Таким образом можно выделить три характерных области по толщине пленки, которые хорошо согласуются с изменениями дифракционных картин:

1. До начала перехода к трехмерному росту (<3MC) профиль представляет из себя в основном узкий и интенсивный пик, зеркального рефлекса.

В этой области происходит сверхструктурный переход 2х1 в 2хN, который явно не проявляется на профилях интенсивности, но сопровождается существенным снижением интенсивности зеркального рефлекса при толщине пленки около 1МС.

2. После перехода к трехмерному росту (>5-10MC и >3-4MC) профиль также представлят из себя более узкий и интенсивный пик, теперь являющийся объемным рефлексом. По мере роста пленки происходит изменение в интенсивности и сильное смещение объемного рефлекса.

Как уже указывалось выше, в этой области толщин наблюдаются дифракционные картины, свидетельствующие об образовании псевдомофных "hut" кластеров с ориентацией граней типа {105}.

3. При больших толщинах (>5-10MC), как уже указывалось выше, рефлекс постепенно смещается в сторону больших углов.

В этой области толщин наблюдаются дифракционные картины, свидетельствующие об образовании трехмерных островков с дислокациями несоответствия и огранкой типа {113}.

На рис.13 цифрами указаны моменты смены характерных областей на профиле.

Рисунок 13. (а) - Изменение профиля интенсивности дифракционной картины вдоль вертикального направления в процессе осаждения Ge на Si(100). (б) - Изменение интенсивности вдоль выделенное линии на (а). (1) - Переход 2D - 3D рост (начало образования "hut" островков). (2) - Переход "hut" - "dome".

Таким образом из анализа изменения горизонтального и вертикального профиля интенсивности дифракционной картины можно выделить три характерные толщины растущей пленки: (1) - переход от двумерного роста к трехмерному и начало образования на поверхности "hut" островков, (2) - переход "hut"островков в "dome" и (3) - полная релаксация "dome" островков. На рис.14 представлена кинетическая диаграмма морфологии поверхности пленки Ge на Si(100) в процессе роста, в зависимости от эффективной толщины осажденного германия и температуры роста.

Рисунок 14. Кинетическая диаграмма морфологии поверхности пленки Ge на Si(100). Скорость осаждения Ge - 0.05МС/сек.

Точность положения точек по относительной температуре в пределах 1-2%, по абсолютной температуре (сдвиг по температуре всей диаграмм) около 20⁰. Точность по определению характерных толщин, составляет около 10% и определяется в основном неточностью определения скорости потока германия на поверхность и стабильностью работы источника.

Обсуждение результатов

Сравнение диаграммы с данными имеющимися в литературе

Несмотря на большое количество работ, публикуемых в журналах по теме роста Ge на поверхности Si(100), данных которые можно было бы напрямую соотнести с результатами данной работы не много. Связано это с рядом обстоятельств. Во первых, почти половина работ по данной тематике посвящена исследованию роста твердого раствора Ge_xSi_1-x на Si(100). Эффективная постоянная решетки твердого раствора отличается от объемной решетки кремния уже не на 4%, как для случая эпитаксии чистого германия, а меньше, в зависимости от x. В результате, такие параметры растущей пленки, как критическая толщина перехода 2D - 3D, характерные размеры "hut" и "dome" островков могут значительно увеличиться. Получать изображение поверхности пленок с большими островками гораздо легче, и это можно делать "на воздухе" в атомарно-силовом микроскопе. Для получения изображений маленьких островков, обычно применяют сканирующую электронную микроскопию, без контакта образца с воздухом, либо просвечивающую электронную микроскопию уже захороненных островков.

Во вторых, много работ посвящено поиску оптимальных условий параметров роста, таких как, начальная структура поверхности, скорость и температура осаждения, временные задержки в процессе роста, использование сурфактантов и углеродных добавок и др.

На рис.15 представлено расположение экспериментальных точек, взятых из печатных источников [2,20,26,35,39,, ,,,,], по отношению к зависимостям, полученным в данной работе.

Рисунок 15. Сравнение литературных данных (тщчки)с результатами эксперимента в данной работе(сплошные линии).

Экспериментальные точки, с использованием метода газофазной эпитаксии лежат на несколько монослоев выше, чем для молекулярно-лучевой эпитаксии. Связано это с тем, что при осаждении из газовой фазы на поверхности растущей пленки присутствует водород, который уменьшает поверхностную диффузию адатомов и меняет энергию границы раздела кристалл-вакуум, т.е. действует аналогично сурфактанту. В остальном наблюдается удовлетворительное соответсвие экспериментальных наблюдений.

Температурное поведение характерных тощин

1). Температурное поведение 2D-3D перехода.

Поведение границы послойного и трехмерного роста при изменении температуры роста определяется характерной длинной миграции адатомов по поверхности.

На диаграмме морфологии поверхности видно низкотемпературное (T<250⁰C) и высокотемпературное (T>550⁰C) уменьшение эффективной толщины Ge пленки, при которой происходит смена 2D - 3D механизма роста. Для эпитаксии при низких температурах, из-за диффузионного уменьшения длинны миграции адатомов Ge по поверхности, происходит постепенная трансформация от двумерно островкового механизма роста к многоуровневому, когда новые двумерные островки образуются на нижележащих двумерных островках, еще не успевших срастись в сплошной монослой. По теоретическим расчетам, растущей поверхности напряженной германиевой пленки, на стадии двумерного послойного роста, выгодно быть шероховатой (т.е. иметь на поверхности двумерные островки) для снижения энергии упругих напряжений. При высоких температурах поверхностная диффузия адатомов достаточна, чтобы собрать атомы вокруг двумерного островка из подстилающего слоя или просто для перестройки двумерного островка, для образования более выгодной конфигурации пленки (с "hut" островками), поэтому переход к трехмерному росту происходит раньше. А при меньших температурах, кинетические ограничения приводят к тому, что зарождение 3D островков начинается немного позже.

2). Температурное поведение перехода "hut" - "dome" и полной релаксации "dome" островков.

Как видно из зависимости во всем температурном диапазоне происходит плавное уменьшение характерных толщины перехода из "hut" в "dome" и толщины, при которой происходит полная релаксация "dome" островков. По многочисленным теоретическим расчетам "hut" островки являются метастабильными, и отжиг, даже при температурах роста, приводит к постепенному переходу "hut" островков в "dome" островки. Поэтому наряду с термодинамическими параметрами системы (конкуренция между упругими напряжениями и площадью поверхности), важную роль играют кинетические процессы переноса на поверхности. При низких температурах роста, кинетический массоперенос по поверхности гораздо меньше, поэтому трансформация "hut" кластеров в более стабильные "dome" островки происходит при больших толщинах. В то время как при более высоких температурах роста образующиеся "dome" островки для выстраивания своей формы в конфигурацию с минимумом энергии могут получать атомы Ge не только из падающего потока, но и собирать из близлежащих "hut" кластеров и смачивающего слоя. К тому же, при боле высоких температурах, введение дислокаций несоответствия в островок возможно при меньших напряжениях в островке, а значит при меньших эффективных толщинах германиевой пленки.

Выводы

По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1). Предложена методика контроля морфологии пленки Ge при эпитаксии на поверхности Si(100) с помощью регистрации и анализа изменения профилей интенсивности на дифракционной картине быстрых электронов.

2). Измерены изменения профилей интенсивности вдоль вертикального и горизонтального направления дифракционной картины при эпитаксии Ge на Si(100) в температурном диапазоне 250-700⁰С, при постоянной скорости роста - 0.05A/сек.

3). Из анализа изменения горизонтального профиля интенсивности определено поведение параметра решетки пленки в плоскости роста в зависимости от эффективной толщины напыляемого слоя германия.

4). Предложена модель, объясняющая подобное поведение параметра решетки пленки в плоскости роста. Увеличение параметра решетки на стадии двумерного роста и формирования "hut"-кластеров обусловлено упругой деформацией, а для "dome"-кластеров - пластической релаксацией из-за формирования сетки дислокаций несоответствия в границе раздела.

5). По характерным изменениям в профилях интенсивности, построена кинетическая диаграмма морфологии поверхности пленки Ge на Si(100) в зависимости от температуры роста и толщины осажденного германия.

эпитаксия дифракционный электрон кластер

Благодарности

Выражаю огромнейшую благодарность моему научному руководителю к.ф.-м.н. Никифорову А.И. за частые обсуждения вопросов непосредственно связанных с моей дипломной работой, за поощрение и помощь при проявлении мной инициативных начинаний, а так же за дружественный дух, который царит в его рабочей группе.

Хочу поблагодарить так же к.ф.-м.н. Соколова Л.В. за обсуждение некоторых вопросов по интерпретации экспериментальных зависимостей.

Благодарю к.ф.-м.н. Чикичева С.И. за интересные, занимательные спецсеминары проводимые им со студентами кафедры.

Cписок литературы

D.J. Paul. «Silicon germanium heterostructures in electronics: the present and the future»Thin Solid Films, 321 (1998), 172-180.

