МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 1, с. 35-41
= ЭПИТАКСИЯ
УДК 538.742
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
© 2004 г. А. А. Зайцев1, В. Г. Мокеров2, Э. М. Пашаев3, А. Г. Сутырин3, С. Н. Якунин3
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(Технический университет) 2Институт радиоэлектроники Российской АН 3Институт кристаллографии Российской АН E-mail: zaitsev@mirea.ru Поступила в редакцию 18.02.2003 г.
Методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии исследованы структурные особенности гетерокомпозиций на основе GaAs с различным числом слоев, содержащих квантовые точки InAs. Показано, что квантовые точки, сформированные путем самоорганизации имеют форму, близкую к пирамидальной. Осаждение первого слоя InAs толщиной 2.7 монослоя приводит к фасетированию его поверхности, а вертикально коррелированный рост и образование сверхструктуры наблюдается уже при наличии трех слоев с квантовыми точками. Показано, что данные рефлектометрии и дифрактометрии хорошо коррелируют между собой и комбинация различных методов диагностики позволяет получать вполне достоверные данные о структуре исследуемых образцов.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы наблюдается повышенный интерес к получению и исследованию полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками [см., например 1-4]. В первую очередь это связано с тем, что энергетический спектр электронов уже не содержит непрерывной компоненты, т.е. не состоит из подзон, а является дискретным. При этом степень дискретности спектра определяется размером, формой, однородностью и характером распределения квантовых точек, что вызывает необходимость их детального исследования. В связи с этим в последние годы выполнен ряд работ, посвященных исследованию структуры гетерокомпозиций с квантовыми точками методами рентгеновской диагностики [5-8].
В работе [9] методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии нами были исследованы модулировано легированные гетеро-структуры на основе ваЛв с различным числом слоев, содержащих квантовые точки 1пЛв. В частности, было показано, что уже при наличии трех слоев с квантовыми точками, образуются сверхрешетки двух типов: одна - состоящая из квантовых точек 1пЛв в матрице ваЛв, и вторая - из чередования тонких смачивающих слоев 1пЛв в ваЛв. Однако использование только дифракционных методов исследования не дает полной картины о структуре гетерокомпозиций. Остается открытым также вопрос об однозначности най-
денных при анализе экспериментальных данных решений [9].
Настоящая работа посвящена изучению особенностей формирования квантовых точек 1пЛв в сложных гетерокомпозициях с 1, 2 и 3 слоями с квантовыми точками. Проведен дополнительный анализ данных рентгеновской дифрактометрии гетероструктур, исследованных в [9], и выполнены исследования этих образцов методом рентгеновской рефлектометрии. Использование метода рентгеновской рефлектометрии в дополнение к дифрактометрии позволяет получить дополнительную информацию о характере слоев, лежащих вблизи поверхности, тогда как дифракционные методы исследования более чувствительны к слоям с квантовыми точками, лежащими в глубине гетероструктуры.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Объектами исследования служили сложные гетерокомпозиции на основе ваЛв (а, Ь и с), содержащие 1, 2 и 3 слоя квантовых точек 1пЛв (рис. 1). Эти гетерокомпозиции были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием эффекта самоорганизации квантовых точек и предназначались для создания высокоскоростных полевых транзисторов с квантовыми точками в области канала [10].
Рентгеновские исследования проводились на двухкристальном рентгеновском спектрометре с
35
3*
(а)
60 А ОаЛк
400 А Л10 ,Оа0 .Ля
_ 70 А Ald.2Gad.8As
ОаЛя 37 А
1мкм GaЛs буфер
Подложка GaЛs (001)
(Ь)
5-слой 81
1пЛя 8А
60 А GaЛs
400 А Л10 2Ga0 8Ля
GaЛs 37 А GaЛs 37 А
1мкм GaЛs буфер
Подложка GaЛs (001)
5-слой 81
1пЛя 8А 1пЛя 8А
(С)
60 А GaЛs
400 А Л^^о^Ля 70 А Л10 2Ga0 8Ля
GaЛs 37 А
GaЛs 37 А
GaЛs 37 А
1мкм GaЛs буфер
Подложка GaЛs (001)
5-слой 81
-1пЛя 8А -1пЛя 8А -ТпЛя 8А
70 А Л10 2Ga0 8Ля
Рис. 1. Схема гетерокомпозиций на основе GaЛs с одним (а), двумя (Ь) и тремя слоями квантовых точек 1пЛя.
использованием СиКа1 излучения. В качестве мо-нохроматора использовался совершенный кристалл Ge(400) при дифрактометрических исследованиях и монохроматор прорезного типа Ge(220) с трехкратным отражением - для рефлектомет-рии. Для разделения когерентной и диффузной составляющих рассеяния использовалась узкая приемная щель перед детектором. Точность измерений интенсивности рентгеновского излучения была не хуже 2%. Методики проведения рент-генодифракционных и рефлектометрических измерений подробно описаны в [11] и [12], соответственно.
