Дубровский В.Г. Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур

Подождите немного. Документ загружается.

На Рис.65 приведены спектры фотолюминесценции для образцов, ных с

выдержкой

∆

exp

= 0 и 7.5, снятые при комнатной температуре. На вставк влена

экспериментально полученная зависимость длины волны изл

экспозиции. Из представленных спектров видно, что при экспозиции 7 я

полоса, соответствующая оптической рекомбинации в квантовых то

состояние, сужается с 80 до 33 мэВ, что свидетельствует об увели

распределения островков по размерам. Этот

результат находи

соответствии с формулой (3.80) для функции распределения остров ам,

предсказывающей уменьшение относительной дисперсии по размерам нии

размер островков. Положение максимума длины волны излучения

при увеличении

времени экспозиции от 0 до 15 сек смещается в длинноволновую часть спектра, что

объясняется увеличением размера островков в соответствии с теорией. При дальнейшем

выращен

е предста

учения от времени

.5 сек спектральна

чках через основное

чении однородности

тся в качественном

ков по размер

при увеличе

увеличении экспозиции

должна выходить на некоторую асимптотику, соответствующую

квазистиционарному значению размера L

. Некоторое уменьшение длины волны при

экспозиции 22.5 сек, наблюдаемое в эксперименте, может быть объяснено появлением

дислокаций в больших островках, которое приводит к выключению таких островков из

механизма излучательной рекомбинации. Данное объяснение подтверждается и

наблюдаемым в эксперименте падением интегральной интенсивности излучения с

образца, выращенного с экспозицией 22.5 сек.

3. Докритические квантовые точки.

Исследуемые образцы с докритическим количеством осажденного InAs

[148,153,160] были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии на установке

ЭП1203. В качестве использовались монокристаллические полуизолирующие

пластины GaAs(100). Образцы выращивались по следующей схеме. На буферный слой

подложек

219

Рис.65.

Спектры

от структур с 1.9 МС

InAs квантовыми

точками: 1 – время

7.5 сек. На вставке

показана зависимость

длины волны

экспозиции.

фотолюминесценции

экспозиции = 0 сек, 2 –

излучения от времени

GaAs, выращенный при температуре 580

С, осаждался слой InAs, толщина которого

составляла 1.6 МС для первой серии образцов и 1.5 МС - для второй. Скорость осаждения

InAs для всех исследуемых образцов была одинаковой и составляла 0.05 МС/сек. После

осаждения InAs поверхность подложки выдерживалась некоторое время под потоком As

затем на нее осаждался покрывающий слой GaAs толщиной 5 нм при той же температуре

подложки. После этого, температура подложки поднималась до 585

С и происходил рост 5

нм GaAs. Таким способом были получены две серии образцов. В первой серии InAs

осаждался на поверхность GaAs при температурах 485, 450 и 420

С, причем толщина InAs

слоя составляла 1.6 МС. Во второй серии InAs осаждался при тех же температурах, но

толщина слоя была 1.5 МС. Оба значения толщины осаждения меньше критической

толщины h

для данной системы материалов [41,125,246,247]. Отметим, что для каждого

образца время выдержки поверхности после стадии осаждения InAs было различным.

Наличие этапа выдержки, в соответствии с теоретическими результатами п. III.9,

необходимо для того, чтобы сформировать упруго-напряженный ансамбль InAs островков

из начальной пленки с малой степенью метастабильности. Появление островков InAs на

поверхности структуры наблюдалось по характерным

изменениям картин дифракции

быстрых электронов на отражение.

220

В Таблицу 3 сведены основные параметры и результаты измерений исследуемых

обр ских

толщ ден следу прим ения за

картина электронной ции показа сразу после InAs слоя

толщин 1.5-1.6 МС поверхности происходит образования островков.

