Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИССЕРТАЦИЯ, ХИМИЯ

Термическая кристаллизация германия на кремнии из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону

irina_krut2020 4560 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 152 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 26.03.2020
Целью диссертационной работы являлась разработка физико- технологических основ и исследование закономерностей термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону германиевых тонкопленочных и квантово-размерных наноструктур на кремниевых подложках для устройств электроники и фотоэнергетики. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Разработать физико-технологические принципы выращивания тонкопленочных и островковых кремний-германиевых наноструктур в условиях микроразмерной ростовой ячейки с дискретным источником ростового вещества, находящимся в жидкой фазе. 2. Разработать физико-технологическую модель процесса термической кристаллизации германия на кремнии из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону. Теоретически и экспериментально изучить влияние геометрии локальных источников, их радиуса и расстояния между ними, толщины ростовой зоны на однородность выращиваемых германиевых слоев. 3. Разработать технологические основы, создать аппаратурное оформление и обосновать выбор материалов дискретного источника в зависимости от типа выращиваемых кремний-германиевых наноструктур. 4. Экспериментально исследовать влияние температурных и кинетических параметров термической кристаллизации из дискретного источника через вакуумную зону на морфологию, шероховатость, дефектность, распределение по размерам, фотолюминесцентные свойства выращенных Ge/Si наноструктур. 5. Исследовать влияние технологических режимов термической кристаллизации из дискретного источника через вакуумную зону на функциональные вольт-амперные и спектральные характеристики изготовленных прототипов кремний-германиевых фотоэлектрических устройств с промежуточной энергетической подзоной. Научная новизна 1. Установлено, что методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону возможно выращивание равномерных по толщине тонкопленочных структур германия на кремнии с неоднородностью менее 5% на подложках диаметром 100 мм. Для этого необходимо использовать дискретные источники с гексагональным расположением локальных испарителей, заполненных расплавленным германием, что позволяет повысить скорость процесса роста не менее, чем в 103 раза в сравнении с классическим вариантом зонной сублимационной перекристаллизации, использующей твердофазный сублимирующий германиевый источник. 2. Показано, что для выращивания массива квантовых точек германия на кремнии необходимо вместо графитового применять молибденовый испаритель, который обеспечивает высокий перепад температуры на границах ростовой ячейки ?T ? 400 ?С, что выше не менее, чем на 150 ?С в сравнении с графитовым испарителем. Обосновано, что значительный перепад температур ?T является необходимым условием как для обеспечения низкотемпературных ростовых режимов на поверхности кремниевых подложек в диапазоне 550 – 750 ?С, так и для контролируемого управления скоростью процесса роста от 0,25 до 250 нм/мин. 3. Продемонстрировано, что для выращивания на подложках кремния с кристаллографической ориентацией (001) методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону тонкопленочных германиевых наноструктур толщиной до 500 нм, характеризующихся низкой концентрацией дислокаций несоответствия и шероховатостью поверхности менее 2 нм, необходимо чтобы скорость роста не превышала 0,7 нм/мин и температура подложки находилась в интервале 550-600 ?С. Экспериментально показано, что при температурах 700 - 750 ?С формируется сетка пронизывающих слой дислокаций несоответствия, приводящая к образованию сильно развитого рельефа с шероховатостью более 30 нм, что обусловлено критическим рассогласованием скоростей поверхностной диффузии и высокой скоростью процесса V > 11 нм/мин. 4. Обнаружен характерный для термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону двухмодовый режим формирования квантовых точек германия на кремнии, проявляющийся при температурах подложки выше 650 ?С. Показано, что наряду с образованием пирамидальных hut-точек с размерами d < 20 нм формируются куполообразные квантовые точки dome-типа с размерами d > 50 нм. Показано, что увеличение температуры приводит к усилению дисбаланса в сторону формирования dome-структур. Предложено для подавления развития паразитных dome-структур снизить скорость процесса до 0,25 – 0,30 нм/мин и поддерживать температуру в интервале от 550 ?С до 575 ?С, что изменяет характер кристаллизации на одномодовый и позволяет вырастить однородный массив квантовых точек с размерами менее 20 нм и поверхностной плотностью до 1011 см-2. Теоретическая и практическая значимость работы 1. Теоретическая значимость заключается в разработке физико- технологической модели процесса термической кристаллизации германия на кремнии из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону, позволившей оптимизировать геометрические параметры дискретного источника (форма, размеры, расположение и расстояние между локальными испарителями) и ростовой микроячейки (вакуумный зазор, диаметр) с целью достижения интегральной равномерности слоя «центр – периферия подложки» и минимизации репродукционного эффекта, проявляющегося в модуляции толщины слоя, воспроизводящей конфигурацию дискретного источника. 2. Разработаны физико-технологические принципы выращивания тонкопленочных и островковых кремний-германиевых наноструктур в условиях микроразмерной ростовой ячейки с дискретным источником ростового вещества, находящимся в жидкой фазе, заключающиеся в том, что управление массопереносом в отличие от классического варианта зонной сублимационной перекристаллизации достигается помимо управления толщиной вакуумной зоны l, температурой источника T и перепадом температуры ??T на границах ростовой ячейки, но также формой, размерами r, взаимным расположением h и поверхностной плотностью испарителей. 3. Разработаны технологические основы метода термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону (конструкция ростовой микроячейки, материалы испарителей, технологические режимы), позволяющего выращивать практически бездефектные тонкие пленки германия толщиной до 500 нм с шероховатостью поверхности менее 1,7 нм и массивы германиевых hut-точек с размерами менее 20 нм и поверхностной плотностью 1,1·1011 см-2. 4. Изготовлены методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону прототипы нового класса приборов электронной техники – фотоэлектрических устройств с промежуточной энергетической подзоной на основе гетеросистемы «кремний-германий» с квантовыми точками, продемонстрировавшими прирост плотности генерируемого фототока более, чем на 0,5 мА/см2 по сравнении с фотопреобразователями той же архитектуры, но без квантовых точек, что достигается дополнительным поглощением длинноволновых фотонов в инфракрасной области спектра. Методология и методы исследования Экспериментальные образцы тонкопленочных и квантово-размерных гетероструктур Ge/Si были получены на сконструированной и разработанной лабораторной установке термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону, размещенных в научной лаборатории кафедры «Физика и электроника» ЮРГПУ(НПИ). Свойства пленок и квантово-размерных наноструктур исследовались методами атомно- силовой микроскопии (СЗМ Solver HV), электронной микроскопии (СЭМ Quanta 200), фотолюминесценции (установка PhotoLum) в ЦКП «Нанотехнологии ЮРГПУ(НПИ)». Измерения кривых дифракционных кривых качания выполнено на рентгеновском дифрактометре ARL X’TRA в Южном федеральном университете. Определение функциональных параметров прототипов фотоэлектрических устройств осуществлялось по результатам измерений вольт-амперных характеристик и спектральных зависимостей внешнего квантового выхода на оборудовании ЦКП «Нанотехнологии ЮРГПУ(НПИ)», изготовленного в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Положения, выносимые на защиту: 1. Использование предложенной оригинальной конструкции дискретного источника с гексагональным расположением локальных испарителей радиусом r = 0,7 - 0,75 мм и расстоянием между ними h = 0,95 - 1,0 мм, заполненных расплавленным германием, позволяет методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону выращивать германиевые слои на подложках кремния диаметром D = 100 мм, удаленных от источника на расстояние l = 2,0 – 2,1 мм, с неоднородностью по толщине менее 5%. 2. Применение дискретного источника с молибденом в качестве материала испарителя с низким интегральным коэффициентом излучения позволяет повысить перепад температур на границах ростовой зоны до ??T ? 400 ?C, что технологически обеспечивает значительное снижение и контролируемое управление температурой кремниевой подложки в интервале 550 - 750 ?C, непрерывно поддерживая германий в локальных испарителях дискретного источника в расплавленном состоянии и обеспечивая плавную регулировку скорости роста от 0,25 до 250 нм/мин. 3. Повышение температуры кремниевой подложки в интервале 550 – 600 ?С при контролируемых скоростях зонной термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону менее V < 1,7 нм/мин приводит к уменьшению шероховатости поверхности выращенных псевдоморфных пленок германия на кремнии Ra с 3 до 1,8 нм и снижению плотности дислокаций несоответствия. Дальнейший рост температуры от 600 до 750 ?С напротив приводит к формированию дефектной структуры с прорастающей сеткой накапливающихся дисклокаций и соответственно развитым рельефом поверхности с шероховатостью Ra > 30 нм. 4. Увеличение температуры в диапазоне от 550 ?С до 575 ?С практически не сказывается на величине средних размеров квантовых точек германия (Hср = 20 нм), выращенных методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника на подложках кремния с кристаллографической ориентацией (001) и в этих условиях формируются преимущественно пирамидальные квантовые точки hut-типа с максимально возможной для этого метода поверхностной слоевой плотностью 1,1·1011 см-2. При температурах выше 600 ?С наблюдается явный двухмодовый режим роста квантовых точек в котором, наряду с образованием hut-точек, формируются dome-точки с размерами более 30 нм. 5. Введение массива квантовых точек германия, выращенных методом термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника в кремниевую матрицу с дырочным типом проводимости, позволяет изготовить прототипы нового класса электронных приборов – фотоэлектрических преобразователей с промежуточной энергетической подзоной. При этом фотоэлектрический преобразователь с преимущественным содержанием hut-точек продемонстрировал плотность тока короткого замыкания 10,9 мА/см2, что в сравнении с фотопреобразователями, выполненными по аналогичной архитектуре, но не содержащими квантовых точек больше на 0,5 мА/см2 и содержащих преимущественно квантовые точки dome-типа на 1,2 мА/см2. Степень достоверности результатов Достоверность полученных результатов подтверждается применением математических моделей, согласующихся с результатами проведенных экспериментальных исследований и литературными данными в областях, допускающих такое сопоставление; взаимно согласующимися результатами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, данными атомно-силовой микроскопии, фотолюминесценции, дифракционных методов, исследованием вольт-амперных и спектральных характеристик внешнего квантового выхода; использованием технологических разработок, полученных в диссертации, при изготовлении электронных модулей со специальными свойствами в ООО СКТБ «ИНВЕРСИЯ», г. Ростов-на-Дону. Личный вклад автора Постановка цели и задач диссертационной работы, обсуждение полученных результатов проведены совместно с научным руководителем. Личный вклад соискателя состоит в разработке лабораторного оборудования и технологических основ метода термической кристаллизации из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону и методик экспериментальных исследований, моделировании закономерностей массопереноса из дискретных источников разной геометрической конфигурации, исследовании закономерностей кристаллизации и свойств тонкопленочных и островковых наногетероструктур германий-кремний, обобщении полученных результатов, подготовке научных публикаций и представлении их на конференциях. Апробация результатов Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4-й международной научной конференции ?International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures? (Saint-Petersburg, 3-6 апреля 2017), XXI международной научной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодрар, 18-24 сентября 2016), III международном молодежном симпозиуме «Физика бессвинцовых пьезоактивных и родственных материалов (Анализ современного состояния и перспективы развития)» (Туапсе, 2-6 сентября 2014), II международном молодежном симпозиуме «Физика бессвинцовых пъезоактивных и родственных материалов (Анализ современного состояния и перспективы развития)» (Туапсе, 2-6 сентября 2013), всероссийской научной школе «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», (Новочеркасск, 5-7 сентября 2011), региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна – 2011» (Новочеркасск, 24-25 мая 2011), региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна – 2012» (Новочеркасск, 11-12 октября 2012), 61-й научно- технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов «Результаты исследований – 2012» (Новочеркасск, 12 октября 2012), VII международной научно- практической конференции «Новые материалы и технологии их получения» (Новочеркасск, 15 октября 2013). Публикации Результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечни ВАК и Scopus. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 150 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 107 источников.
Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования Развитие современной твердотельной электроники и оптоэлектроники идет по пути совершенствования свойств прямозонных материалов АIIIBV и технологических методов их получения [1]. Однако, используемые в настоящее время технологии изготовления оптоэлектронных устройств АIIIBV не совместимы с традиционным массовым производством кремниевых металл-оксид-полупроводник устройств [2]. Наибольшие перспективы развития современной оптоэлектроники в настоящее время связывают с изучением свойств гетеросистемы Ge/Si [3]. Использование эффекта возникновения упругих напряжений в тонких пленках германия на кремнии и донорное легирование, приводит к тому, что гетеропара Ge/Si проявляет псевдо-прямозонные свойства [4] и, в перспективе, может быть весьма хорошо совместима с существующей кремниевой промышленностью [5]. На основе тонкопленочной гетеросистемы Ge/Si в принципе возможна реализация фотодекторов, модуляторов и лазеров [6]. Помимо упругонапряженных пленок Ge/Si, еще одним важным объектом исследования являются массивы квантовых точек германия на кремнии, формирующиеся в режиме Странского-Крастанова путем образования смачивающего слоя с последующей коалесценцией в островковые структуры [7]. Практическое применение эффекта квантового конфайнмента носителей заряда на основном и возбужденных уровнях германиевых квантовых точек позволит создать инфракрасные Ge/Si фотодетекторы высокой чувствительности [8]. Универсальным методом получения тонкопленочных и квантово- размерных гетероструктур Ge/Si является молекулярно-лучевая эпитаксия [9]. Этот метод, обеспечивая высокое качество выращиваемых структур, обладает рядом недостатков, сдерживающих его использование в массовом производстве. Среди недостатков молекулярно-лучевой эпитаксии можно выделить низкие коэффициенты переноса ростового вещества и активных примесей, высокие требования к вакууму в рабочей камере, трудности создания однородных гетероструктур на подложках большой площади [10]. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования альтернативных ростовых методов. Одной из возможных вариаций молекулярно-лучевой эпитаксии является метод зонной сублимационной перекристаллизации, характеризующийся использованием ростовой микроячейки, образованной близкорасположенными плоскопараллельными сублимирующимся источником и подложкой, так что толщина микроячейки намного меньше ее планарных размеров [11]. Это позволяет обеспечить снижение парциального давления остаточных газов в ростовой микроячейке на несколько порядков по сравнению с давлением в рабочей камере [12]. Коэффициент переноса ростового вещества и активных примесей приближается к единице. Достоинства метода зонной сублимационной перекристаллизации усиливаются при увеличении площади пластин источника и подложки. Однако, получение Ge/Si квантово-размерных структур и тонких пленок классическим методом зонной сублимационной перекристаллизации имеет ряд методических трудностей. Скорость сублимации германия при характерных температурах роста слоев и квантовых точек критически мала [13]. Это приводит к необходимости использования жидкофазного источника. Однако, установка сплошного жидкофазного источника ростового вещества в строго горизонтальном положении технически невозможна и незначительное отклонение от горизонтальности приводит к контакту расплава с подложкой. Помимо этого, имеются проблемы с сохранением неизменного вакуумного зазора между источником и подложкой, вызванные скачкообразным изменением плотности ростового источника при его плавлении [14]. Для устранения указанных недостатков нами предложено использовать вместо сплошного – дискретный жидкофазный источник. Укажем, что до начала выполнения данного диссертационного исследования изучение особенностей испарения из дискретного германиевого жидкофазного источника и закономерностей массопереноса ростового вещества в условиях тонкого вакуумного зазора ранее не проводились. Влияние геометрических условий и температурных факторов на однородность и свойства тонких слоев и квантовых точек германия на кремнии также относится к ранее не исследованным научным проблемам. Для решения указанных научных задач также необходимо было разработать аппаратурное оформление и методики экспериментальных исследований термической кристаллизации германия на кремнии из дискретного жидкофазного источника. Совокупность перечисленных задач и явилась предметом диссертационного исследования.
Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….... 5 1. ГЕТЕРОСИСТЕМА КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЙ: СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ…………………………... 16 1.1 Гетероструктуры SiGe…………………………………………. 16 1.1.1 Кремний-германиевая электроника и фотоника………… 16 1.1.2 Упругонапряженные слои………………………………… 21 1.1.3 Квантовые точки…………………………………………... 26 1.2 Методы получения тонких пленок и наноструктур…………. 29 1.2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия………………………… 29 1.2.2 Газофазная эпитаксия……………………………………... 30 1.2.3 Зонная сублимационная перекристаллизация…………... 32 1.3 Зонная сублимационная и термическая кристаллизация 34 1.3.1 Развитие исследований сублимационной кристаллизации………………………………………………….. 34 1.3.2 Ограничения классической сублимационной кристаллизации………………………………………………….. 35 1.3.3 Термическая кристаллизация из дискретного жидкофазного источника через вакуумную зону…………….. 39 1.4 Выводы по главе 1……………………………………………... 43 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ ЖИДКОФАЗНОГО ДИСКРЕТНОГО ИСТОЧНИКА ЧЕРЕЗ ВАКУУМНУЮ ЗОНУ…………................. 45 2.1 Постановка задачи…………………………………………….. 45 2.2 Параметры и допущения модели…………………………….. 47 2.2.1 Состав паров в ростовой зоне……………………………. 47 2.2.2 Геометрические параметры дискретного источника…… 49
Список литературы

1. Emel’yanov, E.A. InGaAs/GaAs quantum wells grown by MBE on artificial GaAs/Si(001) substrates / Е.А. Emel’yanov A.P. Kokhanenko, D.S. Abramkin, O.P. Pchelyakov, М. А. Putyato, B.R. Semyagin, V.V. Preobrazhenskii, A.P. Vasilenko, D.F. Feklin, Z. Niu, H. Ni // Russian Physics Journal. – 2014. – Vol. 57(3). – P. 359–363. 2. Lozovoy, K.A. Heterostructures with self-organized quantum dots of Ge on Si for optoelectronic devices / K.A. Lozovoy, A.V. Voytsekhovskiy, A.P. Kokhanenko, V.G. Satdarov, O.P. Pchelyakov, A.I. Nikiforov // Optoelectronics Review. – 2014. – Vol. 22(3). – P. 171-177. 3. Shengurov, V.G. A silicon sublimation source for molecular-beam epitaxy / V.G. Shengurov, S.A. Denisov, V.Y. Chalkov, D.V. Shengurov // Instruments and Experimental Techniques. – 2016. – Vol. 59(3). –P. 466-469. 4. Ye, H. Germanium epitaxy on silicon / H. Ye, J.Z. Yu // Science and technology of advanced materials. – 2014. – Vol. 15(2). – P. 024601. 5. He, C. Recent progress in Ge and GeSn light emission on Si / C. He, X. Zhang, Z. Liu, B.W. Cheng // Acta Physica Sinica. – 2015. – Vol. 64(20). – P. 206102. 6. Kim, S.W. Growth of single crystalline germanium thin film on (100) silicon substrate / S.W. Kim, J. Lee, Y.H. Park, J.M. Park, S. Park, Y.J. Kim, H.J. Choi // Electronic Materials Letters. – 2017. – Vol. 13(2). – P. 147-151. 7. Groiss, H. Photoluminescence enhancement through vertical stacking of defect-engineered Ge on Si quantum dots / H. Groiss, L. Spindlberger, P. Oberhumer, F. Schaffler, T. Fromherz, M. Grydlik, M. Brehm // Semiconductor Science and Technology. – 2017. – Vol. 32(2). – P. 02LT01. 8. Filatov, D.O. Photodiodes based on self-assembled GeSi/Si(001) nanoisland arrays grown by the combined sublimation molecular-beam epitaxy of silicon and vapor-phase epitaxy of germanium / D.O. Filatov, A.P. Gorshkov, N.S. Volkova, D.V. Guseinov, N.A. Alyabina, M.M. Ivanova, V.Y. Chalkov, S.A. Denisov, V.G. Shengurov // Semiconductors. – 2015. – Vol. 49(3). – P. 387-393. 9. Shklyaev, A.A. Critical conditions for SiGe island formation during Ge deposition on Si(100) at high temperatures / A.A. Shklyaev, A.E. Budazhapova // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2017. – Vol 57. –P. 18-23. 10. Wirths, S. Si-Ge-Sn alloys: From growth to applications / Wirths, S, Buca, D, Mantl, S // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. – 2016. –Vol. 62(1). – P. 1-39. 11. Aleksandrov, L.N. Silicon zone sublimation regrowth / L.N. Aleksandrov, S.V. Lozovskii, S.Y. Kniazev // Physica Status Solidi (a). – 1988. – Vol. 107 (1). – P. 213–223. 12. Lozovskii, V.N. Sorption vacuumization of a growth cell during zone sublimation recrystallization / V.N. Lozovskii, S.V. Lozovskii, G.V. Valov// Technical Physics Letters. 2013. –Vol. 39(2). – P. 175-178. 13. Matveev, S.A. Structure and surface morphology of Si1-xGex layers grown on Si/Sapphire by molecular beam epitaxy using a sublimation silicon source and gaseous germanium source / S.A. Matveev, S.A. Denisov, V.Y. Chalkov, V.G. Shengurov, D.E. Nikolichev, A.V. Boryakov, V.N. Trushin, E.A. Pitirimova // Inorganic Materials. – 2013. – Vol. 49(8). – P. 749-753. 14. Farzinpour, P Dynamic templating: a large area processing route for the assembly of periodic arrays of sub-micrometer and nanoscale structures / P. Farzinpour, A. Sundar, K.D. Gilroy, Z.E. Eskin, R.A. Hughes, S. Neretina // Nanoscale. – 2013. – Vol. 5(5). – P. 1929-1938. 15. Fathpour, S. Emerging heterogeneous integrated photonic platforms on silicon / S. Fathpour // Nanophotonics. – 2015. – Vol. 4 (1). – P. 143–164. 16. Kim, Y. Si CMOS extension and Ge technology perspectives forecast through metal-oxide-semiconductor junctionless field-effect transistor / Y. Kim, J. Lee, S. Cho // Journal of Semiconductor Technology and Science. – 2016. – Vol. 16 (6). – P. 847–853. 17. Nishinaga, T. Progress in art and science of crystal growth and its impacts on modern society / T. Nishinaga // Japanese Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 54 (5). – P. 050–101. 18. Cheng, B. Research progress of Si-based germanium materials and devices / B. Cheng, C. Li, Z. Liu, C. Xue // Journal of Semiconductors. – 2016. – Vol. 37 (8). – P. 081–001. 19. Boztug, C. Strained-germanium nanostructures for infrared photonics / C. Boztug, J. R. Sanchez-Perez, F. Cavallo, M. G. Lagally, R. Paiella // ACS Nano. – 2014. – Vol. 8 (4). – P. 3136–3151. 20. Ray, S. K. Nanocrystals for silicon-based light-emitting and memory devices / S. K. Ray, S. Maikap, W. Banerjee, S. Das // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2013. – Vol. 46 (15). – P. 153–001. 21. Isa, F. Enhancing elastic stress relaxation in SiGe/Si heterostructures by Si pillar necking / F. Isa, M. Salvalaglio, Y. Arroyo Rojas Dasilva, F. Montalenti, H. Von Kanel // Applied Physics Letters. – 2016. – Vol. 109 (18). – P. 182–112. 22. Liu, J. Tensile strained Ge p-i-n photodetectors on Si platform for C and L band telecommunications / J. Liu, D. D. Cannon, K. Wada, J. Michel, L. C. Kimerling // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 87 (1). – P. 011–110. 23. Lin, P. T. Si-CMOS compatible materials and devices for mid-IR microphotonics / P. T. Lin, V. Singh, J. Wang, L. C. Kimerling, A. Agarwal // Optical Materials Express. – 2013. – Vol. 3 (9). – P. 1474–1487. 24. Liu, J. High-performance, tensile-strained Ge p-i-n photodetectors on a Si platform / J. Liu, J. Michel, W. Giziewicz, F. X. Kartner, J. Yasaitis // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 87 (10). – P. 103–501. 25. Klinger, S. Ge-on-Si p-i-n photodiodes with a 3-dB bandwidth of 49 GHz / S. Klinger, M. Berroth, M. Kaschel, M. Oehme, E. Kasper // IEEE Photonics Technology Letters. – 2009. – Vol. 21 (13). – P. 920–922. 26. Zaoui, W. S. Bridging the gap between optical fibers and silicon photonic integrated circuits / W. S. Zaoui, A. Kunze, W. Vogel, F. Letzkus, J. Burghartz // Optics Express. – 2014. – Vol. 22 (2). – P. 1277–1286. 27. Lim, A. E. Design and fabrication of a novel evanescent germanium electro-absorption (EA) modulator / A. E. Lim, K. W. Ang, Q. Fang, G.-Q. Lo, D.- L. Kwong // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. – 2010. – 7719. 28. Isella, G. Ge/SiGe quantum well for photonic applications: Modelling of the quantum confined Stark effect / G. Isella, A. Ballabio, J. Frigerio // Source of the DocumentProceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. – 2016. – 9891. 29. Liu, J. Waveguide-integrated, ultralow-energy GeSi electro-absorption modulators / J. Liu, M. Beals, A. Pomerene, L. C. Kimerling, J. Michel // Nature Photonics. – 2008. – Vol. 2 (7). – P. 433–437. 30. Stohr, H. Uber Zweistoffsysteme mit Germanium I. Germanium/Aluminium, Germanium/Zinn und Germanium/Silicium / H. Stohr, W. Klemm // Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie. – 1939. – Vol. 241. – P. 305–323. 31. Johnson, E. R. Some Properties of Germanium-Silicon Alloys / E. R. Johnson, S. M. Christian // Physical Review. – 1954. – Vol. 95 (2). – P. 560–561. 32. Glicksman, M. Mobility of Electrons in Germanium-Silicon Alloys / M. Glicksman // Physical Review. – 1958. – Vol. 111 (1). – P. 125–128. 33. Braunstein, R. Intrinsic Optical Absorption in Germanium-Silicon Alloys / R. Braunstein, A. R. Moore, F. Herman // Physical Review. – 1958. – Vol. 109 (3). – P. 695–710. 34. Miller, K. J. Epitaxial Silicon?Germanium Alloy Films on Silicon Substrates / K. J. Miller, M. J. Grieco // Journal of Electrochemical Society. – 1962. – Vol. 109 (1). – P. 70–71. 35. Riben, A. R. Preparation of Ge/Si and Ge?/?GaAs Heterojunctions / A. R. Riben, D. L. Feucht, W. G. Oldham // Journal of Electrochemical Society. – 1966. – Vol. 113 (3). – P. 245–249. 36. Vasilevskaya, V. N. Imperfections in the transient layer of the SiSie- Ge heteroepitaxial system / V. N. Vasilevskaya, L. I. Datsenko, R. V. Konakova, N. V. Osadchaya, Yu. Schwarz // Thin Solid Films. – 1976. – Vol. 32 (2). – P. 371–373. 37. Aleksandrov, L. N. Heteroepitaxy of germanium thin films on silicon by ion sputtering / L. N. Aleksandrov, R. N. Lovyagin, O. P. Pchelyakov, S. I. Stenin // Journal of Crystal Growth. – 1974. – Vol. 24 (25). – P. 298–301. 38. Dorfman, V. F. A microscopic mechanism of film growth from non- condensed phases / V. F. Dorfman // Thin Solid Films. – 1980. – Vol. 66 (1). – P. 91–110. 39. Stenin, S. I. Morphological transformations of thin heteroepitaxial films / S. I. Stenin, A. I. Toropov, E. M. Trukhanov, V. Yu. Karasyov, S. M. Pintus // Thin Solid Films. – 1987. – Vol. 151 (2). – P. 275–288. 40. Bean, J. C. Recent developments in silicon molecular beam epitaxy / J. C. Bean // Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. – 1983. – Vol. 1 (2). – P. 540–545. 41. Bimberg, D. Quantum dot heterostructures / D. Bimberg, M. Grundmann, N. N. Ledentsov. – New York: John Wiley&Son, 1999. – 648 p. 42. Brehm, M. Ultra-steep side facets in multi-faceted sige/si(001) stranski-krastanow islands / M. Brehm, H. Lichtenberger, T. Fromherz, G. Springholz // Nanoscale Research Letters. – 2011. – Vol. 6 (1). – P. 1–8. 43. Pehlke, E. Nature of the step-height transition on vicinal Si(001) surfaces / E. Pehlke, J. Tersoff // Physical Review Letters. – 1991. – Vol. 67 (4). – P. 465–468. 44. Tong, X. Terrace-width-induced domain transition on vicinal Si(100) studied with microprobe diffraction / X. Tong, P. A. Bennett // Physical Review Letters. – 1991. – Vol. 67 (1). – P. 101–104. 45. Barget, M. R. Tensile strain in Ge membranes induced by SiGe nanostressors / M. R. Barget, M. Lodari, M. Borriello, M. Bollani, E. Bonera // Applied Physics Letters. – 2016. – Vol. 109 (13). – P. 133–109. 46. Tersoff, J. Competing relaxation mechanisms in strained layers / J. Tersoff, F. K. Legoues // Applied Physics Letters. – 1994. – Vol. 72 (22). – P. 3570–3573. 47. Bolkhovityanov, Yu. B. Silicon-germanium epilayers: Physical fundamentals of growing strained and fully relaxed heterostructures / Yu. B. Bolkhovityanov, O. P. Pchelyakov, S. I. Chikichev // Physics-Uspekhi. – 2001. – Vol. 44 (7). – P. 655–680. 48. Yakimov, A. I. Interlevel Ge/Si quantum dot infrared photodetector / A. I. Yakimov, A. V. Dvurechenskii, A. I. Nikiforov, Yu. Yu. Proskuryakov // Journal of Applied Physics. – 2001. – Vol. 89 (10). – P. 5676–5681. 49. Pchelyakov, O. P. Molecular beam epitaxy of silicon-germanium nanostructures / O. P. Pchelyakov, Yu. B. Bolkhovityanov, A. V. Dvurechenskii, A. I. Nikiforov, A. I. Yakimov, A. I. Voigtlander // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 367 (1-2). – P. 75–84. 50. Teichert, C. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy / C. Teichert // Physics Report. – 2002. – Vol. 365 (5-6). – P. 335– 432. 51. Stangl, J. Structural properties of self-organized semiconductor nanostructures / J. Stangl, V. Holy, G. Bauer // Reviews of Modern Physics. – 2004. – Vol. 76 (3 I). – P. 752–783. 52. Yu, J. Type-II SiGe/Si MQWS (multi-quantum wells) and self- organized Ge/Si islands grown by UHV/CVD system / J. Yu, C. Huang, B. Cheng, L. Luo, Q. Wang // International Journal of Modern Physics B. – 2002. – Vol. 16 (28-29). – P. 4228–4233. 53. Rastelli, A. Reversible shape evolution of Ge islands on Si(001) / A. Rastelli, M. Kummer, H. Von Kanel // Physical Review Letters. – 2001. – Vol. 87 (25). – P. 256101/1–256101/4. 54. Lunin, L.S. Structure of Ge nanoclusters grown on Si(001) by ion beam crystallization / L. S. Lunin, S. N. Chebotarev, A. S. Pashchenko // Inorganic Materials. – 2013. – Vol. 49 (5). – P. 435–438. 55. Baribeau, J.-M. Epitaxy of Si-Ge heterostructures by Si MBE / J.-M. Baribeau, D. C. Houghton, D. J. Lockwood, M. W. C. Dharma-Wardana, G. C. Aers // Journal of Crystal Growth. – 1989. – Vol. 95 (1-4). – P. 447–450. 56. Vailionis, A. Pathway for the strain-driven two-dimensional to three- dimensional transition during growth of Ge on Si(001)/ A. Vailionis, B. Vailionis, G. Glass, D. G. Cahill, G. E. Greene // Physical Review Letters. – 2000. – Vol. 85 (17). – P. 3672–3675. 57. Daruka, I. Equilibrium phase diagrams for the elongation of epitaxial quantum dots into hut-shaped clusters and quantum wires / I. Daruka, C. Grossauer, G. Springholz, J. Tersoff // Physical Review B. – 2014. – Vol. 89 (23). – P. 235–427. 58. Pchelyakov, O. P. Silicon-germanium nanostructures with quantum dots: Formation mechanisms and electrical properties / O. P. Pchelyakov, Yu. B. Bolkhovityanov, A. V. Dvurechenskii, A. I. Yakimov, B. Voigtlander // Semiconductors. – 2000. – Vol. 34 (11). – P. 1229–1247. 59. Shklyaev, A.A. Extremely dense arrays of germanium and silicon nanostructures / A. A. Shklyaev, M. Ichikawa // Physics-Uspekhi. – 2008. – Vol. 51 (2). – P. 133–161. 60. Nikiforov, A. I. In situ RHEED control of self-organized Ge quantum dots / A. I. Nikiforov, V. A. Cherepanov, O. P. Pchelyakov, A. V. Dvurechenskii, A. I. Yakimov // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 380 (1-2). – P. 158–163. 61. Pchelyakov, O. P. Surface processes and phase diagrams in MBE growth of Si/Ge heterostuctures / O. P. Pchelyakov, V. A. Markov, A. I. Nikiforov, L. V. Sokolov // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 306 (2). – P. 299–306. 62. Yakimov, A.I. Many-electron coulomb correlations in hopping transport along layers of quantum dots / A. I. Yakimov, A. V. Nenashev, A. V. Dvurechenskii, M. N. Timonova // JETP Letters. – 2003. – Vol. 78 (4). – P. 241– 245. 63. Yakimov, A. Influence of delta-doping on the hole capture probability in Ge/Si quantum dot mid-infrared photodetectors / A. Yakimov, V. Kirienko, V. Timofeev, V. Bloshkin, A. Dvurechenskii // Nanoscale Research Letters. – 2014. – Vol. 9 (1). – P. 6. 64. Stepina, N.P. MBE growth of Ge/Si quantum dots upon low-energy pulsed ion irradiation / N. P. Stepina, A. V. Dvurechenskii, V. A. Ambrister, M. C. do Carmo, N. A. Sobolev // Thin Solid Films. – 2008. – Vol. 517 (1). – P. 309– 312. 65. Ohtani, N. RHEED investigation of Ge surface segregation during gas source MBE of Si Si1-xGex heterostructures / N. Ohtani, S. M. Mokler, M. H. Xie, J. Zhang, B. A. Joyce // Surface Science. – 1993. – Vol. 284 (3). – P. 305–314. 66. Kasper, E. A one-dimensional SiGe superlattice grown by UHV epitaxy / E. Kasper, H. J. Herzog, H. Kibbel // Applied Physics. – 1975. – Vol. 8 (3). – P. 199–205. 67. Barski, A. Epitaxial growth of germanium dots on Si(001) surface covered by a very thin silicon oxide layer / A. Barski, M. Derivaz, J. L. Rouviere, D. Buttard // Applied Physics Letters. – 2000. – Vol. 77 (22). – P. 3541–3543. 68. Eaglesham, D. J. Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(100) / D. J. Eaglesham, M. Cerullo // Physical Review Letters. – 1990. – Vol. 64 (16). – P. 1943–1946. 69. Ankiewicz, A. O. Effect of Ge doping on the creation of luminescent radiation defects in MBE Si / A. O. Ankiewicz, N. A. Sobolev, J. P. Leitao, J. L. Hansen, A. N. Larsen // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 248 (1). – P. 127–132. 70. Huang, Z. Impacts of excimer laser annealing on Ge epilayer on Si / Z. Huang, Y. Mao, X. Yi, W. Huang, J. Wang // Applied Physics A: Materials Science and Processing. – 2017. – Vol. 123 (2). – P. 148. 71. Montazeri, S. A Wide-Band High-Gain Compact SIS Receiver Utilizing a 300-?W SiGe if LNA / S. Montazeri, P. K. Grimes, C.-Y. E. Tong, J. C. Bardin // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2017. – Vol. 24 (4). – P. 7752884. 72. Murota, J. Atomically controlled processing for Si and Ge CVD epitaxial growth / J. Murota, Y. Yamamoto, I. Costina, R. Loo, M. Caymax // ECS Transactions. – 2016. – Vol. 72 (2). – P. 71–82. 73. KanJolia, R. New materials in semiconductor fabrication: An evolutionary process / R. KanJolia // Semiconductor International. – 2007. – Vol. 30 (13). – P. 32–36. 74. Kamins, T. I. Evolution of Ge islands on Si(001) during annealing / T. I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D. A. A. Ohlberg, R. Stanley Williams // Journal of Applied Physics. – 1999. – Vol. 85 (2). – P. 1159–1171. 75. Krasil'nik, Z. F. The elastic strain and composition of self-assembled GeSi islands on Si(001) / Z. F. Krasil'nik, I. V. Dolgov, Yu. N. Drozdov, V. V. Postnikov, N. V. Vostokov // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 367 (1-2). – P. 171– 175. 76. Baribeau, J.-M. Ge dots and nanostructures grown epitaxially on Si / J.-M. Baribeau, X. Wu, N. L. Rowell, D. J. Lockwood // Journal of Physics Condensed Matter. – 2006. – Vol. 18 (8). – P. R139–R17. 77. Bosi, M. MOVPE growth of homoepitaxial germanium / M. Bosi, G. Attolini, C. Ferrari, C. Pelosi, R. W. Peng // Journal of Crystal Growth. – 2008. – Vol. 310 (14). – P. 3282–3286. 78. Richard, M.-I. Coalescence of domes and superdomes at a low growth rate or during annealing: Towards the formation of flat-top superdomes / M.-I. Richard, G. Chen, T. U. Schulli, G. Renaud, G. Bauer // Surface Science. – 2008. – Vol. 602 (13). – P. 2157–2161. 79. Kim, M. Polycrystalline GeSn thin films on Si formed by alloy evaporation / M. Kim, W. Fan, J.-H. Seo, W. Zhou, Z. Ma // Applied Physics Express. – 2015. – Vol. 8 (6). – P. 061301. 145 80. Aleksandrov, L.N. Silicon zone sublimation regrowth / L.N. Aleksandrov, S.V. Lozovskii, S.Y. Kniazev // Physica Status Solidi (a). – 1988. – Vol. 107 (1). – P. 213–223. 81. Handelman, E.T. Epitaxial Growth of Silicon by Vacuum Sublimation / E.T. Handelman, E.J. Povilonis // J. Electrochem. Soc. – 1964. – Vol. 3 (2). – P. 201–206. 82. Александров, Л.Н. Фоновые и легирующие примеси в полупроводниковых пленках и переходной области пленка-подложка при эпитаксии из молекулярных пучков / Л.Н. Александров, Р.Н. Ловягин, А.И. Сапрынин, В. Новик // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. – 1980. – Т. 16. – Вып. 8. – С. 1149–1153. 83. Толомасов, В.А. Получение эпитаксиальных пленок кремния на дисках сублимацией в вакууме / В.А. Толомасов, Л.Н. Абросимова, Т.Н. Сергиевская // Процессы роста кристаллов и пленок полупроводников. Новосибирск. – 1970.– С. 219–225. 84. Дорфман, В.Ф. Некоторые вопросы кристаллизации при малых расстояниях между источником и подложкой / В.Ф. Дорфман // Кристаллография. – 1968. – Т. 13. – Вып. 1. – С. 140–146. 85. Александров, Л.Н. Управление массопереносом легирующей примеси при зонной сублимационной перекристаллизации / Л. Н. Александров, С. В. Лозовский, С. Ю. Князев // Письма в журн. техн. физики. – 1987. – Т. 13. – Вып. 17. – P. 1080–1084. 86. Лозовский, С.В. Зонная сублимационная перекристаллизация как метод получения слоев чистых материалов (на примере кремния) / С. В. Лозовский, С. Р. Октябрьский, Р. А. Рубцова, В. В. Макаров // Высокочистые вещества. – 1988. –№ 6. – С. 113–115. 87. Лозовский, В. Н. Захват жидких микровключений на поверхности кристалла кремния движущимися дефектами упаковки / В. Н. Лозовский, Г. С. Константинова, С. В. Лозовский // Журнал технической физики. – 1995. – Т. 65. – Вып. 9. – С. 190–192. 146 88. Vodakov, Ju. A. Epitaxial growth of SiC layers by sublimation «sandwich-method (I)» / Ju. A. Vodakov, E. N. Mokhov, M. G. Ramm, A. D. Roenkov // Krist und Techn. – 1979. – Vol. 14 (6). – P. 729–740. 89. Лозовский, В. Н. Зонная перекристаллизация градиентом температуры в металлических системах / В. Н. Лозовский, В. А. Малибашев, Н. Ф. Политова, С. В. Лозовский // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – 2002. – № 8. – С. 73–76. 90. Лозовский, В. Н. Осаждение тугоплавких металлов на рельефные подложки методом зонной сублимационной перекристаллизации / В. Н. Лозовский, С. В. Лозовский, С. Н. Чеботарев, В. А. Ирха // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – 2007. – № 4. – С. 68–70. 91. Лозовский, В. Н. Исследование краевого температурного эффекта при зонной сублимационной перекристаллизации / В. Н. Лозовский, С. В. Лозовский, С. Н. Чеботарев // Известия высших учебных заведений. Северо- Кавказский регион. Серия: Технические науки. – 2007. – № 5. – С. 52–56. 92. Лозовский, В. Н. Сорбционное вакуумирование ростовой ячейки при зонной сублимационной перекристаллизации / В. Н. Лозовский, С. В. Лозовский, Г. В. Валов // Письма в Журнал технической физики. – 2013. – Т. 39. – Вып. 3. – С. 72–79 93. Matveev, S. A. Structure and surface morphology of Si1 - X Ge x layers grown on Si/sapphire by molecular beam epitaxy using a sublimation silicon source and gaseous germanium source / S. A. Matveev, S. A. Denisov, V. Yu. Chalkov, V. N. Trushin, E. A. Pitirimova // Inorganic Materials. – 2013. – Vol. 49 (8). – P. 749–753. 94. Хирс Д. Испарение и конденсация / Д. Хирс, Г. Паунд // М.: Металлургия. – 1966. – 212 с. 95. Ивановский М.Н. Испарение и конденсация металлов / М.Н. Ивановский, В.А. Сорокин, В.И. Субботин // М.: Атомиздат. – 1976. – 212 с. 96. Самсонов Г.В. Нитриды / Г. В. Самсонов // К.: Наукова думка. – 1969. – 380 с. 97. Перельман Ф.М. Молибден и вольфрам / Ф. М. Перельман, Зворыкин А. Я. // М.: Наука. – 1968. – 140 с. 98. Найдич Ю.В. Взаимодействие металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита / Ю. В. Найдич, Г. А. Колисниченко // К.: Наукова думка. – 1967. – 89 с. 99. Дриц М.Е. Свойства элементов: Справочное издание / М. Е. Дриц // М.: Металургия. – 1985. – 672 с. 100. Майссел Л. Технология тонких пленок: Справочник / Л. Майссел, Р. Глэнг // Нью-Йорк, 1970 г. // Пер. с англ. Под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. – М.: Сов. радио. – Т.1 – 1977. – 644 с. 101. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т. / Н. П. Лякишев // М.: Машиностроение. – Т.2. – 1997. – 1024 с. 102. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов: Справочник / Г. В. Самсонов, А. Л. Борисова, Т. Г. Жидкова, Т. Н. Знатокова и др. // М.: Металлургия. – 1978. – 472 с. 103. Шейндлин А.Е. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / А. Е. Шейндлин, Л. Н. Латыев, В. А. Петров, В. Я. Чеховской, Е. Н. Шестаков // М.: Энергия. – 1974. – 472 с. 104. Ishizaka A. Low-temperature surface cleaning of silicon and it’s application to silicon MBE / A. Ishizaka, K. Nakagawa, Y. Shiraki // Pros. of MBE-CST-2. – 1983. – P. 183–186. 105. Свет, Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур / Д. Я Свет // М.: Наука. – 1982. – 296 с. 106. Агекян В.Ф. Фотолюминесценция полупроводниковых кристаллов / В. Ф. Агекян // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6. – № 10 – С. 101–107. 107. Бурбаев Т.М. Фотолюминесценция Si/Ge — наноструктур, выращенных при низких температурах молекулярно-пучковой эпитаксии / Т. М. Бурбаев, В. А. Курбатов, А. О. Погосов // Физика твердого тела. – 2004. – Т. 46. – Вып. 1. – С. 74–76.
Отрывок из работы

1 ГЕТЕРОСИСТЕМА КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЙ: СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ 1.1 Гетероструктуры SiGe 1.1.1 Кремний-германиевая электроника и фотоника Современная оптоэлектроника использует прямозонные материалы АIIIBV с высокой по отношению к кремнию подвижностью носителей заряда [15]. Однако, технология изготовления таких оптоэлектронных устройств не совместима с традиционным массовым производством комплементарных кремниевых металл-оксид-полупроводник (КМОП) устройств [16]. Наибольшими перспективами создания так называемой «кремний-германиевой» оптоэлектроники обладает гетеросистема SiGe. В некоторых случаях, как это будет показано ниже в этом параграфе, пара SiGe проявляет псевдо-прямозонные свойства и может быть в перспективе весьма хорошо совместима с кремниевой промышленностью. На основе гетеросистемы SiGe в принципе возможна реализация фотодекторов, модуляторов и лазеров [17]. Кроме того, технология получения твердых растворов SiGe идеально совместима с монолитной кремниевой технологией. Основные свойства кремния и германия представлены в таблице 1.1 [18]. Германий известен как непрямозонный полупроводник с минимумом в L-долине, смещенной относительно максимума валентной зоны. Однако, как это наглядно видно из рисунка 1.1, прямозонная Г-долина всего на 136 мэВ выше L-минимума [19]. Г-прямозонная ширина запрещенной зоны равна 800 мэВ, что соответствует длине волны 1550 нм, являющейся оптимальной для передачи оптических сигналов по оптоволоконным линиям [20]. Эта особенность зонной структуры германия позволяет надеяться на создание устройств, обладающих повышенной чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне. Таблица 1.1 – Некоторые свойства кремния и германия при T = 300 K [18] Параметр Кремний Германий Атомный номер 14 32 Кристаллическая решетка Алмазоподобная Алмазоподобная Параметр решетки, A 5,431 5,657 Ширина запрещенной зоны, эВ 1,12 0,66 Подвижность электронов, см2/(В·с) 1500 3900 Подвижность дырок, см2/(В·с) 450 1900 Диэлектрическая проницаемость 11,9 16,0 Коэффициент отражения 3,44 3,97 Рисунок 1.1 – Зонная структура кристаллического германия [20] Создавая в кристаллической решетке германия упругие механические напряжения, можно положение минимума L-долины понизить, сделав этот полупроводник практически прямозонным [21]. На рисунке 1.2 показано направление смещения L-минимума в напряженной кристаллической решетке германия. Отметим, что упругие напряжения приводят к сдвигу обоих долин, но L-минимум смещается на большую величину. Рисунок 1.2 – Зонная структура упругонапряженного кристаллического германия [22] Упругие напряжения кристаллической решетки вызывают увеличение подвижности легких дырок, что также делает германий, находящийся в напряженном состоянии, более подходящим для создания устройств оптоэлектроники и фотоники. Модификация зонной структуры посредством упругих напряжений сказывается также на коэффициенте поглощения германия. Например, изменяя параметр кристаллической решетки германия на 0,2% коэффициент поглощения на длине волны 1550 нм возрастает в пять раз [22]. Легирование донорными примесями упругонапряженного слоя германия приводит насыщению L-долины электронами. Вероятность инжекции электронов в прямозонную Г-долину возрастает с повышением уровня легирования. Механизм инжекции электронов в Г-зону показан на рисунке 1.3. Электроны из Г-долины излучательно рекомбинируют с дырками со скоростью, большей примерно на четыре порядка скорости непрямозонной рекомбинации [23]. Рисунок 1.3 –Зонная структура упруго-растянутого кристаллического германия, легированного донорной примесью [23] Рассмотренные подходы к управлению зонной структурой германия (упругие напряжения и легирование) естественным образом реализуются в системе SiGe за счет рассогласования параметров кристаллических решеток этих материалов на 4,2%. Это несоответствие создает необходимый уровень напряжений, а дополнительное легирование позволяет создать ряд кремний- германиевые оптоэлектронные устройства. SiGe-фотодетекторы стали первой удачной реализацией монолитно- интегрированных оптоэлектронных устройств. Большинство фотодекторов выполнено по p-i-n архитектуре с нелегированным германиевым слоем, контактирующим с сильно легированной кремниевой подложкой. Улучшение характеристик p-i-n фотодиодов достигается оптимизацией распределения встроенного электрического потенциала в протяженной i-области, что приводит к увеличению коэффициента собирания носителей заряда и препятствуют рекомбинационным процессам на имеющихся в структуре дефектах всех типов [24]. В лабораторных условиях максимальная рабочая частота высокоскоростных германиевых фотодекторов такого типа достигла 49 ГГц при напряжении обратного смещения -2 В [25]. Помимо p-i-n- структур также удалось создать Ge-фотодиод на МОП-структуре, продемонстрировав монолитную интегрируемость с кремниевыми устройствами [26]. Управление прямозонным поглощением германия, как это уже реализовано для полупроводниковых материалов AIIIBV, достигается использованием электроадсорбционного эффекта, когда зонная структура модифицируется приложенным внешним электрическим полем. Электроадсорбционный эффект по-разному реализуется для толстых микрометровых и тонких нанометровых эпитаксиальных слоев. Для микрослоев управление зонной структурой производится на основе эффекта Франца-Келдыша [27]; для нанослоев – первостепенным становится квантово-размерный эффект Штарка [28]. В недавнем времени были получены экспериментальные образцы SiGe электроадсорбционных модуляторов, настроенных на длину волны 1550 нм [29]. Эти результаты показывают, что монолитно-интегрированные SiGe-структуры, работающие на эффекте Штарка, в скором времени станут высокоэффективными фотонными устройствами с перестраиваемой длиной волны. Как это уже отмечалось выше, совместное использование растягивающих упругих напряжений и донорное легирование (см. рисунок 1.3) является эффективным приемом перевода германия из непрямозонного в прямозонное состояние со значительно увеличенным коэффициентом поглощения. В таких структурах при комнатной температуре интенсивность прямозонного перехода, фиксируемая методами фотолюминесценции, была в сто раз выше, чем в кристаллическом германии. Данный факт указывает на возможность создания SiGe-лазера с электрической накачкой. Однако для практического изготовления такого устройства необходимо решить две проблемы: 1) необходимо обеспечить высокую концентрацию дырок в n-+Ge путем их электроинжекции с целью создания инверсиии заселенных уровней; 2) необходимо, чтобы зонная структура германия сохраняла прямозонный характер. Показано, что выполнение этих условий можно обеспечить, если использовать сильно легированную двойную гетероструктуру n+-Si(1020 см-2)/ n+-Ge (5·1019 см-2)/ p+-Si (5·1019 см-2) для которой инверсия населенности достигается при внешнем электронакачивающем напряжении 1,2 В. Германиевый слой является растянутым упругонапряженным. Электролюминесцентные исследования экспериментальных образцов такой SiGe-структуры выявили интенсивные пики на длинах волн 1530 и 1600 нм, регистрируемые уже при комнатной температуре. Длинноволновый пик 1600 нм, по-видимому, формируется излучательной рекомбинацией дырок, диффундировавших в верхний германиевый слой из нижнего дырочного кремниевого слоя. Таким образом, гетеросистема «кремний-германий» остается одним из наиболее исследуемых полупроводниковых материалов и обладает значительным прикладным потенциалом для создания высокоэффективных оптоэлектронных устройств. 1.1.2 Упругонапряженные слои Впервые, по-видимому, твердый раствор SiGe получили и частично исследовали Шт?р и Клемм в 1939 г. [30]. Систематические исследования этой системы проведены в 50-х годах прошлого века группой Джонсона, выявивших зависимость параметра кристаллической решетки и ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора SiGe [31]. Эта работа стимулировала исследование электронных [32] и оптических [33] свойств этой полупроводниковой гетеропары. Выращенные структуры содержали значительное число дефектов и не являлись эпитаксиальными. В 60-х годах появились публикации, в которых предпринимались попытки по выращиванию и исследованию тонких пленок SiGe на кремниевых подложках. В то время применялись два ростовых метода: жидкофазная эпитаксия [34] и термическое испарение [35]. Однако, эти исследования фокусировались не на анализе свойств выращенных тонкопленочных структур, а на отработке самих ростовых методов. Большой вклад в исследование гетеросистемы кремний-германий в середине 70-х годов сделала научная группа из Киевского института полупроводников под руководством Василевской В.Н. [36]. Однако, по-видимому, первой работой в которой были получены и исследованы как тонкие германиевые слои, так и формирование островков германия (квантовых точек в современном понимании) была статья Александрова Л.Н. с сотрудниками из Новосибирского института физики полупроводников, опубликованная в 1974 г. [37]. Методом ионного распыления были выращены и исследованы тонкие пленки германия с эффективной толщиной от 1 нм до 2,5 мкм. Кроме того, ими был отмечен и частично исследован эффект коалесценции островков, перерастающих при превышении толщины 100 нм в тонкий слой с большим числом дислокаций. В 1980 г. Дорфман В.Ф. из Московского института электронных управляющих машин предложил кинетическую модель роста тонких пленок германия, арсенида галлия и фосфида галлия и провел сравнение с доступными в то время экспериментальными результатами по гетероэпитаксии этих материалов [38]. Стенин С.И. с коллегами из Новосибирска в 1987 г. исследовали некоторые закономерности гетероэпитаксиального роста пленок германия на кремнии, а также трансформационные переходы от двумерного к трехмерному росту методом молекулярно-лучевой эпитаксии [39]. Дальнейшее развитие исследований эпитаксиального роста пленок SiGe проводилось с использованием метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Впервые было изучено влияние упругих напряжений на электрические и оптические свойства в зависимости от состава пленок SiGe [40]. Далее остановимся на результатах исследований пленок германия на поверхности кремния с кристаллографической ориентацией (001), полученных за последние пятнадцать лет. Отметим, что рост упругонапряженных пленок проводится по механизму Франка-ван-дер Мерве, а срелаксированных островков – по механизму Странского- Крастанова [41]. Закономерности и применение таких островковых структур будут подробно рассмотрены в следующем параграфе. Механизм, по которому проводится рост определяется энергетическим балансом соответствующих поверхностных энергий слоя, подложки и, в общем случае, наноостровков. В идеальном случае поверхность кремния с кристаллографической ориентацией (001) имеет атомарную поверхность, показанную на рисунке 1.4. Рисунок 1.4 – Изображение атомарной поверхности кремния с кристаллографической ориентацией (001) Ячейка с поверхностной реконструкцией (1 ? 1) является квадратной с параметром as = ab/v2 = 3,84 A. Расстояние между ближайшими кристаллографическими плоскостями равно d1 = ab/4 = 1,36 A. Каждый атом на поверхности связан только с двумя другими атомами, что делает такую атомарно гладкую поверхность нестабильной. Эти связи димеризуются, что приводит к созданию поверхности с реконструкцией (2 ? 1) + (1 ? 2). Кроме того, в некоторых случаях возможно формирование поверхности с реконструкциями p(2 ? 2) или c(4 ? 2) [42]. На практике поверхность кремния всегда немного разориентирована относительно идеальной плоскости (001). Такая поверхность называется вицинальной и состоит из террас и ступеней, как это видно из рисунка 1.5 Повышение температуры приводит к увеличению поверхностной плотности ступеней. Кроме того, угол разориентации приводит к формированию различной реконструкции поверхности. Рисунок 1.5 – Вицинальная грань с террасами и ступенями Длина террасы l, расположенной на вицинальной поверхности с углом разориентации ??, связана с высотой ступени a следующим соотношением: l = a/tg??. Для вицинальной поверхности Si(001) с углом разориентации менее 1,5° ступени имеют моноатомную структуру. При угле разориентации более 2° поверхность имеет моноатомную и диатомную структуру [43]. При углах более 6° поверхность представлена только димерными структурами с высотой ступеней d2 = ab/2 = 2,7 A [44]. Ниже рассматриваются результаты, касающиеся подложек кремния с малой разориентацией. Выращивание тонких слоев германия на кремнии подразумевает, что содержания германия должно быть весьма мало в твердом растворе Si1-xGex. Содержание германия в твердом растворе x < 0,2. Такие слои являются псевоморфными с тетрагональной дисторсией кристаллической решетки. Поперечная деформация слоя ???, осажденного на подложке Si(001), устанавливается соотношением [45]: ?? , (1.1) где m = (aSiGe-aSi)/aSi – рассогласование параметров решеток подложки и твердого раствора заданного состава, Сij – компоненты тензора упругих постоянных для твердого раствора Si1-xGex. Для тонких пленок в работе получена диаграмма для упругонапряженного, метастабильного и релаксированного состояний квазислоя Si1-xGex [46], показанная на рисунке 1.6. Релаксация напряжений в тонких слоях без образования наноостровков, как это показано в обзорной статье Болховитянова с коллегами [47] снимается через дислокации несоответствия. Рисунок 1.6 – Диаграмма состояний Si1-xGex на поверхности Si(001) [46] Релаксация напряжений квазислоя Si1-xGex на поверхности Si(001) может в общем случае происходить по четырем сценариям. Во-первых, послойный рост упругонапряженной пленки с возрастающей шероховатостью по мере роста толщины квазислоя. Во-вторых, зарождение пирамидальных hut-кластеров, не содержащих дислокации несоответствия. В-третьих, перерастание этих пирамидальных структур в куполообразные dome-структуры при росте толщины квазислоя. В-четвертых, образование релаксированного слоя за счет срастания dome-структур, содержащего большое число дислокаций несоответствия. В следующем параграфе остановимся подробнее на известных закономерностях формирования наноостровков германия на кремнии. 1.1.3 Квантовые точки Закономерности формирования и свойства квантовых точек германия на кремнии являются предметом интенсивных фундаментальных исследований последнего десятилетия. Это научное направление имеет также прикладное применение для создания устройств оптоэлектроники, использующих эффект размерного квантования [46]. Выращивание квантовых точек германия на кремнии происходит, в основном, в режиме Странского-Крастанова путем образования смачивающего слоя с последующим переходом к массиву квантовых точек [49]. Отметим, что этот эволюционный морфологический переход энергетически более выгоден, чем образование в увеличивающемся по толщине слое дислокаций несоответствия [50]. Как это отмечалось в предыдущем параграфе островковые наноструктуры германия на кремнии были получены группой Александрова Л.Н. методом ионного распыления в условиях высокого вакуума [37]. Также квантовые точки Ge на кремнии могут быть получены молекулярно-лучевой эпитаксией [51], газофазной эпитаксией [52], магнетронным распылением [53], ионно-лучевой кристаллизацией [54] и некоторыми другими ростовыми методами. Независимо от используемого ростового метода общие закономерности образования островковых наноструктур германия на поверхности кремния с кристаллографической ориентацией (100) по механизму Странского- Крастанова идентичны. Вначале формируется смачивающий слой, который по достижении определенной толщины трансформируется в массив квантовых точек. На рисунке 1.7,а приведено изображение квантовых точек, полученное на просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения группой исследователей под руководством проф. Барибью [55]. а) б) Рисунок 1.7 – Квантовые точки германия на поверхности кремния: а) ПЭМ-изображение [55]; б) hut- и dome квантовые точки [56] На рисунке 1.7,б приведена микрофотография квантовых точек германия. Видно, что массив квантовых точек отличается бимодольностью. Выделяют два типа квантовых точек hut-структуры и dome-структуры. Квантовые точки hut-типа имеют пирамидальную форму и получили свое название от одноименного английского слова, что в переводе означает хижина. Слово «dome» переводится как «куполообразный», что характеризует его форму. Hut-точки образованы четырьмя гранями {105}; dome-cтруктуры представлены уже 16 гранями: 4 грани {105}, 4 грани {113} и 8 граней {15 3 23} [57]. В совокупности многочисленных публикаций, посвященных исследованиям эволюционных переходов от смачивающего слоя к hut- точкам, а затем к dome-точкам, несомненно значительный вклад принадлежит исследователям из Новосибирского института физики полупроводников РАН. Обзорные статьи Двуреченского, Пчелякова [58] по 27 получению и изучению свойств квантовых точек германия на кремнии, Шкляева по исследованию роста плотных массивов германиевых точек на кремнии (111) и оксиде кремния [59] хотя и были написаны более десяти лет назад, но все же не потеряли к настоящему времени своей актуальности. Особый вклад в развитие представлений о кинетике роста Ge на Si(001) внес А.И. Никифоров, который впервые методами дифракции быстрых электронов и сканирующей электронной микроскопии исследовал [60] и построил кинетическую диаграмму трансформации указанных типов германиевых наноструктур, приведенную на рисунке 1.8 [61]. Рисунок 1.8 – Температурная кинетическая диаграмма трансформационных переходов в системе SiGe при молекулярно-лучевой эпитаксии [61] Значительный вклад в описание механизмов проводимости и поглощения оптического излучения квантовыми точками германия внес Якимов А.И., разработавший теорию прыжковой проводимости в таких наноструктурах [62] и предложивший эффективную архитектуру ИК- фотодекторов на квантовых точках [63]. Однако необходимо отметить, что несмотря на фундаментальное единство закономерностей формирования смачивающего слоя с последующей трансформацией в hut-точки и затем в dome-структуры каждый 28 технологический метод имеет свои характерные особенности. Краткому рассмотрению технологических особенностей наиболее часто используемых для получения полупроводниковых наноструктур (пленок и массивов квантовых точек) ростовых методов посвящен раздел 1.2. 1.2 Методы получения тонких пленок и наноструктур 1.2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия Рост тонких пленок и наноструктур в молекулярно-лучевой эпитаксии производится из атомарных пучков при их взаимодействии с поверхностью нагретой подложки [64]. Схематическое изображение основных технологических элементов установки молекулярно-лучевой эпитаксии показано на рисунке 1.9. Рисунок 1.9 – Схема процесса молекулярно-лучевой эпитаксии Управление ростовым процессом производится плотностью потоков пучков и температурой подложки. Особенностью процесса молекулярно- лучевой эпитаксии является низкая скорость осаждения вещества (порядка мкм/ч) и, как следствие, хорошая процезионность процесса. Прерывание подачи ростового вещества производится механическими заслонками, что делает процесс осаждения практически безинерционным. Сверхвысокий вакуум в рабочей камере поддерживается на уровне 10-8 Па. Это позволяет использовать метод дифракции быстрых электронов для контроля процесса роста наноструктур и пленок в режиме in-situ [65]. Использование молекулярно-лучевой эпитаксии позволило впервые контролируемо вырастить достаточно совершенные нанослои германия на кремнии [66]. Прецизионный контроль скорости осаждения позволяет методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивать массив квантовых точек, внедренный в матрицу кристаллического кремния [67]. Закономерности зарождения и эволюции квантовых точек Ge на Si(001) в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии впервые комплексно исследованы Иглэшем и Церулло, объяснившими трансформации растущих наноструктур с позиции релаксации механических напряжений [68]. Кроме того, наличие в установке молекулярно-лучевой эпитаксии большого числа эффузионных ячеек (источников ростового вещества) позволяет непосредственно в процессе роста проводить легирование слоя (квазислоя) требуемой концентрации и типа проводимости [69]. Отметим, что несмотря на весьма широкую изученность процессов кристаллизации германия на кремнии эта гетеропара остаются предметом фундаментальных исследований [70] и объектом создания современных устройств оптоэлектроники [71]. 1.2.2 Газофазная эпитаксия Вторым по уровню управляемости ростом наноструктур и первым по технологической распространенности является метод газофазного осаждения [72]. Схема рассматриваемого ростового процесса представлена на рисунке 1.10. Сущность процесса заключается в том, что газы прекурсоры подаются в ростовую камеру. Нагрев подложки производится резистивно или инфракрасным источником. Газообразные прекурсоры, достигая поверхности подложки, разлагаются на компоненты, одна из которых является искомым ростовым материалом для осаждения на подложке. Рисунок 1.10 – Схема процесса газофазной эпитаксии Технологическими параметрами процесса выступают: поток вводимого газов прекурсора, геометрия ростовой камеры, парциальное давление прекурсоров, давление в камере, температура подложки. Видно, что количество параметров процесса газофазной эпитаксии, которые необходимо контролировать, значительно больше, чем в методе молекулярно-лучевой эпитаксии. Это делает данный метод менее прецизионным, но вследствие большей технологичности газофазное осаждение получило более широкое распространение при промышленном производстве полупроводниковых приборов [73]. Рост германиевых наноструктур производится из GeH4 прекурсора в температурном интервале 300 – 500 ?С. Давление прекурсора может широко варьироваться от 10-5 до 105 Па. Формирование квантовых точек германия на кремнии, как и в случае молекулярно-лучевой эпитаксии, производится по механизму Странского-Крастанова. Комплексное исследование процесса образования смачивающего слоя, переходящего при толщине порядка 3,5 монослоев в массив квантовых точек, при газофазной эпитаксии и влияние последующего отжига на свойства квантовых точек впервые выполнили Камилис с сотрудниками [74]. Показано, что размеры, поверхностная плотность и состав квантовых точек, помимо температуры и давления прекурсора, критически зависят от условий подготовки поверхности и ее разориентации [75]. Закономерности трансформации квантовых точек из hut- в dome-тип для газофазного осаждения схожа с процессом молекулярно- лучевой эпитаксии. Поверхностная плотность массива квантовых точек зависит от температуры подложки. При низких температурах она выше, что объясняется низкой поверхностной диффузией адатомов германия [76]. Помимо осаждения германия на кремнии часто для гомоэпитаксии германия методом газофазной эпитаксии используют в качестве прекурсора изобутилгерман, позволяющий создавать электронно-дырочные Ge/Ge переходы [77]. Отметим шероховатость поверхности нанослоев германия, достигающая 3-5 нанометров, может быть снижена на 90% термическим отжигом [78]. 1.2.3 Зонная сублимационная перекристаллизация Использование испарения нагретых тел для создания паров атомов вещества с их последующей конденсацией на более холодной подложке лежит в основе группы методов получения пленок, называемых физическая конденсация в вакууме или конденсация из паровой фазы [79]. Возможно два основных варианта расположения источника и подложки. При значительном удалении источника от подложки получаем вариант классической молекулярно-лучевой эпитаксии. Напротив, при близком расположении источника и подложки получаем вариант, который получил название зонной сублимационной перекристаллизации [80]. Схема процесса зонной сублимационной перекристаллизации показана на рисунке 1.11. В этом методе ростовая ячейка представляет собой сэндвич из двух соосных плоскопараллельных пластин диаметра D, разделенных тонкой вакуумной зоной, наличием между ними некоторого перепада температур ?T = TA – TB > 0 и выполнением условий: , (1.2) , (1.3) где l – толщина вакуумной зоны, ?0 – длина свободного пробега молекулы в вакуумной зоне. Рисунок 1.11 – Схема процесса зонной сублимационной перекристаллизации Ростовая ячейка расположена в вакуумной камере с некоторым рабочим давлением остаточных газов P0. В общем случае P0 > P, где P – давление в ростовой ячейке. Если температуры обеих пластин сэндвича TA и TB достаточно высоки и одинаковы, то процесс зонной сублимационной перекристаллизации проявляется в сублимационном травлении внутренних поверхностей пластин. Если TA > TB , то с поверхности пластины A вещество сублимируется с большей скоростью, и происходит его перенос вдоль оси у к поверхности пластины В. Пластина А становится источником вещества, а пластина В – подложкой для слоя, кристаллизующегося из молекулярного потока. В стационарном режиме молекулярный поток ростового вещества в зоне между источником и подложкой сохраняется, и кристаллизация носит неконсервативный характер.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg