СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО МАССИВА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНООСТРОВКОВ КРЕМНИЯ НА САПФИРОВОЙ ПОДЛОЖКЕ В ВАКУУМЕ
METHOD OF FORMING EPITAXIAL ARRAY OF MONOCRYSTALLINE NANOISLANDS OF SILICON ON SAPPHIRE SUBSTRATE IN VACUUM

Изобретение относится к сублимационному выращиванию эпитаксиальных массивов самоорганизованных монокристаллических наноостровков кремния на сапфировых подложках и может быть использовано в качестве нанотехнологического процесса, характеризующегося повышенной стабильностью формирования однородных по размерам наноостровков кремния с пониженной степью дефектности их структуры.
Представляя собой актуальный оптически-активный материал современной полупроводниковой электроники с наноструктурой массив монокристаллических наноостровков кремния на подложке в связи с зависимостью длины волны излучающей кремниевой наноструктуры от размеров наноостровков кремния эффективен (см. монографию на англ. яз. авторов L. Pavesi, R. Turan. «Silicon Nanocrystals: Fundamentals, Synthesis and Applications». WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, Weinheim, 2010, p. 5-6) при уменьшенных размерах указанных островков, которые экспериментально достижимы (см. работу Дубровского В.Г. «Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур». Санкт-Петербург, 2006, с. 9-13) в результате осуществления гетероэпитаксии (когда растущий слой наноостровка отличается по химическому составу и параметрам кристаллической решетки от материала подложки), и при однородности наноостровков кремния по размерам и высокой поверхностной плотности распределения этих островков.
Вторым условием оптической эффективности рассматриваемого массива наноостровков кремния является степень его бездефектности, заключающаяся в минимальном содержании двойниковых дефектов сублимационного роста наноостровков кремния.
При этом второе условие входит в противоречие с гетероэпитаксией, т.к. совершенная структура формируемых эпитаксиальных структур требует осуществления гомоэпитаксии (когда растущий слой наноостровка совпадает по химическому составу и параметрам кристаллической решетки с материалом подложки).
И если однородность наноостровков кремния по размерам и высокая поверхностная плотность распределения этих островков могут быть достигнуты (см. автореферат канд. дисс. Кривулина Н О. «Особенности формирования наноразмерных кристаллических слоев кремния на сапфире», 2012 г. на сайте в Интернет: http://www.dslib.net/kondensat/osobennosti-formirovanija-nanorazmernyh-kristallicheskih-sloev-kremnija-na-sapfire.html) в результате варьирования условий осаждения кремния (температуры и скорости роста), то стабильное снижение дефектности указанных островков, заключающейся в формировании в них в основном дефектов двойникования (см. статью Кривулина Н.О. и др. «Исследование кристаллической структуры наноостровков кремния на сапфире» - Физика и техника полупроводников. 2015, т. 49, в. 2, с. 160) продолжает оставаться технологической проблемой в связи с указанным выше противоречием, неустойчивостью образования наноостровков кремния в результате релаксации упругих напряжений, возникающих вследствие достаточно большого рассогласования решеток кремния и сапфира, с образованием наноостровков кремния (см. статью Павлова Д.А. и др. «Анализ закономерностей роста при гетероэпитаксии кремния на сапфире» - Физика и техника полупроводников. 2013, т. 47, в. 6, с. 855), а также отсутствием в настоящее время четкого модельного представления о механизме роста наноостровков кремния на фоне различных теоретических подходов к эпитаксиальному росту кремния на сапфире (см. обзорную статью на англ. яз. автора Mark Aindov «Interfacial Structure in Heteroepitaxial Silicon on Sapphire». - J. Am. Cerom. SOC. 1990, 73 [S], p. 1136-1143).
Уровень технологии в области сублимационного формирования эпитаксиального массива монокристаллических наноостровков представлен в основном отечественными и зарубежными разработками получения германиевых наноостровков (см., например обзорную статью Пчелякова О.П. и др. «Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства». - Физика и техника полупроводников. 2000, т. 34, в. 11, с. 1281-1299) и немногочисленными отечественными публикациями по наноостровкам кремния на сапфире (см., например в статье Павлова Д.А. и др. «Формирование нанокристаллического кремния на сапфире методом молекулярно-лучевой эпитаксии» - Письма в ЖТФ. 2010, т. 36, в. 12, с. 17, способ сублимационного формирования эпитаксиального массива монокристаллических наноостровков кремния на сапфировой подложке в вакууме, который выбран заявителем в качестве прототипа).
11
-2
Указанный выше способ - прототип, включающий отжиг (при 1300°С) сапфировой подложки в вакуумной камере, последующий нагрев источника кремния (обеспечивающий скорость роста атомарных слоев кремния V, составляющую 2,5-3,0 Å/c) пропусканием электрического через него и выращивание на нагретой (до температуры T в интервале от 450 до 800°С) сапфировой подложке массива монокристаллических наноостровков кремния путем самоорганизованного образования наноостровков на поверхности сапфировой подложки из осаждаемого атомарного кремния, в результате варьирования величинами T и V обеспечил однородность наноостровков кремния по размерам (без превышения латерального размера - диаметра основания 20 нм и высоты 3 нм) и максимальную поверхностную плотность распределения наноостровков 2,0·10 см при получении массива монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования, превышающей величину, составляющую 50%.
10
-2
На решение практической проблемы технологического обеспечения стабильного снижения дефектности сублимационно формируемых однородных по размерам наноостровков кремния на сапфировой подложке в вакууме (технический результат предлагаемого изобретения) направлено предлагаемое изобретение, которое задает экспериментально выявленные режимные условия стабильного получения однородного по размерам массива куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования в 100%-х образцов не более 10% и поверхностной плотностью распределения наноостровков не менее 8·10 см.
Для достижения изложенного выше технического результата в способе формирования эпитаксиального массива монокристаллических наноостровков кремния на сапфировой подложке в вакууме, включающем отжиг сапфировой подложки в вакуумной камере, последующий нагрев источника кремния пропусканием электрического через него и выращивание на нагретой сапфировой подложке массива монокристаллических наноостровков кремния путем самоорганизованного образования наноостровков на поверхности сапфировой подложки из осаждаемого атомарного кремния, отжиг сапфировой подложки ведут при 1200°С, а испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры T, выбираемой из интервала ее величин 550-700°С, со скоростью роста атомарных слоев кремния V, выбираемой из интервала ее величин в соответствии с неравенством
где h - расстояние между испаряемой поверхностью источника кремния и поверхностью роста сапфировой подложки; T - температура нагрева сапфировой подложки.
В частных случаях реализации предлагаемого способа:
11
-2
испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 600°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 2,0 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 10% и поверхностной плотностью распределения наноостровков 1,5·10 см;
10
-2
испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 700°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 2,0 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 6% и поверхностной плотностью распределения наноостровков 8·10 см;
11
-2
испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 700°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 0,5 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 5% и поверхностной плотностью 1,3·10 см.
На фиг. 1 и 2 представлены микрофотографии поперечного среза сформированного на сапфировой подложке в соответствии с предлагаемым способом наноостровка кремния, соответственно без дефекта двойникования и с ним (просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
-7
В вакуумной системе (УВН-83П-I) установки для молекулярно-лучевой эпитаксии образцы - сапфировые подложки размерами 1×1 см при вакууме не более 7·10 Торр предварительно поочередно с помощью танталового нагревателя, через который пропускают электрический ток, подвергают отжигу при 1200°С в течение 20 мин, затем через размещенный в вакуумной системе источник кремния пропускают электрический ток, регулируя температуру его нагрева в соответствии с выбранной из интервала величин, задаваемого неравенством (1), скоростью роста атомарных слоев кремния V и испаряемый атомарный поток кремния в условиях указанного вакуума осаждают на сапфировой подложке, нагретой с помощью танталового нагревателя до температуры T, выбираемой из интервала ее величин 550-700°С, выращивая на нагретой сапфировой подложке равномерно распределенный на ней массив монокристаллических наноостровков кремния путем самоорганизованного образования наноостровков на поверхности сапфировой подложки с R-срезом () из осаждаемого атомарного потока кремния (поперечный срез сформированного на сапфировой подложке в соответствии с предлагаемым способом наноостровка кремния без дефекта двойникования и с ним показан на фиг. 1 и 2).
