Реферати українською » Химия » Епітаксиальний зростання Ge на поверхні Si (100)


Реферат Епітаксиальний зростання Ge на поверхні Si (100)

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Зміст

Запровадження

Огляд літератури

>Ge-Si гетероструктури з квантовими точками

Фундаментальні передумови

Зростання й особливо упорядкування ансамблівGeнанокластеров. Поверхня кремнію (100)

>Морфологические перебудови

Ефекти самоорганізації

Розміри і щільність острівців: можливості управління

Контроль insitu

Опис експериментальної установки

Установкамолекулярно-лучевойепитаксии ">Катунь"

>Электронно-лучевой випаровувач

>Дифрактометр швидких електронів

>Кварцевий вимірювач товщини

Підготовка зразків

Результати експерименту

Обговорення результатів

Порівняння діаграми з цими наявними у літературі

>Температурное поведінка характернихтощин

Висновки

>Благодарности

З>писок літератури


Запровадження

З фізикою тонких плівок пов'язані досягнення і її подальшого розвитку мікроелектроніки, оптики, приладобудування та інших галузей нової техніки. Успіхи мікромініатюризації електронної апаратури відбуваються завдяки використанню керованогоепитаксиального вирощування тонких верств напівпровідників, металів і діелектриків в вакуумі із різних середовищ.

Зараз дуже важко сучасну фізику твердого тіла без напівпровідникових гетероструктур. Якщо можливість управління типом провідності напівпровідника з допомогою легування різними домішками і в ідеїинжекции нерівноважних носіїв заряду були насінням, у тому числі зросла напівпровідникова електроніка, то гетероструктури дають можливість вирішити значно більше загальну проблему управління фундаментальними параметрами в напівпровідникових кристалах та прилади: шириною забороненої зони, ефективними масами носіїв та йогоподвижностями, показником заломлення, електронним енергетичним спектром тощо. буд.

Напівпровідникові гетероструктури і, особливо, подвійні гетероструктури, включаючи квантові ями, дроту (КП) і точки (>КТ), є сьогодні предметом досліджень 2/3 дослідницьких груп у галузі фізики напівпровідників. Найбільш багатообіцяючим методом формування упорядкованих масивів КП іКТ є метод, використовує явище самоорганізації на кристалічних поверхнях.Релаксация пружних напруг, у разі зростання нарассогласованних за найважливішим параметром грати матеріалах, може спричинить формуванню упорядкованих масивівКТ.

Вибух інтересу до цієї області пов'язуватиметься з необхідністю отримання напівпровідникових наноструктур з розмірами буде в діапазоні кількох нанометрів, щоб забезпечити енергетичні зазори міжподуровнями електронів і дірок порядку кількохkT при кімнатної температурі. А спонтанне впорядкування наноструктур дає змогу отримувати включенняузкозонних напівпровідників вширокозонной матриці і тим самим створювати що локалізує потенціал для носіїв струму. Явища спонтанного виникнення наноструктур створюють основу для нову технологію отримання упорядкованих масивів квантових дротів і квантових точок – базу дляопто- і мікроелектроніки нової генерації.

Попри численні скарги й різнобічні дослідження, процесиепитаксиальной кристалізації не отримали повного пояснення. Ускладнення зумовлені, насамперед, складністю проблем що з процесами кристалізації у різних системах і середовищах. У цьому роботі досліджуєтьсяепитаксиальний зростанняGe лежить на поверхніSi(100) методом аналізу зміндифракционной картини при дифракції швидких електронів на відбиток.

 


Огляд літератури

>Ge-Si гетероструктури з квантовими точками

ЗростанняSiGe розчинів, з низьким змістом дефектів, іGe-Siгетеропереходов, має значення для прикладних цілей, таких, наприклад, як електронних і оптичних приладів великої потужності. Хоча А3У5 технологія продемонструвала більш кращі характеристики, проти кремнієвої, тим щонайменше, кремнієва технологія досі домінує над ринком над А3У5, що становить малий відсоток усього продажу. Є багато різних причин, що потенційно можуть пояснити ця обставина, але головна їх них – це красна ціна. Вартість виготовлення схем, однією квадратний сантиметр, з урахуваннямКМОП на 100 разів дешевші аналогічних використовують А3У5 технологію. Використання деяких сполук А3У5 обходиться іще дорожчий, тому А3У5 технологія не дуже скоро зможе конкурувати зКМОП за більшу частину ринку напівпровідників. Прилади з урахуванням германій кремнієвихгетеропереходов інтегровані зКМОП до створення схем, вже набагато дешевше, ніж А3У5 технології, як і раніше, що германійкремниевому напрямку лише близько 15 років. Додавання в технологічний процесепитаксии германію, на думку Microsystems Inc. додасть всього 15% до вартості продукту[]. Тому системи з урахуванням поєднання германію і кремнію давно приваблюють дослідників, щодо можливості отримання приладів з новими характеристиками.Биполярние транзистори зSiGeгетеропереходом вже випускаються IBM,Simens та інші компаніями.

Один з напрямів досліджень з урахуванням поєднання германію і кремнію стало створення структур містятьGexSi>1-xнанокластери в кремнієвої матриці.Гетероструктури з просторовим обмеженням носіїв заряду в всіх трьох вимірах (квантові точки) реалізують граничний випадокразмерного квантування в напівпровідниках, коли модифікація електронних властивостей матеріалу найбільш виражена. Електронний спектр ідеальної квантової точки (>КТ) є набір дискретних рівнів, розділених областями заборонених станів, й відповідає електронному спектру одиночного атома, хоча реальна квантова точка у своїй може складатися з сотень тисяч атомів. Отже, з'являється можливість моделювати експерименти атомів фізики на макроскопічних об'єктах. З приладовій погляду,атомоподобний електронний спектр носіїв в квантові точки у разі, якщо відстань між рівнем помітно більше теплової енергії, дає можливість усунути основну проблему сучасної мікро– іопто–електроники – "розмивання" носіїв заряду у енергетичному вікні порядкуkT, що веде до деградації властивостей приладів у разі підвищення робочої температури.

>Возросший інтерес до такихнанокластерам пов'язані з поруч обставин. Це успіхи у розробці технології отримання досить однорідної за величиною масивунанокластеровGe. Розміринанокластеров вдалося зменшити до значень, які забезпечують прояв ефектівразмерного квантування іелектрон-електронного взаємодії до кімнатної температури. Розроблені методи сумісні з існуючої кремнієвої технології виготовлення дискретних приладів та схем. Такі розробки, вважалися досі екзотичними, можуть призвести до справжньої Революції кремнієвої інтегральної технології.Светоизлучающие іфотоприемние кремній -германиевие устрою, дозволять кремнієвої технології успішно конкурувати зі споживачами традиційнооптоелектронними матеріалами, такі як сполуки А3У5.

З 1992 року починають відбуватися зміни у технології отримання структур з квантовими точками. На той час основним способом створення таких структур була фотолітографія, із властивою цьому методу обмеженням в мінімальних розмірах. Прояв ефекту самоорганізації упорядкованих масивів острівців нанометрових розмірів вгетеросистемахGe-Si іInAs-GaAs дало змогу одержуватибездефектние квантові точки гранично малих розмірів (10 - 100 нм) з щільністю 1010 - 1011 див-2 й призвело до більш чіткому проявуатомно-подобних характеристик в електронних і оптичних спектрах цих об'єктів.

Інтерес Вільгельма до дослідженню оптичних властивостейКТ обумовлений яскраво вираженої практичної спрямованістю і низкою переваг таких об'єктів проти двовимірнимисверхрешетками (квантовими долинами). ОсобливістюКТ є, по-перше, можливість управління спектральною смугоюфотоотклика шляхом попереднього заселення дискретних станів з необхідної енергією переходів; по-друге, наявність латерального квантування внульмерних системах знімає заборона оптичні переходи, поляризовані у площиніфотоприемника, отже, дає можливість здійснити поглинання світла нормального падінні фотонів; по-третє, вКТ очікується сильне збільшення часу життяфотовозбужденних носіїв внаслідок з так званого ефекту "вузькогофононного горла".

Прикладгетеросистеми германій кремній давно вивчається перехід відпослойного зростання плівки до утворення 3D острівців (механізмСтранского -Крастанова). За відносно низьких температурах синтезу, такі острівці не містятьдислокаций невідповідності (>ДН), навіть по істотного перевищення ними критичнихтолщин, що уGe-Si засвідчили, наприклад, на роботахEaglesham andCerullo[]. Останні 10 років іде бурхливий ріст досліджень механізмів освіти напруженихнаноостровков і особливості їх самоорганізації, як мають практичне використання у наноелектроніки.


