Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 2 Особенности формирования островков Ge(Si) на релаксированных буферных слоях Si1-xGex/Si (001) й Н.В. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, О.А. Кузнецов, Д.Н Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 31 мая 2005 г. Принята к печати 14 июня 2005 г.) Представлены результаты исследования роста самоформирующихся островков Ge(Si), выращенных на релаксированных буферных слоях Si1-x Gex /Si (001) (x 25%) с малой шероховатостью поверхности.

Показано, что рост самоформирующихся островков на буферных слоях SiGe качественно аналогичен росту островков на Si (001). Обнаружено, что изменение морфологии поверхности (переход от dome- к hut-островкам) в случае роста островков на релаксированных буферных слоях SiGe происходит при большей температуре, чем для островков Ge(Si)/Si (001). Причинами этого могут быть как меньшее рассогласование кристаллических решеток островка и буферного слоя, так и несколько большая поверхностная плотность островков при их росте на буфере SiGe.

PACS: 68.65.Hb, 68.55.Ac, 68.55.Jk 1. Введение структурные и оптические свойства самоформирующихся островков Ge(Si), выращенных на подложках В настоящее время одним из направлений дальней- Si (001) [6,7]. В то же время рост самоформирующихся островков Ge(Si) на релаксированных буферных слоях шего развития кремниевой микроэлектроники является Si1-xGex /Si (001) может дать ряд преимуществ. Так, в использование гетероструктур Ge/Si для улучшения паряде работ рассматривалась возможность формировараметров уже существующих электронных приборов и ния пространственно упорядоченного массива островков создания новых оптоэлектронных приборов [1]. За счет Ge(Si) за счет их роста на релаксированных буферных применения напряженных слоев GeSi в качестве базы слоях Si1-xGex /Si (001), поверхность которых изначальбиполярного транзистора удалось значительно повысить но (до формировния островков) имела хорошо выраженего быстродействие и в результате наладить коммерченый рельеф, обусловленный наличием дислокаций несоское производство интегральных схем на основе кремответствия (так называемая cross-hatch картина) [8,9].

ния с рабочей частотой выше 100 ГГц [2]. В последнее Кроме этого, за счет роста островков Ge(Si) на ревремя значительные успехи в увеличении быстродейлаксированных буферных слоях Si1-xGex /Si (001) может ствия полевых транзисторов достигнуты за счет испольбыть решена проблема слабой пространственной локазования в качестве ДискусственныхУ подложек релаксилизации электронов в структурах с островками, которая рованных буферных слоев Si1-xGex, сформированных на является одной из причин довольно низкой эффективподложках Si (001). Рост напряженных слоев Si и Ge на ности излучательной рекомбинации в гетероструктурах релаксированных буферных слоях Si1-xGex /Si (001) позв GeSi/Si (001) с самоформирующимися наноостровками воляет увеличить быстродействие полевых транзисторов и квантовыми точками [10]. Эффективная локализация как с n-, так и с p-каналом [3]. С использованием релакэлектронов вблизи островков может быть достигнута сированных буферных слоев Si1-x Gex /Si (001) в качестве за счет их встраивания в напряженный (растянутый) подложек для роста сверхрешеток GeSi/Si связываются слой Si, который может быть сформирован на релаксинадежды на создание каскадных лазеров терагерцового рованном буферном слое Si1-xGex/Si (001).

диапазона [4]. Известно, что в случае роста самоформирующихся островков Ge(Si) на подложках Si (001) (далее островЕще одним классом GeSi-структур, перспективным ков Ge(Si)/Si (001)) положение, интенсивность и ширина с точки зрения создания оптоэлектронных приборов, пика фотолюминесценции, связанного с островками, являются структуры с самоформирующимися островзависят от их размеров, формы и поверхностной плотками Ge(Si). Исследуется возможность создания на ности. Очевидно, что изменение постоянной кристалоснове этих структур эффективных светоизлучающих лической решетки подложки при переходе от роста на и фотоприемных устройств ближнего инфракрасного подложке Si (001) к росту островков на релаксированном диапазона, в том числе для рабочего диапазона длин буферном слое Si1-xGex/Si (001) приведет к существеволн оптоволоконных линий связи (1.3 и 1.55 мкм) [5].

ному изменению параметров островков, что в свою К настоящему времени достаточно хорошо изучены очередь должно отразиться на оптических свойствах E-mail: shaleev@ipm.sci-nnov.ru этих структур.

236 Н.В. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, О.А. Кузнецов, Д.Н Лобанов, А.В. Новиков...

В данной работе представлены результаты исследования особенностей роста самоформирующихся островков Ge(Si) на релаксированных буферных слоях Si1-xGex /Si (001) (x 25%) (далее островков Ge(Si)/Si1-x Gex ). Исследована зависимость размеров, формы и поверхностной плотности островков от температуры осаждения Ge (Tg) в интервале Tg = 550-750C. Особое внимание уделено изменению типа островков Ge(Si)/Si1-x Gex, происходящему в диапазоне Tg = 600-630C.