Дифракционная картина в случае остава линейчатой

, и на были видны лишь

основные , что характерно для двумерного роста. Следующая за осаждением

InAs адия выдержки в потоке As

, приводила (в большинстве случаев) к кардинальному

измен ь л

образования островков считался момент появления точечных

рефлек

азцов. Отметим особенности формирования InAs квантовых точек при докритиче

инах осаж ного материала на ющем ере [160]. In situ наблюд

ми дифрак ли, что осаждении

ой на не

этом лась

ней

рефлексы

ст

ению картин дифракции. Именно, наблюдалос характерное д я островкового роста

появление объемных дифракционных рефлексов. После появления объемных рефлексов

поверхность образцов выдерживалась еще некоторое время под потоком As

, что

приводило к появлению на ней наклонных линейчатых рефлексов, исходящих из

объемных, которые соответствовали дифракции электронов от боковых граней островков.

Начальным моментом

сов, а по моменту появления наклонных дополнительных рефлексов оценивалось

характерное время роста островков. Осаждение покрывающего слоя GaAs начиналось

сразу после появления дополнительных наклонных

рефлексов на дифракционной картине.

Анализ приведенных в Таблице 3 данных о временах образования квантовых точек в

зависимости от температуры подложки для структур с 1.5 и 1.6 МС InAs позволяет

сделать следующие выводы. Во-первых, формирование островков происходит как в

случае осаждения 1.6 МС InAs, так и в случае 1.5 МС InAs. Во-вторых, для структур с

1.5МС InAs образование

островков происходит значительно позднее по отношению к

образцам, содержащим 1.6 МС InAs, что объясняется меньшей метастабильностью

смачивающего слоя в первом случае. Так, при толщине осаждения 1.5 МС и температуре

подложки 485

С образование островков не наблюдалось даже при времени выдержки 90

секунд.

221

Таблица 3. Параметры исследуемых образцов с докритическим количеством InAs

Образец Толщина InAs, МС T,

C Время формирования, s

1.a 1.6 485 13

1.b 1.6 450 4

1.c 1.6 420 2

2.a 1.5 485 >90

2.b 1.5 450 20

2.c 1.5 420 15

Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии были

выполнены на просвечивающем электронном микроскопе Philips EM2420 с ускоряющим

напряжением 100 кВ. Образцы как в геометрии поперечного сечения, так и планарной

геометрии были приготовлены с помощью ионного распыления. Для визуализации упруго

рефлексом типа (220).

Электронно-микроскопические исследования

островков на поверхности GaAs(100) происходит

при оcаждении 1.5 МС (Рис.66). На приведенных

наблюдается контраст, характерный для уп

изображений показал, что плотность включения

плотности упруго-когерентных включений InAs

плотности при осаждении 1.6 МС InAs для всех

пове тью

соответству урная

зависимость плотности квантовых точек приведена на Рис.67, где также показаны

экспериментально измеренные плотности

при закритической толщине осаждения InAs = 2

- напряженных когерентных включений был использован режим светлого поля с рабочим

подтвердили

, что образование InAs

как при осаждении 1.6 МС InAs, так и

изображениях поверхности отчетливо

руго-когерентных включений. Анализ

соответствует типичным значениям для

в матрице GaAs ~ 10

см

-2

. Значение

образцов существенно больше, чем при

осаждении 1.5 МС. Таким образом, плотность островков при фиксированной температуре

рхности увеличивается с увеличением количества осажденного InAs, что полнос

ет первой формуле (3.92) для докритических квантовых точек. Температ

222

МС из работы [148]. Из этого рисунка видно, что значение плотности при осаждении 1.5

МС InAs и температуре подложки 420

С ниже, чем для 450

С, тогда как для эффективной

толщины 1.6 МС наблюдается обратное соотношение. В закритической области толщин

осаждения плотность островков всегда уменьшается при увеличении температуры

поверхности. Таким образом в области от 1.6 МС InAs выше плотность островов при

данной толщине осаждения уменьшается при увеличении температуры поверхности, а при

1.5 МС – увеличивается при увеличении температуры. Следовательно,

в интервале от 1.5

до 1.6 МС происходит «опрокидывание» температурной зависимости плотности

квантовых точек. Этот результат находится в соответствии с предсказаниями теории,

которые иллюстрируются формулами (3.91), (3.92) и Рис. 55, 56, и связан с переходом от

термодинамического к кинетическому режиму фор

, и

мирования квантовых точек вблизи

ритической толщины. к

Рис.66. Электронно-микроскопическое изображение докритических InAs квантовых точек,

выращенных при T=485

C, H

=1.6 МС (а) и T=450

C, H

=1.5 МС (b) в планарной

геометрии, полученное в режиме светлого поля при рабочем рефлексе (220).

На основании полученных экспериментальных данных и теоретического анализа

п.III.9 можно сделать некоторые общие выводы относительно характера зависимости

223

мор ов

ростового процесса при м пература поверхности T,

сажд лщ

в риведены в

Дв случая, соо термодинамическому режиму

формирования квантовых точек в до ласти (формула (3.91)) и

к области (форм

претендовать на го режима вблизи критической толщины осаждения

, так

переходной об казы й режим для системы

GaAs(100) при исследуемых температурах поверхности осуществляется при h

±0.1

С, т.е. примерно в интервале от 1.6 до 1.8 МС.

фологии InAs квантовых точек на поверхности GaAs(100) от управляющих параметр

олекулярно-пучковой эпитаксии (тем

скорость о

Таблице 4.

ения V и эффективная то ина осаждения H

). Эти ыводы п

а предельных тветствующих

критической об

кинетическому режиму формирования в за ритической ула (3.92)), не могут

описание переходно

, где существенны как кинетические и термодинамические факторы. Оценка

ласти по толщине по вает, что переходны

InAs/

1.41.51.61.71.81.92.02.1

V =0.05 ML/s

T =450 C

400

430

460

T =420

InAs QD density [x10

10 -2

]

Рис.67. Зависимость

точек от толщины

осажденного InAs при

различных температурах

450

InAs thickness [ML]

плотности InAs квантовых

поверхности: 1 – 420

С, 2 –

С.

224

Таблица 4. Качественное поведение морфологии КТ в системе InAs/GaAs(100) при

различных толщинах осаждения InAs

Толщина

осаждения

Поведение плотности и

размера при

Поведение плотности и

размера при

осаждения InAs

Режим

InAs

увеличении температуры

увеличении скорости

Менее 1.6 МС Плотность увеличивается Не зависят Термодинамический

Размер уменьшается

1.6 – 1.8 МС _____ ______ Переходный

Боле 1.8 МС Плотность уменьшается

Размер увеличивается

Плотность увеличивается

Размер уменьшается

Кинетический

Ge/Si(100)

фологии

III.12. Теория и эксперимент: система

Температурная зависимость мор «hut» кластеров

эксперименты на уст

выращивались при 4 различных

Для исследования температурной зависимости морфологии нанокластеров в

системе Ge/Si(100) [148,149,151] были проведены ростовые ановке

молекулярно-пучковой эпитаксии Riber Siva. Образцы

температурах поверхности: T = 420, 450, 470 и 500

C. Скорость осаждения Ge V была

постоянной и равнялась 0.345 МС/сек. Остановка роста производилось при эффективной

толщине осажденного Ge H

= 6.2 МС, что соответствует времени осаждения 180 сек.

После остановки роста поверхность немедленно охлаждалась. Выращенные образцы

исследовались методом атомно-силовой микроскопии на установке Digital Instruments Inc.

образца приведено на Рис. 68. Анализ

изображений, ых дом атомно-силовой микроскопии, показыва что

нанокластеры, выращенные и T=4

имеют му пирамиды с примерно

квадратным основанием. При уры отчетливо

д ти стров с квадратным анием прямоу ым основанием,

удлиненным в направлении оси x (ось x соответствует направлению [010], ось y –

Типичное изображение

полученн

поверхности

мето ет,

пр 20

С, фор

повышении температ на изображениях видны

ва па о ков – основ и с гольн

225

направ

е при

лению [001]). Отношение поперечных размеров островков в этих двух

направлениях L

меняется в пределах от 1.74 до 2.64. Для всех четырех образцов

фракция кластеров с квадратным основанием является доминирующей. Контактный угол

островков

ув личивается увеличении температуры поверхности. Отношение высоты

к латеральному размеру

для островков с квадратным основанием меняется от

=0.1 при

T=420

C до

=0.24 при T=500

C. Средний латеральный размер кластеров обеих фракций

существенно увеличивается при увеличении температуры поверхности, в то время как их

плотность уменьшается. Полученные экспериментальные данные по геометрии, среднему

латеральному размеру и поверхностной плотности островков сведены в Таблице 5.

