Вплив пружних деформацій у епітаксійному гетеропереході Sі-Gе з квантовими точками Gе на ефект розмірного квантування

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ХІМІЇ ПОВЕРХНІ

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ВПЛИВ ПРУЖНИХ ДЕФОРМАЦІЙ У епітаксійному ГЕТЕРОПЕРЕХОДі Sі-Gе З КВАНТОВИМИ точками Gе НА ЕФЕКТ РОЗМІРНОГО КВАНТУВАННЯ

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

Рубежанська Марія Юріївна

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук

Козирев Юрій Миколайович,

Інститут хімії поверхні НАН України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

Розенбаум Віктор Михайлович,

Інститут хімії поверхні НАН України,

провідний науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук, професор

Куницький Юрій Анатолійович,

Технічний центр НАН України,

завідувач відділу фізики наноструктурних матеріалів.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Захист відбудеться “14” квітня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні НАН України за адресою: 03164, Київ 164, вул. Генерала Наумова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні НАН України (03164, Київ 164, вул. Генерала Наумова, 17).

Автореферат розіслано “11” березня 2005 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Приходько Г.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гетероепітаксійний квантовий пружний щільність

Актуальність проблеми. Розвиток фізики низькорозмірних систем і нанотехнології відкрив можливості створення засобами “зонної інженерії” структур нанометрового масштабу (надґраток, квантових ям, квантових дротів і квантових точок), у яких проявляються ефекти розмірного квантування. У квантових точках реалізується граничний випадок розмірного квантування, коли носії заряду обмежені у просторі в усіх трьох вимірах і модифікація електронних властивостей матеріалу найбільш виражена. Електронний спектр ідеальної квантової точки (КТ) являє собою набір дискретних рівнів і подібний електронному спектру ізольованого атома. Просторове обмеження носіїв заряду в таких структурах призводить до появи додаткових енергетичних рівнів, відсутніх в об'ємних фазах матеріалів, що проявляються в їхніх електронних властивостях. Крім того, пружні напруження, що виникають у гетеропереходах з розузгодженням за постійними ґратки, можуть додатково трансформувати зонну структуру й електронний спектр. Незрозумілим на сьогоднішній день залишається питання як саме напруження впливають на ефекти розмірного квантування в таких системах і чи існує можливість їх контролювати. Тому дослідження в цій галузі є актуальними.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано в рамках бюджетних тем Інституту хімії поверхні НАН України: “Хімічна фізика поверхні розподілу нанорозмірних гетерогенних кластерно-зібраних систем” (№ держ. реєстрації 0199U002300); “Синтез, модифікування, фізико-хімічні дослідження систем пониженої розмірності та композитів на їх основі” (№ держ. реєстрації 0102U000875); “Нанохімічні процеси одержання дисперсних матеріалів і композитів на їх основі” (№ держ. реєстрації 0103U000876); “Супрамолекулярна хімія на межі розподілу фаз” (№ держ. реєстрації 0103U006289).

Мета роботи полягає у дослідженні явищ на поверхні епітаксійних гетеросистем з суттєвою різницею постійних ґратки та визначенні впливу пружних напружень, що виникають в острівцевій плівці, на характер росту та розмірні параметри КТ Ge на підкладинах Si(100) та Si(111).

Задачі дослідження:

Розробка та одержання гетероепітаксійних систем із квантовими точками Ge на підкладинах Si (100) і (111) з різними геометричними параметрами і щільністю розподілу по поверхні підкладини методом молекулярно-променевої епітаксії.

Дослідження особливостей структури твердого розчину Si_1-xGe_x для 0х1.

3. Дослідження впливу пружних напружень на розмірне квантування в таких системах.

Об'єкт дослідження: ефекти розмірного квантування в системах із квантовими точками Ge на Si.

Предмет дослідження: епітаксійні структури з квантовими точками Ge на підкладинах Si(100) і Si(111).

Методи дослідження: дифракція швидких електронів, Оже-спектрометрія, дифракція повільних електронів, атомна силова мікроскопія, польова електронна емісія, фотопольова електронна емісія.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше застосовано оригінальний спосіб епітаксійного вирощування гетероструктур SiGe з КТ Ge, що дозволяє встановити залежність параметрів КТ від пружних напружень, що виникають в острівцевій плівці.

