исследованию особенностей фотолюминесценции Ge(Si) островков, имеющих различную форму.
Одной из трудностей интерпретации результатов исследований ФЛ структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками является ФЛ от дефектов кристаллической решетки в Si, которая наблюдается в той же области длин волн (> 1,3 \хм), в которой наблюдается сигнал ФЛ от островков. В этой связи важным становится установление критериев, позволяющих однозначно отделить сигнал ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков от сигнала ФЛ, связанного с оптической рекомбинацией на дефектах кристаллической решетки.
Основные цели работы состояли в следующем:
Установление количественной связи между параметрами (размером, составом, упругими напряжениями и формой) Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков в одно- и многослойных структурах и их спектрами фотолюминесценции. Определение условий получения структур с GeSi/Si(001) самоформирующимися островками, имеющих высокую интенсивность сигнала фотолюминесценции от островков в области длин волн 1,3-1,55 мкм при комнатной температуре.
Проведение сравнительного анализа спектров фотолюминесценции GeSi/Si(001) гетероструктур с самоформирующимися наноостровками и структур с дефектами кристаллической решетки с целью установления критериев, позволяющих определить происхождение сигнала ФЛ от GeSi гетероструктр в области длин волн 1,3-2 мкм.
3. Модификация роста GeSi/Si(001) самоформирующихся островков за счет
пред осаждения напряжённых Sii_xGex слоев.
Научная новизна
1. Смещение пика ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков в область меньших энергий при понижении температуры роста связывается с подавлением диффузии атомов Si в островки и увеличением доли Ge в
них. Впервые наблюдался сигнал фотолюминесценции от Ge(Si) островков в области энергий значительно меньших ширины запрещенной зоны объемного Ge.
Показано, что энергия непрямого в реальном пространстве оптического перехода между дырками, локализованными в островках, и электронами, находящимися в Si на гетерогранице с островком, рассчитанная с учетом экспериментально полученных данных о составе и упругих напряжениях островков в многослойных структурах хорошо совпадает с экспериментальным положением пика ФЛ от островков.
Продемонстрирован различный характер зависимости от мощности оптической накачки сигнала ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков и от дефектов кристаллической решетки. Продемонстрировано, что сигналы ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков и от дефектов кристаллической решетки имеют различный характер температурной зависимости.
Показано, что рост Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков может быть существенно модифицирован в результате предосаждения упруго напряжённого Sii.xGex слоя. Обнаружено, что критическая толщина двумерного роста Ge существенно уменьшается при росте доли Ge в пред осажденном напряженном Sii_xGex слое.
Научная и практическая значимость работы
Установлена количественная связь между экспериментально определенными параметрами (размерами, составом и упругими напряжениями) Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков и положением сигнала ФЛ, связанного с оптической рекомбинацией носителей заряда в островках.
Предложен способ изменения параметров Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков с помощью предосаждения напряжённых Sii_xGex слоев.
Основные положения, выносимые на защиту
Низкотемпературный сигнал ФЛ от Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков в области 1,3-2 мкм связан с непрямым в реальном пространстве оптическим переходом между дырками, локализованными в островках, и электронами, находящимися в Si на гетерогранице П-типа с Ge(Si) островком.
Смещение сигнала ФЛ от островков в область меньших энергий при понижении температуры роста с 750 С до 600 С вызвано подавлением диффузии Si в островки и увеличением доли Ge в них при понижении температуры роста.
Сдвиг в область больших энергий пика ФЛ от островков в многослойных структурах по сравнению с однослойными объясняется уменьшением среднего содержания Ge в островках.
Пред осаждение упруго напряжённого Sii_xGex слоя позволяет получать массивы самоформирующихся Ge(Si) островков пирамидальной и куполообразной формы с высокой поверхностной плотностью.
Личный вклад автора в получение результатов
Основной вклад в рост Ge(Si)/Si(001) одно- и многослойных структур с самоформирующимися островками при различных температурах [А1-А31].
Основной вклад в интерпретацию спектров ФЛ Ge(Si)/Si(001) одно- и многослойных структур с самоформирующимися островками, выращенными при различных температурах [А2-А7, А9-А10, А14, А16-А26, А29] (совместно с Н.В.Востоковым, Ю.Н.Дроздовым, М.В.Шалеевым, А.Н.Яблонским).
Определяющий вклад в сравнительном анализе спектров ФЛ Ge(Si)/Si(001) структур с самоформирующимися островками и структур с дефектами кристаллической решетки [А7, А20] (совместно с А.Н.Яблонским).
Основной вклад в рост и проведение исследований структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками, выращенными на напряжённых Sii_xGex слоях [А 12, А13, А15, А31] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, М.В.Шалеевым, А.Н.Яблонским).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались на V и VI Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 10 - 14 сентября, 2001; Санкт-Петебург, 27-31 октября, 2003), Всероссийских совещаниях «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 26 - 29 марта, 2001; 11-14 марта, 2002; 17 - 20 марта, 2003; 2 - 6 мая, 2004), Международных конференциях по сканирующей зондовой микроскопии (Нижний Новгород, 26 февраля - 1 марта, 2001; 1-5 марта, 2003), Совещаниях по росту кристаллов, плёнок и дефектам структуры кремния «Кремний-2002» и «Кремний-2004» (Новосибирск, 9-12 июля, 2002; Иркутск, 5-9 июля, 2004), Симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 25 - 29 марта, 2005), 11-ом Европейском совещании по молекулярно-лучевой эпитаксии (Германия, 4-7 февраля, 2001), 10-ом Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт-Петебург, 17-21 июня, 2002), Международных конференциях по материаловедению (Страсбург, Франция, 5-8 июня, 2001; 24 - 28 мая, 2004), 4-ом и 5-ом Международном совещании по моделированию, росту,
свойствам и приборам на поверхностях с оригинальным индексом (Аспет, Франция, 16-20 сентября, 2001; Штутгарт, Германия, 13-15 октября, 2003), Международной конференции по сверхрешёткам, наноструктурам и наноприборам (Тулуза, Франция, 22 - 26 июля, 2002), Международном совещании по квантовым точкам (Крит, Греция, 20 - 24 июня, 2003), а также на семинарах ИФМ РАН и НИОЦ СЗМ при ННГУ им.Н.И.Лобачевского.
Публикации
По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 15 статей в реферируемых журналах и 16 публикаций в материалах конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 160 страниц, включая 71 рисунок и 7 таблиц. Список цитированной литературы включает 151 наименование, список работ автора по теме диссертации - 31 наименование.
Методы подготовки подложек и характеризации структур
Одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений современной электроники - микро и наиоэлектроника на основе полупроводниковых гетероструктур. В первую очередь её преимущества связаны с возможностью варьирования элементного состава структур и, т. о., зонной инженерен подобных структур, в результате чего меняются физические характеристики всей структуры. На основе гетероструктур были созданы и теперь уже являются коммерчески доступными такие новые приборы как быстродействующие гетеробиполярные транзисторы (НВТ) и полевые транзисторы на основе селективно легированных структур (MODFET) с улучшенными шумовыми характеристиками, резонансно-туннельные диоды повышенной мощности и лучшими усиливающими характеристиками, а также гетеролазеры с низкими пороговыми токами и большими значениями коэффициента усиления и высокой температурной стабильностью [1, 2, 6, 7]. На основе полупроводниковых гетероструктур создаются разного рода низкоразмерные системы (квантовые ямы, нити и точки), в которых наряду с количественным изменением электрофизических свойств объектов возникают новые физические эффекты, связанные с пространственным ограничением движения носителей заряда. Такие системы получают путём внедрения квантово-размерных включений узкозонного полупроводника в матрицу более широкозонного материала, что может привести к пространственной локализации как электронов, так и дырок (гетеропереход I -го рода). Кроме того, возможна локализация носителей заряда только одного знака, если разрыв зон приводит к образованию потенциальной ямы (одно-, двух- или трёхмерной) для носителей заряда одного знака и потенциального барьера для носителей заряда другого знака (гетеропереход II - го рода). При достаточно малых размерах области локализации энергетический спектр носителей заряда становиться дискретным. Следует отметить, что степень дискретизации электронных уровней зависит от числа пространственных измерений, в которых ограничено движение носителей заряда. Для квантовой ямы энергетический спектр носителей заряда квантуется только в одном направлении, в котором ограничено их движение, а в двух других он является непрерывным. Для квантовой нити энергетический спектр носителей заряда квантуется в двух направлениях, и только для квантовых точек энергетический спектр носителей заряда является дискретным во всех трёх пространственных измерениях. Следует отметить, что такую частицу (включение, нанообразование, нанообъект) в литературе принято называть «квантовой точкой» (КТ) в том случае, если расстояние между соседними энергетическими уровнями носителей заряда (электронов или дырок), локализованных в ней, сравнимо или больше тепловой энергии.
Наличие дискретного спектра состояний в КТ существенным образом отличает её от объёмных материалов, в которых разрешенные зоны с практически непрерывным энергетическим спектром чередуются с запрещенными зонами, и позволяет сравнивать КТ с отдельным атомом. В случае, если расстояние между соседними энергетическими уровнями в КТ много больше тепловой энергии носителей заряда дискретный спектр состояний в КТ может привести к независимости заселённости уровней в ней от температуры. В связи с этим становиться возможным на основе КТ реализация приборов с температурно-независимыми характеристиками. Кроме этого, теоретически было показано [8], что среда с нульмерной плотностью состояний обладает рядом преимуществ для генерации света, а именно, низким пороговым током, высокой характеристической температурой и большим коэффициентом усиления. Часть из этих преимуществ уже реализована в лазерных структурах на основе квантовых точек в гетеросистемах А3В5 [9].
Наиболее распространенным способом получения КТ в течение последних 10-15 лет является самоформирование нанообъектов в процессе роста полупроводниковых гетероструктур с различными параметрами кристаллических решеток по механизму Странского-Крастанова [10]. В гетеросистемах, растущих по механизму Странского-Крастанова, поверхностная энергия осаждаемой пленки на единицу площади меньше, чем сумма энергий гетерограницы пленка-подложка и поверхностной энергии подложки, поэтому на начальном этапе роста осаждаемый материал образует однородный «смачивающий» слой толщиной один или несколько монослоев несмотря на рост упругой энергии. Формирование смачивающего слоя приводит к уменьшению суммарной энергии системы. Изменение свободной энергии такой системы можно записать в виде суммыгде - изменение полной энергии системы, ДЕповерх - разница энергий поверхности растущей плёнки и подложки, ЕуПр - упругая энергия, накопленная в растущей плёнке. Упругие напряжения в плёнке возникают вследствие рассогласования параметров кристаллических решеток плёнки и подложки, а Еупр пропорциональна квадрату рассогласования кристаллических решеток и толщине осажденной пленки. При увеличении количества осаждаемого материала рост двумерной пленки становиться метастабильным, так как ее суммарная энергия увеличивается за счет роста энергетического слагаемого, связанного с упругими напряжениями (ЕупР), но кинетические барьеры препятствуют релаксации упругих напряжений.
Когда накопленной упругой энергии достаточно для преодоления энергетического барьера ( 5 эВ для системы GeSi/Si(001) [12]) происходит формирование дислокации несоответствия. В результате образования дислокаций несоответствия происходит релаксация части упругих напряжений в пленки, что приводит к уменьшению суммарной энергии системы. При продолжении роста в зависимости от влияния кинетических факторов возможны два варианта. Согласно первому варианту будет идти планарньтй рост плёнки, а дальнейшая релаксация упругих напряжений будет происходить за счёт появления новых дислокаций несоответствия. Второй вариант представляет собой так называемый «классический» механизм роста Странского-Крастанова, который приводит к формированию трёхмерных островков. В месте появления дислокации происходит локальное изменение параметра решетки и уменьшение рассогласования кристаллических решеток пленки и подложки. Вследствие этого в области образования дислокации локально уменьшается химический потенциал, что приводит к диффузии осаждаемого материала в эту область и к образованию трехмерного кластера над дислокацией. Образование кластера способствует зарождению новых дислокаций и дальнейшей релаксации упругих напряжений.
