Исследование состава самоорганизованных нанокластеров GexSi1-x/Si методом сканирующей оже-микроскопии

Актуальность.

Самоорганизованные полупроводниковые гетеронаноструктуры на основе GeSi являются предметом интенсивного исследования, вследствие возможности применения таких структур в оптоэлектроиике, основанной на традиционной кремниевой технологии [1,2]. На основе наноструктур с островками GexSiix/Si могут быть созданы светодиоды (LED) с длиной волны 1.3 и 1.55 (дш, для применения их в оптических системах коммуникации, а также, лазерные диоды [3]. Благодаря эффекту размерного квантования и наличию квазипрямых оптических переходов, можно ожидать значительное увеличение интенсивности электролюминесценции в таких структурах [4]. Другое важное направление исследований в этой области — это фотопроводимость GeSi структур в области 1.2−3 |дт. Интерес к этому направлению вызван, в первую очередь, расширением спектральной области фотодетекторов, выполненных по кремниевой технологии, в сторону большей длины волны.

Оптические и электрические свойства самоорганизованных гетероструктур GeSi/Si определяются, во-первых, геометрией ианообъектов и, во-вторых, их составом. Для характеризации морфологии наноструктур успешно применяются методы сканирующей зондовой микроскопии. Основными методами исследования состава самоорганизованных нанокластеров являются нелокальные методы (электронная оже-спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгеноструктурный фазовый анализ и т. д.), способные дать информацию лишь о средней концентрации германия и кремния в островках. Для локальных измерений применяется метод ПЭМ с аналитическим оборудованием для рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (РЭДС) и спектроскопии характерических потерь энергий электронов (СХПЭЭ). Но метод ПЭМ, как известно, требует сложной пробоподготовки, что особенно трудиовыполнимо в случае структур с нанокластерами. Кроме того, процедура интерпретации полученных спектральных данных нетривиальна, особенно в случае СХПЭЭ. В данной работе для исследования локального состава самоорганизованных наиоостровков GeSi/Si использован метод сканирующей оже-микроскопии, являющейся комбинацией методов электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и растровой электронной-микроскопии (РЭМ). Подготовка образцов для метода СОМ не требует проведения сложных операций, и методика количественного анализа отработана для метода ЭОС. Электронная оже-спектроскопия — метод поверхностного анализа, т.к. сбор вторичных электронов происходит с глубин, не превышающих десятков ангстрем, что в совокупности с использованием источника электронов, позволяющим фокусировать зонд до диаметра в несколько нанометров, создает возможность для локального анализа панообъектов с нанометровым масштабом.

Комплексный подход к изучению реального распределения германия в островке может помочь в понимании природы фотолюминесценции (ФЛ) в наноструктурах [5] и найти пути к увеличению выхода ФЛ. Зная пространственное распределение Ge и Si, можно найти распределение упругих энергий в островке, после этого рассчитать зонную диаграмму кластера и решить уравнение Шредингера, — найти огибающую собственных функций, собственные состояния энергии, интегралы межзонного перекрытия и т. д.

Цели и задачи работы.

Целью данной работы является выявление закономерностей распределения состава в самоорганизованных нанокластерах GexSi[.x/Si методом сканирующей оже-микроскопии (СОМ) совместно с профилированием по глубине травлением ионами аргона. Объектом исследования выступают гетероструктуры выращенные методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и сублимационной молекулярно лучевой эпитаксии с газофазным источником германия (СМЛЭГ). 6.

С учетом того, что метод электронной оже-спектроскопии с нанозондом применяется впервые для исследования структур с германиево-кремниевыми островками, были определены следующие основные задачи исследования:

1. Развитие методики растровой электронной (РЭМ) и сканирующей оже-микроскопии с использованием специально изготовленных тестовых образцов для определения латерального разрешения в режимах РЭМ/СОМ. Разработка методики наноанализа структур с поверхностными объектами иаиометрового масштаба с применением метода сканирующей оже-микроскопии.

2. Изучение влияния параметров травления ионами аргона полупроводниковых структур GeSi на разрешение по глубине при профилировании и на изменение морфологии поверхности. Определение оптималыюго режима ионного травления на многослойных структурах GeSi/Si.

3. Получение с помощью метода СОМ распределения концентрации германия и кремния по глубине островков, выращенных двумя методами молекулярно-лучевой эпитаксии при различных параметрах ростового процесса.

Научная новизна.

1. Развита методика проведения локального анализа полупроводниковых наноструктур GeSi/Si методом сканирующей оже-микроскопии. Определены оптимальные параметры эксперимента для получения максимального аналитического сигнала и наилучшего пространственного разрешения. Построены градуировочные характеристики для определения концентрации германия и кремния в наностровках с учетом наличия оксидного слоя. Определено влияние ионного распыления на размытие профиля распределения германия и кремния вблизи гетерограницы и на изменение геометрии самоорганизованных кластеров.

2. Впервые получены профили распределения концентрации германия по глубине наностровков. Определено, что распределение германия по глубине для островков, выращенных двумя методом МЛЭ, различается в случае пирамидальных и куполообразных островков. В случае островков, выращенных методом СМЛЭГ в среде германа, поверхность состоит преимущественно из германия (около 90% ат.).

Практическая ценность.

Разработанные в ходе выполнения работы методики могут быть перенесены на локальные исследования состава других поверхностных микрои нанообъектов. Так, па оборудовании, на котором производились исследования в данной работе, уже изучается состав каплеобразных дефектов на поверхности магнитных структур Ge: Mn/GaAs и Si: Mn/GaAs, полученных методом импульсного лазерного осаждения, нанозерна хрома, выделяющиеся на границе зерен в сплавах CuCr (AZ91) при их отжиге. Метрологические аспекты такие, как определение пространственного разрешения методов РЭМ/СОМ также перенесены на другие полупроводниковые и металлические материалы.

Полученные профили распределения можно сопоставить с оптическими и электронными свойствами гетероструктур GeSi, изученными такими методами, как ФЛ, ФПЭ и др., после чего могут быть выработаны научно-обоснованные подходы к формированию структур с наилучшими характеристиками.

По материалам диссертация обновлен курс лекций, читаемых студентам пятого курса и магистрантам первого года обучения физического факультета ННГУ «Методы диагностики и анализа микрои наносистем». Поставлена лабораторная работа для студентов, слушающих данный курс «Исследование состава полупроводниковых структур методами электронной ожеи рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии» .

Работа выполнялась по планам НИР ННГУ.

1. Грант Минобразования по фундаментальным исследованиям в области естественных и точных паук «Самоорганизованные наноостровки GeSi/Si: морфология, состав и энергетический спектр» (Е02−3.4−238).

2. Грант Минобразования для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений «Исследование локального элементного состава самооргапизованных нанокластеров GeSi/Si методом растровой Оже-микроскопии» (АОЗ-2.9−473).

3. Грант РФФИ «Морфология, состав и энергетический спектр самоорганизованных паноостровков SiGe/Si» (03−02−17 085).

4. Тема Н-014 Госбюджет. Задание Рособразования на проведение научных исследований № 1.3.05 (2005 -2009). Исследование паноструктурированных материалов и приборов нано-и оптоэлектроники методами сканирующей зондовой микроскопии и локальной Оже-спектроскопии.

5. Аналитическая ведомственная целевая программа Федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)».

6. РНП.2.2.2.2.4737 Формирование наноструктурированных многофункциональных материалов па основе полупроводников (А4, АЗВ5) и диэлектриков (оксиды). Исследование их оптических и электронных свойств.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой международных конференциях «Microscopy of Semiconducting Materials» (Кэмбридж, Оксфорд, Великобритания, 2003, 2005, 2007), двадцать седьмой международной конференции по физике полупроводников (Флагстаф, США, 2004), пятнадцатом российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам (Черноголовка, 2007), двадцать второй российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 2008), всероссийских конференциях «Нанофизика и наноэлектроиика» и «Нанофотопика» (Н. Новгород, 2004, 2005 гг.), международном рабочем совещании «Сканирующая зондовая микроскопия» (г. Н. Новгород, 2004), двенадцатой конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение». (Н. Новгород, 2004), шестой российской конференции по физике полупроводников (С.-Петербург, 2003), первой и второй всероссийских конференциях «Аналитические приборы (2002, 2004), четвертой и пятой всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектропике (С.Петербург, 2002, 2003), 9 нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2004).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 статей и 17 публикаций в материалах конференций.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-рех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, включая 91 рисунок. Список цитируемой литературы включает 81 наименование, список работ автора по теме диссертации содержит 22 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Сопоставлены различные методы для локального исследования состава наноструктурированиых твердотельных систем. Выявлены преимущества и недостатки таких методов, как просвечивающая электронная микроскопия, вторично-ионная масс-спектрометрия и др., относительно метода сканирующей оже-микроскопии, применяющегося в данной работе.

2. Показаны пути усовершенствования метода СОМ в применении к исследованию самооргаиизованных наноструктур на основе германия и кремния. Исследована возможность локального элементного анализа отдельных нанокластеров GeSi методом сканирующей оже-микроскопии па сверхвысоковакуумпом комплексе Omicron Multiprobe S.

3. Найдены оптимальные режимы работы оборудования после определения характеристик методов ЭОС, РЭМ и СОМ таких, как: разрешение по энергии, пространственное разрешение, скорость травления, глубина ионного перемешивания. Произведена юстировка источника ионов и электронов относительно фокуса полусферического анализатора энергий электронов. Построены градуировочные характеристики, предложен способ устранения отрицательного эффекта зарядки поверхности и влияния ионной бомбардировки на размытие профиля распределения концентрации по глубине. Найден режим ионного травления, не изменяющий существенно геометрию самоорганизованных кластеров.

4. Использование разработанной методики сканирующей оже-микроскопии позволило провести изучение состава отдельных нанокластеров и определить содержание германия и кремния в островках, созданных путем самоорганизации двумя эпитаксиальными методами при различных условиях роста.

5. Определены закономерности в поведении профилей распределения элементов по глубине нанокластеров. Выявлены следующие особенности для островков, выращенных методом классической молекулярно лучевой эпитаксии. Концентрация германия в приповерхностной области (~5 им) куполообразных кластерах на 10−20%ат. выше, нежели в пирамидальных НК. Распределение концентрации германия в hut-кластерах более равномерно, что особенно заметно по поведению профилей на глубинах до ~ 9 нм. Нанесение покровного слоя кремния толщиной в единицы нанометров не приводит к существенному изменению профиля, что связано с низкой температурой выращивания слоя кремния (45°С) и предварительным остыванием структуры с поверхностными нанокластерами в течение 80 мин.

6. Основная особенность на профилях распределения концентрации в островках, выращенных методом СМЛЭ в среде германа — это высокая концентрация германия на поверхности кластеров. При пиролизе GeH4 в методе сублимационной МЛЭ в среде германа на поверхности выращиваемой структуры присутствуют атомы водорода. При осаждении молекулы германа, атом водорода, находящийся в связи с поверхностными атомами Ge или и Si, соединяется с атомом водорода молекулы GeHi и выделяется в виде молекулярного водорода. Так как поверхностный атом германия не диффундирует вглубь структуры, пока его связи частично заполнены водородом, германий образует тонкий слой 1 — 2 им) на поверхности структуры. Малое количество германия в глубине островка объясняется, как и в случае осаждения классической МЛЭ, подкачкой кремния из материала подложки для релаксации упругих напряжений в напокластере.

7. Численно произведена обратная свертка полученных профилей распределения концентрации германия по глубине иапокластера с функцией найденной экспериментально из профиля распределения концентрации германия на гетерогранице Si/Geo.3Sio.7- Это позволило учесть вклад ионного перемешивания, которое приводит к размытию реального профиля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Различные методы локального анализа, такие как ПЭМ с аналитическими приставками, методы ионной спектрометрии, методы рентгеновской спектроскопии и т. д., позволяют получить аналитическую информацию о составе образцов с нанометровым разрешением. Как было показано в обзоре, все эти методы применялись для исследования наноструктур на основе Ge и Si. Тем не менее, некоторые из них требовали сложной методики препарирования образцов, другие были недостаточно локальными или существовали сложности в количественном определении концентрации компонентов. И, наконец, до сих пор не проводилось комплексных исследований состава отдельных самоорганизованных панокластеров GeSi. В данной работе были рассмотрены аспекты методики анализа состава островков GeSi методом электронной оже-спектроскопии с тонкосфокусированным зондом нанометрового диаметра. Стандартные подходы были усовершенствованы для достижения новых результатов с использованием метода СОМ дляпроведения анализа с нанометровым разрешением.

Результатом стали данные о профилях распределения германия в панокластерах, выращенных различными методами при различных параметрах роста. Информация о распределении концентрации компонентов в паностровках совместно с данными об их морфологии может быть использована для построения зонной диаграммы гетероструктур с самооргапизованными островками, что, в свою очередь, позволит определить оптические свойства таких структур. В конечном итоге, на основе данных о распределении компонентов можно будет сформулировать научно обоснованный подход к выбору методов и параметров роста для создания гетероструктур с заданными оптическими и электрическими свойствами, необходимыми для создания приборных структур.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор благодарит Георгия Артуровича Максимова, которого, к сожалению, уже нет с нами.

Г. А.Максимов являлся научным руководителем этой темы. Составление планов исследований и анализ полученных результатов проводились совместно с ним. В ходе работе автор сотрудничал с сотрудниками Института физики микроструктур РАН. Автор выражает благодарность сотрудникам ИФМ РАН В. Ф. Дряхлушину, В. В. Рогову и.

A.Ю. Климову за изготовление тестовых структур, А. В. Новикову за предоставление структур GeSi для исследования и за полезные дискуссии,.

B.Н. Дроздову за предоставленные для юстировки аппаратуры образцы и за полезные дискуссии. Автор выражает благодарность сотруднику НИФТИ ННГУ В. Г. Шенгурову за предоставление структур GeSi для исследования.