ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ПЛЕНОК СПЛАВА GEXSI1-X/SI(100) С РАЗЛИЧНОЙ ДОЛЕЙ ГЕРМАНИЯ

Лапин Вячеслав Анатольевич

аспирант, Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь

E-mail: 

Кулешов Дмитрий Сергеевич

аспирант, Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону

E-mail: 

В последние десятилетия физика полупроводников интенсивно развивается. С этой наукой связаны успехи в развитии микроэлектро­ники, оптики, приборостроения и других областей. Несмотря на боль­шой объем исследований в этой области, остается ряд нерешенных вопросов, в том числе и проблема согласования различных материалов при гетероэпитаксии.

Гетероструктуры SiGe/Si вызывают повышенный интерес благодаря как своим электрическим и оптоэлектрическим свойствам, так и их совместимостью с существующей кремниевой техноло­гией [4]. Особое внимание уделяют получению бездислокационных эпитаксиальных пленок германия на кремнии, которые также назы­вают искусственными подложками германия. Существующие SiGe подложки, выращенные на основе буферного слоя, имеют ряд недос­татков, таких как большие толщины буферных слоев, высокие значе­ния среднеквадратичной шероховатости слоев. Так, при толщине слоя 3—10 мкм типичная амплитуда рельефа может принимать значения 10—15 нм. За последние два десятилетия были предприняты много­численные попытки уменьшить толщину буферного слоя Ge_xSi_1-x, сох­ранив на приемлемом уровне или даже уменьшив плотность пронизы­вающих дислокаций [6].

Критическими параметрами эпитаксиальных пленок сплавов Ge_xSi_1-x при их применении в гетеропереходных устройствах являются напряженность, плотность дефектов, подвижность носителей, ширина запрещенной зоны. Существует зависимость этих параметров от соста­ва сплава Ge_xSi_1-x, толщины слоя и степени релаксации. Эти величины можно измерить количественно с помощью Рамановской спектро­скопии, быстрым и неразрушающим бесконтактным методом, который не требует предварительной подготовки образца и обеспечи­вает высо­кую глубину и пространственное разрешение. Этот метод предусмат­ривает определение состава сплава (x) и напряжение гетеро­слоя от x-зависимого сдвига частоты и интенсивности пиков, соот­ветствующих связям Ge-Ge, Si-Ge и Si-Si.

В данной работе методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на установке «ЦНА» были получены образцы структур Ge_xSi_1-x/Si(100). Предельное значение остаточных газов при росте составляло 3·10^-6 Па. Подготовка пластин кремния перед эпитаксии состояла из 2 этапов: 1) удаление оксидного слоя SiO₂ плавиковой кислотой HF с последую­щей промывкой в деионизованной воде; 2) отжиг в условиях сверх­высокого вакуума при температуре 850 ºС на протяжении 10 минут; 3) выход на заданную температуру роста в течение 10—15 минут.

Напыление слоя Ge_xSi_1-x происходило при суммарном потоке Ge и Si, соответствующем эффективной скорости роста ν=8 нм/мин. При этом эффективные скорости роста каждого компонента сплава рассчи­тывались таким образом: ν_Ge=ν∙x для германия и ν_Si=ν(1—x) для крем­ния. Температура подложки в процессе роста составляла 570 ºС. Были получены пленки сплавов состава Ge_0.4Si_0.6, Ge_0.55Si_0.45, Ge_0.7Si_0.3. Полученные образцы были исследованы с помощью метода Рама­новской спектроскопии. Целью данного исследования являлся анализ характерных для данных материалов спектров рамановского рассея­ния, выявление зависимостей положения пиков Ge-Ge и Si-Ge от мас­совой доли Ge (x) в сплаве.

Рис. 1 Спектры рамановского рассеяния образцов структур Ge_xSi_1-x/Si(100)

На рисунке 1 приведены спектры КРС для полученных образцов. Пик на частотах 291—298 см^-1 соответствует связи Ge-Ge. Он при­сутствует на спектрах всех образцов, указывая на наличие кристал­литов германия в объеме пленки. Пик, соответствующий связи Si-Si невыражен, не проявляется в спектре сплава Ge_0.7Si_0.3, а для сплавов Ge_0.4Si_0.6, Ge_0.55Si_0.45 лежит в диапазоне 467—480 см^-1. Также на всех трех спектрах присутствует пик в диапазоне частот 397—406 см^-1. Это говорит о наличии связи Si-Ge, при этом при увеличении массовой до­ли Ge в сплаве, пик смещается влево (рис. 1). На рисунке 2 приведены графики зависимостей положения пиков Ge-Ge и Si-Ge от массовой доли Ge (x) в сплаве.

а                                                                  б

Рис. 2 Графики зависимостей положения пиков Ge-Ge (а) и Si-Ge (б) от массовой доли Ge (x) в сплаве

При увеличении x пик Ge-Ge на спектре проявляется при боль­шей частоте, т. е. стремится к значению, соответствующему моно­кристаллическому германию (301 см^-1) [2]. Это говорит об увеличении степени релаксации в германиевых кристаллитах.

Пленки сплавов Ge_xSi_1-x были описаны в ряде докладов [3, 5, 7] и свойства гетероструктур Ge_xSi_1-x/Si широко исследованы. Однако, су­ществует необходимость в контроле приборных структур на основе та­ких материалов неразрушающим бесконтактным методом, каковым и является Рамановская спектроскопия. Данная работа была направлена на выявление общих закономерностей изменения спектров КРС в зависимости от состава пленок Ge_xSi_1-x/Si.

Создание искусственных подложек германия является актуаль­ной задачей современной полупроводниковой промышленности. В разных научных центрах продолжаются исследования германиевых структур, выращенных на кремниевых подложках, с целью приме­нения их в солнечных элементах и оптоэлектронных приборах.

Ключевой особенностью совмещения кремниевой и германиевой технологии является использование буферных слоев переменного состава Ge_xSi_1-x, позволяющих создавать на поверхности гетерострук­туры слои твердого раствора сплава германий-кремний с долей вплоть до х=1. При этом совершенные пленки Ge_xSi_1-x/Si с плотностью прони­зывающих дислокаций не более 10⁶ см^-2 можно вырастить до x≈0,15 [1]. Проблема пластической релаксации пленок с большей долей x по-прежнему актуальна и находится на стадии поиска новых методик.

Список литературы:

1. Искусственные подложки GeSi для гетероэпитаксии — достижения и проблемы / Ю. Б. Болховитянов, О. П. Пчеляков, Л. В. Соколов, С. И. Чи­кичев // ФТП. 2003. № 37. С. 513—538.
2. Alloy effects on the Raman spectra of Si1-xGex and calibration protocols for alloy compositions based on polarization measurements / S. Rath, M. L. Hsieh, P. Etchegoin, R. A. Stradling // Semicond. Sci. Technol. 2003. № 18. PP. 566—575.
3. Alonso, M. I., Winer K. Raman spectra of c-Si1-xGex alloys // Phys. Rev. B. 1989. № 39. PP. 10056—10062.
4. Electron transport properties of Si/SiGe heterostructures: measurements and device implications / K. Ismail, S. F. Nelson, J. O. Chu, B. S. Meyerson // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 63. PP. 660—662.
5. Lockwood, D. J., Baribeau J.-M. Strain-shift coefficients for phonons in Si1-xGex epilayers on silicon // Phys. Rev. B. 1992. № 45. PP. 8565—8571.
6. Low-temperature buffer layer for growth of a low-dislocation-density SiGe layer on Si by molecular-beam epitaxy / H. Chen, L. W. Guo, Q. Cui, Q. Hu, Q. Huang, J. M. Zhou // J. Appl. Phys. 1996. Vol. 79. № 2. С. 1167—1169.
7. Phonons in Ge1-xSix bulk crystals / M. Franz, K. F. Dombrowski, H. Ruecker, B. Dietrich, K. Pressel, A. Barz, U. Kerat, P. Dold, K. W. Benz // Phys. Rev. B. 1999. № 59. PP. 10614—10621.