Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 11 УДК 621.315.592 Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками:

механизмы образования и электрические свойства Обзор й О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров, А.И. Якимов, Б. Фойхтлендер Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Исследовательский центр, Юлих, Германия (Получен 17 апреля 2000 г. Принят к печати 10 мая 2000 г.) На основе анализа публикаций последних лет для системы Ge-на-Si приводятся устоявшиеся представления о механизмах образования германиевых островков нанометровых размеров. Упругие деформации в эпитаксиальных пленках и трехмерных островках Ge на Si являются ключевым фактором, обуcловливающим не только морфологический переход планарная пленка - островковая пленка (механизм СтранскогоЦКрастанова), но и влияют на последующие этапы эволюции островков, включая их форму, размер и пространственное распределение. Во многих случаях этот фактор существенно модифицирует классические механизмы фазообразования и их последовательность вплоть до квазиравновесного сосуществования трехмерных наноостровков Ge на поверхности подложки Si. Обсуждаются пути улучшения степени упорядочения наноостровков и достижения предельно малых размеров и большой плотности их распределения по площади.

В работе приводятся литературные данные по поглощению света в многослойных системах GeЦSi с квантовыми точками, свидетельствующие об аномально большом сечении внутризонного поглощения, что делает представляемый класс наноструктур перспективным для создания фотоприемников инфракрасного диапазона. Представлены оригинальные исследования электрических и оптических свойств гетероструктур с квантовыми точками Ge, синтезированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Si.

1. Введение О возрастании интереса к изучению низкоразмерных гетероструктур свидетельствует постоянный рост числа Наноструктуры на основе германия-на-кремнии, не- публикаций по этой теме в мировой научной печати.

смотря на разницу параметров решеток в 4%, привле- На рис. 1 представлены гистограммы числа публикаций кают внимание технологов ввиду больших успехов в в год, содержащих ключевые слова Фквантовые ямыФ создании новых перспективных приборов с использов- и Фквантовые точкиФ. В последнем случае наблюданием квантовых эффектов. Появляются светоизлучаю- ется непрерывное увеличение количества публикаций.

щие и фотоприемные кремний-германиевые устройства, С 1992 года начинают происходить изменения в технолопозволяющие кремниевой технологии успешно конку- гии получения структур с квантовыми точками. До этого рировать с традиционно оптоэлектронными материала- времени основным способом создания таких структур ми, такими как соединения IIIЦV [1Ц5]. В последние была фотолитография, с присущим этому методу огранесколько лет наметились перспективы использования ничением в минимальных размерах. Проявление эффекта полупроводниковых материалов на основе германия и упорядочения в массивах островков нанометровых разкремния, содержащих кластеры Ge нанометровых раз- меров в гетеросистемах GeЦSi и InAsЦGaAs позволило меров (квантовые точки), ФвстроенныеФ в матрицу Si. получать бездефектные квантовые точки предельно маИнтерес к нанокластерам Ge и Si связан с рядом сле- лых размеров (10-100 нм) с плотностью 1010-1011 см-дующих обстоятельств: 1) успехи в разработке техно- и привело к более четкому проявлению атомноподобных логии получения достаточно однородного по размеру характеристик в электронных и оптических спектрах массива нанокластеров Ge; 2) размеры нанокластеров этих объектов. Развитие работ в этом направлении илудалось уменьшить до значений, обеспечивающих про- люстрирует рис. 2, на котором представлены гистоявление эффектов размерного квантования и электрон- граммы количества публикаций по годам для гетероэлектронного взаимодействия вплоть до комнатной тем- системы GeЦSi. Именно в этой системе для выявления пературы; 3) совместимость разработанных методов с одноэлектронных эффектов впервые были использованы существующей кремниевой технологией изготовления массивы островков [6]. В дальнейшем большая часть дискретных приборов и схем. Такие разработки, счи- работ по исследованию электронных свойств квантотавшиеся до последнего времени экзотическими, могут вых точек выполнялась на основе соединений IIIЦV.

привести к настоящей революции в кремниевой инте- Это обусловлено несколькими факторами: а) успехи в гральной технологии. развитии технологии гетероэпитаксии соединений IIIЦV;

1 1282 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

бота [9], выполненная в ИФП СО РАН еще в 1974 году.

При относительно низких температурах синтеза такие островки не содержат дислокаций несоотвествия (ДН) даже после существенного превышения ими критических толщин, что наиболее ярко было показано в работах Eaglesham, Cerullo на GeЦSi [10] и Guha et al. на InGaAsЦGaAs [11]. Именно после этих публикаций начался бурный рост исследований механизмов образования напряженных островков и особенностей их упорядочения, так как появилась возможность создавать массивы бездефектных (без ДН) 3D объектов нанометровых размеров, имеющих практическое применение в наноэлектронике.

Цель нашей работы Ч анализ развития и современноРис. 1. Количество публикаций в год по данным Materials го состояния представлений о механизмах упорядочения Science Citation Index (MSCI) за 1990Ц1998 гг. Выборка по ключевым словам Фquantum wellsФ и Фquantum dotsФ. ансамблей квантовых точек при гетероэпитаксии. Этому вопросу уже был посвящен ряд обзорных работ [12Ц14].

Однако мы, не претендуя на полноту обзора по всем гетеросистемам, предприняли попытку отметить устоявшиеся представления для системы Ge-на-Si и дополнить их анализом новейших данных с привлечением полученных нами экспериментальных результатов по синтезу и исследованию электронных и оптических свойств гетеросистемы GeЦSi с квантовыми точками.

В следующем разделе рассмотрены движущие силы и основные механизмы эволюции и упорядочения нанообъектов в гетеросистемах с большим несоответствием параметров решеток при молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и термообработках. В разд. 3 дан анализ экспериментальных наблюдений кластерообразования и самоорганизации наноструктур GeЦSi на поверхности кремния, а также обсуждаются возможные пути улучшения упорядочения, уменьшения размеров и увеличеРис. 2. Выборка (из комплекса Фquantum dotsФ, рис. 1) работ, ния плотности германиевых квантовых точек. В разд. посвященных изучению островкового роста Ge (GeSi) на Si, а обобщаются оригинальные результаты наших работ по также свойств этих объектов (1999 г.Чданные за 10 месяцев, исследованию электронных и оптических свойств гетепоиск по основным журналам).

роструктур и многослойных композиций с квантовыми точками Ge.

б) возможность создания гетероструктур I типа (разрывы в зоне проводимости и в валентной зоне имеют проти2. Фундаментальные предпосылки воположные знаки), что важно для оптических свойств систем; в) малая величина эффективной массы носи- В формировании объемных (3D) островков можно телей, что обеспечивало проявление эффектов размер- выделить стадии зарождения и их дальнейшего развиного квантования при относительно больших размерах тия. Основные закономерности зарождения островков в островков. Первые исследования по квантовым точкам эпитаксиальной гетеросистеме определяются балансом на основе соединений IIIЦV были проведены авторами поверхностных энергий пленки и подложки, а также работ [7,8] на структурах InAsЦGaAs.

энергии границы раздела пленкаЦподложка и внутренней На примере гетеросистемы германий-на-кремнии давэнергии объема островка. Свободная энергия вновь обрано изучается переход от послойного роста пленки к зованного зародыша на поверхности подложки может образованию трехмерных (3D) островков (механизм быть выражена в виде трех составляющих [15]:

СтранскогоЦКрастанова). Для этой гетеросистемы первой публикацией, в которой сообщается о наблюдении G = -V + s + Ei(V, h/l).

образования псевдоморфных полосок германия (теперь называемых квантовыми нитями), повторяющих очер- Здесь первый член Ч работа образования нового зародытания ступеней, и островков нанометровых размеров ша объема V, Ч термодинамическая движущая сила (ныне Ч квантовых точек), является, по-видимому, ра- кристаллизации Ч пересыщение; второй член Ч работа, Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования... необходимая для создания дополнительной поверхно- ются GeЦSi и InAsЦGaAs. Если поверхностную энерсти s, Ч поверхностная энергия зародыша. Третий член гию новой фазы каким-либо способом уменьшить, потепредставляет дополнительную энергию, возникающую ря морфологической стабильности напряженной пленки из-за упругой деформации зародыша. Если два первых возможна и при малых рассогласованиях. Так, в условиях члена этого выражения представляют классический ва- контакта напряженной пленки с жидкой фазой, при коториант теории зарождения (см., например, [16]), то по- ром поверхностная энергия пленки существенно меньше, следний член появляется только в случае выращивания чем поверхностная энергия границы раздела пленка - напряженных пленок. При больших рассогласованиях вакуум (или пар), наблюдается образование островков в решетки, таких как в системе GeЦSi, величина этой системе GexSi1-xЦSi(001) при малых рассогласованиях:

дополнительной энергии зависит не только от объема x 0.05 ( 0.2%) [20]. Такие же малые величизародыша, но и его формы, т. е. величины h/l (отноны упругих деформаций привели к ветвлению формы шение высоты к поперечному размеру зародыша), и островковой пленки в системе InxGa1-xAsЦGaAs(111)A, является существенной при переходе 2D-3D. Вклад также сформированной в контакте с жидкой фазой, и этого члена по расчетам Mller, Kern [15] выглядит как разбиению ее на отдельные островки микронных разбыстро спадающая функция h/l. Чем больше выражемеров [21]. (Данная работа Ч единственный пример на трехмерность напряженного зародыша, тем заметнаблюдения образования бездислокационных островков нее вклад упругой релаксации (уменьшения деформаций на подложке с ориентацией (111), превышающих крив наиболее удаленных от подложки его частях), тем тическую толщину введения ДН, и, по-видимому, этот меньше дополнительный вклад энергии напряжений в результат является следствием уменьшения поверхностего свободную энергию. Поверхностная энергия систеной энергии пленки, контактирующей с жидкой фазой).

мы пленка Ge (и островок Ge) - подложка Si также В соответствии с классическими представлениями зависит от толщины покрытия Ge (и формы остров(см., например, [22]) процесс образования новой фазы ка Ge) [15,17]. В настоящее время считается общепривключает такие основные стадии, как зарождение ценнятым положение о том, что ключевым фактором перетров новой фазы, их независимый рост и, наконец, разхода от двумерно-слоевого к трехмерному островковому витие этих центров во взаимодействии друг с другом Ч росту псевдоморфных пленок является энергетический так называемое оствальдовское созревание (ОС). Это выигрыш из-за уменьшения напряжений в 3D островках явление отражает позднюю стадию развития зародышей путем их упругой релаксации. (В случае гомоэпитаксии новой фазы во времени. Если цель исследований Ч на достаточно чистой поверхности практически для всех получение островковой пленки (как в рассматриваемом полупроводников объемные островки не образуются, случае), то этап ОС может явиться основным, опредеа рост пленок идет либо за счет движения ступеней ляющим форму распределения островков по размерам.

(ступенчато-слоевой рост), либо путем формирования Поэтому в литературе уделяется заметное внимание и срастания двумерных островков). Как будет видно из применимости модели ОС для анализа процессов садальнейшего, напряжения также играют существенную моорганизации квантово-размерных кластеров в системе роль в развитии 3D островков и распределении их по GeЦSi (и других).

размерам.

Первая всесторонняя теория ОС для образования клаОпределяющую роль упругой релаксации напряжений, стеров (зерен) в объеме пересыщенных твердых расприводящей к морфологической нестабильности поверхтворов была разработана Лившицем и Слёзовым [23].

ности пленок, была показана Asaro, Tiller (1972 г.) [18] Позднее она была модифицирована применительно к и Гринфельдом (1986 г.) [19]. Основное положение поверхности Chakraverty [24]. В последнее время данной модели Ч шероховатая поверхность напряженэта теория широко используется для объяснения проного слоя имет меньшую суммарную энергию (энергия цессов, наблюдаемых на поверхности полупроводников напряжений плюс поверхностная энергия) вследствие с помощью современной высокоразрешающей техники упругой релаксации напряжений в вершинах выступов.

(см., например, [25Ц29]). В соответствии с этой моУвеличение поверхностной энергии из-за возрастания делью поздняя стадия развития (созревания) кластеров площади шероховатой поверхности является фактором, определяется взаимодействием зародышей, находящихся противодействующим развитию рельефа пленки, однако, внутри пересыщенного ФморяФ адатомов, через эффект как показано в работе [19], этот фактор только частично ГиббсаЦТомсона (равновесное давление паров над кривоуменьшает энергетический выигрыш за счет релаксации.

Чем больше рассогласование параметров решетки плен- линейной поверхностью зародыша должно быть выше).

ки и подложки, тем при меньшей толщине псевдоморф- Островки малых размеров из-за более криволинейной поверхности (или основания кластера) уменьшаются и ной пленки теряется ее морфологическая стабильность.

пропадают, а большие островки растут. Характерным Образование островков является крайним проявлением морфологической неустойчивости напряженных пленок признаком механизма ОС является непрерывное увелии обычно наблюдается в системах с большим рассо- чение во времени среднего размера островка и рост гласованием параметра решеток пленки и подложки уширения ненормализованного распределения островков ( > 2%), типичными представителями которых явля- по размерам.

1 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1284 О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И. Никифоров...

деление островков по размерам является воспроизводимой функцией, существенно зависящей от ориентации подложки (см., например, [30]). В случае непрерывной подачи атомов на поверхность (открытая система) островки разрастаются до соприкосновения и образуется сплошной монослой (позиция f ).

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |    Книги по разным темам