Вперше експериментально виміряно структурні характеристики твердого розчину Si_1-xGe_x та показано, що в площині росту елементарні комірки Si та Ge зазнають аномальних змін. Проведено чисельні розрахунки, що встановлюють зв'язок між пружними напруженнями та параметрами КТ.

3. Вперше за допомогою прямих методів електронної польової та фотопольової емісії з нанокластерів Ge на Si (100) та (111) зафіксовано ефект розмірного квантування.

Практичне значення отриманих результатів.

Запропоновано метод епітаксійного вирощування структур з КТ із регулюванням остаточних пружних напружень в острівцевій плівці.

Отримані вольтамперні характеристики польової емісії з таких структур виявляють дуже високу ефективність емісії (Е 10⁵ В/см) і тому такі системи можуть використовуватися як елементи низковольтних дисплеїв.

3. Досліджено та змодельовано механізми процесів, що відбуваються на поверхні Si при епітаксії. Нанотехнологія SiGe відкриває перспективу одержання систем КТ високої густини та однорідності розподілу по поверхні підкладини як нової бази для конструювання приборів опто- і наноелектроніки.

Особистий внесок здобувача.

Постановку задач досліджень дисертаційної роботи здійснено разом із науковим керівником к.ф.-м.н. Ю.М. Козиревим. Підбір, огляд та аналіз літературних даних проведено дисертантом особисто. Експериментальні зразки із квантовими точками Ge на підкладинах Si(100) і (111) було одержано на установці молекулярно-променевої епітаксії “Катунь-В” спільно з науковим керівником. Здобувачем досліджувався вплив параметрів епітаксійного росту на геометричні параметри та структурні особливості систем квантових точок Ge, що формуються. Експериментально виміряно швидкості росту Si та Ge за допомогою системи “Фотон-Мікро” та параметри елементарних комірок Si та Ge в площині росту за допомогою методу дифракції швидких електронів у процесі формування зразків, а також розраховано потоки речовини. Систематизацію і комп'ютерну обробку отриманих експериментальних результатів, а також чисельні розрахунки пружних напружень та структурних параметрів досліджуваних структур було здійснено особисто автором. Пошаровий Оже-аналіз епітаксійних структур проводився у співпраці з кандидатом фізико-математичних наук В.К. Скляром. Роботи з дослідження електронної польової емісії зі структур з нанокластерами Ge проводилися в співробітництві з академіком НАН України А.Г. Наумовцем і кандидатом фізико-математичних наук О.А. Дадикіним (Інститут фізики НАН України). Чисельне моделювання пружних напружень у системі наноострівець-поверхня в рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ було здійснено спільно з кандидатом технічних наук Л.Б. Лерманом і обговорювалося з доктором фізико-математичних наук Л.Г. Гречком. Обговорення та інтерпретація отриманих результатів відбувалося спільно з співавторами друкованих наукових праць.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на конференціях: XXX International school on the physics of semiconducting compounds "Jaszowiec 2001”, Ustron-Jaszowiec, Poland; 15^th International Vacuum Microelectronics Conference and 48^th International Field Emission Symposium 2002, Lyon, France; Summer School and Workshop “Nanotubes and Nanostructures” 2002, Frascati, Italy; Всеукраїнські конференції молодих учених по актуальних питаннях хімії, Інститут хімії поверхні, Київ, травень 2002 і 2003; Symposium dedicated to memory of Professor Maria Steslicka, Wrocіaw, Poland, March 2003; NATO Advanced Research Workshop “Quantum Dots: Fundamentals, Applications, Fronties” 2003, Crete, Greece; Международная научная конференция “Тонкие пленки и наноструктуры”, Москва, Россия, сентябрь 2004.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи викладено в одній монографії, 4 статтях та 7 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури (розділ 1), основного змісту роботи (розділи 2-4), загальних висновків і списку цитованої літератури. Роботу викладено на 157 сторінках машинописного тексту, що містить 64 рисунки, 1 таблицю та 160 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету роботи, визначено новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі дисертації наведено аналіз механізмів формування гетероепітаксійних систем з наявністю розузгодження за постійними ґратки між вирощуваною плівкою і підкладиною. У гетероепітаксійних системах, узгоджених за постійними ґратки, режим росту визначається лише співвідношенням двох поверхневих енергій ₂ і ₁ і енергією границі розділу ₁₂. За наявності розузгодження між матеріалами вирощуваної плівки і підкладини механізм росту також залежить від напружень у плівці, що виникають внаслідок розузгодження за постійними ґратки f = а₂ - а₁/ а₁ між підкладиною 1 і вирощуваною плівкою 2. У цьому випадку в залежності від термодинаміки росту процеси, що відбуваються на поверхні, пояснюються трьома механізмами: Франка-Ван дер Мерве, Странського-Крастанова і Фольмера-Вебера, що відповідають росту рівномірно напруженої плівки докритичної товщини, формуванню дислокаційних релаксованих острівців і росту бездислокаційних когерентно напружених острівців, відповідно

