Эпитаксиальный рост простых полупроводников Si и Ge на поверхности Si(111) (стр. 4 из 6)

Проводя однообразно прогрев и охлаждение перед каждым экспериментом, мы предполагаем, что перед каждым новым ростом поверхность имеет одинаковую геометрию (высоты и направлений ступеней, разброс ширин террас) и такие же энергетические характеристики. О чем свидетельствует характерная дифракционная картина (7х7) реконструированной поверхности (рис.3), наблюдаемая после всех предэпитаксиальных подготовок.

Рисунок 3 Характерная картина ДБЭ поверхности Si(111)-7x7

Результаты эксперимента.

1. Поведение формы осцилляций от температуры.

В работе исследован методом ДБЭ рост слоев кремния на кремнии в диапазоне температур от 300 до 680°C

На рисунке 4 показано характерное поведение осцилляций при различных температурах эпитаксии кремния на поверхности Si(111)-7x7.

Рисунок 4 Осцилляции интенсивности ДБЭ при эпитаксии Si на Si(111)

При низких температурах эпитаксии наблюдается отсутствие первого максимума осцилляций. Зарождение островков происходит предпочтительно на метастабильных реконструкциях и дефектах поверхности уже образовавшихся островков, поэтому на идеальной поверхности (7х7) второй монослой начинает образовываться задолго до завершения первого, а затем рост происходит послойно.

Для высоких температур адатомы имеют более высокую энергию, вследствие чего они становятся менее чувствительны к поверхностным дефектам и метастабильным реконструкциям, поэтому рост идет помонослойно начиная с первой осцилляции.

Чувствительность зарождающихся островков к поверхностным дефектам так же наблюдается для эпитаксии германия.

Рисунок 5 Осцилляции интенсивности ДБЭ при эпитаксии Ge на Si(111)

Методом ДБЭ, так же исследован рост слоев германия на кремнии в диапазоне температур от 300 до 500^ОС. Поначалу рост осуществляется по двумерно-островковому механизму, о чем свидетельствуют осцилляции интенсивности зеркального рефлекса (рис.5). При толщине пленки более трех монослоев (МС) осцилляции прекращаются и интенсивность выходит на стационарное значение. С четвертого слоя начинают образовываться трехмерные островки (механизм Странского-Крастанова), о чем свидетельствует характерная дифракционная картина объемной дифракции (вместо тяжей от плоской поверхности появляются рефлексы).

На рисунке 5 показано характерное поведение осцилляций при различных температурах эпитаксии германия на поверхности Si(111)-7x7. Для всех представленных температур эпитаксии первый максимум осцилляции не наблюдается. Амплитуда второй осцилляции увеличивается с повышением температуры роста, аналогично первой осцилляции для кремния. После роста первого монослоя меняется реконструкция поверхности 7х7-5х5. Реконструкция 5х5 является стабильной для поверхности Ge(111) Поэтому можно заключить, что первый монослой германия повторяет структуру поверхности, перестраивается, после чего рост идет аналогично гомоэпитаксиальному и на величину амплитуды второй осцилляции в случае эпитаксии германия влияют те же механизмы, что и для эпитаксии кремния.

Третий максимум осцилляций с повышением температуры уменьшается и уширяется. Связано это с тем, что с повышением температуры уменьшается эффективная толщина пленки, начиная с которой осуществляется трехмерный рост.

2. Температурная зависимость толщины пленки вырастающей за один период осцилляции ДБЭ.

На рисунках 6 и 7 представлены температурные зависимости толщины эпитаксиальной пленки кремния, вырастающей за один период осцилляции интенсивности зеркально-отраженного пучка быстрых электронов, для различных образцов Si(111).

Рисунок 6 Температурная зависимость толщины пленки Siвырастающей за один период осцилляции

Рисунок 7 Температурная зависимость толщины пленки Siвырастающей за один период осцилляции

Скорость осаждения кремния в различных экспериментов изменялась в силу нестабильности длительной работы ЭЛИ, и колебалась в пределах 0.1±0.05 монослоя в секунду (1 монослой = 0.314 нм). За время проведения одного эксперимента (одной точки на графике) скорость потока атомов на подложку можно считать постоянной.

Для выяснения влияния скорости роста на точность экспериментов, измерена зависимость толщины пленки, вырастающей за один период осцилляции от скорости осаждения при постоянной температуре. На рисунке 8 представлена эта зависимость при температуре роста 500°C.