D.J. Eaglesham and M. Cerullo. «Dislocation-Free Stranski-Krastanow Growth of Ge on Si(100)» Phys. Rev. Lett., 64, 1943 (1990).

P. Muller and R. Kern. «Equilibrium shape of epitaxially strained crystals (Volmer-Weber case)» J. Cryst. Growth, 193, 257 (1998).

А.А. Чернов, Е.И. Гиваргизов, Х.С. Багдасаров и др. Современная кристаллография, т. 3. М.: Наука, 1980, 407 стр.

F. Liu and M.G. Lagally. «Interplay of Stress, Structure, and Stoichiometry in Ge-Covered Si(001)» Phys. Rev. Lett., 76, 3156 (1996).

Y. Chen and J. Washburn. «Structural Transition in Large-Lattice-Mismatch Heteroepitaxy» Phys. Rev. Lett.,77, 4046 (1996).

D.E. Jesson, G. Chen, K.M. Chen, and S.J. Pennycook. «Self-Limiting Growth of Strained Faceted Islands» Phys. Rev. Lett., 80, 5156 (1998).

M. Kastner and B. Voigtlander, «Kinetically Self-Limiting Growth of Ge Islands on Si(001)» Phys. Rev. Lett., 82, 2745 (1999).

Н.В. Востоков, С.А. Гусев, И.В.Долгов, Ю.Н. Дроздов и др. , «Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si(001)» ФТП, №2 (2000)

V.A. Shchukin, D. Bimberg. «Strain-driven self-organization of nanostructures on semiconductor surfaces» Appl. Phys., A 67, 687 (1998).

P. Mller, R. Kern. « Equilibrium shape of epitaxially strained crystals (Volmer?Weber case)» J. Cryst. Growth, 193, 257 (1998).

Ф. Бехштенд, Р. Эндерлайн «Поверхности и границы раздела полупроводников», М., «Мир», 1990.

O.L. Alerhand, A.N. Berker, R.J. Hamers, et al «Finite-Temperature Fase Diagram of Vicinal Si(100) Surface» Phys. Rev. Let. V64, N20 (1990) 2406.

Y.-W. Mo, D.E. Savage, B.S. Swartzentruber, and M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett., 65, 1020 (1990).

Feng Liu, M.G. Lagally «Self-organized nanoscale structures in Si/Ge films» Surface Science 386 (1997) 169-181

G. Capellini,a) L. Di Gaspare, and F. Evangelisti « Atomic force microscopy study of self-organized Ge islands grown on Si(100) by low pressure chemical vapor deposition» Appl. Phys. Lett. 70 (4), 27 January 1997

F.K. LeGoues, M.C. Reuter, J. Tersoff, M. Hammar, and R.M. Tromp. Phys. Rev. Lett., 73, 300 (1994).

V.A.Markov, A.I.Nikiforov, O.P.Pchelyakov "In situ" Control of Direct MBE Growth of Ge Quantum Dots on Si. J.Cryst.Growth 175/176(1997) 736-740.

J. Drucker and S. Chaparro «Diffusional narrowing of Ge on Si(100) cjherent island quantum dot size distribution» Appl. Phys. Lett. 71(5), 614 (1997).

Z. Jiang, H. Zhu, F. Lu et al. «Self-organized germanium quantum dots grown by molecular beam epitaxy on Si(100)». Thin Solid Films, 321, 60 (1998).

K. Sakamoto, H. Matsukata «Alagnment of Ge three dimensional islands on faceted Si(100) surface» Thin Solid Films 321 (1998) 55-99.

V.A. Markov, O.P. Pchelyakov, L.V. Sokolov et al.. «Molecular beam epitaxy with synchronization of nucleation» Surface Sci., 250, 229 (1991).

O.P. Pchelyakov, I.G. Neisvestnyi, Z.Sh. Yanovitskaya. Phys. «RHEED control of nanjstructures formation during MBE» Low-Dim. Struct., 10/11, 389 (1995).

J.A. Floro, E. Chason, M.B. Sinclair, L.B. Freund, G.A. Lucadamo. «Dynamic self-organization of strained islands during SiGe epitaxial growth» Appl. Phys. Lett., 73, 951 (1998).

V. Thanh, v. Yam, F. Fortuna at e. «Vertically self-organized Ge/Si(001) quantum dots in multiplayer structure» Phys. Rev. B V60 N8, 5851 (1999-II)

Y.W. Zhang, S.J. Xu, and C.-h. «Vertical self-alignment of quantum dots in superlattice» Chiu. Appl. Phys. Lett., V74, N13, 1809 (1999).

K. Sakamoto, H. Matsuhata, M.O. Tanner, D. Wang , K.L. Wang. «Alignment of Ge three-dimensional islands on faceted Si(001) surfaces»Thin Solid Films, 321 (1998), 55-59.

H. Omi , T. Ogino. Applied Surface Science «Self-organization of nanoscale Ge islands in Si/Ge/Si(113) multiplayers» 130-132, (1998) 781-785

C.S. Peng, Y.H. Zhang, T.T.Sheng et al. «Improvement Ge self-organizd quantum dots by use of Sb surfactant» Appl. Phys. Lett., V72, N20, 2541 (1998).

T. Tezuka and N. Sugiyama. «Two types of growth mode for Ge clasters on Si(100) substrate with and without atomic hydrogen exposure prior to the growth» J. Appl. Phys., V83, N10 5239 (1998).

V. Le Thanh. «Fabrication of SiGe quantum dots: a new approach based on selective growth on chemically prepared H-passivated Si(100) surfaces»Thin Solid Films 321(1998), 98-105.

X. Deng and M. Krishnamurthy. Phys. «Self-Assembly of Quantum-Dot Molecules: Heterogeneous Nucleation of SiGe Islands on Si(100)» Rev. Lett., 81, 1473 (1998).

O.G. Schmidt, C. Lange, K. Eberl, O. Kienzle, F. Ernst. «Influence of pre-grown carbon on the formation of germanium dots» Thin Solid Films, 321, 70 (1998).

G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel, et al. «Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si» Semicond. Sci. Technol. 11, 1521 (1996).

A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov «Normal-incidence infrared photoconductivity in Si p-i-n diode with embedded Ge self-assembled quantum dots»Appl. Phys. Lett.,75, 1413 (1999).

V.A.Markov, A.I.Nikiforov and O.P.Pchelyakov «In situ RHEED control of direct MBE growth of Ge quantum dots on Si(001)» // J.Crystal Growth 175/176(1997) 736-740.

O.P. Pchelyakov, V.A. Markov, A.I. Nikiforov, L.V. Sokolov. «Surface processes and phase diagram in MBE growth of Si/Ge geterostructures» Thin Solid Films. 306, 299 (1997).

I. Goldfarb, G.A.D. Briggs «Comparative STM and RHEED studies of Ge/Si(001) and Si/Ge/Si(001) surfaces» // Surface Science 433-435 ( 1999) 449-454

J.H.Neave, P.J.Dobson, B.A.Joyce and Jing Zhang «Reflection High-Energy Electron Diffraction oscillation from vicinal surfaces-a new approach to surfaces diffusion measurement» // Appl.Phys.Lett. 47(2) 15July 1985 p.100-102.

K.Reginski, M.A. Lamin, V.I. Mashanov, O.P. Pchelyakov, L.V. Sokolov «RHEED intensity oscillation in resonance condition during MBE growth of Si on Si(111)». Surf. Sci., 327, 93 (1995).

Bert Voigtlander and Martin Kastner «Evolution of the strain relaxation in a Ge layer on Si (001) - by reconstruction and intermixing», Phys. Rev. B. V60, N8, R5121 (1999).

O. Kienzle, F. Ernst, O. G. Schmidt et al. «Germanium ``quantum dots'' embedded in silicon: Quantitative study of self-alignment and coarsening» Appl. Phys. Lett., V74, N2, 269 (1999).

G. Wohl, C. Shollhorn, O.G. Schmidt et al. «Characterization of self-assembled Ge islands on Si(100) by atomic force microscopy and transmission electron microscopy» Thin Solid Films 321 (1998) 86-91.

G. Medeiros-Ribeiro, T. I. Kamins, D. A. A. Ohlberg, and R. Stanley Williams « Annealing of Ge nanocrystals on Si(001) - at 550 °C: Metastability of huts and the stability of pyramids and domes» Phys.Rev.B V58, N7, 3533 (1998).

H. Sunamura, N. Usami, Y. Shiraki and S. Fukatsu «Island formation during of Ge on Si(100): A study using photoluminescence spectroscopy» Appl. Phys. Lett. 66(22), 3024 (1995).

O. G. Schmidt, C. Lange, and K. Eberl « Photoluminescence study of the initial stages of island formation for Ge pyramids/domes and hut clusters on Si( 001)» Appl.Phys.Lett. V75, N13, 1905 (1999)

Размещено на Allbest.ru