Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 7 Исследование многослойных структур c InAs нанообъектами в кремниевой матрице методом трансмиссионной электронной микроскопии й В.Н. Петров, Н.К. Поляков, В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, N.D. Zakharov, P. Werner, В.М. УстиновЖ, Д.В. ДенисовЖ, Н.Н. ЛеденцовЖ, Ж.И. АлферовЖ Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия Max-Planck Institute of Microstructure Physics, Halle/Saale, Germany Ж Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 января 2000 г. Принята к печати 25 января 2000 г.) Методом трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения были исследованы многослойные структуры, содержащие встроенные в кремниевую кристаллическую матрицу слои InAs квантовых точек, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Выяснено, что свойства выращенной структуры сильно зависят от температуры подложки, последовательности ростовых циклов и толщин слоев. Выявлено, что кремниевая матрица может ФпринятьФ лишь ограниченный объем осажденного InAs в форме когерентных кластеров размерами порядка 3 нм и что при увеличении количества осажденного слоя InAs имеет место образование больших дислокационных кластеров InAs, накапливающих избыточный InAs во время заращивания кремнием.

Введение экспериментальные данные по ФэффективнойФ самоорганизации Si0.25Ge0.75 на поверхности Si. Использование Работы по совмещению AIIIBV и кремниевых техно- структур с ВСКТ позволило, в частности, значительно логий проводятся уже достаточно длительное время в улучшить характеристики AIIIBV лазерных структур на связи с открывающимися широкими перспективами в основе InAs КТ [6].

области создания микроэлектронных устройств нового Цель данной работы Ч исследование методом транспоколения. Однако до последнего времени основное миссионной электронной микроскопии (ТЭМ) многовнимание было уделено толстым слоям AIIIBV матери- слойных структур с встроенными в кремниевую криалов на кремнии. Позднее по аналогии с AIIIBV гете- сталлическую матрицу слоями InAs КТ, выращенных роэпитаксиальными системами была предложена идея методом МПЭ.

формирования непосредственно методом молекулярнопучковой эпитаксии (МПЭ) слоя когерентных островков Методики экспериментов InAs нанометрового размера (квантовых точек, KT), встроенных в кремниевую матрицу [1] с использованиЭпитаксиальный рост структур производился на ем эффекта спонтанного образования нанообъектов на установке МПЭ Riber-Supra (ISA Riber, Франция). Для начальных стадиях гетероэпитаксиального роста. Нами создания потоков индия и мышьяка использовались были получены и исследованы методами дифракции стандартные эффузионные ячейки, для напыления быстрых электронов на отражение (ДБЭО) и сканирукремния применялся источник с электронно-лучевым исющей туннельной микроскопии (СТМ) квантовые точки парителем. Для получения атомарно-чистой структурно InAs, сформированные непосредственно методом МПЭ упорядоченной поверхности Si-подложки проходили на поверхности кремния [2]. Исследования оптических подробно описанную в [7] предростовую подготовку, свойств квантовых точек InAs, помещенных в кремнисостоящую из химической обработки и вакуумного евую матрицу и заращенных слоем кремния, показали, двухступенчатого термического отжига. В качестве что в спектре фотолюминесценции (ФЛ) появляется подложек были использованы пластины кремния n-типа широкая линия ( 100 мэВ) в районе длин волн 1300 нм КЭФ-4.5 (100), которые механически фиксировались на при температуре наблюдения 10 K [3,4]. Однако примебезиндиевых молибденовых подложкодержателях. При ненные методики исследований не прозволяли получить росте использовался режим непрерывного вращения данные о геометрических параметрах и когерентной держателя. После удаления окисного слоя с поверхности природе строенных в кремниевую матрицу InAs КТ.

подложки перед формированием InAs выращивался В работах [5] была предложена модель процесса сакремниевый буферный слой при температуре подложки моорганизации квантовых точек, состоящая в создании (Ts) 630-640C. Структура поверхности в процессах многослойных структур с вертикально связанными квантермического отжига и роста контролировалась с товыми точками (ВСКТ), и приведены подтверждающие помощью системы регистрации и компьютерной обработки картин ДБЭО, состоящей из видеокамеры, теFax: (812) 251 E-mail: cirlin@beam.ioffe.rssi.ru левизионного монитора, видеомагнитофона и устройства Исследование многослойных структур с InAs нанообъектами в кремниевой матрице методом... кационные кластеры размером до 400 нм [2]. Нижний предел в температурном интервале был выбран по причине того, что покрывающий слой Si, выращенный при низких Ts обладает крайне низким кристаллическим качеством, что приводит к невозможности получения приборных структур. В данном диапазоне Ts, в соответствии с ранее полученными данными, рост InAs КТ на поверхности кремния осуществляется по механизму ФольмераЦВебера [4].

