CC BY
69
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, № 1 (2), с. 84-87
УДК 533.376
ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Si/SiGe, ВЫРАЩЕННЫЕ НА Si(100) ИЗ АТОМАРНОГО ПОТОКА Si И МОЛЕКУЛЯРНОГО ПОТОКА МОНОГЕРМАНА
© 2014 г. С.А. Матвеев,1 С.А. Денисов,1 В.Ю. Чалков,1 В.Г. Шенгуров,1 М.В. Степихова,2 М.Н. Дроздов,2 П.А. Юнин,2 Н.Д. Захаров3
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород 3 Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle (Saale), Germany
Поступила в редакцию 24.09.2013
Комбинированным методом гетероэпитаксии из атомарного потока Si и молекулярного потока GeH4 на подложках Si(100) выращены периодические гетероструктуры Si/SiGe. Структуры исследовались методами рентгеновской дифракции, вторично-ионной масс-спектрометрии и просвечивающей электронной микроскопии. Полученные данные свидетельствуют о высоком структурном совершенстве структур, резких границах раздела между слоями, повторяемости толщин и состава слоев в периодических структурах.
Ключевые слова: полупроводники, кремний-германий, молекулярно-пучковая эпитаксия, кремниевая подложка, периодические гетероструктуры.
Введение
Гетероструктуры (ГС) Si/Si1-xGex интенсивно исследуются с целью их использования в новых приборах микро- и оптоэлектроники [1]. Для успешного изготовления приборов на основе таких ГС рассматриваются низкотемпературные методы выращивания. Это обусловлено уменьшением проблем, связанных с большой разницей в параметрах элементарных ячеек Ge и Si (4.2%), что затрудняет гетероэпитаксию их твердых растворов на Si из-за тенденции к образованию и развитию трехмерных зародышей по мере увеличения концентрации Ge [2]. Кроме того, при высоких температурах возникает взаимная диффузия. Низкотемпературный рост ГС такого типа обычно проводят с использованием методов молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) или газофазной эпитаксией в сверхвысоком вакууме (аббревиатура англоязычного названия UHV ОУО) [3, 4]. Температура роста в этих методах составляет 500-550°С. Метод МПЭ из-за использования твердотельных источников страдает от микрокластерирования и градиентности состава. Кроме того, в многослойных ГС Si/Si1-xGex, выращенных этим методом, наблюдаются вариации толщины и взаимодиффузия.
Метод UHV ОУО является химико-молекулярным процессом, который позволяет избе-
жать микрокластерирующего столкновительно-го процесса, характерного для МПЭ. Однако процессы, происходящие при осаждении слоев Si и Ge на поверхности роста, не поддаются жесткому контролю, что затрудняет выращивание ГС с заданными параметрами.
Целью данной работы являлось исследование структуры, состава и воспроизводимости параметров слоев в периодических ГС Si1-xGex/Si, выращенных на подложках Si(100) комбинированным методом, где источником паров Si и легирующей примеси являлся сублимационный источник, а поток атомов Ge формировался в процессе разложения моногермана (GeH4) в камере роста.
Методика эксперимента
ГС Si1-xGex/Si были выращены в сверхвысоко-вакуумной установке, изготовленной в НИФТИ ННГУ. Атомарный поток Si создавался сублимацией бруска, вырезанного из слитка монокристаллического Si, а поток Ge формировался при разложении моногермана, напускаемого в камеру роста до давления 2-10-5-6-10-4 Торр, на разогретом источнике Si. Подложка Si(100) подвергалась предварительной тщательной химической обработке. Тонкий окисный слой с её поверхности удалялся во время отжига в вакууме при температуре 1200°С в течение 10 минут. Бу-
ферный слой Si толщиной ~0.2 мкм осаждался на подложку Si перед ростом ГС. Скорость роста ГС составляла ~0.2 нм/с, общая толщина -до 2 мкм. В ряде случаев слои дополнительно легировались атомами эрбия (Er), испаряемыми совместно с Si из Si:Er-источника.
Использованная нами методика предросто-вой подготовки подложек, а также задействование химико-молекулярных процессов при росте слоев Si1-xGex, предполагающих разложение моногермана на атомарный водород и другие радикалы, позволили снизить температуру роста ГС до 350°С, а концентрацию Ge в слое твердого раствора довести до 35%. Полученные слои Si1-xGex имели гладкую поверхность, что свидетельствует о послойном механизме роста. При таких условиях были выращены многослойные структуры Si^Ge^/Si, состоящие из чередующихся по периодическому закону слоев Si и слоев твердого раствора SiGe.
Рентгенодифракционные исследования отдельных слоев и периодических ГС проводились на дифрактометре D8 DISCOVER (Bruker) в схеме двухкристального спектрометра (два германиевых щелевых кристалла-монохроматора). Программа динамического моделирования была использована как вспомогательное средство для определения кристаллического совершенства, резкости границ раздела, толщин слоев и содержания Ge в ГС. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) также была проведена для исследования качества ГС и резкости границ раздела. Методом вторично-ионной масс-спектро-метрии (ВИМС) исследовались состав и периодичность слоев в ГС.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 1 приведены дифракционные кривые (1 - эксперимент; 2 - теория) ГС, состоящей из
10 слоев 8гЕг/8м_хОех с толщиной каждого слоя
44 нм и каждого слоя БЮе 15 нм. Содержание ве в слоях составляет ~35%. Хорошее согласование экспериментальной и модельной дифракционных кривых указывает на то, что достигнуто высокое качество многослойной ГС с напряженными слоями, резкими границами раздела и высокой однородностью (повторяемостью) толщины и состава слоев Б1:Ег, 8^_хОех.