Рис.68. АСМ изображение образца,

выращенного при T=450

C. Область

сканирования равна 300x300 нм. Стороны

изображений параллельны

кристаллографическим направлениям

[011] и [0-11].

Таблица 5. Экспериментальные данные по морфологии Ge/Si(100) островков

Средний латеральный размер, nm

Квадратное основание Прямоугольное основание

№

Плотность,

x 10

см

Высота,

нм

10 -2

1 420 5.6 1.1 11.8 13.0 - -

2 3.9 2.5 14.2 15.3 24.7 11.8 450

3 470 1.1 3.0 20.2 17.9 33.1 19.0

4 500 1.5 5.0 20.2 21.3 53.1 20.1

226

Теоретические расчеты проводились по формулам, перечисленны

параметров системы Ge/Si(100), приведенных там же. Резу

представлены в Таблице 6. При расчете температурной зависи

м в п.III.7, для

модельных льтаты вычислений

контрольного параметра Q по формуле (3.93) для характ

температуры T

принималось значение 7750

K. Расчеты проводи в

пирамидальной формы с квадратным основанием. Значения контак

ри

основании пирамиды варьировались таким образом, чтобы полу ой

температуре экспериментально измеренное значение отношения выс ию

пирамиды

. Эти значения приведены во втором столбце Таблицы 6. Зависящее от

ачение квазиравновесной температуры T

рассчитывалось по формуле (3.14).

Коэффицие

при

данном

. Результаты, пр что расчетное значение

критической толщи формирования «hut» кластеров для всег едуемого диапазона

температур составл М Некотор чение критической толщ

повышении темпер ы связан изменен рмы остро становятся

более высокими (напомним, что при одинаковой форме критическая толщина должна

уменьшаться при увеличении температуры). Поверхностная плотность островков

монотонно см

-2

до 1.7*10

см

-2

при повышении ростовой

температуры T от 420 до 500

С, а их средний латеральный размер монотонно

увеличивается с 12 до 20 нм. Поскольку толщина осаждения Ge не намного превосходит

критическую толщину, значение L(t

) в момент остановки роста меньше максимального

размера L

. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей среднего размера

островков от температуры приведено на Рис.69.

мости кинетического

ерной диффузионной

лись для островко

тного угла

чить при данн

оты к основан

зн

нт релаксации упругих напряжений в островке Z(

) определялся из Рис.44

иведенные в Таблице 6, показывают,

ны о иссл

яет 4.8-5.2 С. ое увели ины при

атур о с ием фо вков, которые

уменьшается от 5.7*10

227

420 440 460 480 500 520

Experiment

Theory

L eral ze, n

Рис.69. Теоретическая

зависимость среднего

размера Ge/Si(100)

at si m

и экспериментальная

островков после

осаждения 6.2 МС Ge

Temperature,

от температуры

поверхности.

Таблица 6. Теоретические характеристики ансамблей Ge/Si островков при

различных температурах поверхности

, град

0 10 -2

, МС N, 10 см L(t

), нм L

, нм

420 13 4.8 5.7 11.7 25

450 19 5.0 4.0 17.5 26

470 19 5.0 3.3 19.6 28

500 26 5.2 1.7 21.3 31

2. Влияние потока сурьмы

Для большинства практических приложений SiGe гетероструктур, в частности, для

создания светоизлучающих устройств на основе кремния [248-250], многоострийных

полевых эмиттеров [251] и т.д. требуется создание по возможности более однородных по

размерам нановключений Ge в матрицу Si. В случае создания Ge островков на

поверхности Si(100) за счет самоорганизованного роста при молекулярно-пучковой

эпитаксии, разброс по размерам островков обычно бывает

достаточно велик. Как уже

отмечалось, в достаточно широкой области температур поверхности наблюдается

сосуществование «hut» и «dome» фаз [124], приводящее к бимодальной функции

распределения по размерам. Кроме того, «dome» кластеры достаточно большого размера

228