Исследование зависимости морфологии нанокластеров Ge/Si (100), полученных методом ионно-лучевого осаждения, от условий роста

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

УДК 621.315.592

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОРФОЛОГИИ НАНОКЛАСТЕРОВ Ge/Si (100), ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ, ОТ УСЛОВИЙ РОСТА

© 2013 г. Ф. Ф. Малявин', Д. С. Кулешов *, В.А. Лапин **

*Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону *South Scientific Center RAS, Rostov-on-Don

"Северо-Кавказский федеральный **North Caucasus Federal

университет, г. Ставрополь University, Stavropol

Вследствие огромных перспектив использования наногетероструктур с квантовыми точками в современном приборостроении, возникает повышенный интерес к изучению способов и условий их формирования. Проведено исследование зависимости параметров морфологии нанокластеров Ge, выращенных на поверхности Si (100) методом ионно-лучевого осаждения, от параметров ростового процесса. Выявлены зависимости формы и размеров наноструктур от температуры, времени осаждения и параметров ионного пучка.

Ключевые слова: ионно-лучевое осаждение; нанокластеры; квантовые точки; гетероструктуры; атомно-силовая микроскопия.

Due to the huge prospects of nanoheterostructures with quantum dots usage in a modern instrument-making industry, there is an increasing interest in the study of ways and conditions of their formation. In this work, the investigation of the morphology parameters dependence of nanocluster Ge, grown on the surface of Si (100) by the method of ion-beam deposition, from the growth process parameters has been carried out. The dependence of shape and size of nanostructures from the temperature, the time of deposition and parameters of the ion beam has been revealed.

Keywords: ion-beam deposition; nanoclusters; quantum dots; heterostructures; atomic force microscopy.

Введение

Ввиду больших успехов в создании новых уникальных приборов с использованием квантовых эффектов, внимание технологов привлекают наногетеро-структуры на основе Ge/Si. Современные кремниевые технологии успешно конкурируют с традиционными оптоэлектронными материалами, такими как соединения A3B5. Появляются светоизлучающие и фотоприемные кремний-германиевые устройства полупроводниковой индустрии [1]. Перспективным становится использование таких объектов нанотехнологии, как квантовые точки (КТ), позволяющих повысить рабочие характеристики современных полупроводниковых приборов вследствие размерного квантования энергетического спектра носителей заряда и других квантовых эффектов.

КТ Ge/Si, как правило, получают методом моле-кулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [2]. Менее широко используются методы газофазной эпитаксии (ГФЭ) и МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) [3]. В данной работе исследованы гетероструктуры с нанокластера-ми Ge/Si (100), полученные на установке ионно-лучевого осаждения (ИЛО). Особенностью данного метода является то, что поток осаждаемого вещества обеспечивается за счет выбивания атомов и молекул

мишени направленным пучком ионов, в отличие, например, от МЛЭ, где эпитаксиальные структуры растут за счет потока, полученного термическим испарением. Ранее было показано, что этот метод позволяет выращивать гетероструктуры с нанокластерами Ge/Si [4]. Однако если закономерности роста нанокластеров и КТ Ge/Si в процессе МЛЭ хорошо изучены [5], особенности роста последних в процессе ИЛО изучены недостаточно, что препятствует широкому применению данного метода для выращивания приборных структур кремниевой оптоэлектроники.

Методика эксперимента

В данной работе для распыления атомов мишени использовался специальный ионный источник КЛАН-53М с холодным полым катодом, служащий для создания в вакууме пучка ионов инертных газов. Конструкция установки ИЛО подразумевает наличие нейтрализатора, обеспечивающего на выходе из ионного источника потока нейтральных атомов. Рабочий газ, используемый в данной установке ИЛО, - аргон.

Вакуум в ростовой камере обеспечивался форва-куумным и турбомолекулярным насосами. Рабочее давление составляло 540"3 Па. Нагрев подложки осуществлялся нагревателем резистивного типа.

В качестве мишени использовалась поликристаллическая подложка Ge ^-типа. Диаметр распыляемой части мишени германия 0 25 мм. Осаждение проводилось на подложку Si марки КДБ 10 ориентации (100), предварительно прошедшую стандартную химическую обработку и отожженную в вакууме.

На первой стадии исследований была проведена серия экспериментов по выявлению оптимальных значений плотности ионного тока, энергии ионного пучка и температуры подложки. Для того чтобы обеспечить наибольшее число центров зарождения на подложке и однородное осаждение, был выбран максимальный ионный ток и минимальная энергия ионного пучка. В последующих экспериментах варьировалось только время проведения процесса.

На второй стадии исследования распыление проводилось при ионном токе I = 40 мА, энергии ионов U = 200 эВ и постоянном значении температуры подложки кремния Т = 550 °С.

Время процесса ИЛО в секундах: t1 = 15, t2 = 30, t3 = 45, t4 = 60, t5 = 75, t6 = 90, t7 = 120, t8 = 180, t9 = 240, t10 = 270.

Полученные образцы были исследованы с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NT-MDT Ntegra в полуконтактном режиме. Обработка полученных с помощью АСМ данных произведена в программной среде Nova 1000.

Результаты и их обсуждение

В результате проведения серии экспериментов было установлено, что массив нанокластеров с оптимальными параметрами (плотностью распределения и размерами островков) получается при температуре подложки 500 - 550 °С. Было выяснено, что при температурах более 600 °С происходит быстрое сращивание наноостровков Ge, предположительно за счет перекрытия диффузионных полей.

Установлено, что при энергии ионов аргона 200 эВ (U^n = 200 В) и ионном токе !БИп = 40 мА скорость осаждения наиболее оптимальна для получе-

ния КТ Ge. При данных параметрах ионного источника имеется возможность контролировать время процесса - при больших скоростях осаждения это практически невозможно, так как время распыления будет составлять всего лишь несколько секунд и точность эксперимента упадет.

Зависимости морфологии нанокластеров Ge/Si от времени проведения процесса ИЛО отражены в таблице.

При анализе полученных результатов прослеживается прямо пропорциональная зависимость средней высоты наноостровков Ge и обратно пропорциональная зависимость плотности массива наноструктур от времени осаждения.

С достижением некоторого критического момента времени /кр, лежащего в интервале 90 - 120 с, наблюдается резкое уменьшение размеров нанокластеров, в то время как их высота с течением времени продолжает постоянно расти (рис. 1). С момента времени t = 120 с, снова наблюдается плавный незначительный рост латеральных размеров наноостровков. Кроме того, с момента времени нанокластеры приобретают правильную куполообразную форму.

70

60 120 180 240 300

Время осаждения t, с

Рис. 1. График зависимости средних значений линейных размеров нанокластеров Ge на Si от времени процесса осаждения

Статистика 3D островков для полученных образцов

Время осаждения t, с Средняя длина l, нм Средняя ширина d, нм Средняя высота h, нм Шероховатость о, нм Плотность массива наноструктур р, 1011 см-2

15 40 30 1,4 0,3 1,74

30 42 33 1,2 0,2 2,40

45 45 34 1,5 0,3 1,95

60 49 38 1,8 0,4 1,35

75 52 42 1,9 0,5 1,21

90 56 47 2,5 0,5 1,18

120 20 20 2,9 0,7 0,37

180 29 29 4,4 1,2 0,32

240 27 27 6,5 1,5 0,17

270 30 30 10,2 1,7 0,36

Наиболее оптимальные параметры нанокластеров Ge были получены при времени осаждения t = 270 с: латеральные размеры островков около 30 нм, средняя высота h = 10,2 нм и плотность массива наноструктур ц = 0,36-Ю11 см-2 (рис. 2).

Рис. 2. АСМ-изображение поверхности подложки Si с нанокластерами Ge при времени осаждения t = 270 с

Заключение

В ходе проведения данных исследований были выявлены закономерности изменения морфологии КТ Ge от технологических параметров процесса ИЛО. Эти зависимости являются сложными и отличаются от таковых, установленных для традиционной МЛЭ.

Поступила в редакцию

Установлены оптимальные значения энергии ионов аргона и плотности ионного тока, обеспечивающих заданную скорость осаждения нанокластеров Ge, при которых появляется возможность прецизионного контроля растущих структур.

Показана зависимость параметров нанокластеров Ge на подложке Si от времени распыления. Выявлен наиболее благоприятный диапазон времени проведения процесса осаждения методом ИЛО от 120 до 270 с.

Литература

1. Konig U. Future applications of heterostructures // Physica

Scripta. 1996. Vol. T. 68, P. 90.

2. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В. [и др.] Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, № 11. С. 1281.

3. Shiraki Y., Sakai A. Fabrication technology of SiGe heterostructures and their properties // Surface Science Reports. 2005. Vol. 59, № 7-8. P. 153.

4. Лунин Л.С., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Лунина М.Л. Ионно-лучевая кристаллизация нанокластеров Ge на Si (001) // Вестн. Южного научного центра РАН. 2012. Т. 8, № 2. С. 4.

5. Vostokov N.V., Gusev S.A., Drozdov Yu.N. [et al.] The relation between composition and sizes of GeSi/Si(001) islands grown at different temperatures // Physics of Low-Dimensional Structures. 2001. № 3/4. Р. 295.

19 ноября 2012 г.

Кулешов Дмитрий Сергеевич - аспирант, Южный научный центр РАН. E-mail: kule-dmitry@yandex.ru

Малявин Федор Федорович - инженер-исследователь, Южный научный центр РАН. E-mail: fedormalyavin@mai. ru

Лапин Вячеслав Анатольевич - аспирант, Северо-Кавказский федеральный университет E-mail: viacheslav-lapin@yandex.ru

Kuleshov Dmitry Sergeevich - post-graduate student, South Scientific Center RAS. E-mail: kule-dmitry@yandex.ru

Malyavin Fedor Fedorovich - engineer researcher, South Scientific Center RAS. E-mail: fedormalyavin@mai.ru

Lapin Vyacheslav Anatolevich - post-graduate student, North Caucasus Federal University E-mail: viacheslav-lapin@yandex.ru_