ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 1, с. 118-120
УДК 621315592 :54628
ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Si/Si1 _ xGex:Er/Si(100), ВЫРАЩЕННЫЕ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИИ КРЕМНИЯ В СРЕДЕ ГЕРМАНА
© 2007 г. С. П. Светлов1, В. Ю. Чалков1, В. Г. Шенгуров1, В. Н. Шабанов1, С. А. Денисов1, 3. Ф. Красильник2, Л. В. Красильникова2, М. В. Степихова2, Д. В. Шенгуров2,
Ю. Н. Дроздов2
E-mail: svetlov@phys.unn.ru
Высококачественные эпитаксиальные слои Si1 _ xGex:Er были выращены на подложках Si(100) при относительно низкой температуре 500°C методом сублимации кремния в среде GeH4. С помощью методов C-V-измерений, рентгеновской дифракции и МСВИ установлено, что разброс толщины осажденного слоя на центральной части подложки размером 40 х 10 мм составлял 5%. На этой же площади достигалась высокая однородность легирования слоев.
ВВЕДЕНИЕ
Поиск путей реализации лазерных структур на основе кремния, базового материала современной микроэлектроники, большинство исследователей связывают с разработкой структур, легированных редкоземельной примесью эрбия. Наибольший интерес, с точки зрения создания эффективных волноводов, представляют гетероструктуры Si/Si1 _хСех с легированными слоями твердого раствора.
Ранее [1, 2] нами сообщалось об успешном использовании комбинированного метода выращивания гетероструктур Si/Si1 _ хСех:Ег^(100), в котором основной компонент твердого раствора поступал на подложку в виде атомарного потока из сублимирующего источника, а второй компонент (Се) - за счет пиролиза его гидрида, введенного в камеру роста. Легирование слоев эрбием осуществляли испарением этой примеси из сублимирующего кремниевого источника. Источник вырезали в виде прямоугольного бруска из монокристалла кремния, специально легированного эрбием в процессе выращивания.
Несмотря на то что к настоящему времени уже разработаны физические основы выращивания гетероструктур Si1 - хСех:Ег^(100) с помощью сублимации кремниевого источника в среде германа, многие вопросы, связанные с влиянием конкретных условий роста слоев на осносительно большой площади подложки с однородным легированием на электрические и структурные свойства слоев, были изучены недостаточно. Это затрудняет котролиру-емое управление структурными, электрическими и оптическими параметрами слоев в процессе их роста и выявление оптимальных режимов роста гетероструктур на достаточно большой площади.
1 Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета.
2 Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород.
Цель данной работы - исследование распределения толщины слоев, их состава, структурного совершенства и распределения концентрации легирующей примеси по площади подложки и влияния условий роста на эти параметры.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Слои Si/Si1 - ^Се^Ег толщиной 0.1-2.3 мкм выращивали при температуре Т3 = 500°С методом сублимации кремния в среде германа. Рост гетероструктур проводили на установке, разработанной и изготовленной в НИФТИ ННГУ [3]. Откачку ростовой камеры осуществляли диффузионным и двумя геттерно-ионными насосами ГИН-0.5.
В качествсе подложек использованы пластины монокристаллического кремния п- и /»-типа проводимости с ориентацией (100). Пластины имели размер 75 х 10 х 0.5 мм и нагревались пропусканием тока. Атомарный поток кремния создавали сублимацией монокристалла этого элемента. Источники вырезали из слитков кремния в виде брусков размером 80 х 7 х 1 мм, располагали в камере параллельно подложке и нагревали до температуры 1325-1380°С также пропусканием тока. При напуске германа в камеру до давления 10-6-4 • 10-4 Торр контролируемо варьировали содержание Се в слоях от 0 до ~30%. Предэпитаксиальный отжиг подложек проводили при Т3 = 1250°С в течение 10 мин. Скорость роста слоев кремния составляла 1.5 А • с-1, а слоев Si1 - хСех - 0.3 А • с-1.
Выращенные структуры были исследованы методами металлографии, рентгеновской дифракции (РД), рентгеновской топографии (РТ), масс-спек-трометрии вторичных ионов (МСВИ), а также методом С-К-профилометрии.
ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ 31/31х _ ,Сех:Ег^(100)
119
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С целью выявления минимального разброса толщины слоев по площади подложки при приемлемой скорости роста слоев их наращивание проводили из источников, находящихся на разных расстояниях от подложки. Установлено, что разброс толщины слоев ~5% на центральной части подложки размером 40 х 10 мм достигался при расстоянии между источником и подложкой, равном 20 мм.
Методом рентгеновской дифракции были исследованы содержание Ge в слоях Si1 _и распределение его концентрации по длине подложки. Установлено, что на указанной выше площади центральной части подложки содержание Ge сохраняется постоянным в пределах ошибки его определения. Концентрация Ge в слоях Si1 _¿Зех остается практически неизменной и для широкого интервала толщин ае = 0.07-2.3 мкм.
Предэпитаксиальный высокотемпературный отжиг, с одной стороны, позволяет достаточно качественно провести очистку поверхности подложек из кремния от углерода и кислорода, но, с другой - может привести к возникновению термических напряжений, вызванных различием температуры центральной и периферийной частей подложки в момент нагрева или охлаждения [4].
Нами были исследованы условия возникновения термомеханических напряжений в подложке в процессе предэпитаксиального высокотемпературного (1250°С) отжига подложки и влияние их на генерацию дефектов в подложке и в эпитаксиаль-ном слое. Методом рентгеновской топографии выявили, что периферийная часть пластины, нагретая до высокой температуры со скоростью ~200°С/мин, занята линиями скольжения (рис. 1). Это могло быть связано с возникновением градиента температуры вдоль подложки при нагреве ее пропусканием тока.
Изменение температуры в центре и на конце подложки показало, что она различается приблизительно на 100°С. Возникновение градиента температуры в подложке при нагреве ее пропусканием тока связано с тем, что при закреплении концов подложки на охлаждаемых водой токовводах последние действуют как стоки тепла. В результате концы подложки охлаждаются быстрее и возникают сжимающие напряжения.Оценка их величины по формуле [4]:
а = аЕАТ,
где а - коэффициент теплового расширения, Е -модуль Юнга, показывает, что при АТ = 100 К значение а = 80 МПа. Этого достаточно для протекания пластической деформации.
Наиболее вероятные источники генерации дефектов в подложке при ее высокотемпературном
Край подложки
Середина подложки
Рис. 1. Рентгеновская топограмма половины кремниевой подоложки после высокотемпературного отжига. Контраст обратный (х2).
отжиге - это нарушения, имеющиеся на кромках пластины. Линии скольжения, генерируемые в подложке в процессе ее отжига, по-видимому, являются и источниками дефектов в эпитаксиальном слое, например дефектов упаковки. Плотность линий скольжения удавалось значительно снизить при использовании мягких режимов термообработки. В частности, когда температуру подложки изменяли медленно (~50°С/мин), то площадь слоя, занятая линиями скольжения, значительно уменьшалась. Плотность дефектов упаковки в таких слоях составляла = 0-102 см2.
При этпитаксиальном наращивании структур для приборных применений важно воспроизведение заданного профиля распределения концентрации легирующей примеси по площади подложки. Для этой цели выращивали кремниевую структуру р+-п+-п-п+-типа. На рис. 2 приведены измеренные методом С-К-профилометрии в разных точках структуры профили концентрации электронов в переходной области между слоями п+- и п-типа.
М, см-3 3 ■ 1017
2 ■ 1017 1017
*
■Л г
4 8 8 8 '8 36 мм
10
16
2 ■ 1015
0.1 0.2 0.3 0.4 Расстояние от р+- и+-перехода, мкм
Рис. 2. Профили концентрации электронов в структуре р+-п+-п-п+-типа в различных точках ее поверхности.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 1 2007
120
СВЕТЛОВ и др.
N см-3 Si
1023^-
Si1 _ л.Geл.: Ег| I Буферный слой
1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016
Л
Si — и
-А- О
Ge о Si
— Ge
\ Ег
чд
1
\Ег 1
П о
д
л о
ж к а
10
15
0
500
1000 1500
1, нм
2000
2500
Рис. 3. Концентрационные МСВИ-профили легирующих примесей и основных элементов в гетерострукту-рах _ ^¿Ег^ЦДО).
Видно, что на расстоянии I = 24 мм от центра подложки они воспроизводятся достаточно хорошо.
Для анализа процесса встраивания атомов Ег в слои твердого раствора Si1 _ с помощью метода МСВИ исследовали профили распределения атомов этой примеси и основных компонентов. На рис. 3 приведен профиль МСВИ структуры Si/Si1 _ : ЕгЩ100). Эту гетероструктуру выращивали следующим образом. Вначале на подложку осаждали буферный слой нелегированного кремния. Затем при Т8 = 500°С и давлении GeH4, равном 4 • 10-4 Торр, выращивали слой Si1 _ _^ех:Ег. Затем вновь растили покрывающий слой кремния. Из рис. 3 видно, что концентрация Ge и Ег достаточно резко изменяется на границе слоев Si1 _ ^ех:Ег и Si и равномерно распределена по толщине слоя твердого раствора. Другими словами, эти данные свидетельствуют о том, что в процессе сублимации кремния в среде GeH4 при температуре роста Т8 = 500°С сегрегация Ge сводится к минимуму. Этому способствует, вероятно, непрерывное покрытие поверхности роста
атомами водорода, которые образуются при диссоциации GeH4. Поверхностный водород может влиять на кинетику сегрегации Ge в процессе роста гетероструктур Si/Si1 _ xGex, подавляя в результате поверхностную сегрегацию. Адсорбированный на поверхности слоя водород выступает в этом случае в роли сурфактанта [5].
В выращенных гетероструктурах, охлажденных до гелиевых температур, впервые был надежно зарегистрирован переход в состояние инверсной населенности оптически активных центров иона эрбия (Ег3+) в условиях оптической накачки [1].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные в работе исследования позволили выяснить оптимальные режимы роста гетероструктур Si/Si1 _ xGex:Eг/Si(100) с однородным распределением толщины слоев, концентрации легирующей примеси и высоким структурным совершенством на достаточно большой площади подложки, что должно способствовать созданию оптических приборов с большой пло
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.