Фундаментальні передумови

Рушійною силою освіти кластера, у випадку, є прагнення системи до стану з мінімальним вільної енергією. Основні закономірності зародження острівців вепитаксиальнойгетеросистеме визначаються балансом поверхневою енергії плівки і підкладки, і навіть енергії кордону розділупленка-подложка і внутрішньої енергії обсягу острівця. Вільна енергія новоствореного зародка лежить на поверхні підкладки має у трьох складових []:

Тут перший член – робота освіти нового зародка обсягу V,  -термодинамическая рушійна сила кристалізації -пересищение; другий член - робота, необхідна до створення додаткової поверхні >s, - поверхнева енергія зародка. Третій член створює додаткову енергію, виникає через пружною деформації зародка. Якщо два перших члена цього висловлювання представляють класичний варіант теорії зародження (див., наприклад, []), то останнього члена з'являється тільки у разі вирощування напружених плівок.

Внесок поверхні в зміна вільної енергії системи найбільш значний для кластерів малого розміру. Вплив пружною деформації зростає зі збільшенням розміру кластера. Суворі кількісних оцінок названих величин утруднені, бо до цього потрібні побудова точної моделі кластера. Тому такі поняття, як "кристалічна решітка" чи "поверхню" кластера часто мають досить умовний характер.

При великихрассогласованиях, як-от у системіGe-Si, величина цієї додаткової енергії залежить тільки від обсягу зародка, але його форми, >h/l (ставлення висоти до поперечному розміру зародка) і є істотною у переході2D - 3D. Внесокзтого члена за розрахункамиMuller and Kern [3] виглядає як швидко спадаюча функція >h/l. Чим більше виражена тривимірність напруженого зародка, тим менше додатковий внесок енергії напруг у його вільну енергію.Поверхностная енергія системиGe плівка (іGe острівець) - Si підкладка також залежить від товщини покриттяGe (і формиGe острівця) [3, ].

У першому наближенні ключовим чинником переходу віддвумерно-слоевого до тривимірномуостровковому зростаннюпсевдоморфних плівок є зниження енергії напруг у вершинах острівців через пружною релаксації.Определяющую роль морфологічній нестабільності поверхні плівок грають пружні напруги невідповідності, що призводять до релаксації плівки шляхом освіти острівців. Що стосуєтьсягомоепитаксии досить чистої поверхні практично всім напівпровідників об'ємні острівці не утворюються, а зростання плівок йде або з допомогою руху щаблів (>ступенчато-слоевой зростання), або шляхом формування та зрощення двовимірні острівців.Шероховатая поверхню напруженого шару має меншу сумарну енергію внаслідок пружною релаксації напруг у вершинах виступів. Збільшення поверхневою енергії є чинником, протиборчим розвитку рельєфу плівки, проте частково зменшує енергетичний виграш з допомогою релаксації. Чим більший неузгодженість параметрів грати плівки і підкладки, тим при меншою товщиніпсевдоморфной плівки втрачається її морфологічна стабільність. Освіта острівців є крайнім проявом морфологічній нестійкості напружених плівок і звичайно зокрема у системах з великим неузгодженістю параметра решіток плівки і підкладки (>2%), типовими представниками яких вони єGe-Si іInAs-GaAs.

Процес створення нової фази входять такі основні стадії якзародишеобразование, незалежний зростання центрів - і, нарешті, їхній розвиток у взаємодії друг з одним.

Початкова стадія зростанняGe на чистої поверхніSi(100) така, як длягомоепитаксии кремнію. У початковому стані лежить на поверхні підкладки перебуваєпересищеннийадсорбат, і першому етапі відбувається зародження2D центрів.

Далі настає другий етап зростання центрів, де відбувається зниженняпересищения навколо центрів, але останні ще взаємодіють. Тому зародження нових центрів у місцях, віддалених від якого вже які утворилися острівців, триває. Потому, як областідиффузионного "харчування" центрів перекриваються іпересищение між острівцями знижується, можливість появи нових центрів падає, настає третій, етап - етапкоррелированного зростання. Великі острівці ростуть, малі зникають.

