ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 8, с. 58-64
УДК 541.123:546.21
АНАЛИЗ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ В ГЕТЕРОГРАНИЦЕ Ge/Si(111)
© 2014 г. А. С. Ильин*, Е. М. Труханов, С. А. Тийс, А. К. Гутаковский
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, 630090Новосибирск, Россия
*E-mail: ias@isp.nsc.ru Поступила в редакцию 21.11.2013 г.
В работе показано, что при уровне пластической релаксации р = 0.72 трехмерных островков Ge(111), выращенных на смачивающем слое, в гетерогранице Ge/Si(111) возникает модифицированный вариант треугольной сетки частичных краевых дислокаций несоответствия Шокли. Сетка формируется в результате смещения одного дислокационного семейства на 40% междислокационного расстояния. Использованы экспериментальные методы сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, а также теоретический расчет полей напряжений, возникающих в объеме пленки в результате введения дислокаций несоответствия. Определен диапазон толщин пленки Ge, приемлемый для СТМ-наблюдения упругой модуляции поверхности, вызванной сеткой дислокаций несоответствия.
DOI: 10.7868/S0207352814050060
ВВЕДЕНИЕ
Рост эпитаксиальных 3Э-островков на подложке 81(111) происходит на поверхности смачивающего слоя Ое. В равновесных условиях смачивающий слой формируется в результате срастания 2Э-островков германия толщиной в три бислоя [1—4]. Укажем, что эпитаксия Ое (также как и эпитаксия 81) в случае ориентации (111) происходит бислоями (БС), а в случае ориентации (001) — монослоями (МС). Из-за отличия поверхностной плотности атомов граней (111) и (100) один БС111 содержит 1.44 х 1015 ат./см2, что составляет 2.3МС100. В неравновесных условиях, когда скорость эпитаксиального роста приближается к используемой в технологии, толщина смачивающего слоя может быть меньше трех БС [5]. На поверхности разрастающихся 2Э-островов, как правило, присутствует сверхструктурная фаза 7 х 7. При срастании островков имеет место фазовый переход 7 х 7 ^ 5 х 5, в результате которого в несколько раз увеличивается коэффициент поверхностной диффузии адатомов Ое [6, 7]. Поэтому плотность 3Э-зародышей на порядок ниже плотности 2Э-зародышей [5, 8]. Морфология развивающегося ЗЭ-зародыша определяется не только взаимодействием с поступающими адато-мами. На нее дополнительно влияет как деформационное состояние островка, так и перемещение атомов внутри смачивающего слоя под островком [9]. На стадии зарождения ЗЭ-островок формируется островершинным, однако при дальнейшем развитии у него возникает горизонтальная верхняя площадка (111), содержащая поверхностную фазу
2 х 8 и родственные ей фазы 2 х 2 и 2 х V 3 [8, 10]. В наших работах [5, 10] набор этих трех фаз обозначен 2 х [8; 2; ^3 ]. По мере латерального разрастания ЗЭ-островка и увеличения площади верхней площадки уровень напряжений в приповерхностном слое Ое возрастает, и происходит фазовый переход 2 х [8; 2; ^3 ] ^ 7 х 7 [8, 10]. На одном из этих этапов в границу раздела вводится сетка дислокаций несоответствия (ДН), обеспечивающая снятие напряжений несоответствия. Отметим, что протекание обсуждаемых фазовых переходов 7 х 7 ^ 5 х 5 и 2 х [8; 2; ^3 ] ^ 7 х 7 на поверхности Ое в значительной мере обусловлено проявлением напряжений несоответствия в приповерхностном слое пленки, уровень которых определяется "рыхлостью" сверхструктурной фазы. Аналогичное явление зарегистрировано для переходов на поверхности эпитаксиальной пленки Со812, выращенной на 81 [11]. Уровень "рыхлости" поверхностной фазы вносит свой вклад в формирование структуры смачивающего слоя в случае эпитак-сии Ое на подложках 81 различных ориентаций. Если для Ое(111) толщина смачивающего слоя составляет 3БС111 (0.98 нм), то для 0е(001) эта толщина около 3МС100 (0.43 нм) [5], а дальнейшая эволюция как сверхструктурных фаз, так и морфологии пленки происходит с учетом образования хат-кластеров [12] и их последующих трансформаций. Сетка ДН, которая вводится в границу раздела Ое-81(111), формирует неоднородное вертикальное поле смещений [8, 10, 13, 14]. Введение ДН в островковые и сплошные пленки происходит в рамках различных модельных представле-
Рис. 1. Конфигурации дислокационных сеток с частичными ДН и дефектами упаковки, которые обозначены серым цветом: а — сетка частичных 30°-ДН и 90°-ДН; б и в — два варианта сетки частичных 90°-ДН, отличающиеся величиной смещения 5 одного из дислокационных семейств; в случае (б) 5 = 0 и в случае (в) 5 = 0.5.0.
ний [8, 10, 15], однако тип винтовой дислокационной составляющей всегда играет принципиальную роль при генерации ДН [16]. В результате упругой деформации решетки Ge на поверхности фазы 7 х 7 возникают "холмики", окруженные "размытыми канавками". Полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) картины вертикальных упругих модуляций содержат упоря-доченно распределенные круглые белые пятна, которые разделены темными участками неоднородного контраста, характеризующими пониженный уровень поверхности верхнего атомного слоя Ge.
Обсуждается много вариантов дислокационных сеток, возникающих в границе раздела гетеро-системы Ge/Si(111). В предлагаемой работе ограничимся дислокациями, скользящими в плоскостях, параллельных границе раздела. Все такие дислокации несоответствия имеют вектор Бюргер-са, параллельный границе раздела (111). Как обсуждалось в [8], эффективность снятия несоответствия гораздо хуже у ДН, скользящих в плоскостях типа {111}, наклоненных к границе раздела под углом 70.5°, по сравнению с простейшим вариантом ДН, скользящих параллельно границе раздела. По данным авторов [17], именно такая сетка полных 60-градусных дислокаций несоответствия (60°-ДН), скользящих параллельно границе раздела, была зарегистрирована в гетеросистеме Ge/Si(111), подвергнутой уровню пластической релаксации р = 1, когда все напряжения несоответствия полностью сняты. Отметим, что в процессе релаксации значение р изменяется от 0 до 1.
Полным 60°-ДН энергетически выгодно расщепиться на две частичные дислокации Шокли, одна из которых является 30°-ДН, а вторая является 90°-ДН, т.е. чисто краевой дислокацией. Образование такой дислокационной границы раздела Ge/Si(111) (рис. 1а) обсуждается в [18]. Укажем, что если в дислокационной сетке, содержащей 30°- и 90°-ДН Шокли, все 30°-ДН взаимно аннигилируют, то эффективность снятия напряжений несоответствия, приходящаяся на единицу длины ДН, повышается. В результате возникает дислока-
ционная сетка (рис. 1б), которая была экспериментально зарегистрирована в [19]. Отметим, что на рис. 1а и рис. 1б треугольники, закрашенные серым цветом, являются дефектами упаковки. Их относительная доля площади на указанных рисунках составляет У. Обе сетки содержат тройные дислокационные узлы. Если одно из дислокационных семейств (рис. 1б) сместить на величину 5 = 0.50, то возникнет сетка с двойными дислокационными узлами [13], показанная на рис. 1в. Через О обозначено междислокационное расстояние. В результате такого смещения суммарная площадь дефектов упаковки составит не половину, а лишь % часть общей площади. В виде, представленном на рис. 1в, сетка краевых дислокаций несоответствия Шокли экспериментально не зарегистрирована. По данным авторов [14] величина смещения 5 составляет не 0.50, а 0.30. Природу этого явления обсудим в настоящей работе, однако, предварительно рассмотрим связь между структурными параметрами Ь и/ в случае границы раздела (111). Здесь Ь — проекция краевой составляющей вектора Бюргерса на границе раздела, а / — значение параметра несоответствия гетеросистемы. Еще в первых работах Мэтьюза [20], выполненных для границы раздела (001), было принято, что при р = 1 имеет место зависимость
О = Ь//. (1)
В теории дислокации несоответствия до появления наших работ [21, 22] по умолчанию считалось, что эта формула справедлива и для других ориента-ций границы раздела. Так, в работах [17, 18, 23] ее использовали для анализа дислокационной структуры, возникающей в границе раздела (111).
В нашей работе [22] для треугольных сеток дислокаций показано, что расстояние О при р = 1 определяется выражением
О = (3/2)Ь//. (2)
В указанной работе продемонстрировано, что использование выражения (2) для определения предельного расстояния между ДН может кардиналь-
(а)
Z, нм
(б)
10 15 20 25 30 X, нм
Рис. 2. СТМ-изображение поверхностной модуляции островка Ое высотой 3.5 нм (а) и профиль поверхностного рельефа (б) вдоль черной линии, показанной на рисунке (а).
но изменить интерпретацию зарегистрированных дислокационных сеток. Залегающие в границе раздела (111) треугольные сетки ДН в [17] идентифицируются как полные 60-градусные дислокации, а в [18] — как чередующиеся частичные 90-градусные и 30-градусные дислокации Шокли. Учет формулы (2), выполненный в [22], показал, что наблюдаемая авторами [17, 18] дислокационная сетка состоит только из частичных 90-градусных дислокаций Шокли.
Целью настоящей работы является анализ вероятности возникновения дислокационных сеток (рис. 1). Он выполнен с учетом экспериментальных данных просвечивающей электронной спектроскопии (СТМ), высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), выражения (2), а также теоретических расчетов упругих деформационных полей напряжений, возникающих в объеме пленки Ое в результате введения дислокаций несоответствия.
Рис. 3. Островок высотой Н = 9.5 нм, на поверхности которого присутствует фаза 7 х 7. Упругая модуляция не наблюдается.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Формирование островков проводили при температуре 400°С в квазиравновесных условиях роста со скоростью осаждения Ое 0.001—0.01 БС в минуту. Обсуждаемая во введении модуляционная картина белых пятен, которые разделены темными участками неоднородного контраста, показана на рис. 2а. Как по данным авторов [14, 24, 25], так и по нашим данным [8, 10], причиной модуляции является сетка ДН, расположенная в границе раздела.
Важной особенностью структурного состояния пленки является наличие модуляционных пятен лишь на небольшом количестве экспериментальных островко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.