2. Методика эксперимента В настоящей работе в качестве подложек использовались структуры с градиентными релаксированными буферными слоями Si1-xGex, выращенными на подложках Рис. 1. АСМ-снимок поверхности релаксированного буферного слоя Si1-x Gex /Si (001) (x = 25%), выращенного метоSi (001) методом гидридной газофазной эпитаксии (ГФЭ) дом ГФЭ и подвергшегося ХМП. Размер поля изображения при атмосферном давлении с использованием германия 10 10 мкм2.

(GeH4) и силана (SiH4) [11]. С целью уменьшения шероховатости поверхности выращенные буферные слои Si1-xGex /Si (001) подвергались химико-механическому полированию (ХМП) [12] с использованием специальдержанием Ge x 25% была на уровне 2 104 см-2.

ного раствора, состоящего из перекиси водорода, глицеПроведенные АСМ-исследования показали (рис. 1), что рина и аэросила [13].

ХМП позволяет полностью удалить с поверхности буРост структур с самоформирующимися островками ферных слоев неровности, связанные с сеткой дислоGe(Si) на релаксированных буферных слоях каций несоответствия. В результате проведения ХМП Si1-xGex /Si (001) был выполнен методом молекулярношероховатость поверхности буферных слоев с максипучковой эпитаксии (МПЭ) из твердых источников. Для мальной долей Ge x 25% уменьшается примерно на роста использовались буферные слои Si1-xGex/Si (001) с порядок (среднеквадратичная шероховатость поверхномаксимальным содержанием Ge x 25%, подвергнутые сти < 0.5нм), но остается несколько выше шероховаХМП. Испарение Ge и Si в установке МПЭ осуществлятости исходных подложек Si (001) (среднеквадратичная лось при помощи электронно-лучевых испарителей.

шероховатость поверхности < 2нм) [11]. ИсследоваСкорости роста структур лежали в диапазоне ния поверхности тестовых структур с ненапряженным 0.01-0.1 нм/с. Рост структур на релаксированных слоях буферным слоем Si1-xGex, выращенным МПЭ на реSi1-xGex /Si (001) начинался с осаждения буферного слоя лаксированных слоях Si1-xGex /Si (001), показали, что Si1-xGex с содержанием Ge, соответствующим содержаиспользуемые в методе МПЭ температуры ( 800C) не нию Ge в верхнем ненапряженном слое релаксированприводят к повторному возникновению на поверхности ного буфера. Далее осаждался слой Si с эквивалентной структур неровностей, связанных с сеткой дислокаций толщиной 2 нм, на котором формировались островнесоответствия.

ки Ge(Si). Островки были получены за счет осаждения Было обнаружено, что во всем используемом инGe с эквивалентной толщиной dGe = 7-8 монослоев тервале температур роста осаждение слоя Ge тол(МС) (1МС 0.14 нм). Температура осаждения Ge щиной 7-8 МС на релаксированный буферный слой варьировалась в диапазоне Tg = 550-750C.

Si1-xGex /Si (001) с максимальным содержанием Ge Плотность прорастающих дислокаций в выращенных x 25% приводит к формированию островков (рис. 2).

структурах определялась с помощью селективного травНеобходимо отметить, что в исследуемых структуления. Рентгенодифракционные исследования выращенрах не наблюдалось пространственного упорядочения ных структур выполнены на двухкристальном дифрактосамоформирующихся островков Ge(Si), что связываметре ДРОН-4. Исследования морфологии поверхности ется с отсутствием на поверхности буферных слоев структур были выполнены методом атомно-силовой миSi1-xGex /Si (001), подвергнутых ХМП, сетки неровнокроскопии (АСМ) на микроскопе Solver PRO с испольстей, обусловленных с дислокациями несоответствия.

зованием бесконтактной моды.

Согласно АСМ-данным в интервале температур осаждения Ge Tg = 630-750C на поверхности наблюдаются два типа островков Ge(Si)/Si1-x Gex : пирами3. Результаты и их обсуждение дальные (pyramid) и куполообразные (dome) островПо данным селективного травления плотность про- ки (рис. 2, a, b). Как и в случае формирования островрастающих дислокаций в полученных релаксированных ков Ge(Si)/Si (001), при уменьшении температуры осабуферных слоях Si1-x Gex /Si (001) с максимальным со- ждения Ge происходит уменьшение размеров островФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Особенности формирования островков Ge(Si) на релаксированных буферных слоях Si1-xGex/Si (001) ков Ge(Si)/Si1-x Gex и растет их поверхностная плотность (рис. 3).

При уменьшении температуры осаждения Ge с до 600C происходит резкое изменение морфологии поверхности структур с островками Ч на поверхности Рис. 3. Зависимости высоты (a) и поверхностной плотности (b) островков Ge(Si)/Si (001) и Ge(Si)/Si1-xGex от температуры осаждения Ge. Пунктирной линией показано изменение параметров при смене типа островков.