Добротность кристаллической структуры и композиция выращенных слов исследовались методом ТЭМ с Рис. 1. Последовательность слоев и технологические парамеразличным разрешением на приборе JEOL JEM-4000 EX, тры процессов роста исследованных образцов.

а также методом рентгеновского микроанализа (РМА) на оснащенном приставкой Voyager I (Ge-детектор) электронном микроскопе Philips CM20T. Компьютерное ввода видеоинформации в ЭВМ [8]. Последовательность моделирование и программная обработка ТЕМ изобраслоев и технологические параметры процессов роста жений были выполнены с использованием программного (температура подложки, количество и толщина слоев) пакета MacTempas [9].

исследованных образцов представлены на рис. 1. Скорости роста составляли 0.03 и 0.02 нм/с InAs и Si соответРезультаты и обсуждение ственно. Пределы изменения Ts были выбраны из ранее полученных результатов, свидетельствующих о том, На рис. 2 представлены снятые при низком разрешечто при увеличении Ts свыше 450C вместо пространственно однородного массива островков нанометрово- нии ТЭМ изображения фрагментов поперечного сечего диапазона образуется структура, содержащая диcло- ния (a) и поверхности (b) образца A. Из рисунка видно, Рис. 2. ТЭМ изображения поперечного сечения (a) и поверхности (b) образца A. Экстра рефлексы от островков InAs отмечены на дифракционной картине (см. вставку).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 840 В.Н. Петров, Н.К. Поляков, В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, N.D. Zakharov, P. Werner, В.М. Устинов...

Рис. 3. ТЭМ изображение поперечного сечения границы раздела между матрицей Si и кремниевыми островками (A), сформировавшимися на дне мелкого углубления.

Рис. 4. ТЭМ изображение поперечного сечения образца B. Отмечены два слоя InAs.

что InAs-включения в виде островков расположены на ной структуры, образованной на дне мелкого углубления, дне поверхностных углублений (16 нм), которые образу- показано на рис. 3. Из этого изображения можно ются после последующего заращивания кремнием. ТЕМ сделать вывод о том, что атомная структура поверхностизображения поверхности этих островков демонстриру- ного слоя различается от структуры объема и структур ют картины типа Фквадратный МуарФ. На вставке к атомных плоскостей 111 маленьких островков кремния рис. 2, b представлены соответствующие картины микро- (A, рис. 3), сформированных на ней. Кроме того, для дифракции электронов на просвет, которые имеют четко поверхностного слоя имеет место сдвиг относительно различаемые рефлексы как от кремниевой матрицы, так соответствующих атомных плоскостей кремниевой маи от кластеров InAs, причем математическая обработка трицы на a/4[110].

разделяющих рефлексы расстояний (в обратном про- На рис. 4 представлено снятое в режиме низкого разстранстве) показывает величину рассогласования кри- решения ТЭМ изображение поперечного сечения образсталлических решеток InAs и Si приблизительно 10%, ца B. Стрелками отмечены два слоя InAs-включений что соответствует общеизвестным данным по рассогла- в кремниевую матрицу. Толщина кремниевого спейсера сованию решеток InAs и Si 11%. Снятые в просвечива- между слоями InAs является несколько меньшей (5нм), ющем режиме РМА спектры, взятые от кластеров InAs, чем ожидалось исходя из данных по количеству осажтакже имели четко выраженные дополнительные пики In денного кремния (6нм, рис. 1). Эффективная толщина и As. То, что эти островки обычно занимают мелкие InAs-включений также меньше ожидаемых 4 нм, что свиуглубления, частично показывает, что при заращивании детельствует о том, что малая часть осажденного InAs кремнием рост Si не происходит в непосредственной была захвачена в нанообъекты после заращивания кремблизости от InAs-островков. Вероятной причиной этого нием. На наш взгляд, наиболее вероятной причиной этоэффекта может быть образование смачивающего слоя го эффекта является увеличение температуры подложки вокруг островка, приводящего к пассивации поверхности. после осаждения InAs и при заращивании сверхтонким Снятое в режиме высокого разрешения ТЭМ изображе- (2нм) слоем кремния. Было обнаружено, что данный ние в поперечном сечении фрагмента такой поверхност- этап является достаточно важным для сохранения выФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Исследование многослойных структур с InAs нанообъектами в кремниевой матрице методом... Для анализа решеточной структуры и размеров встроенных в кремниевую матрицу кластеров InAs поперечные сечения образцов были исследованы методом ТЕМ с высоким разрешением. На рис. 5 представлено ТЭМ изображение поперечного сечения образца B. Стрелками отмечены образования с размерами около 3 нм в диаметре и латерально отстоящие друг от друга на 0.5Ц1 нм.