Що стосується безупинної подачі атомів на поверхню (відкритої системи) острівці розростаються до зіткнення і утворюється суцільниймонослой. Потім ситуація повторюється, а й через неузгодженості решіток, плівка германію виявляється вузьке, і в міру збільшення товщини зростає енергія пружних деформацій. Так було в разі зростанняGe на Si іInAs наGaAs саме наявність цих деформацій призводить до переходу відпослойного зростання до утворення 3D кластерів лежить на поверхніподстилающего шару германію (чиInAs), т. е. реалізації механізмуСтранского -Крастанова. Істотна неоднорідність пружною релаксації острівця з його висоті призводить до залежності енергетичного виграшу від форми острівця. З'являються кілька дискретних енергетично найвигідніших форм (">hut", ">dome", ">superdome").

>Упругие спотворення по периферії кластера й у прилеглої області підкладки зростають зі збільшенням його розмірів, що змінює закономірності приєднанняадатомов до кластеру[, , ].


Малюнок 1. Схема формування 3D острівців у системіGe/Si.

Мал.1 схематично показує основні етапи освіти ансамблю напружених острівців. У початковому стані (але в поверхні єпересищеннийадсорбат, але нині він утворився лежить на поверхніподстилающего (змочувального) шарунапиляемого матеріалу (>Ge). Зародження 3D - ">hut"-кластеров (позиція (б)) зумовлено релаксацією пружних деформацій. Далі (позиція (в)) з'являються дві виділені форми: ">hut" і ">dome". Енергетична вигідність першої та другої форм залежить від їхніх об'єму, але можна їх співіснування. Можливий перетік атомів до більш енергетично вигідною формі (позиція (р, але: немає безперервного розподілу за величиною, а спостерігаєтьсябимодальность у розподілі); у роботі [] спостерігався зворотний пере хід від ">dome" до ">hut". Можливоквазиравновесное стан системи, коли розміри і форма кластерів мало змінюються у часі за відсутності зовнішнього потоку (позиція (буд)). Можливість стабільного стану ансамблю острівців зростає збільшенняманизотропии поверхневою енергії (її зростанням нафасеточних гранях острівців). При певних умов (близьке розташування острівців) теоретично обгрунтоване взаємодія кластерів черезперекривающиеся поля пружних деформацій в підкладці [,], що може свідчити сприяти упорядкування просторового розподілу острівців лежить на поверхні.

Зростання й особливо упорядкування ансамблівGeнанокластеров. Поверхня кремнію (100)

Через взаємодії обірваних зв'язків, атоми вприповерхностной області прагнуть перебудуватися на більш енергетично вигідні становища, створюючи лежить на поверхнідвумерную періодичну структуру. З допомогою методуДМЭШлиер іФарнсворт [] вперше спостерігали реконструйовану поверхнюSi(100), має елементарну осередок2x1 і домени двох типів, орієнтовані вздовж напрямів [011] і [0-11]. Атоми ідеальної поверхні (100) мають дві ненасичені зв'язку, одне з двох обірваних зв'язків поверхового атома разом із відповідною зв'язком сусіднього атома утворює новудимерную зв'язок. Сусідні атоми притягуються друг до друга створюючи пари, що веде до подвоєнню елементарної осередки у бік перпендикулярному рядахдимеров.СТМ зображення чистої поверхні представлене малюнку 2.

Зазвичай, поверхню має дві що чергуються реконструйовані фази, повернені на 900 щодо одне одного (див. мал.2), тобто. лежить на поверхні присутні два виду терас – SA іSB, здимерними рядами перпендикулярно і відомства паралельно щаблі відповідно. Поверхня може полягати як і з терас лише одну виду, у своїй щаблі з-поміж них заввишки двамонослоя. Діяльність автори розрахували з якого типу терас полягає поверхнюSi(100) залежно від кутаразориентации і температури зразка.

Малюнок 2. Зображення структури щаблівицинальной поверхніSi(100)

Через такий реконструкції поверхні, поверхнева дифузія стаєанизотропной.Адатоми "бігають" вздовждимерних рядів значно швидше, ніж впоперек. При малих швидкостях осадженняGe і з достатньою температурі, анізотропія поверхневою дифузії призводить до того, що острівці мають витягнуту форму.

>Морфологические перебудови

а

 

а

 
УгетеросистемахGe-Si експериментально спостерігають кілька стадій еволюції острівців у процесі збільшення ефективної товщини плівки. Ці стадії різні для підкладок орієнтації поверхні (001) і (111). З погляду створення квантових об'єктів поверхню (001) унікальна, бо лише у ньому знайшли компактні

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація