Комбінаційне розсіювання світла у структурах з тонкими шарами та самоіндукованими Sі/Gе наноострівцями

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМЕНІ В.Є. ЛАШКАРЬОВА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

КОМБІНАЦІЙНЕ РОЗСІЮВАННЯ СВІТЛА В СТРУКТУРАХ З ТОНКИМИ ШАРАМИ ТА САМОІНДУКОВАНИМИ Sі/Gе НАНООСТРІВЦЯМИ

ВИКОНАВ ДЖАГАН ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

Київ-2004

АНОТАЦІЯ

Джаган В.М. Комбінаційне розсіювання світла у структурах з тонкими шарами та самоіндукованими Sі/Gе наноострівцями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України. - Київ, 2004.

В дисертації викладено результати комплексного дослідження оптичних та структурних властивостей структур з тонкими кремній-германієвими шарами та самоіндукованими наноострівцями.

За допомогою спектроскопії КРС встановлено розподіл механічних напружень в шарах GeSi, отриманих різними методами. Досліджено вплив додаткових обробок та легування вуглецем на релаксацію напружень в Si/SiGe-гетероструктурах.

Використовуючи атомну силову мікроскопію, встановлено залежність об'єму, форми та поверхневої щільності самоіндукованих SiGe наноострівців від товщини епітаксійного германієвого шару та температури кремнієвої підкладки під час епітаксії. Підтверджено зв'язок бімодального розподілу острівців за розмірами з двома їх можливими рівноважними формами. Показано, що за рахунок дифузії атомів Si з кремнієвої підкладки під час росту острівці набувають змішаного GeSi складу і цей процес значно посилюється зі збільшенням температури росту. Теоретичний аналіз росту напружених SiGe наноострівців на кремнії показав, що при фіксованих температурі, концентрації Si в острівцях і часі росту має існувати граничне відношення висоти до латеральних розмірів, що визначає форму острівців. Збільшення вмісту кремнію в наноострівцях після зарощення їх Si не призводить до більшої їх релаксації, через відсутність вільної поверхні. Вирощування германієвих острівців на буферному шарі SiGe призводить до формування острівців виключно пірамідальної форми з максимально можливою щільністю.

Встановлено, що серія низькочастотних смуг в спектрі КРС надграток з наноострівцями зумовлена саме наноострівцями, а не змочувальними шарами між ними.

оптичний самоіндукований спектроскопія інтердифузія

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Швидкі темпи розвитку електронної техніки вимагають постійного вдосконалення існуючих технологій та стимулюють розробку нових функціональних матеріалів. З огляду на те, що основою сучасної електроніки є і в найближчі роки залишиться добре розвинена та найбільш дешева кремнієва технологія, перспективним способом розширення її можливостей є використання сплаву Si1-xGex як у якості робочих шарів, так і буферних для вирощування на них напружених робочих шарів Si. Завдяки більшій рухливості носіїв заряду в Si/SiGe-гетероструктурах, порівняно з об'ємним кремнієм, досягнуто значно вищих робочих частот в приладах на основі Si/SiGe. Дослідження короткоперіодних надграток (НГ) Si/Ge та квантових ям (КЯ) Si/Si1-xGex/Si зумовлене перспективністю їх застосування в детекторах електромагнітних хвиль близького та середнього ІЧ діапазону.

Однак поряд з широкими перспективами, що відкриває перед опто- та мікроелектронікою використання сплаву Si1-xGex, існує ряд проблем, зокрема, обмежена термічна стійкість таких структур та чутливість до різних технологічних обробок. Особлива увага технологів та науковців приділяється проблемам інтердифузії та релаксації механічних напружень. Легування Si1-xGex шарів атомами вуглецю може розглядатися як ефективний засіб запобігання небажаній пластичній релаксації структур, яка значно погіршує характеристики приладів. Експериментальне дослідження цих питань складало першу мету дисертаційної роботи.

Іншим шляхом, по якому може відбуватися релаксація напруженої плівки Ge/Si є утворення самоіндукованих трьохмірних наноострівців. Наступне зарощування їх кремнієм призводить до утворення квантових точок (КТ) Ge (GeSi) в Si-матриці. Широке застосування таких наноструктур в опто- та наноелектроніці реальне лише при точному передбаченні параметрів КТ для отримання необхідних оптичних та електричних характеристик. Однак, незважаючи на зростаючий інтерес до обговорюваної тематики та зусилля численних груп науковців, на сьогоднішній день не існує однозначного задовільного опису процесів самоіндукованого росту, в тому числі для системи Ge/Si. Так, зокрема, такі структурні параметри наноострівців, що визначають їх оптичні та електричні характеристики, як форма, розміри, компонентний склад, механічні напруження та поверхнева щільність острівців складним чином залежать від умов вирощування. Відомо, що острівці Ge/Si можуть існувати принаймні в двох формах, але не встановлено точні умови за яких переважатиме одна з цих форм або співіснуватимуть обидві. Це є дуже важливою проблемою, оскільки острівці різної форми та розмірів мають відмінні енергетичні спектри, а отже різні електричні та оптичні властивості. Для практичних застосувань є важливим отримання масивів острівців високої однорідності та поверхневої щільності, що також залишається на сьогодні складною проблемою.

Всі вищезазначені структурні параметри наноострівців зазнають кардинальних змін під впливом процесів інтердифузії при їх вирощуванні та зарощуванні кремнієм. Ще менш дослідженими є багатошарові структури з SiGe КТ, формування яких дозволяє не лише підвищити їх ефективність порівняно з одношаровими, а й призводить до появи нових властивостей завдяки взаємодії між КТ у сусідніх шарах. На час початку виконання дисертаційної роботи цим проблемам в системі Ge/Si не надавалося належної уваги. Тому другою метою даної роботи було дослідження впливу технологічних параметрів вирощування наноострівців на їх властивості з урахуванням ефектів інтердифузії.

Зв'язок роботи з планaми наукових робіт Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України. Дослідження, результати яких увійшли до дисертаційної роботи, були проведені у рамках планових фундаментальних досліджень ІФН імені В.Є. Лашкарьова НАН України по темах «Нанофізика та наноелектроніка», «Оптичні та спектроскопічні дослідження напівпровідникових матеріалів та структур на їх основі», а також по темі міжнародного проекту INTAS Call 2001 NANO-0444 «Growth and optical investigation of self-assembled Ge/Si based nanostructures».

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в комплексному дослідженні оптичних та структурних властивостей тонких кремній-германієвих шарів та самоіндукованих Ge/Si наноострівців і охоплює наступні конкретні задачі:

1. Дослідити напружені Si1-xGex-шари, отримані різними технологічними методами та вплив легування атомами вуглецю та технологічних обробок на зміну напружень в псевдоморфних епітаксіальних Si1-xGex-шарах.

2. Використовуючи засоби атомної силової мікроскопії (АСМ) та комбінаційного розсіювання світла (КРС) дослідити процес формування самоіндукованих наноострівців Ge/Si та залежність їх параметрів від товщини осаджуваного германієвого шару та температури росту; встановити природу бімодального розподілу наноострівців; теоретично проаналізувати вплив інтердифузії в процесі вирощування наноострівців на їх структурні параметри.

3. Провести порівняльне дослідження властивостей SiGe наноострівців в багатошарових та одношарових структурах та дослідити процес утворення згорток акустичних фононів в надгратках з SiGe наноострівцями.

Об'єктом досліджень є структури з тонкими SiGe шарами та з самоіндукованими SiGe наноострівцями.

Предметом досліджень є явища самоіндукованого росту SiGe наноострівців, ефекти впливу інтердифузії на компонентний склад та пружну деформацію в самоіндукованих SiGe наноострівцях та релаксація механічних напружень в тонких SiGe шарах.

Методи досліджень, використані в роботі, включають комбінаційне розсіювання світла, атомна силова мікроскопія та чисельне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено, що градієнтне легування буферного SiGe шару вуглецем ефективно перешкоджає зародженню дислокацій при надкритичних товщинах і необхідна величина постійної гратки на поверхні такої підкладки реалізується при значно менших товщинах, порівняно з SiGe градієнтним шарами.

2. Виявлені якісні відмінності механізму росту самоіндукованих острівців Ge на Sі від класичного механізму Странського-Крастанова, зумовлені в процесі росту інтердифузією, стимульованою неоднорідними механічними напруженнями навколо острівців. За допомогою спектроскопії КРС встановлено взаємозв'язок компонентного складу та механічних напружень в острівцях з температурою їх росту та номінальною товщиною осадженого шару германію.

3. Показано, що збільшення пружної енергії епітаксійного шару Ge шляхом використання в якості підкладки замість чистого кремнію напруженого Si1-хGeх буферу призводить до суттєвого зменшення критичної товщини 2D-3D-переходу та до кардинальних змін у морфології острівцевої структури.

4. За допомогою спектроскопії КРС встановлено збільшення вмісту атомів кремнію в острівцях та зменшення пружної релаксації наноострівців після зарощення їх кремнієм.

5. Показано, що при інтерпретації низькочастотних акустичних смуг КРС необхідно приймати до уваги реальну структуру острівцевої плівки, а не номінальні товщини шарів Ge та Si, як це робилося раніше.

Практичне значення одержаних результатів

1. Експериментально обгрунтовано визначення за спектрами КРС величини та розподілу по товщині зразка механічних напружень в прихованих шарах SixGe1-x, отриманих методом імплантації іонів Ge+ в кремнієву підкладку.

2. Кількісно оцінено вплив легування атомами вуглецю епітаксійних псевдоморфних Si1-xGex-шарів на кремнієвій підкладці на величину механічних напружень.

3. Встановлено, що обробка у низькотемпературній водневій ВЧ-плазмі забезпечує релаксацію механічних напружень в Si/SiGe/SiGe: С гетероструктурах і, на відміну від термічних обробок, не призводить до погіршення інтерфейсів між шарами.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок здобувача полягає в одержанні експериментальних результатів за допомогою спектроскопії КРС. Йому належить суттєва роль в інтерпретації отриманих результатів та написанні наукових праць, а також особистому представлені одержаних результатів на конференціях і семінарах різного рівня.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовану загальну мету і конкретні задачі дослідження, окреслено наукове і практичне значення роботи.

Розділ 1 присвячений огляду літератури. Розглянуто основні властивості структур на основі сплаву GeSi, обгрунтовано його переваги над традиційно використовуваним в електроніці кремнієм. Підсумовано досягнення технології вирощування структур з самоіндукованими острівцями нанометрових розмірів. Описано методику визначення величин компонентного складу та напружень у твердому розчині GeSi за допомогою спектроскопії КРС. Викладено основи теорії згортки акустичних фононів в періодичних структурах, яка використовується в літературі для опису серії смуг в низькочастотній області спектру КРС від планарних надграток.

У Розділі 2 викладено результати досліджень залишкових механічних напружень в Si1-xGex-шарах, отриманих різними технологічними методами, нелегованих та легованих вуглецем.

Метою підрозділу 2.1 було дослідження внутрішніх механічних напружень у двох типах структур: в Si1-xGex-шарах, одержаних методом епітаксії, та в прихованих у кремнії Si1-xGex-шарах, одержаних імплантацією іонів Ge+ в кремнієву підкладку з наступним високотемпературним відпалом. Оскільки глибина проникнення в напівпровідниковий кристал лазерного випромінювання в області власного поглинання залежить від довжини хвилі, то спектроскопія КРС дозволяє варіювати глибину зондування напівпровідникових структур, змінюючи зб. Величини напружень в досліджуваних зразках визначалися по зсуву фононних смуг в спектрі КРС з використанням відомих параметрів кристалічних граток Si та Ge. Для твердих розчинів використовувалася апроксимація за правилом Вегарда. В результаті проведених досліджень встановлено, що для прихованих Si1-xGex-шарів товщиною 50 нм, сформованих імплантацією іонів Ge+ в кремнієву пластину та наступним високотемпературним відпалом, реалізуються значні механічні напруження стиску, які зумовлюють також ефект розтягу прилеглих до нього тонких шарів кремнію. У випадку легування епітаксійного Si1-xGex-шару в процесі росту атомами вуглецю напруження стиску в ньому значно зменшуються, хоча повної релаксації не відбувається. На відміну від нелегованих Si1-xGex-шарів, вони пружно релаксують виключно за рахунок присутності атомів вуглецю, без пластичної релаксації.

У підрозділі 2.2 досліджено альтернативний спосіб отримання штучних підкладок з постійною гратки на поверхні, більшою, ніж у кремнію. Такі підкладки були отримані ступінчатим легуванням Si1-хGeх шару вуглецем. Концентрація вуглецю змінювалася від значення, яке повністю компенсує напруження на інтерфейсі з кремнієвою підкладкою, до такого значення біля поверхні Si1-хGeх:С шару, що дає необхідну величину постійної гратки. В результаті аналізу частотного положення та напівширини смуг у спектрі КРС встановлено, що у випадку градієнтного легування вуглецем шару Si1-xGex з досить великим значенням х (х 0,3) все ж таки має місце суттєва пластична релаксація. В той же час, для шарів з вуглецем та вмістом германію 10 % релаксація відбувається виключно за рахунок присутності атомів вуглецю, без появи дислокацій. Підкладки з градієнтним легуванням вуглецем мають суттєву перевагу над шарами з градієнтним вмістом германію, оскільки одна і та ж постійна гратки у першому випадку досягається при значно менших товщинах шару (<100 нм).

У підрозділі 2.3 продемонстровано можливості спектроскопії КРС для діагностики розподілу залишкових механічних напружень в багатошарових Si/SiGe-гетероструктурах, легованих у процесі росту атомами вуглецю, а також вплив додаткових обробок на релаксацію напружень в цих структурах. Досліджені епітаксійні структури були вирощені методом хімічного осадження (CVD) на підкладці Si(100). Схематично структура досліджених зразків представлена на вставці до рис. 1, на якому наведені спектри КРС вихідного та оброблених зразків. Дані спектри були виміряні при низькій температурі (80 К), що дозволило надійно розділити всі присутні у ньому смуги. Належність кожної з чотирьох смуг у спектрі відповідним шарам структури була підтверджена вимірюваннями спектрів КРС з різною довжиною хвилі збуджуючого випромінювання, що забезпечило різну глибину зондування гетероструктури. Встановлено, що легування вуглецем (1,5%) Si0.75Ge0.25 шару, розташованого між нелегованими SiGe шарами, призводить до майже повної релаксації в ньому механічних напружень, оскільки положення зумовленої ним смуги А не змінюється ні при яких обробках. Високотемпературний фотонний відпал зумовлює часткову релаксацію напружень у нижньому перехідному SiGe, але при цьому збільшує в ньому концентрацію атомів Si, що встановлено за допомогою мас-спектроскопії нейтральних іонів. Низькотемпературна обробка у водневій ВЧ-плазмі призводить до значної релаксації механічних напружень у цьому шарі без зміни його компонентного складу. Розтягнутий захисний кремнієвий шар у вихідній структурі зумовлює смугу С, яка в процесі відпалу зміщується в бік смуги D від кремнієвої підкладки і зливається з нею після обробки гетероструктури у ВЧ-плазмі. Дослідження структур методом електровідбивання підтвердили наявність механічних напружень у захисному кремнієвому шарі вихідного зразка і їхню відсутність у верхньому перехідному SiGe шарі.

Розділ 3. В даному розділі, використовуючи атомну силову мікроскопію та комбінаційне розсіювання світла, досліджено одношарові структури з Ge наноострівцями, вирощені при різних технологічних умовах.

Підрозділ 3.1 На основі експериментальних даних обґрунтовано можливість застосування спектроскопії КРС для визначення величин компонентного складу та механічних напружень в GeSi наноострівцях. Оскільки у використовуваній геометрії розсіювання «на відбивання» від площини (001) внеском в спектр КРС змочуючого шару можна знехтувати, а внесок кремнієвої підкладки можна відняти, то результуючий спектр КРС характеризує виключно коливання в наноострівцях. Яскравою ілюстрацією належності обговорюваних смуг КРС саме острівцям є порівняння АСМ зображень та спектрів КРС відповідних зразків. Видно, що при наявності лише змочуючого шару товщиною три моношари (МШ), в спектрі КРС відсутні будь-які смуги в області коливань твердого розчину GexSi1-x. Зі збільшенням загального об'єму острівців пропорційно збільшується інтенсивність смуг КРС. За частотним положенням та інтенсивністю даних смуг можна визначити величину компонентного складу (вміст германію в острівцях) х та величину залишкової пружної деформації l в острівцях. При цьому використовуються емпіричні співвідношення залежностей частот GeGe, GeSi та SiSi від х та l. Встановлено, що величина компонентного складу х незначно залежить від товщини осадженого шару германію. Величина пружної деформції l зменшується при збільшенні відносної кількості наноострівців у формі куполу, що зумовлено їх більшою пружною релаксацією внаслідок більшого відношення висоти до латеральних розмірів (1:5), порівняно з пірамідами (1:7). Встановлено, що змішаний GexSi1-x компонентний склад острівців зумовлений підсиленою неоднорідними напруженнями дифузією атомів кремнію з підкладки в процесі росту острівців. Про це свідчать глибокі канавки навколо наноострівців, які добре видно на отриманих нами АСМ зображеннях.

Підрозділ 3.2. Використовуючи АСМ-мікроскопію та спектроскопію КРС встановлено залежності поверхневої щільності, об'єму та форми SiGe наноострівців від товщини епітаксійно осадженого германієвого шару. Встановлено, що при товщині осадженого германію < 4 МШ зародження острівців не відбувається. При збільшенні кількості осадженого германію від 5.5 до 11 МШ спочатку відбувається збільшення кількості острівців на одиницю площі (б-в), а згодом, при досягненні певної критичної щільності, подальший ріст продовжується виключно за рахунок збільшення розмірів вже існуючих острівців (в-г). Причому острівці, що не досягли певного критичного об'єму, розчиняються, і за їх рахунок збільшуються розміри інших острівців. При цьому відбувається повний перехід пірамідальних острівців в куполи. Встановлено, що перехід відбувається при певному фіксованому об'ємі острівців, який при температурі росту 700С становить 4·104 нм3. Таким чином, підтверджено зв'язок бімодального розподілу острівців за розмірами, що зазначався в літературі, з двома їх можливими рівноважними формами: піраміди та куполу.

У підрозділі 3.3 досліджено залежність параметрів острівців від температури росту. Як слідує зі зміни відносних інтенсивностей та частотного положення смуг в спектрі КРС, збільшення Тросту від 600 С до 750 С призводить до збільшення розмірів острівців та зменшення їх щільності при одночасному збільшенні в острівцях вмісту кремнію. Зокрема, при збільшенні Тросту від 600С до 750С, внаслідок інтенсивної інтердифузії вміст германію в острівцях зменшується від 73 % до 45 %. Однак, ступінь релаксації острівців при цьому дещо зменшується. Це зумовлено збільшенням відносної кількості острівців, що мають форму пірамід, в яких напруження релаксують слабше ніж в куполах. Збільшення кількості пірамід зумовлено збільшенням критичного об'єму острівців, при якому відбувається перехід піраміда-купол: від ~5000 нм3 при Тросту=600С до ~150 000 нм3 при 750С. Зі збільшенням температури росту значно розширюється область стабільності пірамід, і при температурі осадження 750С перехід острівців пірамідальної форми у куполоподібну не відбувається. Показано, що при досить високій температурі епітаксії германію (700С) на Si (100) можна отримати високу щільність острівців змішаного SiGe складу з досить малою неоднорідністю за розмірами (<10 %).

Підрозділ 3.4. Теоретично обґрунтовано взаємозв'язок енергії GeSi наноострівців з їх формою та розмірами. Повна енергія епітаксійного Ge шару, що росте, складається з енергії інтерфейсу шар/підкладка, енергії пружної деформації, зумовленої невідповідністю постійних гратки шару та підкладки, та поверхневої енергії шару. Перехід від 2D до 3D острівцевого росту в системі Ge/Si є енергетично вигідним, оскільки зменшення енергії пружної деформації в острівцях переважає над збільшенням їхньої поверхневої енергії. На основі чисельного аналізу, проведеного в наближенні розрідженого масиву острівців, коли нехтується взаємодією між ними, встановлено, що зменшення пружної енергії острівців обумовлює збільшення їхніх латеральних розмірів у порівнянні з висотою. Підвищення температури росту складним чином впливає на співвідношення між поверхневими й об'ємними фізичними характеристиками острівців і при даних температурі, концентрації Si в острівцях і часі росту існує граничне відношення висоти до латеральних розмірів, що визначає форму острівців.

Розділ 4. Методом спектроскопії КРС досліджено відмінності параметрів наноострівців в одно- та багатошарових структурах, сформованих при однакових умовах.

Підрозділ 4.1. Обґрунтовано можливість використання КРС для визначення компонентного складу та механічних напружень в острівцях багатошарових структур. Інтерпретація спектрів КРС зарощених кремнієм острівців дещо ускладнюється, порівняно з одношаровими, розглянутими в Розділі 3, оскільки при зарощенні острівців кремнієм, значно зростає кількість інтерфейсних Si-Ge зв'язків, посилюється компонентне перемішування і додається внесок в спектр КРС проміжних кремнієвих шарів.

Підрозділ 4.2. Використовуючи методи КРС та АСМ досліджено багатошарові структури з Si1-xGex наноострівцями і проведено їх співставлення з аналогічними одношаровими структурами, вирощеними при тих самих технологічних умовах на Si та GeSi підкладках. На попередньо вирощеному Si0,9Ge0,1 буфері формуються острівці виключно пірамідальної форми з максимально можливою щільністю, на відміну від острівців, вирощених на кремнієвому буфері, які мають бімодальний розподіл та покривають менше 20% площі. Однак, краща однорідність за розмірами острівців певної форми характерна для системи, вирощеної на кремнії. Наявність SiGe-буфера сприяє релаксації вирощених на ньому острівців. Тенденція до більш значної релаксації в острівцях на Si0,9Ge0,1 посилюється у багатошаровій структурі. Завдяки впливу Si0,9Ge0,1 шару, який послаблює стискаючу дію кремнієвої підкладки та спейсерів, ці острівці є більш відрелаксованими, не дивлячись на більший вміст атомів германію в острівцях. Більш значне компонентне перемішування в багатошарових структурах відбувається в острівцях, вирощених на Si, також саме через більші напруження, що посилюють інтердифузію.

Підрозділ 4.3. Додаткову інформацію про параметри наноострівців, сформованих в багатошарових структурах дає дослідження згортки акустичних фононів (ЗАФ) в спектрах КРС. З метою виявлення впливу формування наноострівців на проявлення в спектрах КРС низькочастотних смуг, пов'язаних з розсіюванням на ЗАФ, було досліджено серію структур, які представляли собою пари НГ, з однаковою номінальною товщиною кремнієвого шару, але різними товщинами германію. В одній з них були сформовані острівці осадженням 6-8 МШ германію, а інша містила лише змочуючи шари (ЗШ), товщиною 3 МШ. Встановлено, що смуги КРС, зумовлені розсіюванням на ЗАФ, спостерігаються лише для НГ з КТ. Таким чином, формування острівців в таких структурах з малим числом періодів є ключовим моментом для прояву процесу КРС на ЗАФ. Показано, що при описі ЗАФ в таких структурах, не можна користуватися номінальними товщинами осадженого Si та Ge, як це робилося раніше. Нами було детально досліджено та промодельовано п'ятиперіодну структуру з наноострівцями, отриману методом молекулярно-променевої епітаксії германію на кремнієву підкладку (001) з попередньо вирощеним на ній кремнієвим буферним шаром товщиною 250 нм. Розміри острівців, що були сформовані осадженням 7,5 МШ германію при температурі 600оС та зарощені 26 нм кремнію, були точно визначені з результатів досліджень по просвічуючій електронній мікроскопії (ПЕМ). Періодичність структури, розрахована згідно розробленої моделі в припущенні, що смуги зумовлені острівцями, корелює з результатами високороздільної рентгенівської дифрактометрії та ПЕМ. В той же час, аналогічний розрахунок для змочуючих шарів дає менш задовільний результат. Це призводить до висновку, що в багатошарових структурах з острівцями смуги в низькочастотній області спектру КРС зумовлені саме острівцями, а не змочуючими шарами між ними. Істотну роль при цьому може відігравати резонансне підсилення сигналу КРС завдяки близькості енергії збуджуючого випромінювання спектрів КРС до певних електронних переходів в острівцях.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі викладені результати комплексного дослідження оптичних та структурних властивостей тонких кремній-германієвих шарів та зразків з самоіндукованими наноострівцями. Основні результати дисертації, висновки та практична цінність роботи полягають в наступному:

1. Методом спектроскопії КРС показано, що для прихованих у кремнії Si1-xGex-шарів товщиною 50 нм, сформованих імплантацією іонів Ge+ в кремнієву пластину з наступним високотемпературним відпалом, реалізуються значні механічні напруження стиску, які за рахунок пружної взаємодії зумовлюють ефект розтягу прилеглих тонких шарів кремнію. Встановлено, що легування атомами вуглецю Si1-xGex-шарів в процесі їх вирощування методом епітаксії на Si-підкладці значно зменшує напруження стиску в цих шарах, хоча повної релаксації не відбувається.

2. Встановлено, що обробка у низькотемпературній водневій ВЧ-плазмі призводить до часткової релаксації механічних напружень в Si/SiGe/SiGe:С гетероструктурах і, на відміну від термічних обробок, не погіршує якість інтерфейсів між шарами.

3. Використовуючи АСМ, встановлено, що об'єм, форма та поверхнева щільність самоіндукованих SiGe наноострівців суттєво залежить від товщини епітаксійного германієвого шару та температури кремнієвої підкладки під час епітаксії. Підтверджено зв'язок бімодального розподілу острівців за розмірами з двома їх можливими рівноважними формами: пірамідами та куполами. Показано, що при досить високій температурі росту (700С) на Si (100) можна отримати високу щільність острівців змішаного SiGe складу з вузьким розподілом за розмірами.

4. За допомогою спектроскопії КРС показано, що за рахунок дифузії атомів Si з кремнієвої підкладки Ge острівці набувають змішаного кремній-германієвого складу і цей процес значно посилюється зі збільшенням температури росту. Як наслідок, значно розширюється температурна область стабільності пірамід, і при температурі осадження 750оС перехід острівців пірамідальної форми у куполоподібну не відбувається.

5. Теоретичний аналіз росту напружених SiGe наноострівців на кремнієвому буфері показав, що підвищення температури росту складним чином впливає на співвідношення між поверхневими й об'ємними фізичними характеристиками острівців, так що при фіксованих температурі, концентрації Si в острівцях і часі росту має існувати граничне відношення висоти до латеральних розмірів, що визначає форму острівців.

6. Встановлено, що серія низькочастотних смуг в спектрі КРС надграток з наноострівцями пов'язана саме з фононними модами в наноострівцях, а не в змочувальних шарах між ними. Поява таких смуг для структур з лише кількома шарами свідчить про резонансне підсилення сигналу КРС завдяки наявності в острівцях прямих міжзонних переходів з енергіями близькими до енергії збуджуючого випромінювання.

Размещено на Allbest.ru