Синтез и свойства нанокристаллов GeSn в слоях Si и SiO2

Содержание
Введение
Обзор зарубежных исследований по сплавам GeSn
Перспективы
МЛЭ структуры GeSn/Si
Имплантация Ge и Sn в SiO2/Si
Малые концентрации Sn в МЛЭ слоях Ge/Si

Введение
Современное состояние технологии микроэлектроники:
Базовый материал - кремний. Более 95% полупроводниковых устройств создается на основе Si.
Тенденция:
Увеличение степени интеграции, потребляемой мощности и тепловыделения ИС, приближение к пределу вычислительных способностей ИС на Si.
Перспектива:
Поиск новых способов создания внутрисхемных коммуникаций и эффективных светоизлучающих устройств совместимых с Si технологией.
Сплавы SnxGe1-x:
При определенных условиях вид зонной структуры сплавов SnxGe1-x изменяется от непрямозонного к прямозонному.
Исследуется возможность управления шириной запрещенной зоны сплавов SnxGe1-x и условиями перехода к прямой запрещенной зоне.

Обзор зарубежных исследований по сплавам GeSn
Выращивание когерентных, однородных эпитаксиальных пленок SnxGe1-x/Ge(001)
Рис. 1. ПЭМ микрофотографии
структуры из 5 слоев Sn0.02Ge0.98/Ge
Рис. 2. ПЭМ микрофотографии
структуры Sn0.03Ge0.97/Ge (23 нм).
Рис. 4. ПЭМ микрофотографии
структуры Sn0.06Ge0.94/Ge (23 нм).
Граница раздела
Рис. 3. Спектр РОР от структуры SnxGe1-x/Ge (100 нм).
Sn0.06Ge0.94
Ge

Рис. 4.
Зависимость ширины запрещенной зоны в сплаве SnxGe1-x от содержания Sn.
Рис. 5.
Зависимость пропускания излучения (отн. ед.) пленками SnxGe1-x (100 нм) от энергии излучения.
Рис. 6.
Зависимость коэффициента поглощения в сплаве SnxGe1-x (100 нм) от энергии излучения
Оптические характеристики
эпитаксиальных пленок SnxGe1-x/Ge(001)

1 НАПРАВЛЕНИЕ
Исследование сплавов GeSn:
Теория: Сплавы Ge1-xSnx:
- имеют прямую запрещенную зону при x<0,15,
- обладают управляемой запрещенной зоной при изменении состава;
- обладают высокой подвижностью свободных носителей заряда.
Эксперимент: Сплавы Ge1-xSnx обладают прямой зоной при 0.035
рост х приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны от 0,8 до 0,35 эВ.
Применение:
- Использование оптических связей на основе неравновесных сплавов полупроводников IV группы Si1-xSnx, Ge1-xSnx, и Si1-x-yGexSny GeSn.
- Слои сплавов GeSn могут быть использованы для разработки новых светоизлучающих устройств.
Сложности формирования сплавов GeSn:
- большое (~17%) несоответствие постоянных решеток между кристаллическими фазами Ge и Sn;
- нестабильность алмазоподобной структуры α-Sn (сегрегация Sn за пределы выращиваемого слоя SnxGe1-x);
- малая величина равновесной растворимости Sn в Ge и Sn в Si ~1019 и 5×1019 ат/см3 (~0,5 ат. %).
Результат: слои SnxGe1-x нестабильны и их синтез требует неравновесных условий.
Решение проблемы:
Изготовление пересыщенных структур с высоким содержанием Sn неравновесными методами:
1. Молекулярно-лучевая эпитаксия;
2. Ионная имплантация.
Перспективы

2 НАПРАВЛЕНИЕ
Исследование структур (Ge+Sn)/Si:
Теория: Существует возможность реализации прямого оптического перехода в системе Si/Ge при условии осаждения Ge в форме островков с малыми размерами.
Способ получения структур: МЛЭ тонких слоев Ge на Si-подложках в режиме Странски-Крастанова.
Движущая сила формирования островков: различие постоянных решеток Si и Ge (4,2%).
Проблема:
Осаждение Ge при типичных температурах МЛЭ (500-550оС) приводит к формированию крупных островков.
Решение:
Добавление в эпитаксиальный слой Ge небольшого (~1-3 ат.%) количества атомов примеси
с большим, чем у Ge ковалентным радиусом (например, Sn).

Методические особенности
МЛЭ структуры GeSn/Si

Рис. 2. Светлопольные ПЭМ микрофотографии от образцов
С2 а) 925 °С 60 мин б) 950 °С 60 мин
С1 в) 925 °С 60 мин г) 925 °С 130 мин
Рис. 1. Спектры РОРКИ:
а) ⎯ исходная структура,
- - отжиг 925 °С 60 мин
б) область каналов 350-450 спектра а)
Рис. 3. Распределение НК по размерам.
(а) - Si/Ge0,93Sn0,07/Si,
(б) - Si/Si0,4Ge0,5Sn0,1/Si
а)
а)
б)
г)
б)
в)
Ge
Sn
Ge
Sn

Выводы
Сформированные нанокластеры Ge1-xSnx имеют средний размер ~10 нм, поверхност-ную плотность ~4.5×1010 см-2
Формирование нанокластеров Ge1-xSnx является результатом сегрегационного оттеснения Sn и Ge при движении границы раздела SiO2/Si.

Методические особенности
Имплантация Ge и Sn в SiO2/Si

Рис.1. Спектр РОР от образцов “A” (a) и “B” (б)
после отжига в атмосфере сухого азота в течение 30 мин при: 1 - 650oC и 2 - 900oC.
Рис.2. Изображения электронной дифракции (а, в, д)
и темнопольные ПЭМ микрофотографии (б, г) образцов
“A” отожженных при 408oC (а, б), 650oC (в, г) и 900oC (д)
в течение 30 мин в атмосфере сухого азота.

Рис.3. Изображения электронной дифракции, полученные от образцов “B”,
отожженных в атмосфере сухого азота в течение 30 мин
при: (а) 408oC, (б) 650oC и (в) 900oC.
Рис.4. Спектры катодолюминесценции от образцов “A“,
отожженных в атмосфере сухого азота в течение 30 мин
при 650oC (черный) и 900oC (серый).

Выводы
Cлои SiO2 содержат нанокластеры Ge и Sn.
Средний размер и плотность нанокластеров варьируются в зависимости от условий ионной имплантации и термообработки и составляют 10-20 нм и 1010–1011 см-2 соответственно.
После термообработки при 400–800оС видимого перераспределения Ge и Sn не наблюдается и только при 900оС, в образце, имплантированном с высокой дозой ионов, имеет место медленная сегрегация (оттеснение) примесей к границе раздела SiO2/Si.
Спектры катодолюминесценции (КЛ) от структур SiO2(Ge+Sn)/Si содержат интенсивные пики в синей области и области, близкой к ИК-излучению. которые могут быть приписаны наличию дефектов и нанокластеров в слое SiO2(Ge+Sn).

Методические особенности
Малые концентрации Sn
в МЛЭ слоях Ge/Si

Рис. 1. ПЭМ микрофотографии образцов
структуры (11Å Ge + 2,5% Sn),
выращенной при температурах МЛЭ:
а – ТМЛЭ=450oC; б – ТМЛЭ=500oC;в –ТМЛЭ=550оС.
Рис. 2. ПЭМ микрофотографии
образцов структур,
выращенных методом МЛЭ при 500оС:
а – 10Å Ge; б – 10Å Ge + 1,5% Sn.
Рис. 3. Распределение островков по размерам
для структур, выращенных методом МЛЭ при 500оС:
a – (10Å Ge); б – (10Å Ge + 1,5% Sn).