Рост и ФЛ многослойных структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками
Другая модель, предложенная в работах [24, 56], связывает трансформацию пирамид в купола с кинетическими факторами. Авторы этой модели для записи энергии островка использовали приближенную формулу для плоских пирамидальных островков (Н « L) из работы [70]. Энергия островка в работе [70] представлена в виде суммы двух слагаемых: дополнительной поверхностной энергии островка, возникающей за счет образования боковых граней, и изменения упругой энергаи из-за релаксации упругих напряжений в островке. Энергией ребер островка в данной модели пренебрегают. Если использовать одно и тоже значение поверхностной энергии на единицу площади для любых граней, то энергию островка можно записать в виде [14]: EOCTpOBKa.= En0Bcpx.+Eynp = 4YV:!/3 an(0/2) tan1/3(6)-6o2(l-v)/2 n V an(G) (1.6) где V - объем островка, у - поверхностная энергия на единицу площади, а-хх компонента тензора напряжений объемного Ge, деформированного до постоянной решетки Si, 0 -угол между боковой гранью островка и плоскостью подложки, v и и. - коэффициент Пуассона и модуль сдвига подложки, соответственно. Используя формулу (1.6), можно записать химический потенциал островка: ц = ЭЕ/aV = 4у 2/3 -V",/3 tan(G/2) an,/3(G) - бо2 (l-v)/2jtp. an(G) (1.7)
В описываемой модели каждая форма островка характеризуется своим собственным значением угла 0. Предполагается, что островки имеют форму, которой соответствует наименьшая энергия островка при данном его объеме. Из этой модели следует, что при малых объемах пирамиды имеют энергию меньше, чем купола. Аналогично модели, описывающей перехода от косинусоидальной формы предпирамид в пирамидальную [54] это связано с тем, что пирамиды имеют меньшую дополнительную поверхностную энергию из-за меньшего по сравнению с куполами угла наклона боковых граней. При больших объемах купола имеют энергию меньше, чем пирамиды, за счет более эффективной релаксации упругих напряжений в островках с большим отношением высоты островка к его латеральному размеру [24].
Энергия купола становится меньше энергии пирамиды при достижении последней некоторого критического объёма. В рамках модели [24, 56] предполагается, что при достижении этого объема происходит изменение формы островка из пирамидальной в куполообразную. Изменение формы островка - это переход первого рода [56] и, следовательно, химический потенциал островка скачкообразно изменяется при изменении формы островка. Именно с резким, скачкообразным уменьшением л при изменении формы островка и связывают авторы данной модели быстрый переход от одной формы островка к другой. После изменения формы из-за понижения ц купола быстро растут не только за счет осаждаемых атомов Ge, но также за счет атомов, оторвавшихся от пирамид [24], в результате чего, часть пирамид диссоциирует. Уменьшение поверхностной плотности пирамид при возникновении и росте куполов наблюдалось экспериментально методом in situ просвечивающей электронной микроскопии [24].
При увеличении количества осаждаемого материала упругая энергия системы с островками хоть и медленнее, чем для случая однородной пленки, но все-таки увеличивается. При определенном количестве осажденного материала накопленной упругой энергии становится достаточно для преодоления энергетического барьера, связанного с появлением дислокации [11], Образование дислокаций в когерентных островках может происходить как за счет зарождения дислокаций у основания отдельного островка, в области концентрации упругих напряжений [25], так и за счет коалесценции рядом расположенных островков [71]. В результате образования дислокации снимается часть упругих напряжений в островке и, следовательно, понижается химический потенциал атомов в островке, в результате чего происходит быстрый рост дислоцированных островков [26], что существенно увеличивает разброс островков по размерам. В этом случае ситуация аналогична переходу островков от пирамидальной формы к куполообразной [24]. Согласно работе [26] зарождение каждой новой дислокации в островке приводит к дальнейшему понижению химического потенциала островка и ещё большему увеличению его размеров, т.е. размеры дислоцированного островка зависят от числа дислокаций в нём.
Оптические и электрические свойства структур с самоформирующимися наноостровками определяются такими параметрами островков как их размеры, состав, форма, поверхностная плотность и разброс островков по размерам. Параметры островков, как и их свойства, существенно зависят от параметров роста, одним основных из которых является температура роста. Как было отмечено выше, в результате осаждения Ge при низких температурах роста 300С ТР 580С после образования смачивающего слоя наблюдалось формирование «пиЬькластеров и пирамид [58, 59, 60, 72, А9, А10], Формирование островков в результате осаждения Ge при высоких температурах 580 С Тр 840 С имеет более сложный характер. В этом диапазоне температур на начальных этапах роста островков наблюдалось формирование пирамид. С увеличением количества осаждённого материала увеличиваются размеры пирамид и при достижении некоторого критического объема пирамиды трансформируются в купола. В определённом интервале толщин осаждённого Ge на поверхности роста присутствуют как пирамиды, так и купола и наблюдается бимодальное распределение островков по размерам и форме (Рис 1.6) [24, 60,73,А1,А2,АЗ].