Реальные параметры образцов получались решением обратных задач по восстановлению спектров рентгеновской дифрактометрии [13] и рефлек-тометрии [12]. В качестве оценочного параметра при итерационной процедуре использовался критерий х2 - среднеквадратичная разность экспериментальной и теоретически рассчитанной интенсивности рентгеновского отражения. Структура образца представлялась как система слоев с неизменными параметрами материала внутри каждого слоя.
Моделирование экспериментальных данных рентгеновской дифрактометрии проводилось по формулам динамической теории дифракции (Та-каги-Тапена) [14, 15], позволяя находить профиль изменения по глубине параметра кристаллической структуры. Искомыми параметрами являлись толщины отдельных слоев I, изменение параметра кристаллической решетки относительно подложки Да±/а, и статический фактор Дебая-Валлера, характеризующий степень несовершенства кристаллической структуры внутри каждого слоя. Более детальное описание состояния границ раздела между слоями возможно в рамках моделей переходных субслоев (ламилей).
Экспериментальные данные рентгеновской рефлектометрии моделировались по формулам Парратта [16], позволяя определять профиль изменения электронной плотности р/р0 по глубине образца. Искомыми параметрами являлись толщины отдельных слоев I, коэффициент преломления - Яе(х0) и коэффициент поглощения -
1ш(%0) (где х0 - Фурье компонента поляризуемости). Состояние интерфейсов характеризовалось толщиной переходного слоя 2а, обусловленного наличием шероховатостей или размытием меж-слойных границ. Как шероховатость, так и размытие границ, дают равнозначный вклад в уменьшение коэффициента зеркального отражения, а разделение влияния этих двух эффектов возможно лишь при анализе диффузной компоненты рассеяния рентгеновских лучей. Для более полного совпадения модельных кривых с экспериментальными данными учитывалось влияние диффузного рассеяния излучения на квантовых точках и шероховатостях, которое дает особенно заметный вклад при больших углах скольжения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Экспериментальные и теоретические кривые дифракционного и полного внешнего отражения представлены на рис. 2 и 3, соответственно. Период наблюдаемых осцилляций на них характеризует толщину всей эпитаксиальной структуры.
На начальном этапе подгонки данных рентгеновской дифрактометрии параметры каждого слоя задавались согласно условиям эпитаксиаль-ного роста (рис. 1). Подгонка искомых параметров производилась в два этапа. На первом этапе характер распределения 1пЛя в матрице GaЛs считался планарным и варьировались параметры вышележащих слоев. При этом удовлетворительной минимизации величины х2 удилось достичь только при учете наличия 5 - слоя 81. В связи с малым объемным содержанием 81 высокая чувствительность КДО к его наличию может быть связана с пространственным смещением атомов над ним и изменением фазы дифрагированной волны. На втором этапе учитывался островковый характер распределения 1пЛя и изменение его концентрации по толщине слоя. Поэтому при анализе ге-тероструктуры а слой, содержащий квантовые точки 1пЛя, разбивался на 4 подслоя InxGa1 - с различной концентрацией 1п по направлению роста. Содержание 1п в этих слоях связывалось с величиной Да/а для недеформированной элемен-
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР 37
Интенсивность, отн. ед. !
Рис. 2. Экспериментальные (штрихи с учетом статистических ошибок) и теоретически моделированные (линии) кривые дифракционного отражения (400) образцов a, b и с.
Интенсивность (отн. ед.)
(а)
1.2 6, град
Рис. 3. Кривые рентгеновской рефлектометрии экспериментальные (штрихи с учетом статистических ошибок) и теоретически моделированные (линии) для образцов a, b и с.
тарной ячейки, значение которой определялось из Аа±/а в предположении, что деформация носит упругий характер (Аац /а = 0). Подгонка теоретической КДО в конечном результате дала толщину слоя, содержащего квантовые точки ~43 А.
Как видно из профиля распределения Aa/a (рис. 4) в слое с квантовыми точками наблюдается убывание концентрации In по направлению роста, а верхние 17 А этого слоя содержат незначительное (~2%) количество InAs в матрице GaAs. При этом
а
2
0
-21-
Рис. 4. Профили распределения относительного изменения параметра кристаллической решетки Да/а по результатам дифрактометрии (верхние кривые) и изменения относительной плотности р/ро по результатам рефлектометрии для образцов а, Ь и с.
эффективная толщина слоя квантовых точек в пересчете на чистый 1пА8, составила ~10.8 А.
Для восстановления профилей электронной плотности в качестве стартовой модели также использовались параметры, заложенные в технологию роста. При этом два спейсер-слоя А102Оа08А8 и 8-слой кремния рассматривались как единый слой в предположении, что наличие тонкого слоя
не сказывается на плотности значительно более толстого слоя А102Оа08А8. Кроме того, слои, содержащие квантовые точки, моделировались как сочетание двух отдельных слоев с плотностями 1пА8 и ваА8, а непланарность этого слоя, вызванная наличием квантовых точек, описывалась среднеквадратичной шероховатостью а. На первом этапе подгонки варьировались только толщины всех слоев, а их плотности задавались табличными значениями. Так к
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.