Розглянуто особливості зонної структури кремнію і германію, а також напруженого і ненапруженого гетеропереходів Si-Ge. Показано, що напруження можуть також трансформувати зонну структуру в області гетеропереходу (ширину забороненої зони і викривлення зон), впливаючи таким чином на рухливість носіїв заряду і локалізуючі потенціали, а також на зонну структуру самих КТ Ge.

Наведено короткий огляд сучасного стану дослідження структурних, електронних, оптичних та фізичних властивостей гетероструктур із КТ за допомогою різних методик: атомної силової мікроскопії, просвічуючої електронної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії, рентгенівської дифракції і спектроскопії рентгенівського поглинання, дифракції швидких електронів, комбінаційного розсіювання, досліджень фотопровідності, фотолюмінесценції, вольт-фарадних характеристик, спектроскопії глибоких рівнів і ін. Наведено приклади реалізації розроблюваних приладів опто- і наноелектроніки на основі масивів КТ.

Другий розділ присвячено розробці й одержанню квантово-розмірних систем Si-SiGe, Si-SiGe-Ge, Si-Ge. Наведено описання експериментальної установки молекулярно-променевої епітаксії “Катунь-В”, призначеної для одержання епітаксійних напівпровідникових структур, в тому числі з квантовими точками, за допомогою молекулярних потоків, що формуються джерелами, в умовах надвисокого вакууму, не гірше 110^-8 Па, з одночасним контролем in situ каліброваного складу пучків і параметрів одержуваної структури. Установку було удосконалено використанням джерела Ge оригінальної конструкції (рис. 2), у якому Ge, що випаровується, було розташовано у заглибленні кремнієвої шайби, з метою збільшення швидкості росту Ge (до 0,1 нм/c) і більшої однорідності розподілу потоку Ge по поверхні підкладини. Наведено технологію одержання надвисокого вакууму (<10^-9 Па) в робочій камері установки і розглянуто методики передепітаксійної підготовки й контролю поверхні підкладин для епітаксії гетероструктур. Досліджено особливості епітаксії Ge і Si при одержанні гетероструктур Si_1-xGe_x, у тому числі з КТ Ge, в залежності від параметрів епітаксійного процесу (температури підкладини, швидкості росту, потоків речовин та ін.).

У третьому розділі досліджено вплив параметрів росту на структурні характеристики одержуваних експериментальних зразків із КТ Ge на підкладинах Si(100) і Si(111). У випадку Ge і Si постійна ґратки Ge на 4,2 % більша за постійну ґратки Si і при температурах >700 К процес змочування підкладини енергетично вигідний. Двовимірний східчастий ріст відбувається до певної критичної товщини, що залежить від температури підкладини і мольної частки Ge, після чого накопичена в шарі пружна енергія стає рівною енергії змочування і відбувається перехід від двовимірного росту до формування тривимірних острівців, тобто реалізується механізм Странського-Крастанова. Вперше було запропоновано метод системи проміжних шарів, що містить N двовимірних шарів Si_1-xGe_x докритичної товщини з поступовим збільшенням мольної частки Ge х від шару до шару.

Метод системи проміжних шарів дозволив змінювати рівень залишкових напружень у результуючій плівці, що передує острівцевій, шляхом задання параметрів проміжних шарів (їхньої кількості, товщини, мольної частки Ge), у такий спосіб зменшивши вплив змочувального шару. За допомогою цього методу вдалося одержати системи нанокластерів Ge на Si(100) і Si(111) з різними геометричними параметрами (від 20 до 250 нм шириною, від 3 до 40 нм висотою) і щільністю розподілу по поверхні підкладини (від 10⁹ до 10¹¹ см^-2), які є практично бездислокаційними (рис. 4). В результаті, було експериментально встановлено вплив залишкових напружень, що задаються системами проміжних шарів, на розміри і щільність розподілу систем КТ Ge на Si.

Було виявлено двоетапний характер формування КТ Ge на Si (111), коли поверхня з атомарно гладкої спочатку стає ребристою вздовж напрямку {011} з подальшим формуванням тривимірних нанокристалітів Ge висотою 2-5 нм на гранях ребер (100 нм 7 нм), що відрізняються від випадку Si (100) формою і розмірами

Склад вирощуваних епітаксійних структур у процесі їхнього росту, а також структура поверхні контролювалися in situ за допомогою дифракції швидких електронів. При цьому, в процесі росту вимірювались відстані між дифракційними максимумами, що виводилися на монітор комп'ютера, за яких за допомогою побудови сфери Евальда розраховувалися постійні елементарних комірок Si і Ge і довжини хімічних зв'язків. Вперше було виявлено аномальну поведінку постійних ґраток Ge і Si у площині росту, коли із збільшенням мольної частки Ge у шарах усереднена постійна ґратки у твердому розчині Si_1-xGe_x зменшувалася, при х>0,3 ставала меншою постійної ґратки Si на 3-5 %, а потім майже поверталася до її вихідного значення. Для пояснення цього ефекту в рамках класичної теорії пружності було оцінено тиски 8 ГПа, що відповідають таким напруженням у площині росту, які виявилися близькими до критичних значень відносно фазових переходів для Ge і Si (10-12 ГПа). Такі напруження призводять до зменшення довжини зв'язку від 0,235 нм (для чистого Si у першому проміжному шарі) до 0,226 нм, що відповідає збільшенню щільності упакування до 10 %. Виходячи з цього, зроблено припущення щодо можливості розмитого чи деформаційного фазового переходу в гетеропереході Si-Ge.

У четвертому розділі досліджено вплив пружних напружень на розмірні характеристики КТ Ge на Si й зонну структуру в області гегеропереходу Si-Ge, а також досліджено наявність ефектів розмірного квантування в таких системах. Проведено чисельне моделювання напружень у системі наноострівець-поверхня у рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ і показано, що величина відносної пружної деформації практично не залежить від висоти нанокластерів і змінюється пропорційно , де L - латеральний розмір наноострівців. Результати моделювання добре узгоджуються з експериментально виміряними значеннями деформації та геометричних параметрів Було зафіксовано помітну фоточутливість польової емісії для =0,7 мкм та 10 мкм з багатошарових наноструктур Ge-Si із квантовими точками Ge на Si(100) з розмірами до 10 нм при температурах 300 і 77 K. Збільшення струму емісії на 3-5 порядки при опроміненні може пояснюватись зняттям заборони на оптичні переходи, поляризовані в площині емітеру, що є наслідком зміни зонної структури під впливом напружень.

Вперше методом електронної польової емісії виявлено ефект розмірного квантування в системі нанокластерів Ge на Si(100) і Si(111). Для всіх зразків було зафіксовано стабільну електронну польову емісію з масивів КТ Ge на Si(100) і Si(111) з середньою густиною струму j>1 А/см². В залежності від геометричних параметрів нанокластерів Ge, які в свою чергу визначаються ступенем залишкових напружень в острівцевій плівці, на вольтамперних характеристиках польової емісії спостерігалися відтворювані піки струму різної кількості (від 1 до 6) для різних зразків (рис. 8). Наявність цих піків струму пояснюється резонансним тунелюванням електронів через додаткові енергетичні рівні у потенційних ямах внаслідок ефектів розмірного квантування в системі нанокластерів Ge.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено результати дослідження впливу напружень, що виникають в області гетеропереходу Si-Ge внаслідок розузгодження за постійними ґратки між Si і Ge, на ефекти розмірного квантування в системах із квантовими точками Ge на Si. Гетероструктури з квантовими точками є одними з найбільше інтенсивно досліджуваних нанооб'єктів завдяки своїм надзвичайним електронним й фізичним властивостям.

Основні результати дисертаційної роботи:

Отримано експериментальні зразки з квантовими точками Ge на підкладинах Si(100) і Si(111) методом молекулярно-променевої епітаксії на установці “Катунь-В”. Розроблено удосконалене джерело Ge оригінальної конструкції, що дозволило не лише збільшити швидкість росту Ge (до 0,1 нм/c) та досягти потік Ge максимальної однорідності розподілу по поверхні підкладини Si діаметром до 100 мм, а також суттєво поліпшити структуру твердого розчину SiGe.