Для исследования морфологии поверхности полученных образцов применялся метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Использовался сканирующий зондовый микроскоп Solver Pro (ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград). Кристаллическое совершенство массивов наноостровков изучали по результатам электронографии на отражение с использованием прибора ЭМР-102 при ускоряющем напряжении 50 кВ. Исследование поперечного среза наноостровков проводилось в просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100F (JEOL, Япония). Получение поперечного среза наноостровков осуществлялось посредством специальной оснастки (Gatan 601.07000 ТЕМ Specimen Preparation Kit), разработанной фирмой Gatan, США.
Примеры осуществления предлагаемого способа (при времени выращивания от 5 с до 2 мин и размерах получаемых отдельных наноостровков кремния: диаметре основания от 4 до 20 нм и высоте от 2 до 10 нм).
11
-2
Пример 1. Испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 600°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 2,0 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 10% и поверхностной плотностью распределения наноостровков 1,5·10 см.
10
-2
Пример 2. Испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 700°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 2,0 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 6% и поверхностной плотностью распределения наноостровков 8·10 см.
11
-2
Пример 3. Испаряемый атомарный поток кремния осаждают на сапфировой подложке, нагретой до температуры 700°С со скоростью роста атомарных слоев кремния 0,5 , получая однородный по размерам массив куполообразных монокристаллических наноостровков кремния с долей наноостровков с дефектами двойникования 5% и поверхностной плотностью 1,3·10 см.
Доли наноостровков с дефектами двойникования в массивах монокристалличских островков кремния, выращенных на сапфировых подложках, подтверждающие стабильно сниженную дефектность сублимационно формируемых однородных по размерам наноостровков кремния на сапфировой подложке в вакууме в пределах предлагаемых режимных параметров (при температуре нагрева сапфировой подложки T от 550°С до 700°С и скорости роста атомарных слоев кремния V при h=2,0 см и T=550°С от 0,25h(см)=0,5  до 2000/T(°C)=3,64 ) указаны (на примере представленных образцов) в таблице 1, в которую также занесены показывающие недопустимое усиление эффекта двойникования характеристики дефектности образцов при выходе из интервалов указанных параметров.
При этом отклонение от температуры отжига 1200°С сапфировой подложки на 50-100°С сопровождалось нарушением достигнутой стабильности снижения дефектности сублимационно формируемых однородных по размерам наноостровков кремния с выходом доли наноостровков с дефектами двойникования за 10% в сторону повышения.
Пояснение к граничным условиям экспериментально выявленного интервала скоростей роста атомарных слоев кремния.
Физический механизм влияния скорости роста атомарных слоев кремния и температуры роста (температуры нагрева сапфировой подложки) на образование дефектов двойникования заключается в следующем.
Чем выше температура сапфировой подложки, тем больше длина поверхностной диффузии осажденного атома кремния на поверхность указанной подложки, как следствие уменьшается количество центров кристаллизации, т.к. атому кремния энергетически выгоднее присоединиться к уже сформированному кремниевому монокристаллическому наноостровку. В результате при повышении температуры роста уменьшается поверхностная плотность наноостровков при увеличении их размеров. Кроме того при высокой температуре роста коалесценция островков происходит раньше, а в местах соприкосновения островков формируются дефекты двойникования. Дефекты формируются также в процессе остывания полученной структуры из-за различий в коэффициентах теплового расширения кремния и сапфира. Этим объясняется верхняя граница температуры роста (700°С). При низкой температуре роста длина поверхностной диффузии мала. Центров кристаллизации становится больше, однако при слишком низкой температуре роста (ниже 550°С) формируется аморфный или поликристаллический слой.
Выявленная и выраженная в эмпирическом виде верхняя граница скорости роста атомарных слоев кремния - 2000/T(°C) с размерностью коэффициента 2000 - Å/(c·°C) объясняется тем, что при скорости роста выше указанной граничной скорости атомы кремния осаждаются на поверхность сапфировой подложки быстрее, чем уже осажденные атомы кремния присоединяются к кремниевым наноостровкам. В результате появляется большое количество новых центров кристаллизации, в результате чего рассматриваемые наноостровки получаются сильно неоднородными по размерам. Кроме того, в результате коалесценции на границах островков формируются дефекты двойникования. Выявленная и выраженная в эмпирическом виде нижняя граница скорости роста атомарных слоев кремния - 0,25h(см) с размерностью коэффициента 0,25 - Å/(с·см) связана с неравномерностью атомарного потока кремния.