структур, выращенных при температурах Tg 600C, наблюдаются лишь пирамидальные и так называемые hut-островки (рис. 2, c), имеющие прямоугольное основание и вытянутую пирамидальную форму. Большие куполообразные dome-островки при Tg 600C отсутствуют. Изменение морфологии поверхности заключается не только в изменении формы островков, но и в существенном уменьшении средней высоты островков (рис. 3, a). Аналогичное изменение морфологии поверхности (переход domeЦhut) ранее наблюдалось в случае роста островков Ge(Si)/Si (001) [14,15]. Однако для самоформирующихся островков Ge(Si)/Si (001) данный переход имел место в диапазоне температур осаждения Ge Tg = 550-600C.

Как было показано в [16], образование hut-островков при низких температурах осаждения Ge может быть обусловлено изменением диффузии и энергетических потенциалов для образования новых граней островРис. 2. АСМ-снимки поверхности структур с самоформиков. В этом случае разница в температурах изменерующимися островками Ge(Si)/Si1-xGex, выращенными при ния морфологии островков в случае роста островков температурах осаждения Ge 650 (a), 630 (b) и 600C (c).

Размер поля изображения 1 1мкм2. Ge(Si)/Si1-x Gex и Ge(Si)/Si (001) может быть связана Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 238 Н.В. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, О.А. Кузнецов, Д.Н Лобанов, А.В. Новиков...

с различием коэффициентов диффузии атомов на по- выше содержания Ge в островках Ge(Si)/Si (001), сфорверхности буферных слоев Si1-xGex и Si (001), а также мированных при той же температуре. Однако, с учес различием энергетических потенциалов образования том 25%-го содержания Ge в буферном слое SiGe, новых граней островков. рассогласование кристаллических решеток буферного Еще одной возможной причиной изменения мор- слоя SiGe и островков Ge(Si)/Si1-x Gex, сформированфологии поверхности может являться увеличение по- ных на нем, оказывается меньшим, чем для островверхностной плотности самоформирующихся островков ков Ge(Si)/Si (001). От рассогласования кристаллических Ge(Si)/Si1-xGex (рис. 3, b) при понижении температуры решеток островка и подложки существенно зависит осаждения Ge. Известно [17], что для образования dome- критический объем pyramid-островков [17,19]. Меньшее островков необходимо, чтобы pyramid-островки достиг- рассогласование кристаллических решеток островка и ли некоторого критического объема, который зависит от подложки в случае осаждения Ge на релаксированный рассогласования кристаллических решеток островка и буферный слой Si1-xGex/Si (001) приводит к увеличению подложки. При высокой поверхностной плотности из- критического размера pyramid-островков. Следовательза взаимодействия с соседними островками pyramid- но, уже при меньшей поверхностной плотности (при островки, первоначально образующиеся на поверхности более высоких температурах роста) взаимодействие структур, могут не достигать равновесного критиче- между близлежащими pyramid-островками становится ского объема, необходимого для их трансформации в существенным, препятствуя переходу pyramid-островков островки типа dome. Ранее было показано [18], что в dome-островки и приводя к появлению на поверхности при высокой температуре роста это может привести hut-островков.

к уменьшению критического объема pyramid-островков.

Однако кинетические ограничения, связанные с низкими 4. Заключение температурами роста, могут препятствовать переходу pyramid-островков в dome-островки при объемах, меньВ работе исследован рост самоформирующихся ших равновесного критического объема. В этом случае островков Ge(Si) на релаксированных буферных слорост pyramid-островков, не достигших из-за упругого ях Si1-xGex /Si (001) (x 25%) с малой шероховатовзаимодействия с соседними островками равновесного стью поверхности. Показано, что качественно рост критического объема, может происходить за счет увелиостровков Ge(Si)/Si1-xGex аналогичен росту островчения их латерального размера в направлении наименьков Ge(Si)/Si (001). Обнаружено, что резкое изменение шего взаимодействия с соседними островками. В этом морфологии поверхности (переход от dome- к hutслучае произойдет трансформация pyramid-островков в островкам) в случае роста островков Ge(Si)/Si1-xGex островки типа hut.

происходит при более высоких температурах роста по Анализ АСМ-снимков структур с островками сравнению с ростом островков Ge(Si)/Si (001). Данное Ge(Si)/Si1-xGex и Ge(Si)/Si (001), сформированными при изменение связывается как с меньшим рассогласованием Tg = 600-650C, показал, что в этой области темперакристаллических решеток островка Ge(Si)/Si1-xGex и тур поверхностная плотность островков Ge(Si)/Si1-x Gex релаксированного буферного слоя, так и с несколько несколько выше поверхностной плотности островков большей поверхностной плотностью островков в случае Ge(Si)/Si (001) (рис. 3, b). Увеличение поверхностной роста их на релаксированных буферных слоях Si1-xGex.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам