Эпитаксиальный рост простых полупроводников Si и Ge на поверхности Si(111) (стр. 5 из 6)
При меньшем барьере, из-за наличия стока на ступенях, равновесная концентрация адатомов, в начальный момент роста, сильно спадает к границам ступеней, поэтому, при зарождении островков, между образовавшимися островками и ступенью существует область обеднения островков. Наличие большого энергетического барьера приводит к тому, что концентрация адатомов на верхней террасе вблизи края ступени остается большой, вследствие чего идет зарождение островков вблизи верхнего края ступени.
Исходя из этих соображений, предложена модель (рис.12), объясняющая рост температурной зависимости толщины пленки.
В данном случае часть островков зарождается на краю ступени. К моменту срастания (случая 4 на рис.12) край ступени переместится на расстояние, которое больше длины террасы на величину, равную длине миграции.
Рисунок 12 Модель роста для случая увеличения толщины пленки при повышении температуры
Для проверки данного предположения, методом рентгено структурного анализа была измерена разориентация поверхности образцов. Для различных образцов разориентация менялась от 6 до 10 минут. К нашему глубокому сожалению, определить направление разориентации данным методом не удалось, в силу очень малых углов разориентации.
Величина, характеризующая уменьшение или увеличение периода ДБЭ осцилляций, определяется длиной миграции адатомов, которая может быть вычислена по формуле:
L´(1-d/d111) - для случая роста пленки толщиной меньше монослоя (за один период), и L´(d/d111-1) - для случая роста пленки большей монослоя
Где L - ширина террасы, d - эффективная толщина пленки, d111 - толщина монослоя (d/d111=доля монослоя). Таким образом, по изменению периода осцилляций, зная угол разориентации подложки, можно определить значения l.
Однако существует ограничение на применимость этой формулы при близких значениях dи d111, в связи с большим увеличением погрешности определения при стремлении к нулю. Поэтому предел применимости можно записать как: /L>(относительная погрешность измерения d).
В обоих случаях максимальное значение эффекта составляет 25%, что соответствует =L/4. При больших значениях рост осуществляется по ступенчато-слоевому механизму, что ведет к исчезновению осцилляций.
Процессы участвующие в зарождении островков носят активационный характер, поэтому по температурной зависимости толщины пленки, вырастающей за один период, можно определить характеристическую энергию процесса зарождения островков. Строя температурные зависимости в Арениусовых координатах находится энергии активации процесса образования двумерных зародышей Em.
Рисунок 13 Зависимость длинны миграции адатомов Siна Si(111) от обратной температуры (данные рис.6)
Рисунок 14. Зависимость длинны миграции адатомов Siна Si(111) от обратной температуры (данные рис.7)
Рисунок 15 Зависимость длинны миграции адатомов Geна Si(111) от обратной температуры (данные рис.9)
+
Рисунок 16 Зависимость длинны миграции адатомов Geна Si(111) от обратной температуры (данные рис.10)
На рисунках 13-16 представлены графики зависимости длинны миграции для систем Si/Si(111) и Ge/Si(111). При этом для первого образца энергия активации длинны миграции составила 1.45±0.1 эВ при эпитаксии кремния и 1.1±0.1 эВ при эпитаксии германия. Для второго образца энергия активации составила 0.91±0.1 эВ при эпитаксии кремния и 0.49±0.1 эВ при эпитаксии германия.
Миграции адатомов определяется коэффициентом поверхностной диффузии и величиной падающего потока. Энергия активации формирования двухмерных островков складывается из энергии активации поверхностной диффузии и энергии образования двумерного зародыша. Кроме того имеет существенное значение минимальное количество атомов, которые образуют этот зародыш. Поэтому полученное значение энергии активации миграции адатомов связать однозначно с энергией активации поверхностной диффузии и величиной потока атомов на поверхность можно только с учетом указанных параметров. Но они неизвестны для исследуемой нами системы.
Однако, т.к. поток атомов на поверхность, температура эпитаксии, последовательность подготовки образцов - одинаковы, плюс близкое значение углов разориентации, поэтому можно предположить, что энергия активации поверхностной диффузии, размер и энергия образования двумерных зародышей одинакова для этих образцов. Возникает вопрос, с чем связано отличие в активационных энергиях для различных образцов?
Заметим что, для эпитаксии кремния и германия, отличие активационных энергий разных образцов в пределах точности совпадает (0.4 эВ).
Поэтому мы предполагаем, что это отличие связано с разницей барьеров для миграции адатомов через ступень для различных ступеней. Разница барьеров Швебеля по расчетам [32] для ступеней [-211] и [-1-12] на поверхности Si(111)-(1х1) составляет 0.45 эВ. Однако данные расчеты приведены для (1х1) реконструкции поверхности, а в наших экспериментах хорошо наблюдалась реконструкция (7х7) которая может несколько изменить значения этих барьеров.
Выводы
По результатам проведённых исследований измерения температурной зависимости толщины эпитаксиальной пленки, при молекулярно-лучевой эпитаксии на Si(111) можно сделать следующие выводы:
1). Проверено, что период осцилляции зеркально отраженного пучка быстрых электронов не всегда соответствует росту пленки монослойной толщины, и это несоответствие может достигать 25% в области температур перехода от двумерно-островкового к ступенчато-слоевому механизму роста.
