ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, M 9, с. 62-70
УДК 538.975:538.911:519.245
МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ С ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ Ge-Si
© 2011 г. А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц
Институт физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН, Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 16.03.2011 г.
Методом моделирования Монте-Карло исследован процесс формирования гетероструктур Si—Ge на основе нитевидных нанокристаллов (ННК), выращенных по механизму пар_жидкость_кри-сталл. Найдено, что при росте аксиальных гетеропереходов (ГП) невозможно получить атомарно гладкую гетерограницу Si—Ge, что связано с постепенным изменением состава капли катализатора при переключении потоков. Исследована зависимость состава переходного слоя GexSii _x от соотношения потоков и длительностей осаждения германия и кремния. Найдено, что ширина аксиальных гетеропереходов Si—Ge зависит от диаметра ННК. В адсорбционном режиме роста она линейно зависит от диаметра, а в диффузионном ширина ГП убывает с увеличением диаметра. Это означает, что при уменьшении толщины нановискера резкие гетеропереходы в системе Ge—Si можно получить только в методе CVD, когда несущественна диффузионная составляющая роста.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к кремниевым и германий-кремниевым нитевидным нанокристаллам (ННК), или нановис-керам, обусловлен их возможным применением в современных нано- и оптоэлектронных приборах. Перспективным является использование ННК Ge и Si в качестве химических и биологических сенсоров, туннельных диодов, элементов памяти, одноэлек-тонных транзисторов [1—5]. Одним из этапов создания электронных приборов на основе ННК является формирование p—«-переходов и гетеропереходов (ГП) [6]. В нанопроволоках Si—Ge можно создавать аксиальные и радиальные переходы [7—11]. На германиевых вискерах, покрытых кремниевой оболочкой, создаются вертикальные транзисторы с более высокой подвижностью [12], а вискеры с аксиальной гетероструктурой Si—Ge пригодны для создания туннельных приборов и сверхрешеток [13]. Формирование аксиальных гетеропереходов в ННК не требует дополнительных технологических операций в отличие от планарных структур, так как гетеропереходы формируются непосредственно в процессе роста. Важно, что гетероструктуры Si—Ge совместимы с традиционной кремниевой технологией.
Несмотря на то что полупроводниковые ННК растят, привлекая различные методики, наиболее распространенным способом получения нановиске-ров остается рост из каталитических капель-затравок с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD — chemical vapor deposition) и молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [14—15], причем катализатором роста чаще всего служит золото. Использование золота обусловлено его способностью образовывать эвтектические расплавы с низкой температурой плавления. Температуры эвтектики
систем Si—Au и Ge—Au приблизительно одинаковы и составляют 363 и 361°C соответственно. Однако процентный состав сплавов в точке эвтектики несколько отличается: доля кремния составляет 18.6 ат. %, а доля германия — 28.0 ат. % [16]. Состав бинарного расплава зависит как от размеров капли, так и от формы растущего кристалла [17—19].
При формировании ГП Si—Ge в процессе роста производится смена осаждаемого материала. Важными параметрами ГП является их резкость и состав. Экспериментально получаемые аксиальные гетеропереходы Si—Ge не являются атомарно узкими [7, 9, 13]. Исследованию параметров ГП Ge—Si, выращенного по механизму пар—жидкость—кристалл (ПЖК), посвящена теоретическая работа [20]. Оказалось, что размытость перехода связана с принципиальными ограничениями механизма роста ПЖК. Поэтому в недавней работе [21] по росту вис-керов Si с переходами Si—Ge предлагалось в качестве катализатора использовать сплав AlAu с более высокой температурой эвтектики Al—Au—Si, приводящий к другому механизму роста — механизму пар-кристалл—кристалл, что позволило получить более резкие аксиальные ГП Si—Ge. Параметры ГП в ННК, полученных традиционным методом по механизму ПЖК, во многом определяются составом капли катализатора. Однако экспериментально сложно проследить за составом капли во время роста, поэтому для выяснения кинетики роста и состава как капли, так и гетероперехода, целесообразно использовать моделирование. Моделирование методом Монте-Карло (МК) дает информацию не только о кинетике ростового процесса, но и позволяет учесть пространственно-временные флуктуации, часто существенные для кинетики рассматриваемого процесса и морфологии растущего кри-
сталла. В настоящей работе исследовалась зависимость резкости гетеропереходов от диаметра НВ, интенсивности потока, растворимости полупроводникового материала в капле катализатора и длительности включения германиевого источника.