Вперше запропоновано метод формування гетероепітаксійних структур з системами проміжних шарів Si_1-xGe_x, що містять N двовимірних шарів докритичної товщини з поступовим збільшенням мольної частки Ge. Ця методика дозволила одержати різні структури з КТ Ge на підкладинах Si(100) і Si(111), що відрізняються як формою та розмірами нанокластерів (від 20 до 250 нм шириною, від 3 до 40 нм висотою), так і їх щільністю розподілу по поверхні підкладини (від 10⁹ до 10¹¹ см^-2). Показано вплив параметрів проміжних шарів на геометричні характеристики систем квантових точок Ge на Si та щільність їх розподілу по поверхні підкладини.

Виявлено двоетапний характер формування КТ Ge на Si(111), коли поверхня з атомарно гладкої спочатку стає ребристою вздовж напрямку {011}. У перетині це порівняно плоскі й майже симетричні (кути при гранях ~5є і 7є) фасетні утворення висотою до 10 нм і 120-180 нм у підвалині. Потім на гранях ребер (100 нм 7 нм) утворюються тривимірні нанокристаліти Ge, що відрізняються від випадку Si (100) формою й розмірами.

4. Вперше виявлено аномальну поведінку постійних ґраток Ge і Si у площині росту, що спостерігається по картинах дифракції швидких електронів в процесі формування систем проміжних шарів, коли із збільшенням мольної частки Ge у шарах усереднена постійна ґратки у твердому розчині Si_1-xGe_x зменшується, стає меншою за постійну ґратки Si на 3-5 % при х>0,3, а потім повертається до її вихідного значення, що відповідає чистому кремнію. Згідно оцінок, такі зміни параметрів ґраток Ge і Si у площині росту відповідають тиску 8 ГПа. Такі тиски призводять до зменшення довжини зв'язку Si-Ge від 0,235 нм (для чистого Si у першому проміжному шарі) до 0,226 нм, що відповідає збільшенню щільності упакування до 10 %. На основі експериментальних даних дифракції швидких електронів, розрахунків тисків і змін хімічних зв'язків у гетеропереході Si-Ge зроблено висновок щодо можливості розмитого чи деформаційного фазового переходу.

Вперше за допомогою методу електронної польової емісії виявлено ефект розмірного квантування в системі нанокластерів Ge на підкладинах Si(100) і Si(111). Для всіх зразків було зафіксовано стабільну електронну низькопольову емісію (Е 10⁵ В/см) з масивів КТ Ge на Si(100) і Si(111), на вольтамперних характеристиках якої спостерігалися відтворювані піки струму (від 1 до 6). Причому число цих піків було різним для систем КТ із різними геометричними параметрами і ступенем залишкових напружень в острівцевій плівці. Наявність цих піків струму пояснюється резонансним тунелюванням електронів через додаткові енергетичні рівні у потенційних ямах внаслідок ефектів розмірного квантування в системі нанокластерів Ge.

Зафіксовано помітну фоточутливість електронної польової емісії з багатошарових масивів КТ Ge на Si(100) при підсвічуванні поверхні, що емітує, випромінюванням з 0,7 -10 мкм, що підтверджує квантову природу піків струму, які спостерігаються на вольтамперних характеристиках польової емісії з таких систем. Наявність фоточутливості може бути пояснена зняттям заборон на оптичні переходи, поляризовані в площині емітеру, що є наслідком зміни зонної структури під впливом напружень.

7. Чисельне моделювання напружень у системі наноострівець-поверхня у рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ показало, що величина відносної пружної деформації майже не залежить від висоти нанокластерів і змінюється пропорційно , де L - латеральний розмір наноострівців. Результати моделювання добре узгоджуються з експериментально виміряними значеннями деформації й геометричних параметрів острівців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Козирев Ю.М., Огенко В.М., Рубежанська М.Ю., Чуйко О.О. Епітаксійне формування системи квантових крапок Ge в масиві підкладини Si(100) // Доповіді НАН України.- 2002.- N1.- C. 76-78.

Здобувачем отримано системи з квантовими точками Ge на підкладинах Si(100), які розрізняються як розмірами, так і густиною розподілу по поверхні підкладини. Вперше запропоновано систему проміжних шарів Si_1-xGe_x докритичної товщини з поступовим збільшенням вмісту Ge від шару до шару, що дозволяє регулювати рівень пружних напружень у результуючій плівці, що передує формуванню острівців.

2. Dadykin A.A., Naumovets A.G., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Lytvyn P.M., Litvin Yu.M. Field and Photo-field Electron Emission From Self-Assembled Ge-Si Nanoclusters with Quantum Dots // Progress in Surface Science.- 2003.- Vol. 74.- P. 305-318.

Здобувачем показано, що для різних умов одержання систем наноострівців Ge (використанні різних систем проміжних шарів, які відповідають різним ступеням залишкових напружень у острівцевій плівці) спостерігаються різні трансформації зон і з'являється різна кількість рівнів розмірного квантування у потенційних ямах, що відповідають нанокластерам Ge, які підтверджуються появою піків струму на вольтамперних характеристиках електронної польової емісії. Досліджено склад систем проміжних шарів та розподіл Si та Ge у них за допомогою Оже-спектрометрії.

Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Чуйко А.А. Структурные особенности эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми точками Ge на Si.- К.: 2004.- 89 с.

Здобувачем узагальнено експериментальні та розрахункові результати дослідження структури твердого розчину Si_1-xGe_x для 0х1, а також проаналізовано особливості епітаксійного формування систем нанокластерів Ge на Si. Написано першу та частково другу і третю глави.

4. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Скляр В.К., Чуйко А.А. Термодинамические характеристики эпитаксиального роста и структурные особенности упруго-напряженных пленок Si_1-xGe_x с квантовыми точками // Cборник “Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии” под ред. академика А.П. Шпака.- 2003.- N1, вып. 1.- C. 301-312.

Здобувачем експериментально виміряно швидкості росту Si та Ge за допомогою системи “Фотон-Мікро”, розраховано потоки речовини та досліджено вплив термодинамічних параметрів епітаксійного росту на розмірні характеристики систем нанокластерів Ge, що формуються. Експериментально встановлено аномальну поведінку постійних ґраток Si та Ge у площині росту при формуванні системи проміжних шарів. Проаналізовано отримані результати та розраховано тиски, що відповідають зафіксованим деформаціям, та довжини хімічних зв'язків у гетеропереході Si-Ge.

5. Дадыкин А.А., Козырев Ю.Н., Литвин П.М., Наумовец А.Г., Рубежанская М.Ю. Квантово-размерные эффекты в полевой электронной эмиссии из нанокластеров Ge на Si(111) // Наноструктурное материаловедение.- 2005.- Т. 1, N 1.- C. 11-18.

Здобувачем отримано системи нанокластерів Ge на підкладинах Si(111) з використанням систем проміжних шарів та досліджено особливості епітаксії Ge на Si(111). Встановлено двоетапний характер формування нанокластерів Ge на Si(111), коли поверхня з атомарно гладкої спочатку стає ребристою вздовж напрямку {011} з подальшим формуванням нанокластерів Ge на гранях ребер (100 нм 7 нм).

6. Dadykin A.A., Naumovets A.G., Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Litvin Yu.M. Quantum dots in high electric fields: field and photofield emission from Ge nanoclusters on Si (100) // Proc. of the NATO Advanced Research Workshop on “Quantum Dots: Fundamentals, Applications, Fronties” (held in Amoudara, Crete, June 2003) Eds. B. Joyce et al.- Kluwer, Dordrecht.- 2004.- P. 353-367.

Здобувачем досліджено вплив параметрів систем проміжних шарів на геометричні характеристики нанокластерів Ge, що формуються, а також на ефекти розмірного квантування у системі, які проявляються у появі різної кількості піків струму на вольтамперних характеристиках польової електронної емісії із систем квантових точок. Показано, що різним ступеням залишкових пружних напружень у острівцевій плівці відповідають різні трансформації зон, що підтверджується збільшенням струму емісії при підсвічуванні поверхні, що емітує, випромінюванням з 0,7 -10 мкм.

7. Dadykin A.A., Kozyrev Yu.N., Litvin Yu.M., Naumovets A.G., Ogenko V.M., Rubezhanska M.Yu., Chuiko A.A. Quantum-Dimensional Effects in Field Emission from Ge-Si Nanocluster Heterostructures // 15th International Vacuum Microelectronics Conference and 48th International Field Emission Symposium.- Lyon (France).- July 2002.- OAG.08, SA 261.

Здобувачем отримано системи нанокластерів Ge на підкладинах Si(100) з формуванням різних систем проміжних шарів, досліджено склад систем проміжних шарів для різних зразків за допомогою Оже-спектрометрії та встановлено вплив параметрів цих систем на розміри та розподіл нанокластерів Ge, що формуються в острівцевій плівці.

8. Kozyrev Yu.N., Rubezhanska M.Yu., Sklyar V.K. Investigation of elastic strain influence on Ge quantum dot formation in Si(SiGe) matrix // Summer School and Workshop “Nanotubes and Nanostructures”.- Frascati (Italy).- September 2002.- P. 34.

Здобувачем досліджено структурні особливості твердого розчину Si_1-xGe_x при формуванні систем проміжних шарів. Встановлено вплив параметрів систем проміжних шарів на геометричні характеристики наноострівців Ge, що формуються.

9. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Скляр В.К., Кадышев С., Пляцко С.В. Cтруктурные особенности упруго-напряженных пленок Si_1-xGe_x с квантовыми точками // Материалы Международной научной конференции “Пленки-2004”.- Москва 2004.- C. 24-28.

Здобувачем проаналізовано особливості епітаксії напружених плівок Si_1-xGe_x та розраховано структурні параметри Si та Ge.

10. Козырев Ю.Н., Рубежанская М.Ю., Чуйко А.А. Термодинамика МЛЭ-роста и структурные особенности упруго напряженных пленок // Тези доповідей “Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії”.- Київ.- 2003.- С. 115.

Здобувачем досліджено вплив термодинамічних параметрів епітаксійного росту на структурні особливості пружно напружених плівок Si_1-xGe_x та на геометричні параметри систем нанокластерів Ge, що формуються в острівцевій плівці.

Рубежанська М.Ю. Вплив пружних деформацій у епітаксійному гетеропереході Sі-Gе з квантовими точками Gе на ефект розмірного квантування.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу пружних деформацій, що виникають у епітаксійному гетеропереході Sі-Gе внаслідок розузгодження за постійними ґратки між Si та Ge, на особливості формування нанокластерів Gе на підкладинах Si(100) та Si(111), їх властивості та ефекти розмірного квантування в таких системах. Вперше запропонований метод формування гетероепітаксійних структур з системами проміжних шарів Si_1-xGe_x докритичної товщини із поступовим збільшенням мольної частки Ge дозволив одержати масиви квантових точок Ge на підкладинах Si(100) і Si(111), які відрізняються як формою і розмірами нанокластерів, так і щільністю їх розподілу по поверхні підкладини.

Вперше виявлено аномальний характер зміни постійних ґраток Ge і Si у площині росту при формуванні систем проміжних шарів, коли із збільшенням мольної частки Ge у шарах усереднена постійна ґратки у твердому розчині Si_1-xGe_x стає меншою за меншу на 3-5 % при х>0,3. Згідно оцінок, такі деформації Ge і Si у площині росту відповідають тиску 8 ГПа та зменшенню довжини зв'язку у гетеропереході Si-Ge від 0,235 нм (для чистого Si) до 0,226 нм. На основі експериментальних даних дифракції швидких електронів та розрахунків зроблено припущення щодо можливості розмитого чи деформаційного фазового переходу.

Вперше за допомогою методу електронної польової емісії з масивів квантових точок Ge на підкладинах Si(100) і Si(111) виявлено ефект розмірного квантування. В залежності від геометричних параметрів нанокластерів, на вольтамперних характеристиках польової емісії спостерігалися відтворювані піки струму (від 1 до 6). Поява цих піків струму пояснюється резонансним тунелюванням електронів через додаткові енергетичні рівні у потенційних ямах внаслідок ефектів розмірного квантування в системі нанокластерів Ge.

Чисельне моделювання пружних напружень у системі наноострівець-поверхня в рамках класичної теорії пружності й механіки суцільних середовищ показало, що величина відносної пружної деформації в острівцевій плівці майже не залежить від висоти нанокластерів і змінюється пропорційно , де L - їх латеральний розмір. Результати моделювання добре узгоджуються з експериментально виміряними значеннями деформації й геометричних параметрів острівців.

Ключові слова: епітаксія, кремній, германій, наноструктури, гетеропереход, квантові точки, ефект розмірного квантування.

Рубежанская М.Ю. Влияние упругих деформаций в эпитаксиальном гетеропереходе Sі-Gе с квантовыми точками Gе на эффект размерного квантования.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности. Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию влияния упругих деформаций, возникающих в эпитаксиальном гетеропереходе Sі-Gе в результате рассогласования по постоянным решетки между Si и Ge, на особенности формирования нанокластеров Gе на подложках Si(100) и Si(111), их свойства и эффекты размерного квантования в таких системах. Впервые предложенный метод формирования гетероэпитаксиальных структур с системами промежуточных слоев Si_1-xGe_x докритической толщины с постепенным увеличением мольной доли Ge позволил получить массивы квантовых точек Ge на подложках Si(100) и Si(111), отличающиеся как формой и размерами нанокластеров, так и плотностью их распределения по поверхности подложки.

Впервые обнаружен аномальный характер изменения постоянных решеток Ge и Si в плоскости роста при формировании систем промежуточных слоев, когда с увеличением мольной доли Ge в слоях усредненная постоянная решетки в твердом растворе Si_1-xGe_x становится меньше меньшей на 3-5 % при х>0,3. Согласно оценкам, такие деформации Ge и Si в плоскости роста соответствуют давлению 8 ГПа и уменьшению длины связи в гетеропереходе Si-Ge от 0,235 нм (для чистого Si в первом промежуточном слое) до 0,226 нм. На основании экспериментальных данных дифракции быстрых электронов и расчетов сделано предположение о возможности размытого или деформационного фазового перехода.

Впервые с помощью метода электронной полевой эмиссии из массивов квантовых точек Ge на подложках Si(100) и Si(111) обнаружен эффект размерного квантования. В зависимости от геометрических параметров нанокластеров, на вольтамперных характеристиках полевой эмиссии наблюдались воспроизводимые пики тока (от 1 до 6). Появление этих пиков тока объясняется резонансным туннелированием электронов через дополнительные энергетические уровни в потенциальных ямах вследствие эффектов размерного квантования в системе нанокластеров Ge.

Численное моделирование упругих напряжений в системе наноостровок-поверхность в рамках классической теории упругости и механики сплошных сред показало, что величина относительной упругой деформации в островковой пленке практически не зависит от высоты нанокластеров и изменяется пропорционально , где L - латеральный размер наноостровков. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментально измеренными значениями деформации и геометрическими параметрами.

Ключевые слова: эпитаксия, кремний, германий, наноструктуры, гетеропереход, квантовые точки, эффект размерного квантования.

Rubezhanska М.Yu. Influence of elastic deformation in Sі-Gе epitaxial heterojunction with Gе quantum dots on quantum size effect.- Manuscript.

Thesis for Candidate degree in Physics and Mathematics in the speciality 01.04.18 - physics and chemistry of surface. The Institute of Surface Chemistry, NAS of Ukraine, Kiev, 2005.

The influence of elastic deformation in Sі-Gе heterojunction caused by lattice mismatch between Si and Ge on formation of Ge nanoclusters on Si(100) and Si(111) substrates, their properties and quantum size effect in them was investigated in the work proposed. The procedure of heteroepitaxial formation using intermediate Si_1-xGe_x layers of thickness below critical with gradual increase of Ge mole fraction made it possible to obtain Ge quantum dot structures on Si(100) and Si(111) substrates with different form and size of Ge nanoclusters, as well as their size distribution.

The irregular behaviour of Ge and Si lattice parameters in plane during formation of intermediate layers was fixed, when the average lattice parameter of Si_1-xGe_x solid solution became 3-5 % smaller than Si lattice parameter at Ge mole fraction х>0,3. According to estimations, such in-plane deformations of Ge and Si correspond to hydrostatic pressure 8 GPа and bond length decrease in Si-Ge heterojunction from 0.235 nm (for pure Si in the first intermediate layer) to 0.226 nm. Taking into account RHEED experimental data and the calculations, a possibility of deformation phase change was regarded.

On investigation of electron field emission from Ge nanoclusters on Si(100) and Si(111) substrates, the quantum size effect was revealed in such structures for the first time. Depending on Ge nanocluster size parameters, current-voltage characteristics of field emission showed reproducible current peaks (from 1 to 6). The presence of these peaks is attributed to resonant tunnelling of electrons from quantization energy levels in potential wells corresponding to Ge nanoclusters.

Simulation of the nanoisland-surface elastic deformation in the framework of classical elastic theory and continuum mechanics showed that elastic deformation in the island film does not depend on the nanocluster height and increases proportionally to , where L is the nanoisland lateral size. These results are in good agreement with experimentally measured deformation and geometric parameters of the clusters.

Key words: epitaxy, Si, Ge, nanostructures, heterojunction, quantum dots, quantum size effect.

Размещено на Allbest.ru