Образовательный семинар аспирантов и студентов

1. Образовательный семинар аспирантов и студентов Юрасов Д.В. Проблема легирования донорными примесями Si и SiGe гетероструктур

2. I. Berberzier et.al.,Journal of Applied Physics, 107 034309 (2010) SiGe MODFET транзисторы с n-каналом

3. Термоэмиссионный ток туннельный ток eV EC металл п/п x0 eV - высота исходного барьера М-П х0 - глубина залегания-слоя 50 мм Детекторы миллиметрового диапазона длин волн на основе низкобарьерных диодов Шоттки r47 r44 f =94 ГГц f3db =8 ГГц Ra800  Модифицирование барьера Шоттки осуществляется посредством введения на туннельно-прозрачном расстоянии х0 от интерфейса металл-полупроводник (M-S) сильнолегированного 2D- или 3D-слоя, который существенным образом меняет картину прохождения носителей через потенциальный барьер и приводит к изменению эффективной высоты барьера.

4. Активная область структуры для каскадной схемы для источников излучения ТГц Si0.88Ge0.12(10нм) δ-Sb Si (7нм) дельта- легирование 50-100 периодов Si0.88Ge0.12(10нм) δ-Sb Si (7нм) сжат Si0.88Ge0.12(10нм) δ-Sb растянут Si (7нм) Si0.93Ge0.07 “искусственная подложка” a ≠ asi т т т т т т т т т т т т т т т т Si (001)

5. δ-Sb реальный профиль расплывается N Sb, см-3 Глубина, нм Проблема легирования Процессы, влияющие на распределение примеси: 1. Диффузия 2. Десорбция 3. Сегрегация

6. P. Kringhøj, A. Nylandsted Larsen and S. Shiryaev, Phys.Rev.Lett., 76 18 (1996) Диффузия Sb в Si и SiGe структурах вметоде МПЭ Процесс диффузии Sb в Si T=550С , D=10-22ст2/s l = 2нм => t = 108c Процесс диффузии Sb в SiGe зависит от условий роста (упругие напряжения) - релакс. Si - напряж. Si - релакс. SiGe - напряж. SiGe

7. NSb < 0.5 монослоя NSb > 0.5 монослоя R. Metzger and F. Allen, Surface Science, 137 397 (1984) Десорбция Sb с поверхности Si 1 пик, соответствующий разрыву связи Si-Sb ~ 36 мин при 700°С ~ 2.3×106c при 550°С появление 2-гопика, соответствующего разрыву связи Sb-Sb ~ 2.1×10-5c при 700°С Спектры термодесорбции Sb с поверхности Si ~ 25 минпри 550°С

8. 1-й слой Si 2-й слой Si -слой Sb -слой Sb T=405°C T=365°C Si Sb - профиль ВИМС - расчет Сегрегационное размытие профиля концентрации Пик “расплывается” больше, чем на 100 нм !

9. Энергия атомов примеси в Si матрице Y.Shiraki, A. Sakai, Surface Science Reports, 59 153 (2005) Sb и Ga энергетически выгодно сегрегировать на поверхность, а B – встраиваться в объем Si матрицы

10. 100 kinetically- limited regime equilibrium regime 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 300 400 500 600 700 800 Температура, °С H.Jorke, Surface Science., 193 569 (1988) Температурная зависимость сегрегации Sb в матрице Si Коэффициент сегрегации

11. Si Sb P1 F2 P2 Ea1 F1 Ea2 Edesorb Ea1 Ea2 bulk surface Обменная модель сегрегации (1) Вероятности обмена: условия сохранения :

12. Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение обменной модели с экспериментом - Jorke - Hobart et.al. - Blacksberg et.al. - Jiang et.al. Коэффициент сегрегации Температура, °С Полного подавления сегрегации при низких температурах нет !