Для подтверждения результатов, полученных методом РД, ГС были исследованы методом ВИМС (рис. 2). Видно, что периодичность слоев воспроизводится с высокой точностью. Границы раздела между слоями резкие, т.е. сегрегации атомов ве и легирующей примеси (Ег) не наблюдается.
Были также проведены исследования периодических ГС методом просвечивающей электронной микроскопии. На рис. 3 приведена ПЭМ-микрофотография поперечного сечения ГС 81/Б11-хОех с тремя периодами слоев 8м-хОех. На этом рисунке слои и БЮе соответствуют областям яркого и темного контраста, соответственно. Как видно из рисунка, в полученной ГС отсутствуют дислокации несоответствия. Толщины слоев и БЮе при измерении оказались равными 100 и 33 нм, соответственно. На рис. 4 приведен профиль распределения ве вдоль линии, проведенной на микрофотографии ПЭМ (рис. 3). Видно, что состав слоев твердого раствора 8м-хОех хорошо воспроизводится от слоя к слою.
Объяснение такого рода распределения атомов ве и легирующей примеси Ег по толщине ГС можно связать с наличием атомов водорода на поверхности роста, которые образуются при разложении моногермана на горячем Бьисточ-нике. При низких температурах роста атомы водорода пассивируют поверхность роста и способствуют интенсивному захвату атомов ве и примеси растущим слоем [5, 6].
86
С.А. Матвеев, С.А. Денисов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров, М.В. Степихова, М.Н. Дроздов и др.
Depth, mkm
Рис. 2. ВИМС-профиль распределения Ge, Er, O и C по толщине структуры
Рис. 3. ПЭМ-микрофотография (поперечное сечение) ГС 81/811-хОсх с тремя периодами ГС З^Б^Ое,.
14012010080в!
2 60-
с
о
О 40200-20-
i
4
■ I 1 ■ ' I 2
Т"
100
Т"
200
Т"
300
"Т"
400
Т
500
Distance in nm
Рис. 4. Профиль распределения Ge вдоль линии, отмеченной на ПЭМ-микрофотографии (рис. 3)
Заключение
Комбинированным методом гетероэпитак-сии из атомарного потока и и молекулярного потока ОеИ4 на подложках 81(100) выращены совершенные по структуре многослойные периодические ГС со слоями и твердого раствора 8м-хОех с концентрацией ве вплоть до 35% и толщиной в десятки нм.
Для характеризации выращенных периодических структур использовались методы РД высокого разрешения, ПЭМ и ВИМС. В методе РД получено хорошее соответствие экспериментальных и модельных кривых качания, указывающее на получение высококачественных ГС с резкими границами раздела и хорошей однородностью слоев по толщине и составу. Структурное совершенство и воспроизводимость состава слоев в периодической структуре также подтверждаются исследованиями ГС ме-
тодами просвечивающей электронной микроскопии и ВИМС.
Работа выполнена при поддержке проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (грант № 14.В37.21.0337).
Список литературы
1. Rupp T., Messarosh I., Eisele U. // J. Cryst. Growth. 1998. V. 183. P. 99.
2. Cullis A.G., Booker G.R. // J. Cryst. Growth. 1971. V. 9. P. 132-138.
3. Ota Y. // Thin Solid State. 1983. V. 106. P. 3.
4. Hirayama H., Hiroi K., Tatsumi T. // J. Cryst. Growth. 1990. V. 105. P. 46.
5. Chen L.P., Chou C.T., Huang G.W. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67. № 20. P. 3001-3003.
6. Thomson P.E., Silvestre C., Twigg M. et al. // Thin Sold Films. 1998. № 321. P. 120-124.
PERIODIC Si/SiGe HETEROSTRUCTURES GROWN ON Si(100) FROM Si ATOMIC FLUX
AND GeH4 MOLECULAR FLOW
S.A. Matveev, S.A. Denisov, V. Yu. Chalkov, V. G. Shengurov, M. V. Stepikhova, M.N. Drozdov, P.A. Yunin, N.D. Zakharov
Si/SiGe periodic heterostructures are grown on Si(100) substrates by combined method of heteroepitaxy from the Si atomic flux and GeH4 molecular flow. The structures have been studied by X-ray diffraction, secondary ion mass spectroscopy and transmission electron microscopy. The data obtained indicate a high structural perfection of the structures, sharp interfaces between the layers, repeatability of thickness and composition of the layers in periodic structures.
Keywords: semiconductors, silicon-germanium, molecular beam epitaxy (MBE), silicon substrate, periodic het-erostructures.
References
1. Rupp T., Messarosh I., Eisele U. // J. Cryst. Growth. 1998. V. 183. P. 99.
2. Cullis A.G., Booker G.R. // J. Cryst. Growth. 1971. V. 9. P. 132-138.
3. Ota Y. // Thin Solid State. 1983. V. 106. P. 3.
4. Hirayama H., Hiroi K., Tatsumi T. // J. Cryst. Growth. 1990. V. 105. P. 46.
5. Chen L.P., Chou C.T., Huang G.W. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. V. 67. № 20. P. 3001-3003.
6. Thomson P.E., Silvestre C., Twigg M. et al. // Thin Sold Films. 1998. № 321. P. 120-124.
