Введение к работе
Актуальность темы. Исследование процессов формирования поверхности в ходе эпитаксизльного роста кристаллов является в настоящее время актуальной задачей в связи с развитием метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Морфология поверхности определяет совершенство границ раздела в многослойных полупроводниковых структурах, получаемых этим методом. Существенное влияние на формирование структурно-совершенных границ раздела оказывает рельеф повехности, в том числе, высотой в одно, мезплоскостное расстояние, связанный с расположенными на ней моноатомными ступенями. Такой рельеф приводит, например, к усилению процессов сегрегации германия и взаимодиффузии слоев германия и кремния.
Электрические и оптические свойства выращиваемых методом МЛЭ гетероструктур сильно зависят как от толщины слоев, так и от гладкости границ раздела между слоями на уровне одного монослоя. Так оптические свойства напрягенных монослойных сверхрешеток GenSl- сильно меняются при изменении толщины слоев всего на один монослой (МС). Ранее оыло показано влияние плотности ступеней моноатомной высоты на границах раздела в. сверхрешетках и структурах с квантовыми ямами GaAs/AlGaA3 на спектры фотолюминесценции. Если характерное расстояние мезду ступенями L было меньше Боровского радиуса экситона, на спектрах наблюдалось существенное увеличение ширины пиков фотолюминесценции, по сравнению со случаем более гладкій гэтерограниц, т.е. когда L было много больше Боровского радиуса.
Гетеросистеш, состоящие из материалов с большим несоответствием параметров кристаллических решеток, таких как германий и кремний, занимают важное место как в исследовательских, так и в технологических работах по МЛЭ. Исследование морфологии поверхности при получении таких гетероструктур особенно важно вследствие возможности перехода к трехмерному росту в результате релаксации упругих напряае-ний. Несмотря на большое количество работ, посвященных изучении эпитаксиального роста сильно несогласованных гетеро-
систем, некоторые практически важные вопросы остаются пока недостаточно исследованными. К ним относятся, например, условия морфологической стабильности пленки и зависимость процессов релаксации упругих напряжений от температуры.
Развитие метода МЛЭ для получения многослойных полупроводниковых структур с максимально резкими профилями легирования и границами раздела между слоями требует применения методов "in 9ttu" контроля процесса роста. Наибольшее распространение для целей изучения и контроля процессов формирования поверхности при МЛЭ получил метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ), который обладает высокой чуствитель-ностыо к структуре и микроморфологии поверхности монокристаллической подложки и, благодаря малой величине угла падения пучка электронов на поверхность, легко совмещается с эпитаксиальным ростом из молекулярных пучков.
Цель настоящей диссертационной работы заключалась в экспериментальном исследовании методом ДБЭ. процессов, влияющих на формирование морфологии поверхности, в ходе эпитаксиального роста пленок германия, кремния и их твердых растворов из молекулярных пучков. Для достижения указанной цели в.работе предполагалось решить следующие задачи:
. I. Анализ причин затухания ДБЭ-осцилляциЙ и его зависимости от развития морфологии поверхности в ходе роста пленок Ge и S1 по двумерно-слоевому механизму.
2. Исследование процессов восстановления атомарной
гладкости поверхности пленок после остановки их роста.
-
Изучение возможностей увеличения продолжительности in situ ДБЭ-контроля роста пленок путем оптимизации условий роста.
-
Исследование закономерностей перехода от двумерно-слоевого механизма роста к трехмерному во время гетероэпи-таксии слоев твердого раствора германий-кремний на кремнии.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
Проведено методом ДБЭ экспериментальное in. situ изучение микроморфологии поверхности в ходе МЛЭ : пленок германия, кремния и . их", твердых растворов. Следующие
результаты относятся к наиболее важным:
I. Впервые экспериментально установлено, что десинхро-низация процессов зарождения двумерных1 островков является второй основной причиной затухания ДБЭ-осцилляций в ходе эпитаксиального роста пленок по двумерно-слоевому механизму, наряду с известным из литературы увеличением ширины .фронта роста. Существование двух причин затухания обуславливает максимум на зависимости времени затухания ДБЭ-осцилляций интенсивности от температуры подложки Тп во время роста.
2. Впервые экпериментально обнаружено, что наилучшее восстановление гладкости поверхности после роста пленки по двумерно-слоевому механизму происходит при степени заполнения Последнего монослоя е=*о,2. Путем сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования, методом Монте-Карло показано, что существование оптимального момента остановки роста обусловлено превышением подвижности адатомов над подвижностью вакансий на поверхности эпитаксиальной- пленки.
3. Впервые предложена и апробирована при гомоэпитаксии Ge и S1 новая модификация метода молекулярно-лучёвой эпитак-сии с синхронизацией зарождения (МЛЭ-СЗ), основанная на возможности поддержания незатухающих.. ДБЭ-осцилляций интенсивности во время роста пленок по двумерно-слоевому механизму путем периодического изменения' пересыщения на поверхности, синхронизованного с соответствующей фазой ДБЭ-осцилляций. Изменение пересыщения может быть достигнуто разными способами.
4. Впервые экспериментально обнаружена зависимость кри
тической толщины пс пленки твердого раствора GejSij _ на
кремнии, на которой происходит релаксация упругих напряжений
в пленке и переход к трехмерному росту, от температуры под
ложки Тп во время роста. Показана связь зависимости ЬС(ТП) с
диффузией адатомов по поверхности пленки. В рамках предло
женной модели сделана оценка энергии активации поверхностной
диффузии ' адатомов и получено хорошее согласие с
литературными данными.
5. Определена область условий роста пленки твердого
раствора Ge^l^ (температура подложки и состав пленки), в
которых релаксация упругих напряжений сопрововдается переходом к трехмерному росту.
6. Впервые использованы для прямого получения эпитак-сиальных двухбарьерных структур, содержащих квантовые точки, пленки германия на кремнии, состоящие из трехмерных островков. В выраженных структурах обнаружены осцилляции поперечной проводимости при варьировании напряжения смещения, связанные с резонансным туннелированием дырок через дискретные уровни энергии в квантовых точках в режиме кулоновской блокады.
Практическая ценность. Предложена новая модификация метода молекулярно-лучевой эпитаксии с синхронизацией зароадения (ШЭ-СЗ), позволяющая осуществлять с помощью ДБЭ In 3itu контроль параметров (толщина и состав слоев, атомарная . гладкость границ раздела между ' слоями) эпитаксиальных структур любой толщины. Методика может быть использована при МЛЭ как элементарных полупроводников, так и
Соединений A.jjBy, AjjB^j.
Результаты, полученные в настоящей диссертации исполь- . зовались для роста сверхрешеток S1-S1q 5GeQ 5. На спектрах комбинационного рассеяния света в сверхрешетках, кроме известных в литературе линий "свернутых" продольных акустических фононов, впервые наблвдалось разрешенное рассеяние на "свернутых" поперечных акустических фононах. Кроме того, впервые насдодалась серия пиков, связанных с квантованием поперечных оптических фононов. Сверхрешетки Sl-Si0 5GeQ 5 были использованы при разработке лабораторной технологии изготовления фотоприемных устройств (тема "Град").
На защиту выносятся следующие основные положения: I. Экспериментальные результаты, показывающие связь затухания ДБЭ-осцилляций интенсивности с изменениями микро-морфологии поверхности пленок Ge и S1 в ходе их роста по двумерно-слоевому механизму. Доказательство существования, наряду с известным из литературы-увеличением ширины фронта роста, второй причины затухания ДБЭ-осцилляций, связанной с десинхронизацией процессов зароадения двумерных островков на разных участках поверхности.
-
Экспериментальные результаты, показывающие зависимость процесса восстановления атомарной гладкости поверхности пленок после остановки их роста по двумерно-слоевому механизму от степени заполнения в последнего монослоя. Наилучшее восстановление происходит при е=0,2.
-
Возможность поддержания незатухающих ДБЭ-осцилляций во время эпитаксии пленок германия и кремния путем циклического изменения пересыщения на поверхности- растущей пленки, синхронизованного с заполнением каждого монослоя.
5. Обнаружение температурной зависимости критической
толщины пленок твердого раствора германий-кремний на кремнии
и доказательство связи этой зависимости с поверхностной
диффузией адатомов.
6. Использование островковых пленок германия на кремнии
для прямого получения структур, .содержащих "квантовые
точки".
Апробация работы. Основные результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались на: III Международном симпозиуме по МЛЭ (Велико-Тырново, Болгария,
-
г.); 17 Всесоюзной конференции "Эллипсометрил: теория, методы, приложения"(Новосибирск, І989 г.); III региональном семинаре по МЛЭ (Новосибирск, 1990 г.); 7 Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, ГДР,
-
г.); Международной школе "Новые физические проблемы в электронных материалах" (Варна, Болгария, 1990 г.); IX Международной конференции по электронным свойствам двумерных систем (Нара, Япония, 1991 г.); ИХ Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992 г.); конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992 г.)
Основные материалы диссертации опубликованы в 13 печатных, работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит- из введения, четырех глав, выводов и заключения.
Объем раооты составляют 76 страниц машинописного текста, 49 рисунков, I таблица и список литературы из 99 наименований.
