УДК 621.315.592

В.Г.Шенгуров, канд. физ.-мат. наук, С.П.Светлов, канд. физ.-мат. наук, В.Ю.Чалков, аспирант, Г.А.Максимов, д-р хим. наук, Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета,

З.Ф.Красильник, д-р физ.-мат. наук, Б.А.Андреев, канд. физ.-мат. наук, Ю.Н.Дроздов, канд. физ.-мат. наук,

Институт физики микроструктур РАН (г. Нижний Новгород)

Формирование излучающих трехмерных островков в эпитаксиальных Si_1-xGe_x слоях при сублимации кремния в среде германа

Представлены результаты исследования условий роста островков сплавов Si_1-xGe_x на подложках Si (100) при выращивании их методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа. При высоких температурах (~850°С) растут пирамидообразные, а при более низких (~650-800°С) – куполообразные островки меньших размеров. На образцах первого типа при % наблюдалась интенсивная фотолюминесценция.

Введение

Методика эксперимента

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Введение

Самоорганизующиеся островки GeSi в последние годы представляют значительный интерес для оптоэлектронных приложений на основе кремниевой технологии. Работы, посвященные исследованию островков GeSi, выполнены в основном при наращивании их методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или методом пиролиза гидридов кремния и германия в высоком вакууме. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Основным недостатком метода МЛЭ является нестабильность процесса испарения из жидкой фазы в вакууме, а гидридного – монотонное уменьшение скорости роста с понижением температуры. Для преодоления этих недостатков был разработан новый вариант метода эпитаксии Si_1-xGe_x [1], сочетающий метод МЛЭ Si, в котором атомарный поток Si получается путем сублимации монокристалла этого элемента, с разложением на поверхности роста молекулярного потока германа (GeH₄), напускаемого в ростовую камеру. На выращенных данным методом тонких слоях твердого раствора Si_1-xGe_x была обнаружена фотолюминесценция на длине волны ~7800 см^-1 [2].

Целью данной работы являлось исследование возможности формирования самоорганизующихся островков Si_1-xGe_x при использовании сублимационной МЛЭ Si в среде GeH₄ и выявление фотолюминесценции (ФЛ) в них.

Методика эксперимента

Исследуемые образцы представляли собой тонкие слои твердого раствора Si_1-xGe_x, выращенные на подложках Si (100) при температуре 500-850°С методом сублимационной МЛЭ в среде германа [2]. Толщину и состав слоев сплава определяли из измерений рентгеновской дифракции (РД). Низкотемпературные измерения фотолюминесценции были выполнены с помощью вакуумного Фурье-спектрометра “Bomem DA3”. В качестве источника возбуждающего излучения использовали -лазер (нм). Поверхностную морфологию образцов исследовали с использованием атомно-силового микроскопа (ACM) “TopMetrix” TMX-2100 на воздухе в контактном режиме.

Структуры обычно представляли собой буферный слой толщиной ~100 нм, выращенный при температуре подложки 1000°С, на который осаждался слой сплава GeSi с эквивалентной толщиной от 20 до 100 нм со скоростью ~0,05 нм/с. Для фотолюминесцентных исследований поверх слоя сплава был выращен покрывающий слой.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Известно, что на морфологию поверхности эпитаксиальных слоев влияет несоответствие параметров решетки слоя и подложки. На рис. 1,а,б приведены снимки, снятые на АСМ со слоями, которые выращены при температуре ~650°С и при различных давлениях германа. Видно, что при повышении давления германа размер куполообразных островков растет. Куполообразные островки растут вплоть до температуры 800°С (рис. 1).

	Рис. 1. Микроморфология поверхности эпитаксиальных пленок, наблюдаемых в АСМ

Повышение температуры до ~850°С приводит к появлению пирамидообразных кластеров с размерами, превышающими размеры куполообразных островков (рис. 1,г). Параметры выращенных структур приведены в таблице 1, из которой видно, что при температуре роста 850°С содержание германия несколько ниже, чем в слоях, выращенных при 650°С при одинаковом давлении германа Па (сравнить образцы № 16 и № 99).

Таблица 1. Параметры роста и состава островковых слоев

Параметр	Номер образца
	16	20	25	32	99	100	101	118
, °C	650	650	800	800	850	850	650	800
, Па	6,7×10^-3	1,3×10^-2	6,7×10^-3	6,7×10^-2	6,7×10^-3	6,7×10^-3	2,7×10^-3	6,7×10^-3
, %	20	21	15	25	17	14,5	13,5	13,5

Увеличение размеров островков при повышении температуры роста связано, вероятно, со значительным увеличением упругих напряжений в основаниях островков. Изменение формы островков от куполообразной к пирамидообразной можно связать, по-видимому, с диффузией кремния в островки при высоких температурах роста [3]. Об этом свидетельствует снижение доли германия в островках, выращенных при более высокой температуре.

На рис. 2,а приведены спектры фотолюминесценции трех различных образцов с островками пирамидальной формы. На рисунке видно, что на спектрах наблюдается бесфононные пики () и фононное повторение (), связанное с Si-Si фононными колебаниями, положение которых соответствует рекомбинационным экситонным переходам в гетероструктуре Si_1-xGe_x/Si. В спектре слоя с куполообразной формой островков (образец № 25) также наблюдается и пики (рис. 2,б). Там же приведены спектры, снятые при различных температурах. Видно, что с ростом температуры наблюдается гашение фотолюминесценции.

	Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) структур

Установлены режимы роста самоорганизующихся наноостровков Si_1-xGe_x в методе сублимационной МЛЭ Si в среде германа. При относительно низких температурах (~650-800°С) растут островки куполообразной формы, а при повышенной температуре (~850°С) – пирамидальной формы. В последних наблюдается интенсивная фотолюминесценция.

Авторы выражают благодарность П.А.Шиляеву за проведение измерений на АСМ.

Список литературы

1. Толомасов В.А., Рубцова Р.А., Светлов С.П., Корнаухов А.В., Гудкова А.Д. Гетероэпитаксия слоев Ge_xSi_1-x на Si (100) из атомарного потока Si и молекулярного потока GeH4 // Изв. вузов, сер. “Цветная металлургия”. 1994. № 1-2. С. 172-175.

2. Светлов С.П., Шенгуров В.Г., Чалков В.Ю., Красильник З.Ф., Андреев Б.А., Дроздов Ю.Н. Гетероэпитаксиальные структуры Si_1-xGe_x/Si (100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH4 // Изв. РАН, сер. физическая. 2001. Т. 65. № 2. С. 204.

3. Востоков Н.В., Гусев С.А., Дроздов Ю.Н., Красильник З.Ф., Лобанов Д.Н., Молдавская Л.Д., Новиков А.В., Постников В.В., Филатов Д.О. Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si (001) // ФТП, 2000. Т. 34. № 1. С. 8-12.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант 01-02-16439 и 00-02-16141),
МНТ “Фундаментальная спектроскопия” (проект 08.02.043) и проектом INTAS 99-1872.

Наверх