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

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. 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. Легування Si1-XGEX шарів атомами вуглецю може розглядатися як ефективний засіб запобігання небажаній пластичній релаксації структур, яка значно погіршує характеристики приладів. 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. 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.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. 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. 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. Концентрація вуглецю змінювалася від значення, яке повністю компенсує напруження на інтерфейсі з кремнієвою підкладкою, до такого значення біля поверхні Si1-XGEX:С шару, що дає необхідну величину постійної гратки. 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.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. 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. Використовуючи АСМ, встановлено, що обєм, форма та поверхнева щільність самоіндукованих SIGE наноострівців суттєво залежить від товщини епітаксійного германієвого шару та температури кремнієвої підкладки під час епітаксії.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 обєм, форма та поверхнева щільність самоіндукованих SIGE наноострівців суттєво залежить від товщини епітаксійного германієвого шару та температури кремнієвої підкладки під час епітаксії. Підтверджено звязок 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 обємними 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 повязана 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 .ru