МОДЕЛЬ МОНТЕ-КАРЛО
Моделирование роста ННК осуществлялось с помощью вычислительного комплекса 81181т3В, разработанного для исследования атомарных процессов, происходящих в трехмерном поверхностном слое на кристаллической подложке с алмазопо-добной структурой при росте и отжиге тонких слоев различного химического состава [22]. Ранее нами была реализована МК-модель роста однокомпо-нентных нановискеров [23]. В качестве исходного модельного слоя рассматривалась подложка с ориентацией (111), активированная каплей катализатора. Модельная подложка представляла собой полубесконечный кристалл в направлении Z, а для направлений X, ^выполнялись циклические граничные условия. Рост ННК осуществлялся за счет поступления в систему полупроводникового материала. Частицы внешнего потока осаждались в атомарном или молекулярном виде либо перпендикулярно подложке, либо под случайными углами. Вещество попадало на каплю-катализатор непосредственно из потока и за счет диффузионного сбора с подложки. Рост ННК осуществлялся за счет: (1) растворения полупроводникового материала в капле с последующей кристаллизацией на границе раздела капля—вискер (классический механизм ПЖК); (2) встраивания атомов вдоль тройной линии ПЖК. Возможными элементарными событиями модельной системы являлись акты адсорбции, десорбции, диффузии, химической реакции. При МК-моделировании вероятность любого события экспоненциально зависит от его энергии активации.
Схема модельной системы приведена на рис. 1. Вещество в атомарном либо молекулярном виде осаждалось на подложку. На поверхности из молекул прекурсора выделяются атомы полупроводникового материала, которые растворяются в капле. Основные стадии процесса роста ННК по механизму ПЖК: растворение кремния в капле золота с образованием раствора 81—Аи, диффузия 81 в капле и кристаллизация на границе раздела капля—подложка, были реализованы с помощью реакций вида А + В —- С + Э. Энергия активации химической реакции Ег зависела от окружения реагентов [24]. Схема процесса выглядела следующим образом: атомы кремния 81(8) (из поверхностного слоя подложки или поступающие из потока) растворялись в капле золота: 81(8) + Аи —»- 81(11я) + + Аи (Ег = 2.55 эВ), где 81(8) и 81(11я) — кремний в твердой и жидкой фазах соответственно. Рассмотрена необратимая диссоциация молекул прекурсора, аналогично экспериментальной работе [25].
2
/Щ
г
1 1
81(111)
Рис. 1. Схема модельной системы. Цифрами обозначены процессы: 1 — поток транспортных молекул; 2 — каталитическая и 3 — некаталитическая диссоциация транспортных молекул с выделением полупроводникового материала и удалением побочных продуктов реакции; 4 — диффузия по поверхности подложки; 5 — растворение полупроводникового материала 81(8) в капле; 6 — обменная диффузия растворенного материала 81(11ц) в капле; 7 — кристаллизация 81(11ц); 8 — встраивание атомов вдоль периметра границы раздела капля—вискер. Серым цветом обозначен 81(8), белым — капля катализатора, черным — 81(11ц). Заштрихованные кружки — побочные продукты реакции диссоциации прекурсора.
Это означает, что атомы полупроводникового вещества не могут перейти обратно в газовую фазу. Диффузия кремния в капле имитировалась с помощью реакции 81(11я) + Аи —81(11я) + Аи (Ег = = 3.6 эВ). Кристаллизация кремния 81(11я) происходила только при контакте с кристаллической фазой кремния: 81(11я) + 81(8) —► 81(8) + 81(8) (Ег= = 2.5 эВ). Аналогичным образом процесс ПЖК был организован и для германия. При одновременном осаждении 81 и Ое процесс кристаллизации полупроводникового материала мог происходить при контакте с кристаллическими фазами обоих полупроводников: 81(11я) + Ое(8) —»- 81(8) + Ое(8) и Ое(11я) + 81(8) — Ое(8) + 81(8), где Ое(8) и Ое(11я) -германий в твердой и жидкой фазах соответственно.
При формировании эвтектического расплава решающую роль играют процессы, протекающие на границе раздела жидкость-кристалл: растворение и кристаллизация. В равновесии скорости этих процессов равны = ^сг. Из этого условия можно найти равновесную концентрацию 81(11я) в растворе
^1-Аи: Сэдвд =
= ^(ЫмЛ^Осг ' еХР [(- Есг)/кТ\ ' САи,
S
и
25
20
(a)
15 700
30 г
25
H
cd
20
15
750
800
850
T, K (б)
15 0.01
30
0.04
0.08 F, МС/с
(в)
0.12
d, нм
10
Рис. 2. Зависимость равновесной (1) (¥ = 0 МС/с) и неравновесной (2) (¥ = 0.05 МС/с) концентрации кремния С81(11д) в капле: а — от температуры (й = 6 нм); б — от интенсивности внешнего потока (Т = 800 К, й = 6 нм); в — от диаметра капли (Т = 800 К, ¥ = 0.05 МС/с).
где K0dissol и K0cr — предэкспоненциальные множители констант скорости растворения и кристаллизации, а Edissol и Ecr — энергии активации этих процессов. В соответствии с фазовой диаграммой для бинарной системы Si—Au концентрация CSi(liq) должна возрастать с температурой [26], следовательно, должно выполняться соотношение Edissol > Ecr.
При выборе значений энергетических параметров модели учитывалось, что энергии взаимо-
действия полупроводника и катализатора (EAu-Si, EAu-Ge) должны быть меньше, чем энергии взаимодействия ESi-Si, EGe-Ge и EAu-Au для обеспечения условия слабого смачивания между Si-Au и Ge— Au. Для взаимодействий Si-Ge были выбраны соотношения: EGe-Ge < ESi-Si < ESi-Ge на основании литературных данных. Принятые
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.