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Sb und Bi als Surfactants auf Si(001) und in der Ge-Heteroepitaxie auf Si(111)

Hild, Rüdiger

Zusammenfassung Sb und Bi auf Si(001): Um die größere Beweglichkeit der Defektelektronen in Ge bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ausnutzen zu können, sind glatte Ge-Filme auf Si von großem Interesse. Hierbei spielt Sb als Adsorbat eine besondere Rolle, da es als Surfactant wirkt und auf Si(111) ermöglicht, glatte Ge-Filme zu erzeugen. Auf der technologisch relevanteren Si(001)-Fläche glatte Ge-Schichten zu erzeugen, ist mit Sb als Surfactant bislang nicht möglich. Dies ist bereits durch die Morphologie der Si(001)-Fläche nach Sb-Adsorption bedingt. Die hier vorgestellten Untersuchungen mittels STM und hochauflösender Elektronenbeugunng (SPA-LEED) zeigen, daß die Oberfläche bei Adsorption von 1 ML Sb im Temperaturbereich von 400°C bis 850°C massiv aufrauht. Eine maximale Rauhigkeit wird im Bereich von 700°C bis 800°C beobachtet. Zu höheren Temperaturen wird die Rauhigkeit langwelliger; bei Temperaturen oberhalb 800°C glättet sich die Fläche wieder. Ursächlicher Mechanismus für das Aufrauhen ist eine ‚displacive adsorption’, bei der adsorbierende Sb-Atome Si-Atome aus der Oberfläche verdrängen, wie es bereits für As beobachtet wurde. Für den Temperaturbereich bis 730°C liegen zusätzlich Stress-Messungen für die Sb-Adsorption im Monolagen-bereich vor. Auch für die Adsorption einer ML Bi auf Si(001) im Temperaturbereich von 400°C bis 650°C wird ein Auf-rauhen der Ausgangsfläche gefunden. Die Rauhigkeit ist kleiner als im Falle des Sb und zeigt ein Maximum bei Temperaturen von 500°C. Auch hier ist der Mechanismus eine displasive Adsorption der Bi-Atome. Für niedrige Temperaturen wird eine ‚missing row’-Struktur, bei höheren eine (m x n)-Überstruktur beobachtet. Eine Besonderheit stellt die Bi-Adsorption bei 650°C dar: In diesem Fall findet man das selbstorganisierte Wachstum sehr langer Bi-Nanodrähte mit einer Breite von zwei bzw. drei Dimerreihen und Längen bis über 2000 Å, die in jüngster Vergangenheit reges Interesse hervorgerufen haben. Noch höhrere Adsorptions-temperaturen sind aufgrund der dann dominierenden Bi-Desorption nicht möglich. Sb und Bi als Surfactants für Ge/Si(111): Mit Sb als Surfactant wächst Ge auf Si(111) zunächst einige Lagen pseudomorph verspannt auf. Danach bilden sich Inseln in der mikrorauhen Phase, bevor die Verspannung durch die Bildung von Versetzungen relaxiert wird und sich die Schicht wieder glättet. Anhand der STM-Daten und durch eine zunehmende Periode der LEED-Wachstumsoszillationen wird gezeigt, daß diese Glättung durch lagenweises Wachstum auf den Mikrofacetten der Inseln geschieht und nicht durch lagenweises Auffüllen der Zwischenräume. Für Ge-Schichten auf Si(111) mit Bi als Surfactant wird ein vollständig anderer Wachstumsmodus gefunden. In diesem Fall bildet sich keine mikrorauhe Phase, sondern es sind in den STM-Messungen bereits ab dem dritten BL Ge Versetzungslinien zu finden, die die Verspannung relaxieren, so daß im Vergleich zu Sb deutlich glattere Ge-Schichten bei geringeren Schichtdicken und zudem niedrigeren Temperaturen erzeugt werden können. Nach dem Wachstum bei 510°C annealte Schichten weisen eine deutliche höhere Ordnung des Versetzungsnetzwerkes auf als Schichten, die direkt bei dieser Temperatur gewachsen wurden. Die Ordnung des Versetzungsnetzwerkes ist mit Bi deutlich ausgeprägter als mit Sb. Anhand der statistischen Auswertung der bevorzugten Adsorptionsplätze von Ge-Adatomen auf der mit Sb als Surfactant gewachsenen Ge-Schicht ergibt sich aus den Besetzungszahlen eine energetische Bevorzugung von 145 meV für Bereiche, die möglichst weit von Versetzungslinien entfernt sind. Verwendet man per Surfactant-modifizierter Epitaxie gewachsene Ge-Schichten als Template für eine weitere Bi-Adsorption bei Raumtemperatur, so findet man Bi-Inseln mit bevorzugten Höhen von 2, 4 und 8 BL, die jedoch keine einheitliche Größe haben und auch nicht streng periodisch durch das Versetzungs-netzwerk induziert nukleieren. Die laterale Modulation der Gitterkonstanten der Ge-Schicht durch das Versetzungsnetzwerk ist sowohl für Bi als auch für Sb als Surfactant in den STM-Bildern sichtbar, aber nicht quantitativ auswertbar.

Abstract Sb and Bi on Si(001) To benefit from the higher defect-electron mobility in Ge for the manufacturing of semiconductor devices smooth Ge films on Si are in the focus of interest. In this relation Sb as adsorbate plays an extraordinary role because it acts as a surfactant and enables to grow smooth Ge layers on Si(111). For the technologically more relevant Si(001) orientation however, this is with Sb as surfactant not possible. The reason for this is already the morphology of the Si(001) surface after Sb adsorption. In this work investigations with STM and high resolution low energy electron diffraction (SPA-LEED) are presented showing that this surface becomes extremely rough after adsorption of 1 ML Sb at temperatures between 400°C and 850°C. A maximum in roughness can be found in the range from 700°C to 800°C. Thereby the roughness appears on a larger scale with increasing temperature; above 800°C the surface is smoothing again. Causal mechanism for the roughening is a ‚displacive adsorption’ where adsorbing Sb atoms are displacing Si atoms in the surface as it has already been observed for As. For the temperature range up to 730°C additional stress measurements of the Sb adsorption in the monolayer range are presented. Also for the adsorption of 1 ML Bi on Si(001) there is a roughening of the surface observed in the temperature range between 400°C and 650°C. The roughness measured is smaller than in the case of Sb and shows a maximum at temperatures around 500°C. Also in this case the mechanism is a displasive adsorption of the Bi atoms. At lower adsorption temperatures a ‚missing row’ structure is found, while at higher ones a (m x n) superstructure is observed. An exception is the Bi adsorption at 650°C: In this case a self-organised growth of very long Bi nanolines arises. These nanolines, which have excited some interest in recent years, show a width of two respective three dimer rows and extensions up to more than 2000 Å. Even higher adsorption temperatures are not possible because Bi desorption becomes dominating. Sb and Bi as surfactants for Ge/Si(111) With Sb as surfactant Ge starts growing on Si(111) with some pseudomorphic distorted layers. Subsequently micro pyramids are formed in the so called ‚microrough phase’ before thin-film stress can be released by the formation of dislocations allowing the film to smooth again. By means of STM data and increasing periods of LEED growth-oscillations it is shown, that this smoothing takes place by layer growth onto the micro-facets of the pyramids and not by filling up the spaces between them in a layer-by-layer fashion. For Ge films on Si(111) grown with Bi as surfactant a completely different growth mode is found. In this case there is no microrough phase, but in the STM measurements stress relaxing dislocation lines are observed already in the third BL Ge. Therefore it is possible to grow significantly smoother Ge films at smaller thicknesses and also at lower temperatures compared to Sb using Bi. At 510°C annealed films exhibit a higher regularity of the dislocation network compared to films grown directly at this temperature. The ordering of the dislocation network is significantly higher with Bi than with Sb. By means of statistical evaluation of preferred adsorption sites of Ge adatoms on the Ge film grown with Sb as surfactant it is possible to calculate the difference in adsorption energy from the observed occupation ratio. An energetical advantage of 145 meV is found for areas most distant from the dislocation lines. Using Ge films, grown by surfactant modified epitaxy, as template for further Bi adsorption at room temperature results in Bi islands with favoured heights of 2, 4 and 8 BL. However, these islands do not have a uniform size and also do not nucleate periodically aligned at the dislocation network. The lateral modulation of the lattice constant in the Ge film caused by the dislocation network can be visualised in the STM images for Bi as well as for Sb but a quantitative evaluation is not feasible.

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Hild, Rüdiger: Sb und Bi als Surfactants auf Si(001) und in der Ge-Heteroepitaxie auf Si(111). 2007.

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