Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Зарождение островков Ge на структурированных подложках Si План: - Формирование пространственно-упорядоченных массивов. - презентация

1 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Зарождение островков Ge на структурированных подложках Si План: - Формирование пространственно-упорядоченных массивов КТ на структурированных подложках - Метод молекулярной динамики - Потенциал Терсоффа - Потенциальный рельеф на структурированных подложках Si(001) и Si(111) - Сравнение с экспериментальными результатами - Энергия различных морфологий Ge в ямках - Заключение и выводы Павел Новиков, Ж. Смагина, Д. Власов, А. Двуреченский, Д. Насимов, А. Дерябин и А. Кожухов Институт физики полупроводников, СО РАН, Новосибирск

2 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Формирование пространственно-упорядоченных массивов КТ на структурированных подложках G. Bauer and F. Schäffler, Phys. Stat. Sol. 203 (2006) Электронная литография + реактивное ионное травление - Химическая очистка + водородная защита - Осаждение буферного слоя Si - Осаждение Ge

3 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Проблемы Нет упорядочения для ямок размером меньше 60 нм Механизм атомной диффузии в ямках Механизм зарождения 3D-островков Ge Потенциальный рельеф структурированной поверхности ? Метод молекулярной динамики позволяет изучать элементаные процессы на атомарных масштабах

4 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Понятие о методе молекулярной динамики Изучаемый объект – ансамбль частиц (атомов), взаимодействие между которыми описывается эмпирическим потенциалом Решается уравнение движения Решение содержит полную информацию об энергии каждого атома Типичные параметры: N~ , t~ пс

5 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Потенциал Терсоффа Особенность потенциала Терсоффа: притяжение убывает с увеличением числа насыщенных связей

6 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Схема расчета потенциального рельефа z y x z* Пробный атом Ge Поверхность моделируемой структуры - В область вблизи поверхности вносится пробный атом - Для пробного атома имеется только одна степень свободы по z - Запускается процесс релаксации системы, в ходе которого пробный атом находит равновесное положение z* - U(z*) принимается за поверхностную энергию в текущей точке (x,y) - Потенциальный рельеф получается сканированием по области x-y

7 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Изучаемая поверхность Ge Si Ge/Si(100)-(2×1) Ямка в форме перевернутой пирамиды с боковыми гранями, ориентированными по (111) 5.43 нм

8 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Изучаемая поверхность Ge Si Ge/Si(100)-(2×1) Ямка в форме перевернутой пирамиды с боковыми гранями, ориентированными по (111) Внутри прямоугольного контура рассчитывается потенциальный рельеф 5.43 нм

9 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Потенциальный рельеф структурированной поверхности Ge/Si(001)-(2×1) Дно ямки E~1эВ Край ямки E~0.9эВ

10 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Сравнение с экспериментом Z. Zhong et al. APL 87 (2005) Период 500 нм Si(100) T buf =530 °C Осаждено 3 МС Ge 5 МС Ge D. Grützmacher et al. Surf. Sci. 601 (2007) 2787 Период 280 нм Si(100) T buf =300 °C Осаждено 7 МС Ge

11 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Экспериментальный рост островков Ge на подложках с мелкими ямками Размер ямок 50 нм Si(001) Si(111) водородная защита буферный слой Si Осаждено 7 МС Ge T= °C Si(001): островки Ge на краях ямок, Si(111): островки Ge внутри ямок. Почему?

12 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Изучаемая поверхность Ge (адатомы) Ge (rest-атомы) Ge (второй слой) Si Si/Ge (111)-(5x5) 10 нм 5.8 нм

13 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Изучаемая поверхность Si/Ge (111)-(5x5) Ямка: перевернутая пирамида с боковыми гранями, ориентированными по (111) Ge (адатомы) Ge (rest-атомы) Ge (второй слой) Si 5.8 нм 10 нм

14 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Изучаемая поверхность Si/Ge (111)-(5x5) Ямка: перевернутая пирамида с боковыми гранями, ориентированными по (111) Ge (адатомы) Ge (rest-атомы) Ge (второй слой) Si 5.8 нм 10 нм

15 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Потенциальный рельеф на структурированной поверхности Ge/Si(111)-5×5 Барьер на краю ямки ниже, чем на плоской поверхности

16 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 О методологии исследования зарождения 3D- островков с помощью метода МД

17 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 О методологии исследования зарождения 3D- островков с помощью метода МД Что произойдет, если осадить атом Ge в положение минимума?

18 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 О методологии исследования зарождения 3D- островков с помощью метода МД Минимум исчезает! Описание в терминах элементарных процессов недостаточно. Необходим другой подход.

19 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Расчет энергии различных морфологий Ge в ямках N Ge =0 E ref – энергия структуры с незаполненной ямкой E Ge – энергия структуры с N Ge атомами Ge внутри ямки N 2D N 3D N Ge = N 3D N Ge = N 2D

20 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Критический размер 3D-островка Ge в ямке Объем Ge (нм 3 ) W (эВ/атом) 3D 2D Крит. зародыш 3D-островка Ge: объем ~180нм 3, латеральный размер ~18нм 8000нм 3 60нм Si 0.5 Ge 0.5

21 Кремний 2010 Н-Новгород, Июль 7-9 Заключение и выводы - Рассчитан потенциальный рельеф структурированных поверхностей Ge/Si(100)-2×1 and Ge/Si(111)-5×5 - Ямки на Ge/Si(100)-2×1 создают барьер, блокирующий транспорт атомов Ge по диффузионным каналам - В случае Ge/Si(111)-5×5 барьер на краю ямки ниже, чем на плоской поверхности - Определен критический размер 3D-островка Ge в ямке. Размер ямки нм оценивается как нижний теоретический предел для формирования пространственно-упорядоченных массивов КТ Ge