Исследование спектров рамановского рассеяния пленок сплава GEXSI1-X/SI(100) с различной долей Германия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование спектров рамановского рассеяния пленок сплава GEXSI1-X/SI(100) с различной долей Германия

В последние десятилетия физика полупроводников интенсивно развивается. С этой наукой связаны успехи в развитии микроэлектроники, оптики, приборостроения и других областей. Несмотря на большой объем исследований в этой области, остается ряд нерешенных вопросов, в том числе и проблема согласования различных материалов при гетероэпитаксии.

Гетероструктуры SiGe/Si вызывают повышенный интерес благодаря как своим электрическим и оптоэлектрическим свойствам, так и их совместимостью с существующей кремниевой технологией [4]. Особое внимание уделяют получению бездислокационных эпитаксиальных пленок германия на кремнии, которые также называют искусственными подложками германия. Существующие SiGe подложки, выращенные на основе буферного слоя, имеют ряд недостатков, таких как большие толщины буферных слоев, высокие значения среднеквадратичной шероховатости слоев. Так, при толщине слоя 3--10 мкм типичная амплитуда рельефа может принимать значения 10--15 нм. За последние два десятилетия были предприняты многочисленные попытки уменьшить толщину буферного слоя GexSi1-x, сохранив на приемлемом уровне или даже уменьшив плотность пронизывающих дислокаций [6]. эпитаксиальный пленка сплав

Критическими параметрами эпитаксиальных пленок сплавов GexSi1-x при их применении в гетеропереходных устройствах являются напряженность, плотность дефектов, подвижность носителей, ширина запрещенной зоны. Существует зависимость этих параметров от состава сплава GexSi1-x, толщины слоя и степени релаксации. Эти величины можно измерить количественно с помощью Рамановской спектроскопии, быстрым и неразрушающим бесконтактным методом, который не требует предварительной подготовки образца и обеспечивает высокую глубину и пространственное разрешение. Этот метод предусматривает определение состава сплава (x) и напряжение гетерослоя от x-зависимого сдвига частоты и интенсивности пиков, соответствующих связям Ge-Ge, Si-Ge и Si-Si.

В данной работе методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на установке «ЦНА» были получены образцы структур GexSi1-x/Si(100). Предельное значение остаточных газов при росте составляло 3·10-6 Па. Подготовка пластин кремния перед эпитаксии состояла из 2 этапов: 1) удаление оксидного слоя SiO2 плавиковой кислотой HF с последующей промывкой в деионизованной воде; 2) отжиг в условиях сверхвысокого вакуума при температуре 850 єС на протяжении 10 минут; 3) выход на заданную температуру роста в течение 10--15 минут.

Напыление слоя GexSi1-x происходило при суммарном потоке Ge и Si, соответствующем эффективной скорости роста н=8 нм/мин. При этом эффективные скорости роста каждого компонента сплава рассчитывались таким образом: нGe=н•x для германия и нSi=н(1--x) для кремния. Температура подложки в процессе роста составляла 570 єС. Были получены пленки сплавов состава Ge0.4Si0.6, Ge0.55Si0.45, Ge0.7Si0.3. Полученные образцы были исследованы с помощью метода Рамановской спектроскопии. Целью данного исследования являлся анализ характерных для данных материалов спектров рамановского рассеяния, выявление зависимостей положения пиков Ge-Ge и Si-Ge от массовой доли Ge (x) в сплаве.

На рисунке 1 приведены спектры КРС для полученных образцов. Пик на частотах 291--298 см-1 соответствует связи Ge-Ge. Он присутствует на спектрах всех образцов, указывая на наличие кристаллитов германия в объеме пленки. Пик, соответствующий связи Si-Si невыражен, не проявляется в спектре сплава Ge0.7Si0.3, а для сплавов Ge0.4Si0.6, Ge0.55Si0.45 лежит в диапазоне 467--480 см-1. Также на всех трех спектрах присутствует пик в диапазоне частот 397--406 см-1. Это говорит о наличии связи Si-Ge, при этом при увеличении массовой доли Ge в сплаве, пик смещается влево (рис. 1). На рисунке 2 приведены графики зависимостей положения пиков Ge-Ge и Si-Ge от массовой доли Ge (x) в сплаве. 

Рис. 1 Спектры рамановского рассеяния образцов структур GexSi1-x/Si(100)

а б

Рис. 2 Графики зависимостей положения пиков Ge-Ge (а) и Si-Ge (б) от массовой доли Ge (x) в сплаве

При увеличении x пик Ge-Ge на спектре проявляется при большей частоте, т. е. стремится к значению, соответствующему монокристаллическому германию (301 см-1) [2]. Это говорит об увеличении степени релаксации в германиевых кристаллитах.

Пленки сплавов GexSi1-x были описаны в ряде докладов [3, 5, 7] и свойства гетероструктур GexSi1-x/Si широко исследованы. Однако, существует необходимость в контроле приборных структур на основе таких материалов неразрушающим бесконтактным методом, каковым и является Рамановская спектроскопия. Данная работа была направлена на выявление общих закономерностей изменения спектров КРС в зависимости от состава пленок GexSi1-x/Si.

Создание искусственных подложек германия является актуальной задачей современной полупроводниковой промышленности. В разных научных центрах продолжаются исследования германиевых структур, выращенных на кремниевых подложках, с целью применения их в солнечных элементах и оптоэлектронных приборах.

Ключевой особенностью совмещения кремниевой и германиевой технологии является использование буферных слоев переменного состава GexSi1-x, позволяющих создавать на поверхности гетероструктуры слои твердого раствора сплава германий-кремний с долей вплоть до х=1. При этом совершенные пленки GexSi1-x/Si с плотностью пронизывающих дислокаций не более 106 см-2 можно вырастить до x?0,15 [1]. Проблема пластической релаксации пленок с большей долей x по-прежнему актуальна и находится на стадии поиска новых методик.

Список литературы

1. Искусственные подложки GeSi для гетероэпитаксии -- достижения и проблемы / Ю. Б. Болховитянов, О. П. Пчеляков, Л. В. Соколов, С. И. Чикичев // ФТП. 2003. № 37. С. 513--538.

2. Alloy effects on the Raman spectra of Si1-xGex and calibration protocols for alloy compositions based on polarization measurements / S. Rath, M. L. Hsieh, P. Etchegoin, R. A. Stradling // Semicond. Sci. Technol. 2003. № 18. PP. 566--575.

3. Alonso, M. I., Winer K. Raman spectra of c-Si1-xGex alloys // Phys. Rev. B. 1989. № 39. PP. 10056--10062.

4. Electron transport properties of Si/SiGe heterostructures: measurements and device implications / K. Ismail, S. F. Nelson, J. O. Chu, B. S. Meyerson // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63. PP. 660--662.

5. Lockwood, D. J., Baribeau J.-M. Strain-shift coefficients for phonons in Si1-xGex epilayers on silicon // Phys. Rev. B. 1992. № 45. PP. 8565--8571.

6. Low-temperature buffer layer for growth of a low-dislocation-density SiGe layer on Si by molecular-beam epitaxy / H. Chen, L. W. Guo, Q. Cui, Q. Hu, Q. Huang, J. M. Zhou // J. Appl. Phys. 1996. Vol. 79. № 2. С. 1167--1169.

7. Phonons in Ge1-xSix bulk crystals / M. Franz, K. F. Dombrowski, H. Ruecker, B. Dietrich, K. Pressel, A. Barz, U. Kerat, P. Dold, K. W. Benz // Phys. Rev. B. 1999. № 59. PP. 10614--10621.

Размещено на Allbest.ru