Синтез и свойства нанокристаллов GeSn в слоях Si и SiO 2

Содержание Введение Обзор зарубежных исследований по сплавам GeSn Перспективы МЛЭ структуры GeSn/Si Имплантация Ge и Sn в SiO 2 /Si Малые концентрации Sn в МЛЭ слоях Ge/Si

Введение Современное состояние технологии микроэлектроники: Базовый материал - кремний. Более 95% полупроводниковых устройств создается на основе Si. Тенденция: Увеличение степени интеграции, потребляемой мощности и тепловыделения ИС, приближение к пределу вычислительных способностей ИС на Si. Перспектива: Поиск новых способов создания внутрисхемных коммуникаций и эффективных светоизлучающих устройств совместимых с Si технологией. Сплавы Sn x Ge 1-x : При определенных условиях вид зонной структуры сплавов Sn x Ge 1-x изменяется от непрямозонного к прямозонному. Исследуется возможность управления шириной запрещенной зоны сплавов Sn x Ge 1-x и условиями перехода к прямой запрещенной зоне.

Обзор зарубежных исследований по сплавам GeSn Выращивание когерентных, однородных эпитаксиальных пленок Sn x Ge 1-x /Ge(001) Рис. 1. ПЭМ микрофотографии структуры из 5 слоев Sn 0.02 Ge 0.98 /Ge Рис. 2. ПЭМ микрофотографии структуры Sn 0.03 Ge 0.97 /Ge (23 нм). Рис. 4. ПЭМ микрофотографии структуры Sn 0.06 Ge 0.94 /Ge (23 нм). Граница раздела Рис. 3. Спектр РОР от структуры Sn x Ge 1-x /Ge (100 нм). Sn 0.06 Ge 0.94 Ge

Рис. 4. Зависимость ширины запрещенной зоны в сплаве Sn x Ge 1-x от содержания Sn. Рис. 5. Зависимость пропускания излучения (отн. ед.) пленками Sn x Ge 1-x (100 нм) от энергии излучения. Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения в сплаве Sn x Ge 1-x (100 нм) от энергии излучения Оптические характеристики эпитаксиальных пленок Sn x Ge 1-x /Ge(001)

1 НАПРАВЛЕНИЕ Исследование сплавов GeSn: Теория: Сплавы Ge 1-x Sn x : - имеют прямую запрещенную зону при x

2 НАПРАВЛЕНИЕ Исследование структур (Ge+Sn)/Si: Теория: Существует возможность реализации прямого оптического перехода в системе Si/Ge при условии осаждения Ge в форме островков с малыми размерами. Способ получения структур: МЛЭ тонких слоев Ge на Si-подложках в режиме Странски- Крастанова. Движущая сила формирования островков: различие постоянных решеток Si и Ge (4,2%). Проблема: Осаждение Ge при типичных температурах МЛЭ ( о С) приводит к формированию крупных островков. Решение: Добавление в эпитаксиальный слой Ge небольшого (~1-3 ат.%) количества атомов примеси с большим, чем у Ge ковалентным радиусом (например, Sn).

Методические особенности МЛЭ структуры GeSn/Si

Рис. 2. Светлопольные ПЭМ микрофотографии от образцов С2 а) 925 С 60 мин б) 950 С 60 мин С1 в) 925 С 60 мин г) 925 С 130 мин Рис. 1. Спектры РОРКИ: а) исходная структура, - - отжиг 925 С 60 мин б) область каналов спектра а) Рис. 3. Распределение НК по размерам. (а) - Si/Ge0,93Sn0,07/Si, (б) - Si/Si0,4Ge0,5Sn0,1/Si а) б) г)б)в) GeSn Ge Sn

Выводы Сформированные нанокластеры Ge 1-x Sn x имеют средний размер ~10 нм, поверхност- ную плотность ~4.5×10 10 см -2 Формирование нанокластеров Ge 1-x Sn x является результатом сегрегационного оттеснения Sn и Ge при движении границы раздела SiO 2 /Si.

Методические особенности Имплантация Ge и Sn в SiO 2 /Si

Рис.1. Спектр РОР от образцов A (a) и B (б) после отжига в атмосфере сухого азота в течение 30 мин при: o C и o C. Рис.2. Изображения электронной дифракции (а, в, д) и темнопольные ПЭМ микрофотографии (б, г) образцов A отожженных при 408 o C (а, б), 650 o C (в, г) и 900 o C (д) в течение 30 мин в атмосфере сухого азота.

Рис.3. Изображения электронной дифракции, полученные от образцов B, отожженных в атмосфере сухого азота в течение 30 мин при: (а) 408 o C, (б) 650 o C и (в) 900 o C. Рис.4. Спектры катодолюминесценции от образцов A, отожженных в атмосфере сухого азота в течение 30 мин при 650 o C (черный) и 900 o C (серый).

Выводы Cлои SiO 2 содержат нанокластеры Ge и Sn. Средний размер и плотность нанокластеров варьируются в зависимости от условий ионной имплантации и термообработки и составляют нм и –10 11 см -2 соответственно. После термообработки при 400–800 о С видимого перераспределения Ge и Sn не наблюдается и только при 900 о С, в образце, имплантированном с высокой дозой ионов, имеет место медленная сегрегация (оттеснение) примесей к границе раздела SiO 2 /Si. Спектры катодолюминесценции (КЛ) от структур SiO 2 (Ge+Sn)/Si содержат интенсивные пики в синей области и области, близкой к ИК-излучению. которые могут быть приписаны наличию дефектов и нанокластеров в слое SiO 2 (Ge+Sn).

Методические особенности Малые концентрации Sn в МЛЭ слоях Ge/Si

Рис. 1. ПЭМ микрофотографии образцов структуры (11Å Ge + 2,5% Sn), выращенной при температурах МЛЭ: а – ТМЛЭ=450 o C; б – Т МЛЭ =500 o C;в –Т МЛЭ =550 о С. Рис. 2. ПЭМ микрофотографии образцов структур, выращенных методом МЛЭ при 500 о С: а – 10Å Ge; б – 10Å Ge + 1,5% Sn. Рис. 3. Распределение островков по размерам для структур, выращенных методом МЛЭ при 500 о С: a – (10Å Ge); б – (10Å Ge + 1,5% Sn).

Выводы при низких температурах роста (450 о С) формируются островки преимущественно типа hut, при высоких температурах (500 о С-550 о С) – островки типа dome. осаждение Ge с малыми добавками атомов Sn приводит к увеличению поверхностной плотности островков и сокращению их размеров. Результаты могут быть объяснены с точки зрения кинетической модели формирования упругонапряженных островков в гетероэпитаксиальных системах, рассогласованных по параметру решетки. Очевидно, что примесь Sn приводит к изменению как энергетических, так и кинетических свойств системы. 1) уменьшается диффузионная длина перемещения атомов на поверхности, что приводит к уменьшению скорости роста островков по сравнению с осаждением чистого Ge. 2) понижается активный барьер зарождения островков, что приводит к увеличению их числа, уменьшению среднего размера и снижению критической толщины образования островков. Электронный вариант презентации доступен на сайте