Как видно из зависимости, в диапазоне изменения скоростей 0.1±0.05 мс/сек., влиянием различия скоростей роста в разных экспериментах можно пренебречь, считая при этом скорость осаждения постоянной (хотя при вычислении толщины пленки берется точное значение скорости). Влияние скорости осаждения на толщину пленки так же представляет интерес, но в данной работе этот вопрос не рассматривается.

Рисунок 8 Зависимость толщины пленки вырастающей за один период осцилляции от скорости роста при 500 ^oC

На рисунках 9 и 10 представлены характерные температурные зависимости толщины эпитаксиальной пленки германия на кремнии вырастающей за один период осцилляции.

Точность экспериментов для эпитаксии германия несколько ниже, по сравнению с кремнием из-за неточности определения периода. Для эпитаксии кремния период определялся путем измерения времени десяти осцилляций и делении его на их количество. При этом изменение периода с номером осцилляции в пределах точности не обнаружено. Для эпитаксии германия период определялся по второму пику осцилляции, так как третий максимум может быть смещен из-за близости перехода режима роста к трехмерному.

молекулярный эпитаксия кремний пленка

Рисунок 9 Температурная зависимость толщины пленки Geвырастающей за один период осцилляции

Рисунок 10 Температурная зависимость толщины пленки Geвырастающей за один период осцилляции

Обсуждение результатов температурной зависимости

Как видно из вышеуказанных зависимостей, при высоких температурах эпитаксии толщина пленки вырастающей за один период осцилляции ДБЭ не соответствует одному монослою, и максимальное отклонение достигает 25%. С увеличением температуры величина отклонения растет и достигает максимального значения в области температур перехода от двумерно-островкового к ступенчато-слоевому механизму роста. Дальнейшее увеличение температуры приводит к исчезновению осцилляций.

При этом для одних образцов зависимость идет вниз, т. е. при повышении температуры вырастает пленка эффективной толщиной меньшей монослоя, а для других, зависимость растет, что соответствует пленки с эффективной толщиной более монослоя. Причем характер поведения зависимостей для эпитаксии кремния и германия на одних и тех же образце одинаковый.

Кривые с уменьшением эффективной толщины пленки от температуры хорошо описываются в рамках модели роста, используемой в работе [30]. Хотя в данной упрощенной модели не учтена форма двумерных островков и предполагается равновероятным встраивание адатома в ступень снизу и сверху, она качественно объясняет причину изменения периода осцилляций.

В начальный момент времени, который на рисунке 10 соответствует положению (0) двумерных островков нет, шероховатость минимальна и интенсивность зеркального пучка имеет максимальное значение. После начала роста на террасе формируются двумерные островки, зарождающиеся на расстоянии равном удвоенной длине миграции адатомов (l) как друг от друга, так и от края ступени. В процессе роста двумерные островки разрастаются, а край ступени перемещается в сторону роста с той же скоростью, что и край островка. В момент времени (2) шероховатость максимальна и интенсивность зеркального рефлекса имеет минимум. При срастании двумерных островков края ступеней и двумерных островков продвинуться на расстояние, равное длине миграции адатомов l. Это соответствует состоянию поверхности, показанной для случая (4) на рис.11. Интенсивность зеркального рефлекса снова достигнет максимально значения, но край ступени не будет совпадать с начальным положением.

Рисунок 11 Модель роста для случая уменьшения толщины пленки при повышении температуры

Таким образом, за время, равное периоду осцилляций, край ступени переместится на расстояние, которое меньшее длины террасы на величину, равную длине миграции. Перемещение края ступени на величину (l-l) соответствует росту пленки с эффективной толщиной менее одного монослоя.

Для объяснения прямо противоположного поведения зависимости было замечено, что: согласно публикациям существует разница в зарождении островков и миграции адатомов для различных направлений ступеней на поверхности кремния (111). Так согласно [31], при газофазной эпитаксии Siна Si(111) для ступени[`1`1 2] на верхней террасе, зародившиеся у края ступени островки, не имеют зоны обеднения с этой ступенью. Однако присутствие водорода на растущей поверхности в методе газофазной эпитаксии может изменить энергетику поверхности по сравнению с ростом методом МЛЭ.

Отличие для миграции адатомов через ступени связано с существованием барьера Швебеля - дополнительного энергетического барьера для перехода адатома с верхней террасы на нижнюю. По расчетам для ступеней на поверхности Si(111)-(1х1) эти барьеры составляют 0.16±0.07 и 0.61±0.07 эВ для и соответственно.