Более того, в расположении кластеров не наблюдается четкой вертикальной корреляции.

Нами было проведено численное компьютерное моделирование процессов формирования малых кластеров InAs в кремниевой матрице и были получены смоделированные ТЕМ изображения. Для вычислений была использована кристаллографическая модель кластеров InAs, представленная на рис. 6, a. В модели был рассмотрен случай, когда при эпитаксиальном росте InAs на проверхности кремниевой матрицы происходит замещение атомов кремния на взаимосвязанные атомы In и As, что приводит к уменьшению симметрии матрицы.

Было проведено моделирование процессов роста для близких к экспериментальным условиям для различных толщин встраиваемого в кремниевую матрицу арсенида индия. Результаты моделирования показаны на рис. 6, c.

Для малых толщин ( 1.2нм), как и ожидалось, соответствие довольно низкое, в то время как в случае Рис. 5. ТЭМ изображение поперечного сечения образца B, более толстых кристаллов (около 4 нм) смоделированное снятое в режиме высокого разрешения. Стрелками отмечены кластеры InAs. ТЭМ изображение демонстрирует хорошее соответствие с экспериментом (рис. 5). Специфический характер наблюдаемого контраста проистекает из-за большого различия в атомных амплитудах рассеяния на In, As и Si.

сокого качества структуры, поскольку избыточный InAs На рис. 7 представлено ТЕМ изображение эффективно испаряется при 620C, что предотвращает поперечного сечения образца C. Хорошо различимы образование больших островков InAs, как в случае с 6 слоев (отмечены стрелками), сформированных образцом A.

когерентными кластерами InAs. Как и в выращенном при Также было отмечено, что общая площадь, занимаемая той же температуре (400C) образце A, не наблюдается углублениями (рис. 2, b), в образце B примерно в 2 раза эффекта уменьшения расстояния между слоями КТ.

меньше, чем в образце A. С другой стороны, в образце B Отличительная особенность этой структуры состоит в эти углубления почти пусты, в то время как в образце A том, что в верхней части выращенной многослойной они содержат релаксированные островки InAs. Таким структуры наблюдается высокая плотность структурных образом, повышенная температура во время заращива- дефектов двух типов, которые начинают формироваться ния кремнием является существенной для переиспаре- преимущественно после четвертого слоя InAs. Одной из возможных причин наличия большого числа дефектов ния излишка InAs.

Рис. 6. Атомная модель кластеров InAs в матрице Si (a) и два смоделированных изображения высокого разрешения для толщин образца 1.2 нм (b) и 4 нм (c).

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 842 В.Н. Петров, Н.К. Поляков, В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, N.D. Zakharov, P. Werner, В.М. Устинов...

Рис. 7. ТЭМ изображение поперечного сечения образца C. Стрелками отмечены шесть слоев, содержащих когерентные кластеры InAs.

может быть то, что промежуточные слои кремния выра- лишь ограниченный объем осажденного InAs в форме щиваются при повышенном фоновом давлении мышьяка, когерентных кластеров. Выяснено, что при увеличении в результате чего имеет место встраивание атомов As количества осажденного слоя InAs имеет место обрав растущую кремниевую структуру. Первые результаты зование больших дислоцированных кластеров InAs, наработ по влиянию фонового давления мышьяка на свой- капливающих избыточный InAs во время заращивания ства автоэпитаксиальных слоев кремния представлены в кремнием. С учетом ранее полученных данных СТМ отдельной статье [7].

исследований [3] можно сделать вывод о том, что средняя При исследовании структур с ВСКТ методом воз- толщина осажденного InAs, толщина спейсера Si между буждения фотолюминесценции спектры до настоящего включениями InAs и температура подложки во время момента получить не удалось, что, по-видимому, свяосаждения InAs и заращивания кремнием должны быть зано в первую очередь с наличием большого числа оптимизированы для получения структур высокого качедефектов в кристаллической структуре промежуточных ства с многократными включениями InAs в матрицу Si.

слоев кремния между слоями КТ. Другой причиной Авторы благодарят Ю.Б. Самсоненко за участие в отсутствия линий ФЛ может быть необходимость более ростовых экспериментах и И.П. Сошникова за полезные тщательного подбора всех технологических параметров консультации.

роста (температура подложки, толщины слоев InAs и Si спейсера), которые, по всей видимости, по аналогии с Данная работа выполнена при частичной поддержке системами (InGaAs)/GaAs [10] оказывают значительное ИНТАС (грант 96-0242), РФФИ (проекты 98-02-18317 и влияние на характеристики структур с ВСКТ.

99-02-16799), научных программ ФПерспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроникиФ (проект 02.04.5.1.40.Э.46) и ФФизика твердотельных нанострукЗаключение турФ (проект 98-2029).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам