CC BY
50
УДК 538.911
Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Сипрова, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОРФОЛОГИИ САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ НАНОКЛАСТЕРОВ Се81/81, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ В СРЕДЕ СеЫ4,
ОТ УСЛОВИЙ РОСТА
Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на воздухе исследована зависимость параметров морфологии поверхностных нанокластеров ве81/81(001) (размеры, форма, поверхностная плотность, однородность по размерам и пр.), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) в среде веИ4, от параметров технологического процесса выращивания структур (температура подложки, парциальное давление веИ4 в ростовой камере, время роста). Установлено, что закономерности трансформации морфологии кластеров с увеличением количества осажденного ве отличаются от таковых для традиционной МЛЭ. Нанокластеры, выращенные в определенных условиях, характеризуются би- и тримодальным распределением по размерам. Определены условия роста, обеспечивающие получение однородных массивов кластеров с заданными геометрическими параметрами.
Введение
Гетероструктуры с нанокластерами ве81/81, получаемыми методом са-моформирования, являлись в последние 15 лет объектами интенсивных исследований и разработок в физике и технологии полупроводников [1]. Интерес к подобным структурам обусловлен потенциальными возможностями создания интегральных оптоэлектронных устройств на базе традиционной кремниевой технологии: светодиодов, излучающих в практически важном для оптоволоконной связи диапазоне длин волн 1,3-1,55 цм, а в перспективе -инжекционных лазеров [2]. Другое важное направление исследований - фотопроводимость ве81 структур в области энергий световых квантов, меньших ширины запрещенной зоны 81, связано с расширением спектрального диапазона фотоприемников на основе 81 в инфракрасную область [3].
Обычно нанокластеры ве81 получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [4]. Менее широко используются методы газофазной эпитаксии и МЛЭ с использованием металлоорганических источников [5]. В данной работе исследованы гетероструктуры с нанокластерами ве81/81(001), выращенные методом сублимационной МЛЭ (СМЛЭ) в среде веЩ [6]. В этом методе слои 81 осаждаются из сублимационного источника, а для осаждения ве в ростовую камеру напускается веЩ. Ранее было показано, что этот метод позволяет выращивать гетероструктуры (в частности р-1-п-диодные структуры) с нанокластерами ве81 [7]. Однако, если закономерности роста нанокластеров ве81/81 в процессе МЛЭ хорошо изучены [8], особенности роста последних в процессе СМЛЭ в среде веИ4 изучены недоста-
* Работа выполнена при поддержке СКОБ (ИЦХ-0-001^^06/ВР1М01) и Федерального агентства по образованию Российской Федерации (РНП.2.1.1.4737).
точно, что препятствует широкому применению данного метода для выращивания приборных структур кремниевой оптоэлектроники.
В данной работе впервые предпринято систематическое исследование зависимости параметров морфологии нанокластеров GeSi, выращенных на
поверхности Si(001) методом СМЛЭ в среде GeH4 (размеры, форма, поверхностная плотность, однородность по размерам) от параметров ростового процесса (температура подложки, давление GeH4 в ростовой камере, время роста). Морфология нанокластеров изучалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Целью работы являлось установление закономерностей роста нанокластеров GeSi в процессе СМЛЭ в среде GeH4 (в частности в сравнении с традиционной МЛЭ) и выработка на их основе подходов к получению массивов нанокластеров GeSi/Si с заданными параметрами.
1. Методика эксперимента
Гетероструктуры с нанокластерами GeSi на поверхности буферного
слоя Si были выращены на подложках Si(001) марки КДБ-0,002. Рабочее дав—8
ление в ростовой камере составляло -1x10 Торр. Вакуум в ростовой камере обеспечивался геттерно-ионными насосами (ГИН-0,5). Источником Si служил монокристалл p-типа с удельным сопротивлением 15 Ом-см. Подложка и источник нагревались пропусканием переменного тока. Скорость роста слоев Si составляла =0,7 цм/ч. Измерение температуры источника проводилось с помощью оптического пирометра ОППИР-017 с точностью ±10°C. Температура подложки Tg в интервале температур 450-850°C контролировалась с помощью микропирометра ВИМП-015 с точностью ±20°C.