На рисунке 1.6в ДЛЯ островков, выращенных при температурах роста (Тр) 600 С и 700С, представлена характерная бимодальная зависимость распределения островков по размерам, полученная в результате обработки снимков атомно-силового микроскопа (АСМ), Из приведённых на рисунке 1.6 АСМ снимков и зависимостей можно видеть, что размеры как пирамид, так и куполов увеличиваются с увеличением температуры роста, а их поверхностная плотность уменьшается. Подобное увеличение размеров «hut»-кластеров с увеличением температуры роста наблюдалось и при низких температурах осаждения Ge [72, 74, А9, А10]. Уменьшение поверхностной плотности островков вызвано увеличением длины поверхностной диффузии адатомов при увеличении температуры роста. Увеличение всего масштаба распределения островков по размерам вызвано тем, что максимальные (критические) размеры пирамид, при достижении которых они трансформируются в купола, увеличиваются при повышении температуры роста (рис. 1.6). Рост куполов происходит, в основном, за счет увеличения их высоты. Латеральный размер куполов слабо зависит от количества осажденного Ge и определяется максимальным латеральным размером пирамидальных островков (рис.1.6).
Зависимость сигнала ФЛ Ge(Si) островков и дислокаций от мощности оптической накачки и температуры измерения
Для испарения Si и Ge камера роста установки МЛЭ оборудована двумя электроннолучевыми испарителями (ЭЛИ) с поворотом электронного луча на 270 и электромапштным управлением его положения. Каждый ЭЛИ имеет медный охлаждаемый тигельный блок с двумя тиглями. Перемещение луча из одного тигля в другой осуществляется за счет изменения тока через магнитную катушку. Имеется возможность продольного сканирования электронного луча в пределах одного тигля за счет подачи на магнитную отклоняющую систему переменного тока частотой 1-10 Гц. Поперечное сканирование луча в тигле происходит за счет изменения поперечного потенциала на аноде при пропускании через него переменного тока частотой 50 Гц. Первичный электронный пучок имеет энергию 10 кэВ. Внутренний объем каждого тигля ЭЛИ равен 7,5 см3. Для пополнения материала в тиглях было изготовлено и установлено устройство дозагрузки. Устройство дозагрузки состоит из двух наклонных желобов расположенных друг над другом, которые могут поворачиваться вокруг вертикальной оси. В каждый из желобов закладываются соответственно кусочки Si или Ge. В исходном положение устройство дозагрузки располагается между ЭЛИ. При необходимости дозагрузки тиглей испаряемым материалом устройство дозагрузки поворачивается в сторону соответствующего ЭЛИ (Ge или Si). Когда устройство дозагрузки проходит над тиглем механический рычаг вытягивает из желоба один кубик испаряемого материала, который падает в тигель. Для захвата рычагом следующего кубика материала устройство дозагрузки достаточно повернуть в исходное положение.
Для испарения Si использовался монокристаллический кремний, а в качестве источника Ge использовался монокристаллический германий. Оба материала были легированный бором до концентрации 8 х10 см". Для уменьшения рабочего давления и загрязнений, связанных с выбивание вторичными электронами атомов с поверхности медных частей тигельного блока, вокруг тиглей были установлены кремневые пластины.
Контроль испаряемых потоков Ge и Si, а также анализ остаточных газов осуществлялся с помощью квадрупольного масс-спектрометра QMG 420. Масс-спектрометр установлен в камере роста на одном уровне с подложкой (рис. 2.1). Общая заслонка и индивидуальные заслонки ЭЛИ установлены таким образом, чтобы в открытом и закрытом положениях не перекрывать потоки Ge и Si на масс-спектрометр. Такое расположение заслонок позволяет устанавливать необходимые потоки испаряемых материалов до начала роста, контролировать и менять их в процессе осаждения. Для контроля потока кремния использовался пик, соответствующий однократно ионизированному изотопу 28St, а для германия - пик, соответствующий однократно ионизированному изотопу 74Ge. Количественная связь между показаниями масс-спектрометра и реальной скоростью осаждения Ge и Si была выполнена за счет роста тестовых структур и исследования их методами рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии. Выполненная калибровка позволила контролировать скорости осаждения Ge и Si с погрешностью 10%,
Данные о скоростях испарения с масс-спектрометра и положении заслонок ЭЛИ заводятся в компьютер, что позволяет с помощью дополнительно написанной н.с. ИФМ РАН Антоновым А.В. и с.н.с. ИФМ РАН Новиковым А.В. программы в реальном времени контролировать рост структур. Программа позволяет в режиме рального времени контролировать скорости осаждения Si и Ge, толщину и состав осаждаемых слоев, а также температуру подложки, давление в камере роста и положение заслонок.
Исследованные образцы были выращены на подложках Si (001) р-типа с концентрацией легирующей примеси (бора) 0,8 - 2,5 х 10 см" и с отклонением нормали к поверхности подложки от кристаллографического направления [001] меньше 0,5. Для химической подготовки подложек использовался метод, предложенный в работе [141]. Данный метод основан на пассивации поверхности Si подложек окисным слоем толщиной 1 нм. Начальная стадия обезжиривания проводилась выдержкой подложек в парах толуола. Далее обработка подложек проводилась кипячением в растворе азотной кислоты HNO3 (60% раствор) и стравливанием дефектного поверхностного слоя в растворе плавиковой кислоты HF (2% водный раствор). Эта стадия обработки повторялась от 3 до 5 раз. Дальнейшая очистка подложек проводилась кипячением их в растворе NHjOH C HzO (1:1:3). Тонкий окисный слой формировался за счет кипячения подложек в растворе НСІїНгС НгО (1:1:3). После промывки в деионизованной воде и сушки на центрифуге, подложки за время менее 10 минут загружались в шлюзовую камеру МЛЭ установки. После загрузки в камеру роста подложка прогревалась при Т = 300С - 400С в течение 30 минут. Дальнейшая очистка подложек происходила при Т = 820С - 850С в слабом потоке Si ( 0.01 нм/с). При данной температуре за счет потока Si из ЭЛИ и диффузии Si из подложки на поверхности подложки протекает реакция разложения диоксида кремния в летучий при Т 800 С монооксид кремния 141]:
Si + Si02 = 2SiO Т Преимущество данного метода очистки заключается в том, что рост буферного слоя Si автоматически начинается сразу же после очистки поверхности подложки от окисла.
Особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на напряжённом Sii-xGexcnoe
Смещение пика ФЛ от островков в многослойных структурах связывается с уменьшением среднего содержания Ge в островках за счет диффузии Si из барьерных слоев в островки. В упоминавшейся выше работе [116] было показано, что содержание Ge в островках вышележащих слоев меньше, чем в островках предыдущих слоев. Это приводит к снижению среднего содержания Ge в островках многослойной структуры по сравнению с однослойными. Уменьшение среднего содержание Ge в островках в многослойных структурах по сравнению с однослойными и приводит к обнаруженному смещению пика ФЛ от островков в область больших энергий.
Следует отметить, что в образце № 474 с 10 периодами и тонким спейсерным Si слоем сигнал ФЛ от островков практически не смещается по сравнению с сигналом ФЛ от островков однослойной структуры. Это происходит несмотря на предполагаемое уменьшение среднего содержания Ge в островках многослойной структуры. Одним из возможных объяснений является то, что вертикально коррелированные островки в соседних слоях сильнее растягивают более тонкий кремниевый слой между ними, создавая, таким образом, более глубокую потенциальную яму для электронов в кремнии [118]. Увеличение глубины потенциальной ямы для электронов может частично компенсировать уменьшение разрыва в валентной зоне на границе кремний-островок, связанное с уменьшение среднего содержания Ge в островках, и приводить к сохранению значения энергии непрямых в реальном пространстве оптических переходов.
Кроме отмеченного выше смещения пика ФЛ от островков многослойных структур в сторону больших энергий, вызванного уменьшением среднего содержания Ge в островках, происходит значительное уширение сигнала ФЛ от островков многослойных структур по сравнению с однослойными (рис. 2.17). Уширение пика ФЛ от островков в многослойных структурах по сравнению с однослойными (рис. 2.17) связывается с различием в составе островков, расположенных в различных слоях многослойной структуры. Увеличение ширины пика ФЛ от островков, выращенных при Тр= 600С, происходит с 63 мэВ до 73 мэВ для структуры с 5-ю периодами и до 117 мэВ для структуры с 10 периодами, В случае Тр= 700С ширины пика ФЛ от островков увеличивается с 75 мэВ до 90 мэВ для структуры с 5-ю периодами.
Ширина линии ФЛ от островков в многослойных структурах увеличивается, несмотря на уменьшение разброса островков по размерам и их пространственную упорядоченность, наблюдаемые в многослойных структурах [116]. Очевидно, что ширина пика ФЛ от островков в исследуемых структурах определяется не разбросом островков по размерам, а разбросом состава островков в различных слоях многослойной структуры.
Кроме смещения пика ФЛ от островков в спектрах ФЛ многослойных структур, выращенных при 700С, по сравнению с однослойными был обнаружен сдвиг сигнала ФЛ от смачивающего слоя на 17 мэВ в сторону больших энергий (рис. 2.17а). В работе [119] при исследовании ФЛ двухпериодной структуры с островками было обнаружено, что сигнал ФЛ от островков верхнего слоя появляется при толщине осаждённого Ge значительно меньше критической. Также наблюдалось смещение сигнала ФЛ от смачивающего слоя верхнего слоя в сторону больших энергий по сравнению с сигналом ФЛ от смачивающего слоя нижележащего слоя [119]. Оба этих факта авторы работы [119] связывают с уменьшением толщины смачивающего слоя в вышележащем слое островков, которое происходит из-за воздействия неоднородных полей упругих напряжений от островков нижележащего слоя. При уменьшении толщины смачивающего слоя происходит смещение уровня размерного квантования дырок в нем к потолку валентной зоны Si, что и приводит к увеличению энергии оптического перехода, связанного со смачивающим слоем.
Еще одной причиной смещения сигнала ФЛ от смачивающего слоя в сторону больших энергий может быть увеличение содержания Si в нём.
Как и в случае с однослойными структурами более детальный анализ спектров ФЛ островков многослойных структур был проведён с помощью разложения сигнала ФЛ от островков, выращенных при разных температурах, на два пика (таб. 2.6).
Из сравнения результатов анализа спектров ФЛ островков одно- и многослойных структур, измеренных при 4,2 К, видно, что NP пик ФЛ от островков многослойных структур смещён в сторону больших энергий по сравнению с NP пиком ФЛ от островков однослойных структур, что связывается с уменьшением доли Ge в островках многослойных структур по сравнению с однослойными. Кроме того, происходит уширение линий ФЛ островков многослойных структур, которое связывается с увеличением разброса островков по параметрам по сравнению с островками однослойных структур.
Используя значения состава и упругие напряжения островков, полученные из РД анализа, можно оценить (рассчитать) положение энергетических зон в окрестности островков.
Как и в случае однослойных структур при расчетах слой островков рассматривался как однородно напряженный слой, толщина и состав которого соответствовала высоте и составу островков. В расчетах учитывалось изменение положения энергетических зон Si в близи островка, связанное с распространением полей упругих напряжений от островков в Si слои. Значение энергии перехода для островков, выращенных при Тр= 600 С рассчитывалось с учетом эффектов квантования в направлении роста - высота островков, определенная из ПЭМ снимков (рис. 2.11), бралась равной 8 нм. В случае структур, выращенных при Тр= 700С, квантование не учитывалось, так как высота зарощенных островков, полученных при этой температуре роста, была больше 10 нм, и вклад эффектов размерного квантования в положение энергетического уровня дырок в островке составлял меньше 10 мэВ. Следует отметить, что средние размеры островков в многослойных структурах оказались немного больше размеров островков в однослойных структурах. Это может быть связано с увеличением размеров островков в вышележащих слоях (см. выше). Вычисленные значения энергии непрямого в реальном пространстве оптического перехода между дырками, локализованными в островках, и электронами, находящимися в Si (рис. 2.7), составляют Е = 0,8 эВ ± 0,05 эВ для Тр= 600С и Е = 0,88 эВ ± 0,05 эВ Тр= 700С. Данные значения энергий в пределах ошибки измерения согласуются с энергией бесфононного оптического перехода в островках многослойных структур.