2). Измерена температурная зависимость толщины пленки, вырастающей за один период осцилляции при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и германия на слабо отклоненной поверхности Si(111).
3). Обнаружено, что с повышением температуры эффективная толщина пленки вырастающей за один период осцилляции может как увеличиваться, так и уменьшаться.
4). Предложена модель, объясняющая возможность различного поведения полученных температурных зависимостей эффективной толщины пленки.
5). Определена энергия активации длинны миграции адатомов на поверхности, которая составила при эпитаксии кремния 1.45±0.1 эВ и 0.91±0.1 эВ, при эпитаксии германия 1.1±0.1 эВ и 0.49±0.1 эВ для образцов с различным поведением температурных зависимостей соответственно.
Благодарности
Выражаю огромнейшую благодарность моему научному руководителю к.ф.-м.н. Никифорову А.И. за частые обсуждения вопросов непосредственно связанных с моей дипломной работой, за поощрение и помощь при проявлении мной инициативных начинаний, а так же за дружественный дух который царит в его рабочей группе.
Хочу поблагодарить так же к.ф.-м.н. Маркова В.А. за полученные от него знания и начальные навыки работы на установке молекулярно-лучевой эпитаксии.
Хочу сказать большое спасибо аспиранту Колесникову .. за проведенные им измерение углов разориентации образцов.
Особенно хочу поблагодарить к.ф.-м.н. Чикичева С.И. за интересные, занимательные спецсеминары и систематическую стимуляцию написания дипломной работы.
Cписок литературы
1. Г.А. Абдурагимов «Поверхность кристалла и эпитаксия» Издательство Ростовского Университета Ростов-на-Дону 1987г.
2. Б.З. Кантер, А.И. Никифоров, В.П. Попов «Исследование сверхрешеток на основе слоев Sb, полученных с помощью МЛЭ кремния, методом резерфордовского обратного рассеяния»//«Полупроводники» Сборник научных трудов ВО «Наука» Новосибирск 1993 стр.81
3. «Спектроскопия и диффракция электронов при исследовании поверхности твердых тел» Москва, Наука 1985
4. Physical Review Letters v.74 №14 1995 p.2756
5. B.Voigtlander, M.Kastner «’’In vivo’’ STM studies of the growth Germanium and Silicon on Silicon» // Appl. Phys. A 63,577-581(1996)
6. Bert Voigtlander and Thomas Weber «Nucleation and growth of Si/Si(111) observed by scanning tunneling microscopy during epitaxy» // Physical Review B v.54 №8 p.1-4
7. Bert Voigtlander, Andre Zinner and Thomas Weber «High temperature scanning tunneling microscopy during molecular beam epitaxy» // Rev.Sci.Instrum. 67(7),July 1996 p.2568-2572
8. Э.Зенгуил «Физика поверхности» Москва «Мир» 1990г.
9. В.А. Зиновьев, В.Ю. Баландин, Л.Н. Александров «Скорость движения ступеней при росте поверхности (111) в условиях сверхструктурного фазового перехода (7х7)-(1х1)»//«Полупроводники» Сборник научных трудов ЦЭРИС Новосибирск 1994 стр.219
10. Y.-N. Yang and E.D. Williams «High atom density in the (1x1) phase of metastable reconstruction on Si(111)» // Physical review Letters v.72 №12(1994) 1862-1865
11. Л.С. Палатник, И.И. Папиров «Эпитаксиальные пленки» Москва «Наука» 1971г.
12. M.Ichikawa and T.Doi «Microprobe Reflection High-Energy Electron Diffraction» // RHEED and Reflection Electron Imagine of surfaces 1988 p.343-369
13. U. Kohler, J.E. Demuth and R.J. Hamers «Scfnning tunneling microscopy study of low-temperature epitaxial growth of silicon on Si(111)-(7x7)» // J.Vac.Sci.Thecnol. A 7(4),Jul/Aug 1988 2860-2866
14. Bert Voigtlander, Andre Zinner, Thomas Weber and Hans P.Bonzel «Modification of growth kinetics is surfactant mediated»//Physical Review B v.51 №.12(1995) pp.7583-7591
15. А.В. Латышев, А.Б. Красильников, А.Л. Асеев «Структура анти-эшелонов ступеней на вицинальной поверхности Si(111) в условиях нагрева пропусканием электрического тока» «Полупроводники» Сборник научных трудов ЦЭРИС Новосибирск 1994 стр.197
16. M. Horn Von Hoegen, J. Falta and M. Henzler «The initial stages of growth of silicon on Si(111) by slow positron annihilation low-energy electron diffraction» Thin Solid Films,183(1989) 213-220
17. Mats I. Larson and Goran V. Hanson «Initial stages of Si molecular beam epitaxy studied with Reflection High-Energy Electron Diffraction intensity measurement and Monte Carlo simulations» J.Crystal Growth 134,203(1993) 151 160
18. Michael Horn-von Hoegen, Holger Pietsch «Homoepitaxy of Si(111) is surface defect mediated» // Surf.Sci.Lett. 231(1994) L129-L136
19. V.A. Markov, A.I. Nikiforov and O.P. Pchelyakov «In situ RHEED control of direct MBE growth of Ge quantum dots on Si(001)» // J.Crystal Growth 175/176(1997) 736-740