Самоупорядоченные наноразмерные структуры на основе твердого раствора кремний-германий, полученные методом ионной имплантации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Иржак, Артемий Вадимович

• Иржак, Артемий Вадимович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иржак, Артемий Вадимович

Введение 1. Аналитический обзор литературы

1.1. Основные параметры твердого раствора Si — Ge

1.2. Классификация квантоворазмерных структур

1.3. Применение квантоворазмерных структур в микрои оптоэлектронике

1.4. Основные методы получения упорядоченных наноразмерных структур

1.5. Механизмы формирование слоя с квантовыми точками

1.6. Рост и особенности упорядочения нанокластеров Ge

1.7. Размеры и плотность островков 25 т 1.7.1. Максимальный размер квантовой точки

1.7.2. Структурное совершенство, плотность и однородность наноостровков

1.8. Изменение параметров островков в процессе отжига

1.9. Оптические свойства структур с Si-Ge квантовыми точками

1.10. Электрические свойства тонких слоев германия на кремнии

1.11. Ионная имплантация - новый способ получения упорядоченных квантоворазмерных гетероструктур GexSiix

Краткие выводы и постановка задачи

2. Экспериментальная часть

2.1. Получение самоупорядоченных Si-Ge наноструктур 40 <* 2.1.1. Ионная имплантация германия в кремний

2.1.2. Постимплантационный отжиг полученных структур

2.2. Исследование полученных структур 42 2.2.1. Распределение имплантированного германия по глубине кремния

2.2.2. Кристаллическое совершенство слоя и подложки (рентгеноструктурный анализ)

2.2.3. Пространственное распределение кластеров Si-Ge в слое твердого раствора (атомно-силовая и растровая электронная микроскопии)

2.2.4. Элементный состав кремний — германиевых наноструктур 56 2.2.4.1. Факторный анализ для обработки оже-сигналов для наноэлектроники

2.2.5. Квантово - оптические свойства структур с квантовыми точками

Выводы к главе

3. Кинетика кластеризации атомов германия в приповерхпостном слое кремния

3.1. Кинетические коэффициенты образования кластера

3.2. Преципитация дефектов, ограниченная диффузией

3.3. Модель кластеризации атомов, однородно распределенных по объему кристалла

3.4. Модель кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла

3.5. Расчет начальных условий кластеризации

3.6. Результаты моделирования кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самоупорядоченные наноразмерные структуры на основе твердого раствора кремний-германий, полученные методом ионной имплантации»

Актуальность темы. Кремний обладает уникальным сочетанием свойств, делающим его незаменимым материалом микроэлектроники. Легированные моно- и поликристаллы кремния, аморфный кремний, различные соединения на его основе - оксиды, нитриды, силициды - позволяют получать диэлектрические, полупроводниковые и проводящие материалы не только на поверхности, но и в объеме кристаллов кремния. В последние годы в микроэлектронике значительно возрос интерес к наноразмерным кремниевым структурам, проявляющим эффекты размерного квантования. Такие структуры интересны для производства светопоглощающих и излучающих приборов, что компенсирует невозможность получения качественных излучающих приборов вследствие отсутствия прямого оптического перехода в кремнии.

Уникальные свойства структур с эффектами размерного квантования были предсказаны еще в восьмидесятых годах прошлого века. Попытки получить такие системы предпринимались при помощи локального травления, роста на профилированных подложках, конденсации в стеклянных матрицах и др. Однако эти методы не соответствовали одновременно основным требованиям к структурам с эффектами размерного квантования и условиям получения и работы современных полупроводниковых приборов. Наилучшие результаты изготовления квантовых структур (KG) на основе кремния были достигнуты при молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) тонкого слоя германия. Этот метод не лишен некоторых существенных недостатков, а именно:

- жесткие требования к качеству подложек (совершенство поверхности, отсутствие паразитных или адсорбированных примесей);

- длительность проведения процесса;

- высокие требования к проведению самого процесса (температурный режим, чистота и давление подаваемых газов).

Метод ионной имплантации (ИИ) с последующим высокотемпературным отжигом является одним из перспективных методов получения гете-роструктур вообще и наноструктур с SiGe квантовыми точками (КТ) в частности. Многочисленные преимущества метода ИИ по сравнению с традиционными методами осаждения (возможность проведения имплантации сквозь покрытия, меньше время проведения процесса) открывают ему широкие перспективы для решения широкого круга задач. Основной недостаток имплантации - дефектный или даже аморфизованный приповерхностный слой — устраняется различными постимплантационными отжигами.

В настоящее время нет единого мнения о механизме образовании квантовых точек методом ионной имплантации (влияние упругих напряжений, режимов отжига, дефектообразования и т.д.), не изучены также и их электрооптические свойства. Исследование процессов образования нанораз-мерных упорядоченных структур на основе твердого раствора Si - Ge, полученных внедрением германия в кремний, роль радиационных дефектов и условия образования когерентных кристаллических слоев, закономерностей процессов фазообразования необходимо для более глубокого понимания и практического использования для дальнейшего развития этой области микро-и наноэлектроники.

Целью работы являлось определение оптических свойств, состава, размеров и пространственного распределения SiGe квантовых точек в созданных ранее структурах на поверхности кремния методом ионной имплантации. Так же необходимо было определить условия имплантации и последующего термического отжига для получения SiGe наноструктур с заданными параметрами. Для этого было необходимо:

- изучить кристалличность и дефектность слоя, содержащего квантовые точки;

- определить геометрические размеры полученных квантовых точек, пространственное распределение в слое и их состав;

- изучить квантово-оптические свойства структур с квантовыми точками.

- создать математическую модель для описания процессов кластеризации имплантированного в кремний германия и теоретически рассмотреть влияние дозы имплантации, времени и температуры отжига на состав, размеры и пространственное распределение квантовых точек.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые определен элементный состав квантовой точки методом электронной оже-спектроскопии.

2. Установлено, что сформированные наноразмерные структуры проявляют свойства размерного квантования. Впервые на образцах с КТ, полученных методом ионной имплантации наблюдалась интенсивная фотолюминесценция в области ~ 1,5 мкм в широком диапазоне температур 5 - 300 К.

3. Впервые создана теоретическая модель для численного описания процесса кластеризации германия, имплантированного в кремний.

Практическая ценность работы определяется следующим:

- Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, полученных в условиях малого времени накопления сигнала в высоколокальных областях. Данная методика применима для элементного оже-анализа объектов размерами сравнимыми с диаметром первичного пучка (15 -20 нм).

- SiGe структуры с квантовыми точками, полученные методом ионной имплантации, являются перспективными для изготовления источников света ИК диапазона (1,5 мкм), применяемых в оптоэлектронных приборах и волоконно-оптических системах передачи и обработки информации.

- На основании расчетов получены оптимальные режимы ионной имплантации германия в кремний и постимплантационного отжига для получения структур с квантовыми точками с заданными параметрами (состав, размеры, распределение КТ). Полученные в экспериментах структуры по своим характеристикам соответствуют предложенной теоретической модели.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод ионной имплантации является альтернативой молекуляр-но-лучевой имплантации для создания на поверхности монокристаллического кремния упорядоченных наноразмерных структур с квантовыми свойствами.

2. SiGe квантовые точки образуют регулярную структуру в плоскости наблюдения и упорядочены по размерам (высота и диаметр у основания).

3. Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, основанная на отделении полезного сигнала от шума при помощи факторного анализа.

4. Содержание германия в квантовых точках полученных наноструктур составляет 30 % (Sio,7Geo,3), что на 10% больше чем в окружающем твердом растворе.

5. Наноразмерные упорядоченные SiGe структуры, полученные методом имплантации ионов Ge+ в кремний, проявляют свойства размерного квантования.

6. Разработана математическая модель, которая численно описывает кластеризацию имплантированного в кремний германия, влияние дозы имплантации, температуры и времени отжига на размеры КТ, их состав и распределение в слое твердого раствора. Для получения КТ с заданными размерами и составом предложены режимы имплантации германия в кремний и последующего постимплантационного отжига.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1. 57 научная конференция студентов МИСиС, 17 -18 Апреля 2002 г., Москва.

2. Совещание по росту кристаллов пленок и дефектам структуры кремния "КРЕМНИЙ - 2002", 9-12 июля 2002г., Новосибирск.

3. 13th International Conference on Ion Beam Modification of Materials IBMM 2002 Kobe, Japan, September 16,2002

4. X Национальная конференция по росту кристаллов, HKPK-2002, Москва, 2002 г.

5. Химия поверхности и нанотехнология, 24 - 29 сентября, 2002г., Хилово, Псковская обл., Россия

6. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003»), 26 — 30 мая 2003 г.

7. XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Июнь 2003 г., Черноголовка.

8. «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2003 », Москва, I - 3 октября 2003 г.

9. NATO-Russia Advanced Research Workshop. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings, 22 - 26 October 2003, Moscow, Russia.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 44 наименований. Объем дис

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Иржак, Артемий Вадимович

Выводы к главе 3

Предложена теоретическая модель кластеризации точечных дефектов, которая применена к описанию кластеризации германия в кремнии в процессе ионно-лучевого синтеза.

Теоретически исследована зависимость концентрации кластеров германия и их характерных размеров от дозы имплантации и времени отжига.

Определена область доз имплантации, в которой возможно образование наноструктур с квантоворазмерными свойствами

В результате проведенного численного моделирования кластеризации имплантированного германия в слое твердого раствора Si-Ge определены оптимальные параметры имплантации и постимплантационного отжига для получения наноструктур заданного размера и состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в представленной диссертационной it работе, направлены на решение актуальных проблем современной науки и технологии. Целью этих исследований являлось определение геометрических параметров, элементного состава и оптических свойств полученных ранее самоупорядоченных SiGe наноструктур с квантоворазмерными свойствами методом ионной имплантации, а также построение модели кластеризации имплантированного в кремний германия.

Наиболее существенные и принципиальные выводы из проделанных экспериментальных и теоретических исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1) Впервые показано пространственное (в плоскости наблюдения) и размерное упорядочение КТ, образованных ионной имплантацией с последующим отжигом, методами АСМ и РЭМ. Размеры полученных квантовых точек ~ 5 - 7 нм и расстояния в первой координационной сфере 0,31,0,34 и 0,48 мкм.

2) Впервые исследован состав квантовой точки методом ЭОС при помощи специально разработанного метода обработки зашумленного оже-спектра. Данный метод применим для элементного анализа объектов наноэлектроники. В результате исследований установлено, что состав КТ — Sio,7Ge0,3, что на 10% больше, чем в окружающей матрице.

3) Методами КРС и ФЛ доказаны квантовые свойства структур, полученных методом ИИ. Смещение Ge-Ge пиков в спектрах КРС в ч» низкочастотную область для твердого раствора состава Si0,7Ge0,3 вызвано пространственным ограничением основных мод оптических фононов и характерно для колебаний в квантовых точках SiGe. Так же продемонстрирована фотолюминесценция КТ в области 1,45 - 1,5 мкм при в широком диапазоне температур, вплоть до комнатной.

4) Движущей силой появления и роста кремний - германиевых квантовых точек на радиационных дефектах является снятие упругих напряжений.

5) Предложена кинетическая модель кластеризации на радиационных дефектах германия, имплантированного в кремний. Данная модель адекватно описывает полученные экспериментальные результаты и впервые экспериментально наблюдавшееся явление пространственного и размерного упорядочения твердого раствора SixGei.x в приповерхностном слое кремния. Данная модель использована для расчета параметров получения самоупорядоченных наноструктур методом ИИ (доза имплантации, время и температура отжига.)

В заключении автор считает своим долгом выразить признательность всем, без кого выполнение данной работы было бы невозможно. Прежде всего, хотелось бы поблагодарить членов моей семьи за постоянную поддержку и понимание. Автор также считает необходимым выразить признательность своим научным руководителям - д.ф.-м.н. Пархоменко Юрию Николаевичу и д.ф.-м.н. Герасименко Николаю Николаевичу за руководство, помощь в проведении исследований и последующее обсуждение результатов. Настоящая работа была бы невозможна без деятельного участия д.ф.-м.н. Белогорохова Александра Ивановича, за что ему отдельное спасибо.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иржак, Артемий Вадимович, 2004 год

1. Tashiro Т., Tatsumi Т., Sugiyama М. е.а. // A selective epitaxial SiGe/Si planar photodetector for Si-based OEIC's. / IEEE Transaction on Electron Devices.-1997.- v.44.- №4.-p. 545 -549.

2. Горелик C.C., Дашевский М.Я. // Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988.

3. Schaffler F. // High-mobility Si and Ge structures. // Semicond. Sci. Technol.-1997.- v.12.- p. 1515-1549.

4. Мильвидский М.Г., Чалдышев B.B. // Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках новый подход к формированию свойств материалов. // ФТП.- 1998.- т.32.- №5.- с.513-522.

5. Алферов Ж.И. // История и будущее полупроводниковых гетерострук-тур. // ФТП.- 1998.-т.32.-№1.

6. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., БимбергД. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. // ФТП, 1998, том 32, № 4, стр. 385-410.

7. Двуреченский А.В., Якимов А.И. // Квантовые точки в системе Ge/Si. // Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники, 1999, № 4, стр. 4-10.

8. Копьев П.С., Леденцов Н.Н. // Молекулярно-пучковая эпитаксия гетеро-структур на основе соединения А3В5. // ФТП. 1988. -т.22.- с. 1729-1742.

9. Ross F.M., Tersoff J., Tromp R.M. // Coarsening of Self-Assembled Ge Quantum Dots on Si(001) // Phys. Rev. Lett.- 1998.- v.80.- p.984.

10. Vinh Le Thanh, Yam V., Boucand P. // Vertically self-organized Ge/Si(001) quantum dots in multiplayer structures. // Physical Review В.- 1999.- v.60.- №8.-p.5851-5857.

11. Красильник З.Ф. // Новые оптоэлектронные свойства полупроводниковых наноструктур. // Изв. РАН. Сер.физ.- 2000.- т.64.- №2.- с. 194-197.

12. Teicher С., Lagally M.G. // Stress-induced self-organization of nanoscale structures in SiGe/Si multilayer films // Phys. Rev.B- 1996.- v.53.- p. 24-28.

13. Liu F., Lagally M.G. // Self-organized nanoscale structures in Si/Ge films // Surf. Sci.- 1997.-№386.- p.169-173.

14. Abstreiter G., Schittenhelm P. et all // Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si-// Semicond. Sci. Technol.- 1996. №11. -p.1521-1533.

15. Закурдаев И.В., Байзер M.B. и др. // Исследование процесса распада упруго-напряженной пленки германия на поверхности кремния. // ФТП.-2000.-т.34.-№ 5.-е. 607-611.

16. Садофьев Ю.Г., Бурбаев Т.М., Курбатов В.А. и др. // Исследование нульмерных Si-Ge-структур. // Изв. РАН: сер. физич.- 2000.- т.64.- №2.- с.275-280.

17. Востоков Н.В., Гусев С.А., Долгов И.В. и др. // Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков SiGe на Si(001). // ФТП.-2000.-т.34.- № 1.- с.8-12.

18. Vostokov N.V., Dolgov I.V., Drozdov Yu.N. et all // Transition from "dome" to "pyramid" shape of self-assembled SiGe islands. // Journal of Crystal Growth.-2000.- v.209.- p.302-305.

19. Бурбаев T.M., Заварицкая Т.Н., Курбатов В.А. и др. // Оптические свойства монослоев германия на кремнии. // ФТП.-2001.- т.35.- №.8.-с. 979-984.

20. Kamins T.I., Nauka К., Williams R.S. // Effect of self-assembled Ge nanos-tructures on Si surface electronic properties. // Applied Physics A.- 2001.

21. Герасименко Н.Н., Троицкий В.Ю., Павлюченко М.Н., Валяев А.А., Джаманбалин К.К. // Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Перспективные материалы, 2002, № 5, стр. 26-30.

22. Максимов К. С., Герасименко Н. Н., Вернер И. В., Павлюченко М.Н. // Эффекты упорядочения при формировании наноструктур на основе SiGe/Si. // Известия вузов. Электроника., № 2, - 2001, стр. 3-16.

23. White С.W., MeldrumA., Budai J.D. et al. // Formation of CdS and CdSe nanocrystals by sequential implantation // Nucl. Instrum. and Meth. In Phus. Res. В.- 1999.- p. 991-996.

24. White C.W., Budai J.D., Withrow S.P. et al. // Encapsulated nanocrystals and quantum dots formed by ion beam synthesis // Nucl. Instrum. and Meth. In Phys.-1997.- v. 127/128.- p.545-552.

25. Brognersma S.H. // Self-organised wire growth using ion-implanted reservoirs // Nucl. Instrum. and Meth. In Phys.- 1999.-v.148.- №1-4.- p.93-97.

26. Риссел X., Руге И. // Ионная имплантация. M.: Наука, 1983.

27. Zigler J.F., Biersack J.P. and Littmark O. // The stopping and Range of Ion in Solid// Pergamon Press.- Oxford.- 1985.-V.1.

28. Файнштейн C.M. // Роль состояния поверхности в производстве полупроводниковых приборов // М. JI., Госэнергоиздат, 1961, 25-40.

29. Ред. Бриггс Д., Сих М.П. // Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // М.: Мир, 1987.

30. Пархоменко Ю.Н. // Спектроскопические методы исследования: Лабораторный практикум. // М.: Изд. дом «Руда и металлы», 1999.

31. Вудраф Д., Делчар Т. // Современные методы исследования поверхности. // М.: Мир, 1989.

32. Кардона М. // Рассеяние света в твердых телах. // М.:Мир, 1979.

33. Бирман Дж. // Пространственная симметрия и оптические свойства твердых тел. // М.: Мир, 1978.

34. Kurmar S., Trodahi H.J. // Raman spectroscopy studies of progressively annealed amorphous Si/Ge superlattices // J. Appl. Phys.- 1991. -V.70.-N.6.

35. Alonso M.I., Wener K. // Raman spectra of c-Sii.xGex alloys. // The American Physical Society.- 1989.-V.39.-N. 14.

36. Milekhin A., Stepina N.P., Yakimov A.I. e.a. // Raman scattering of Ge dot superlattices // The European Physical Journal B.-2000.-N.16.-p.355-359.

37. Бурбаев T.M., Заварицкая Т.Н., Курбатов В.А., Мельник Н.Н., Цветков В.А., Журавлев К.С., Марков В.А., Никифоров А.И., // Оптические свойства монослоев германия на кремнии // Ф77735(8), 979 (2001).

38. Sawano К., Hirose Y., Koh S., Nakagawa К., Hattori Т., Shiraki Y., // Relaxation enhancement of sige thin layers by ion implantation into si substrates // J. Crystal Growth, 2003, V. 251 N 1-4.

39. Tsang J.C., Mooney P.M., Dacol F., Chu J.O., // Measurements of alloy com* position and strain in thin Ge^Si,.v layers // J. Appl. Phys. 75(12), 8098 (1994).

40. Н.Н.Герасименко, В.Ю.Троицкий, А.А.Валяев, М.Н.Павлюченко, К.К.Джаманбалин. // Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Перспективные материалы, 2002, N 5, 26

41. Brus L.E., // Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state // J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).

42. Новые материалы. Коллектив авторов под ред. Ю.С. Карабасова. // М: МИСиС, 2002

43. Brodie I., Muray J.J. //The physics of microfabrication, Plenum Press, New York and London 1982

44. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ1. РАБОТЫ

45. Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. Н., Троицкий В.Ю., Иржак А. В., Белогорохов А. С. Получение упорядоченных квантовых структур методом ионной имплантации // Материалы конференции химия поверхности и нано-технология, С.-Пб, 2003г.

46. Ю. H. Пархоменко, H. H. Герасименко, А. В. Иржак. Упорядоченные на-норазмерные структуры на основе твердого раствора Si—Ge, полученные методом ионно-лучевого синтеза // Материалы ЭТ. Известия вузов» 2003, № 1.

47. Ю. H. Пархоменко, А. С. Белогорохов, И. H. Герасименко, А. В. Иржак, М.Г. Лисаченко,. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // ФТП 2004, т.38, в.5, 593-598.