ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Полупроводниковые наноструктуры 10
1.1 Эффект размерного квантования 10
1.2 Процесс эпитаксиального роста 15
1.3 Рост квантовых точек Ge на Si 18
2 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии 20
2.1 Основные элементы установки МЛЭ 20
2.2 Методы анализа эпитаксиального роста 24
2.3 Дифракция быстрых электронов 28
3 Экспериментальная часть 34
3.1 Предэпитаксиальная обработка кремниевых подложек 34
3.2 Анализ эпитаксиального роста Si/Si 36
3.3 Анализ эпитаксиального роста Ge/Si 39
3.4 Анализ эпитаксиального роста твёрдого раствора GeSi/Si 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 47
В современном мире физика твёрдого тела очень тесно связана с наноструктурой полупроводников. В результате формирования эпитаксиальных слоёв на полупроводнике получаются материалы с новыми для использовавшихся кристаллов свойствами. Поскольку большинство элементов современных устройств состоит из кремния, особое внимание уделяется структурам на его основе. Внедрение германиевых точек в кремниевую матрицу позволяет улучшить характеристики приборов на основе наногетероструктуры. Из таких материалов создаются более эффективные элементы микроэлектроники. Такие как транзисторы, солнечные элементы или лазеры.
Свойства полученных наноструктур по большей степени зависят от условий выращивания материала, контроля поверхностных реакций, формирования дислокаций и резкости границы раздела [1]. Существует много способов получения наногетероструктур. При молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в условиях сверхвысокого вакуума можно получать тонкие эпитаксиальные слои высокой чистоты и малым количеством дефектов, которые имеют резкое изменение состава на границе [2]. Высокий уровень вакуума порядка 10-10 торр необходим для исключения химического взаимодействия компонентов осаждаемого вещества с молекулами остаточных газов.
Для получения информации о наноструктуре совместно используется несколько независимых методов и систем. Одним из них является метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Он дает информацию об атомной структуре поверхности и используется в процессе эпитаксиального роста [3]. Электронная пушка ДБЭ посылает поток электронов на подложку под скользящим углом. Электроны при этом, отражаются от эпитаксиальной структуры и на люминесцентном экране образуют дифракционные картины. По виду картины можно оценить структуру и качество наблюдаемого кристаллического слоя. Главным преимуществом метода является способность получения информации о синтезируемой структуре непосредственно в процессе роста. Помимо этого, ДБЭ позволяет качественно оценить структурное совершенство поверхности, контролировать послойный рост эпитаксиальных плёнок, и т.д. Метод дифракции быстрых электронов играет большую роль при анализе наногетероструктур. На следующих графиках показано количество опубликованных статей с ключевыми словами «MBE» и «RHEED» в год в издательском доме Elsevier, который ежегодно выпускает около четверти всех статей из издаваемых в мире научных журналов.
Как видно из рисунков 1 и 2, метод дифракции быстрых электронов (RHEED) в исследовании поверхностей полупроводниковых соединений, как и тема молекулярно-лучевой эпитаксии не теряет своей актуальности.
При получении наноструктур ставятся высокие требования к контролю параметров эпитаксиального роста. Исследования особенностей роста кремния и германия на кремниевой подложке методом дифракции быстрых электронов позволяет контролировать параметры эпитаксиального синтеза по характерному изменению дифракционных картин с атомарной точностью.
Основной целью работы является исследование синтеза материалов Si и Ge на Si методом дифракции быстрых электронов для повышения качества контроля ростовых процессов наногетероструктур.
Для достижения поставленной цели, сформулированы следующие задачи:
1. Провести литературный обзор по свойствам наноструктур и ростовым процессам Si и Ge на Si;
2. Изучить научно-техническую литературу по определению морфологии поверхности методом дифракции быстрых электронов;
3. Провести исследования зависимости особенностей роста от температуры материалов Si и Ge методом дифракции быстрых электронов;
4. Проанализировать полученные результаты и оформить работу
В работе был проведён обзор научной литературы по свойствам наноструктур и ростовым процессам Si и Ge на Si и по интерпретации дифракционных картин в морфологию поверхности; изучена установка МЛЭ «Катунь-100» и проведено её техническое обслуживание; найдены и устранены места разгерметизации камеры эпитаксии; проведена калибровка нагревательного элемента пластины; проанализирован рост материалов Si и Ge методом дифракции быстрых электронов.
Анализ картин дифракции эпитаксиального роста материалов Si и Ge на Si привёл к следующим результатам.
1. При росте Si на Si в различных направлениях получается принципиально разный характер колебаний интенсивности вблизи центрального рефлекса. В направлении [110] дифракционная картина более информативна, поскольку можно различить димерный рост, однако погрешность измерения скорости синтеза получается больше, чем при анализе в направлении [100].
2. При получении Ge квантовых точек на Si определена скорость роста
(Ур=0,0066 ± 0,0003 Ml/сек), время перехода к 3D структуре t = 606 сек, который наступил после нанесения смачивающего слоя из 4 ML. Определена огранка полученных наноструктур. Для hut-кластеров — это 11°, для dome-кластеров — 31°. Построена температурная зависимость положения сверхструктуры 1/N.
3. При росте GexSi1-x/Si(100) определена скорость роста каждого материала (VрSi=0,0148 ± 0,0009 ML/сек, VрGe=0,0047 ± 0,0002 ML/сек) по полученным данным определено процентное соотношение Ge в твёрдом растворе, а также установлено время перехода к 3D структуре. В дальнейшем планируется продолжить работу на установке МЛЭ «Катунь-100», с последующим измерением вольт-амперной характеристики и люминесценции полученных структур.