Перед осаждением буферного слоя Si подложка отжигалась в течение 10 мин при 1200°С. Осаждение буферного слоя производилось при 1000°С в течение 40 мин. Затем сублимационный источник Si отключался и в ростовую камеру напускался GeH4. Перед этим температура подложки уменьшалась до 700°С. Чтобы избежать разложения GeH4 на титановых испарителях и в ГИН, последние во время осаждения Ge полностью выключались. Удаление GeH4 из ростовой камеры после осаждения Ge производилось при помощи диффузионного насоса.
Парциальное давление GeH4 в ростовой камере рg варьировалось в пределах (5 ■ 10 )-(1,5 ■ 10 ) Торр, время роста tg от 0,25 до 5,0 мин. Точность измерения рg и tg составляла ±10% и ±0,2 с, соответственно.
Исследование морфологии нанокластеров проводились с помощью АСМ Solver Pro™ производства компании NTI® (Зеленоград, Россия) в контактном режиме. Использовались Si кантилеверы производства компании NTI® марки NSG-11 с радиусом закругления острия R < 10 нм (согласно паспортным данным). Перед каждым измерением проводились калибровка СЗМ по координатам x, у и z, а также контроль реальных значений R с помощью тестовых структур производства компании NTI® TGZ-3 и TGT-1, соответственно. Обработка и анализ результатов АСМ исследований производились с помощью специализированного программного обеспечения Nova™ Image Analysis 2.0 компании NTI® и SPM Lab™ 6.02 компании Veeco Instruments®
(США), а также программного обеспечения для коррекции конволюционных артефактов, разработанного Д. И. Овчинниковым и А. А. Бухараевым (КФТИ КНЦ РАН) [9].
Морфология нанокластеров характеризовалась следующими параметрами: средняя высота кластеров <Н>, средний латеральный размер кластеров по основанию (на уровне 0,1Н над плоскостью смачивающего слоя) <0> и поверхностная плотность кластеров Ns.
2. Экспериментальные результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены АСМ изображения образцов, сформиро-
-3
ванных при одинаковых значениях Т§ = 700°С и pg = 1,5 ■ 10 Торр, но при различных значениях tg. При = 0,25 мин кластеры ве81 на поверхности образца не наблюдаются (рис. 1,а). При tg = 0,5 мин на поверхности образуется
массив однородных нанокластеров высотой <Н> = 13±1 нм и поверхностной
8 -2
плотностью Ns ~ 7,3 ■ 10 см (рис. 1,б).
Рис. 1 АСМ изображения гетероструктур с поверхностными нанокластерами ве81/81(001). Те = 700°С, р8 = 9 ■ 10-4 Торр; мин: а - 0,25; б - 0,5; в - 2; г - 5.
Размер скана 2,5 ■ 2,5 цм2
Если предположить, что образование кластеров происходит по механизму Странского-Крастанова, это можно интерпретировать таким образом. При tg = 0,25 мин образуется двумерный слой Ge, но его толщина doe не достигает критической толщины (так называемая толщина смачивающего слоя dwL), при которой происходит срыв двумерного роста и начинается образование кластеров. По данным, полученным при исследовании гетероструктур с нанокластерами GeSi, выращенных методом МЛЭ, для системы Ge/Si(001) dwL = 5 монослоев (МС) или = 0,75 нм. При tg = 0,5 мин d,Qe > dwL и начинается образование кластеров. Наличие смачивающего слоя Ge между нанокластерами GeSi в структурах, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, было установлено в [10] методом растровой Оже-микроскопии (РОМ).
При tg = 2 мин на поверхности структур наблюдаются кластеры двух типов: однородная система куполообразных кластеров, подобных показанным на рисунке 1,б, а также более крупные кластеры с <D> = 260±90 нм,
8 —2
<H> = 125±15 нм и Ns = 4,8 10 см (рис. 1,в). Для подобных образцов характерно бимодальное распределение кластеров по размерам (рис. 2,г). Для образцов с однородными нанокластерами характерно унимодальное распределение по размерам, которое более или менее удовлетворительно аппроксимируется распределением Пуассона (рис. 2,а, б).
Бимодальное распределение по размерам характерно и для кластеров, выращенных методом МЛЭ [11]. В последнем случае оно связывается с наличием двух форм кластеров: пирамидальных (так называемых pyramid-кластеров) и куполообразных, или dome-кластеров. В данном случае бимодальное распределение кластеров по размерам скорее можно связать с тем, что, хотя зарождение кластеров происходит по механизму Странского-Крастанова, их дальнейший рост происходит по механизму Фольмера-Вебера. При этом большие кластеры растут за счет оттока атомов Ge от меньших путем поверхностной диффузии. Данный эффект наблюдался при выращивании нанокластеров InAs/GaAs методом МОС-гидридной эпитаксии при пониженном давлении [12] и был тем более выражен, чем больше было давление в реакторе. По-видимому, данное явление характерно для процесса газофазной эпитаксии.
На отдельных образцах наблюдалось тримодальное распределение (рис. 2,в), причины которого пока не совсем ясны.
При дальнейшем увеличении tg и, соответственно, dGe размеры крупных кластеров увеличиваются и происходит их коалесценция (рис. 1,г). Подобные тенденции изменения морфологии поверхности образцов характерны для всех значений pg.
Однородные нанокластеры, подобные показанным на рисунке 1,б, сходны по своей форме и геометрическим параметрам с dome-кластерами, которые обычно доминируют на поверхности гетероструктур GeSi/Si, выращенных методом МЛЭ при Tg > 700°C [11]. Как и dome-кластеры, они имеют уникально низкую дисперсию по размерам (7-10%), что близко к рекордным значениям для структур, полученных методом МЛЭ [13]. В отличие от однородных куполообразных кластеров, большие кластеры на рисунке 1,в,г имеют форму четырехгранных пирамид с основаниями, ориентированными вдоль <110> и ограненных плоскостями {101} (рис. 3). Напротив, при выращивании гетероструктур Ge/Si(001) методом МЛЭ вначале при doe = dwL зарождаются pyramid- и
Ьи1>кластеры (последние имеют форму четырехскатной крыши с характерным соотношением сторон основания 3:1) и только с дальнейшим увеличением ёое происходит их трансформация в ёоше-кластеры [11].
80
и 60
%
I 40 ^
й
к
\
пИнН»
о
р-
&
я
ч
о
100 120 140 160 180 200
Н, нм
а)
D, нм
в)
М О
Н, нм б)
В, нм
г)
Рис. 2 Гистограммы распределения нанокластеров Ое81 по высоте (а, б) и латеральным размерам (в, г).
Т = 700°С; рё, Торр ■ 103: а, в - 1,5; б, г - 0,5; tg, мин: а, в - 4; б, г - 1
3000 нм 115,50 нм
0,00 нм
1500 нм
0 нм
0 нм 1500 нм 3000 нм
Рис. 3 АСМ изображение гетероструктуры с поверхностными нанокластерами 0е81/81(001). Те = 700°С, ре = 9 ■ 10-4 Торр, tg = 2 мин
0
На АСМ-изображениях вокруг куполообразных кластеров наблюдается кольцеобразная канавка (ров) (рис. 4). Подобные рвы вокруг dome-кластеров наблюдались и на структурах, выращенных методом МЛЭ. Предположительно, они формируются в результате разрыва смачивающего слоя в процессе трансформации pyramid- в dome-кластеры.
1500 нм
18,48 нм
I
°,СЮ нм 750 нм
0 нм 0
Рис. 4 АСМ изображение (а) и профиль (б) нанокластерами GeSi/Si(001).
Tg = 700°С, pg = 9 • 10-4 Торр, tg, = 1 мин
Ранее методом РОМ было установлено, что нанокластеры, выращенные методом СМЛЭ в среде GeH4, состоят не из чистого Ge, а из твердого раствора GexSi1-x [10]. При Tg = 700°C, x = 0,41±0,07. Dome-кластеры, выращенные методом МЛЭ, также состоят из твердого раствора (при Tg = 700°C, x = 0,4±0,1), тогда как pyramid- и hut-кластеры состоят из чистого Ge [14]. Наличие Si в объеме dome-кластеров обычно объясняется диффузией Si из подложки, что способствует релаксации упругих напряжений в материале кластера [15]. Можно предположить, что в объем кластера проникает в основном Si, находившийся на месте формирующегося рва. На это косвенно указывает тот факт, что глубина рва вокруг кластеров значительно превышает номинальную толщину смачивающего слоя Ge (=5 нм и 0,75 нм, соответственно).
На рисунке 5 приведены зависимости параметров морфологии массивов нанокластеров (<D>; <H>, среднеквадратичное отклонение по этим параметрам gd и он соответственно, а также Ns) от tg раздельно для каждой из подсистем кластеров (куполообразных и больших коалесцированных - при наличии последних). Среднеквадратичные отклонения показаны в виде интервалов при соответствующих точках.
Зависимость морфологии кластеров от условий роста имеет сложный характер. Так, если в момент зарождения (tg = 0,25-0,5 мин) Ns растет с увеличением pg (рис. 5,д), то, например, размеры кластеров (как куполообраз-
—3
ных, так и коалесцированных) при pg = 1,5 • 10 Торр, как правило, меньше, -4
чем при pg = 9 • 10 Торр (ср. кривые 2 и 3 на рис. 5,а,б). Массивы кластеров с морфологическими параметрам, оптимальными для применения в оптоэлектронике (максимальная плотность при минимальной дисперсии по раз-3
мерам) были получены при pg = 1,3 • 10 Торр и tg = 0,5 мин.
7б
250
200
8 150
V 100
50
0
2 3
тіп
в)
900 800 700 600 а 500 ; 400 ^ 300 200 100 0
0
2 3
?, тіп
б)
г)
8
V? 6
о
Г|і
а о 4
2
0
3 4
тіп
д)
тіп
е)
Рис. 5 Зависимость параметров морфологии массивов нанокластеров Ое81/Б1 от времени роста tg: а, б - средние латеральные размеры <_0>; в, г - средняя высота <Н>; д, е - поверхностная плотность №$; а, в, д - куполообразные кластеры;
б, г, е - коалесцированные кластеры. Тё = 700°С; рё, Торр • 103: 1 - 0,5; 2 - 0,9; 3 - 1,5
Зависимости <D>(tg) для куполообразных кластеров (рис. 5,а) являются сублинейными с тенденцией к насыщению, а Ns уменьшается (рис. 5,д). В то же время с увеличением tg растут размеры коалесцированных кластеров. Перечисленные особенности согласуются с предположением, что рост кластеров при tg > 0,5 мин происходит по механизму Фольмера-Вебера, когда крупные кластеры растут за счет рассасывания более мелких. Однако наличие отсечки по оси tg на зависимостях ^> и <Н> от tg является дополни-
5
1
4
0
1
4
5
3
2
1
0
2
5
тельным свидетельством того, что зарождение кластеров происходит по механизмам Странского-Крастанова.
Заключение
Экспериментально установленные в данной работе зависимости параметров морфологии нанокластеров GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, от параметров технологического процесса позволяют получить массив нанокластеров с определенными геометрическими параметрами для использования в приборных структурах нано- и оптоэлектроники. Эти зависимости являются сложными и отличаются от таковых, установленных для традиционной МЛЭ. Хотя зарождение кластеров происходит по механизму Странского-Крастанова, их рост, по-видимому, происходит по механизму Фольмера-Вебера. Это проявляется, в частности, в бимодальном распределении кластеров по размерам. Определены условия роста, обеспечивающие получение однородных массивов нанокластеров.
Список литературы
1. Pavesi, L. Will silicon be the photonic material of the third millennium? / L. Pavesi // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2003. - V. 15. - № 26. - Р. 1169-1196.
2. Красильни к, З. Ф. Оптические свойства напряженных гетероструктур на основе Si1-xGex и Si1-x-yGexCy. / З. Ф. Красильник, А. В. Новиков // Успехи физических наук. - 2000. - № 3. - 170 т. - С. 338-341.
3. Abstreiter, G. Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si / G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel, E. Silveira, A. Zrenner, D. Meertens, W. Jager // Semiconductor Science and Technology .- 1996. - V. 11. - № 115. - P. 1521-1528.
4. Пчеляков, О. П. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образовнаия и электрические свойства / О. П. Пчеляков, Ю. Б. Болховитянов, А. В. Двуреченский [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2000. - № 11. - 34 т. - С. 1281-1299.
5. Shiraki, Y. Fabrication technology of SiGe hetero-structures and their properties / Y. Shiraki, A. Sakai // Surface Science Reports. - 2005. - V. 59. - № 7-8. - P. 153-207.
6. Светлов, С. П. Гетероэпитаксиальные структуры Si1-xGex/Si(100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH4 / С. П. Светлов, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков [и др.] // Известия Академии наук. -2001. - № 2. - 65 т. - C. 204-208. - (Серия физическая).
7. Максимов, Г. А. Фотоэлектрические свойства и электролюминесценцияp-i-n-диодов на основе гетероструктур с самоорганизованными нанокластерами GeSi/Si / Г. А. Максимов, З. Ф. Красильник, Д. О. Филатов [и др.] // Физика твердого тела. -2005. - № 1. - 47 т. - С. 26-28.
8. Vostokov, N. V. The relation between composition and sizes of GeSi/Si(001) islands grown at different temperatures. / N. V. Vostokov, S. A. Gusev, Yu. N. Drozdov [и др.] // Physics of Low-Dimensional Structures. - 2001. - № 3/4. - Р. 295-299.
9. Бухараев, А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии / А. А. Бухараев, Д. Б. Овчинников, А. А. Бухараева // Заводская лаборатория. - 1996. - № 1. - С. 10-27.
10. Maximov, G. A. Composition analysis of single GeSi/Si nanoclusters by Scanning Auger Microscopy / G. A. Maximov, Z. F. Krasil’nik, A. V. Novikov [at al.] // Nanophysics, Nanoclusters, and Nanodevices. - Ed. by Kimberly S. Gehar. - N. Y : Nova Science, 2006.
11. Vostokov, N. V. Transition from "dome" to "pyramid" shape of self-assembled GeSi islands / N. V. Vostokov, I. V. Dolgov, Yu. N. Drozdov [at al.] // Journal of Crystal Growth. - 2000 . - V. 209. - № 2-3. - P. 302-305.
12. Lita, B. Interdiffusion and surface segregation in stacked self-assembled InAs/GaAs quantum dots / B. Lita, R. S. Goldman, D. Phillips, P. K. Bhattacharya // Applied Physics Letters. - 1999. - V. 75. - № 18. - P. 2797-2799.
13. Востоков, Н. В. Однородные наноостровки Ge на Si(001) / Н. В. Востоков, И. В. Долгов, Ю. Н. Дроздов [и др.] // Известия Академии наук. - 2000. - № 2. - 63 т. -C. 302-305. - (Серия физическая).
14. Востоков, Н. В. Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si (001) / Н. В. Востоков, С. А. Гусев, И. В. Долгов [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2000. - № 1. - 34 т. - С. 8-12.
15. Novikov, A. V. Strain-driven alloying: effect on sizes, shape and photoluminescence of GeSi/Si(001) self-assembled islands / A. V. Novikov, B. A. Andreev, N. V. Vostokov [at al.] // Materials Science and Engineering B. - 2002. - V. 89. - № 2. - P. 62-65.