13. J.Nutzel and G.Abstreiter, Phys. Rev. B, 53 13551 (1996) Низкотемпературная сегрегация Sb: модель поверхностной диффузии Ls - длина сегрегации R – скорость роста, R0=1Å/c, Δ0и Es–подгоночные параметры, определяемые из эксперимента для конкретных примесей

14. Низкотемпературная сегрегация Sb: расхождение с экспериментом в области высоких температур - Jorke - Hobart et.al. - Blacksberg et.al. - Jiang et.al. - Nutzel-Abstreiter Коэффициент сегрегации Температура, °С

15. Объединенная модель сегрегации : террасы + ступени step terrace Моделируются обмены в областях (S E и T P) c разнымичисленными значениями параметров. Нет детализации механизмов обмена. C.Arnold and M.Aziz, Phys. Rev. B, 72 195419 (2005)

16. - Jorke - Arnold-Aziz - Nutzel-Abstreiter - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Our experiment Коэффициент сегрегации Температура, °С Зависимость коэффициента сегрегации от температуры

17. Методы подавления сегрегации Sb : Ионное легирование примесь ионизуется … …ускоряется электрическим полем… + Sb + + Si легированный слой …и вбивается вглубь образца Недостаток метода : дефектность слоев

18. Методы подавления сегрегации Sb : Осаждение аморфного слоя с последуюшей рекристаллизацией Температура Дальнейший рост Заращивание аморфным слоем при очень низких Т осаждение Sb Отжиг при высоких Т Рекристаллизация аморфного слоя время аморф.Si аморф.Si Si Si Si Si Si В рекристаллизованном слое остаются дефекты !

19. P.Thompson et.al., Thin Solid Films, 321 120 (1998) Методы подавления сегрегации Sb : пассивация поверхности Si Для подавления сегрегации Sb при росте легированных Si:Sb слоев подается атомарный H подача атомарного H Si:Sb Si Недостатки : • При толщине Si:Sb слоя > 20 нм образуется много дефектов. • Неполная электрическая активация Sb в таких слоях. • Технологическая сложность метода.

20. - Jorke - Arnold-Aziz - Nutzel-Abstreiter - Hobart et.al. - Jiang et.al. - Our experiment Коэффициент сегрегации Температура, °С Используемый нами метод изготовления Si:Sb структур r ~ 106 различие более чем на 4 порядка в диапазоне 300≤Tр≤550°С ! r ~ 102 Для создания: 1) Высоколегированных слоев - используются низкие Т роста 2) Резкого изменения профиля концентрации – варьирование Т роста в диапазоне 300÷550°С 3) Нелегированных слоев – рост при высоких Т (т.е. при максимальной сегрегации)

21. - ВИМС - Холл Поток Sb, см-2с-1 Температура источника Sb, °C Контроль за количеством атомов Sb на поверхности (калибровка потока атомов Sb, F (TSb))

22. Структуры с постоянным уровнем легирования 3 2 1 2 3 1 Концентрация Sb, см-3 - профиль ВИМС предел чувствит. ВИМС - расчет Глубина, нм Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок - Si:Sb, Tр=350°C - Si, Tр=550°C - Si:Sb, Tр=325°C дополнительное осаждение δ-слоя Sb измерения ВИМС – к.ф.-м.н. Дроздов М.Н.

23. δ-Sb слои Концентрация Sb, см-3 Глубина, нм Резкость профиля ~ 2-3 нм/порядок, FWHM ~ 3-4 нм Структуры с -слоями Sb в Si δ-Sb слои: Тр=365°С нелегиров. Si слои: Тр=550°С

24. эксперим. профиль “эталонный” δ-слой Концентрация Sb, норм. ед. Позиция пика, нм -слой Sb в Si : предел разрешения ВИМС “Эталонный” слой – δ-Sb слой, зарощенный аморфным Si при Т<100°С, сегрегации нет

25. A.Portavoce et.al., Phys. Rev. B, 69 155414 (2004) Сегрегация в гетероструктурах SiGe Объединенное действие 2-х факторов: 1) непосредственное наличие атомов Ge 2) упругие напряжения в SiGe слое Qsegr Qinc В сжатых Si1-xGex слоях с ростом XGeсегрегация Sb усиливается

26. Сегрегация в гетероструктурах SiGe strainedSi0.85Ge0.15 relaxed Si0.85Ge0.15 T=200°C relaxed strained Разделение влияния составаи упругих напряжений

27. Sb Si0.85Ge0.15 Si слой Si слой Si(001) Si0.95Ge0.05 Sb Si слой Si слой Si(001) Концентрация Sb, см-3 Концентрация Sb, см-3 Глубина, нм Глубина, нм Сегрегация в гетероструктурах SiGe Tр=410°C Tр=410°C Si1-xGex (x=5%)r= 4500 Si1-xGex (x=15%)r=11000 Si r = 500 Si r = 500

28. Спасибо за внимание !

29. K.D. Hobart et.al., Surface Science, 334 29 (1995) Определение коэффициента сегрегации из профиля ВИМС x = x0