автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Туннельная атомно-силовая микроскопия твердотельных наноструктур

На правах рукописи

Филатов Дмитрий Олегович

ТУННЕЛЬНАЯ АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 4 м'пп 2013

00553-п*«

Нижний Новгород - 2013

005531128

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"

Титков Александр Николаевич, д.ф.-м.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, рук. Лаборатории физики поверхности

Бахтизин Рауф Загидович, д.ф.-м.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет», зав. Кафедрой физической электроники и нанофизики

Сатанин Аркадий Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", проф. Кафедры теоретической физики

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук (Нижний Новгород)

Защита состоится 13 ноября 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д212.166.01 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" по адресу: Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23 корп. 3, ауд. 221. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Автореферат разослан «_ ___ 2013

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Марычев Михаил Олегович

Актуальность темы диссертации.

Развитие технологии формирования твердотельных наноструктур (НС) и исследования их свойств в течение последних 30 лет являлись одними из основных направлений физики конденсированного состояния [1]. Такие НС составляют основу новых твердотельных электронных и оптоэлектронных устройств для систем оптоволоконной связи, нано-электроники, телекоммуникаций и пр.

Технологии создания твердотельных НС, развиваемые в настоящий момент, основаны на двух различных подходах к формированию структуры нанометровых масштабов в однородном исходном материале: нанолитографии и использовании процессов самоформирования. Среди разнообразных НС, получаемых методом самоформирования, особое внимание привлекают полупроводниковые гетероструктуры (ГС) с нанообъектами, обладающими уникальными, отличными от трёхмерного (ЗО) материала свойствами, в частности, размерно-квантованным энергетическим спектром. С освоением технологии самоформирования в процессе гетероэпитаксии сильно решёточно рассогласованных полупроводников связан прорыв в технологии синтеза полупроводниковых квантовых точек (КТ) в начале 1990-х гг. [2].

Фундаментальной задачей физики и технологии НС, получаемых методом самоформирования, является установление связи условий роста, морфологии и свойств НС. Знание этой связи служит основой для разработки технологий синтеза НС с необходимыми для практического применения свойствами. В настоящей работе проводились исследования по трём направлениям, объединённым общей направленностью на решение сформулированной выше фундаментальной задачи применительно к НС трёх нижеперечисленных типов:

1. Нанокластеры (НК) Аи в сверхтонких (2-^5 нм) плёнках БЮг/Б^ сформированные методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Исследования металлических НК (МНК), как осаждённых на различные подложки [3], так и диспергированных в диэлектрических матрицах [4] в последние годы вызывают значительный интерес. Свойства систем МНК существенно отличны от свойств ЗБ металлов и определяются фундаментальными физическими эффектами: изменение зонной структуры металла с уменьшением размеров НК [5], одноэлектронные [6] и квантово-размерные [7] эффекты и др. В последние годы интерес к НК, встроенным в сверхтонкие диэлектрические плёнки, связан с перспективами создания на их базе устройств энергонезависимой памяти [8].

2. Самоформирующиеся КТ и квантовые кольца 1п(Са)А5/ СаА5(001), полученные методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. Хотя к настоящему времени КТ 1пА5/ОаАз(001) наиболее изучены, многие их фундаментальные свойства остаются не выясненными, в частности, вопрос о точном определении энергетического спектра и пространственной конфигурации огибающих волновых функций размерно-квантованных состояний. В большинстве работ исследовались КТ, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В настоящей работе исследовались КТ, выращенные методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. Благодаря своей простоте и связанным с этим экономическим достоинствам, особенно ценным при массовом производстве, дальнейшее развитие этого метода, для чего необходимы исследования связи условий роста, морфологии, электронной структуры и свойств КТ, полученных с его помощью, являются актуальными.

3. Самоформирующиеся островки Б^-хОе^/З^ОМ). Актуальность этого направления связана с развитием кремниевой оптоэлектро-ники [9], основной проблемой которой является создание светоизлуча-ющих приборов на базе 81, чему препятствует его непрямозонность. Как один из путей решения этой проблемы, рассматривалось использование самоформирующихся наноостровков 811_хСех/81(001) в качестве активной среды приборов, излучающих в коммуникативном диапазоне длин волн 1,3 -г-1,6 Цм [10]. В последнее время усилился интерес к фотоэлектрическим свойствам ГС 81Се/81(001) связанный с расширением рабочего спектрального диапазона фотоприемников на базе в инфракрасную (ИК) область.

В большинстве опубликованных работ исследовались наноост-ровки 8Юе/81(001), выращенные методом МЛЭ. В настоящей работе исследовались островки 51Се/81(001), полученные гибридным методом, в котором слои выращиваются методом сублимационной МЛЭ (СМЛЭ), а для осаждения ве в ростовую камеру напускается веН), который разлагался на поверхности нагретой подожки, как в методе газофазной эпитаксии (ГФЭ). Если закономерности роста наноостровков 8Юе/81(001) в процессе МЛЭ хорошо изучены [11], то ГС с островками 81Се/81(001), выращенными методом СМЛЭ-ГФЭ до настоящей работы не изучались, что и обусловило её актуальность.

Исследования по вышеуказанным направлениям включали в качестве неотъемлемой части исследования морфологии, электронных и др. свойств наноструктур методами сканирующей зондовой микроско-

пии (СЗМ). Отличительной особенностью и, вместе с тем, немаловажным достоинством СЗМ является то, что наряду с информацией о наноструктуре поверхности, различные методы СЗМ позволяют получать широкий спектр информации о различных физических, химических и др. свойствах материала с нанометровым пространственным разрешением [12]. Поэтому развитие методов СЗМ применительно к различным твердотельным наноструктурам, чему, в значительной степени, посвящена данная работа, имеет несомненное научное и практическое значение.

Основным методом исследования в настоящей работе была туннельная атмно-силовая микроскопия (АСМ) в сверхвысоком вакууме (СВВ). Данный метод предназначен для исследования морфологии и электронных свойств твердотельных НС на поверхности проводящих подложек. Схема метода показана на рис. 1 на примере исследования НК Аи в слое Si02/Si. Поверхность сканируется проводящим АСМ зондом, между зондом и подложкой приложено напряжение Vg. Одновременно с регистрацией рельефа поверхности z(x, у), где х, у — координаты АСМ зонда в плоскости образца; z — высота рельефа, регистрируется карта силы туннельного тока между АСМ зондом и проводящей подложкой 1,(х, у), далее — токовое изображение. Также возможна туннельная спектроскопия диэлектрических пленок, встроенных в них МНК и др. путём измерения ВАХ контакта АСМ зонда к образцу. Указанный метод был впервые применён для исследования электронных свойств НК Zr в плёнках Zr02(Y)/Si, синтезированных методом ионной имплантации [13]. В основном, данный метод применялся для исследования сверхтонких слоев диэлектриков и дефектов в них [14].

Целью работы являлось установление связи электронной структуры и свойств наноструктур Si02:nc-Au/Si, In(Ga)As/GaAs(001) и SiGe/Si(001) с их морфологией и условиями формирования с использованием метода туннельной АСМ. Задачи работы:

1. Исследование процессов формирования токового изображения МНК в сверхтонких диэлектрических плёнках на проводящих подложках.

фотодетектор АСМ зонд

SiO,

о--

Roc

Рис. 1. Схема туннельной АСМ.

Установление зависимости токовых изображений от геометрических параметров зонда и объектов исследования.

2. Исследование методом туннельной АСМ туннельных спектров индивидуальных НК Au в сверхтонких плёнках Si02/Si, экспериментальное исследование эффектов кулоновской блокады и резонансного туннелирования через НК Au.

3. Развитие метода туннельной АСМ применительно к исследованию электронных свойств самоформирующихся KT и квантовых колец In(Ga)As/GaAs(001). Исследование связи электронной структуры KT и колец In(Ga)As/GaAs(001) с их морфологией.

4. Разработка метода микроскопии сопротивления рассекания (MCP) на поперечных сколах в защитной жидкой среде применительно к исследованию ГС на основе соединений типа А3В5.

5. Исследование связи между условиями роста, морфологией и составом самоформирующихся островков SiGe/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ.

6. Развитие метода туннельной АСМ применительно к исследованию электронных свойств самоформирующихся островков SiGe/Si(001). Исследование зависимости . электронной структуры и свойств островков SiGe/Si(001) от их морфологии и состава.

Научная новизна работы

1. Метод туннельной АСМ впервые применён для исследования электронного транспорта через индивидуальные металлические нанокла-стеры в диэлектрических плёнках на проводящих подложках.

2. Впервые проанализирована связь размеров токовых изображений металлических нанокластеров в диэлектрических плёнках на проводящих подложках при исследовании методом туннельной АСМ с геометрическими размерами нанокластеров, АСМ зонда и толщиной слоев диэлектрика.

3. Методом туннельной АСМ впервые наблюдалось резонансное тун-нелирование электронов и кулоновская блокада туннелирования через индивидуальные нанокластеры Au в плёнках SiCVSi при 300К.

4. Впервые с использованием метода туннельной АСМ установлена электронная структура квантовых точек InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении.

5. Методом туннельной АСМ впервые экспериментально исследована электронная структура размерно-квантованных дырочных состояний в квантовых точках InAs/GaAs(001).

6. Методом туннельной ACM впервые экспериментально исследована электронная структура самоформирующихся квантовых колец 1п-GaAs/GaAs(001).

7. Предложен и развит новый метод исследования гетероструктур на основе полупроводниковых соединений типа А3В5 — микроскопия сопротивления растекании на поперечных сколах в защитной жидкой среде. Впервые продемонстрирована возможность визуализации квантовых ям и точек, дефектов и поля упругих напряжений на сколах структур, идентификации материала, типа проводимости, измерения толщины слоев.

8. Впервые экспериментально исследованы зависимости морфологии, состава и упруго-напряжённого состояния материала самоформирующихся островков SiGe/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ, от условий роста.

9. Метод конфокальной рамановской микроскопии впервые применён для исследования состава и упруго-напряжённого состояния материала индивидуальных островков SiGe/Si(001). Впервые продемонстрирована возможность измерения спектров рамановского рассеяния от индивидуальных островков SiGe/Si(001) размерами 100 нм и более. Впервые получены карты пространственного распределения атомной доли Ge и упругой деформации по поверхности структур, на которых визуализированы островки SiGe.

10. Методом туннельной АСМ впервые исследована электронная структура самоформирующихся островков SiGe/Si(001).

Научная значимость результатов работы

1. Экспериментально продемонстрировано, что метод туннельной АСМ позволяет визуализировать металлические нанокластеры в толще диэлектрических плёнок и изучать туннельный (в том числе — одноэлектронный) транспорт через индивидуальные нанокластеры.

2. Показано, что размер токовых изображений металлических нанокластеров в диэлектрических плёнках при исследовании методом туннельной АСМ определяется размерами области контакта АСМ зонда к поверхности диэлектрической плёнки.

3. С использованием метода туннельной АСМ исследован электронный транспорт через индивидуальные нанокластеры Аи различных размеров и формы в плёнках Si02/Si. Показана возможность наблюдения указанным методом эффектов кулоновской блокады и резонансного туннелирования электронов через нанокластеры Аи при ЗООК.

4. С использованием метода туннельной АСМ установлена электронная структура квантовых точек InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. Идентифицированы уровни размерного квантования в квантовых точках, переходы между которыми проявляются в спектрах фоточувствительности гетероструктур с квантовыми точками при межзонном фотовозбуждении.

5. Установлена возможность самопроизвольного формирование квантовых колец InGaAs/GaAs(001) непосредственно в ходе заращивания квантовых точек InAs/GaAs(001) покровным слоем GaAs в процессе роста методом МОС-гидридной эпитаксии.

6. Показана необходимость учёта при анализе туннельных спектров квантовых точек InAs/GaAs(001) падения части напряжения между АСМ зондом и образцом на поверхностных состояниях на границе полупроводника с собственным окислом.

7. Показано, что возможность наблюдения угловой зависимости локальной плотности состояний в квантовых кольцах InGaAs/GaAs(001) методом туннельной АСМ связана с асимметрией потенциала носителей заряда в кольцах, в частности — обусловленной влиянием пьезоэлектрического поля в упруго-напряжённом InGaAs.

8. Установлено, что морфология самоформирующихся островков Si-Ge/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ в диапазоне температур 700 -5- 800°С, определяется процессами переконденсации (оствальдовского созревания) в ходе роста.

9. С использованием метода туннельной АСМ установлено, что поверхностные островки Sii_xGe7Si(001) при х < 0,45 проявляют свойства гетероструктур I рода.

Практическая ценность результатов работы

1. Развит метод туннельной АСМ применительно к исследованию локальных электронных свойств наноструктурированных диэлектрических плёнок с МНК. Данный метод был успешно применён в разработке технологии элементов энергонезависимой памяти на базе МОП транзисторов с нанокомпозитными подзатворными диэлектриками.

2. Разработан оригинальный метод исследования гетероструктур на основе полупроводниковых соединений типа А3В5 — микроскопия сопротивления растекания на поперечных сколах в защитной жидкой среде. Данный метод успешно применён для диагностики

лазерных гетероструктур на основе InGaP/GaAs(001) с квантовыми ямами InGaAs.

3. Экспериментально установлена зависимость морфологии, состава и электронной структуры самоформирующихся островков SiGe/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ, от условий роста. Полученные в работе данные используются в разработках приборов кремниевой оптоэлектроники на базе гетероструктур SiGe/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод туннельной АСМ позволяет визуализировать отдельные на-нокластеры Аи в толще плёнок Si02/Si и изучать туннельный электронный транспорт через индивидуальные нанокластеры Аи.

2. Особенности в туннельных спектрах индивидуальных нанокластеров Аи в толще плёнок Si02/Si в виде последовательности ступеней и в виде пиков обусловлены кулоновской блокадой туннелирования и резонансным туннелированием электронов через нанокластеры Аи размерами 2 -г- 3 и ~ 1 нм, соответственно.

3. Метод туннельной АСМ позволяет определить пространственное распределение и энергетический спектр локальной плотности размерно-квантованных состояний в квантовых точках и кольцах In(Ga)As/ GaAs(OOl).

4. Метод микроскопии сопротивления растекания на поперечных сколах в защитной жидкой среде позволяет визуализировать нанорель-еф поверхности скола гетероструктур А3В5, обусловленный наличием в гетероструктурах упруго-напряжённых слоёв, определять толщину слоёв, а также их состав, тип и уровень легирования.

5. Морфология самоформирующихся островков SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ в диапазоне температур 700 800°С, определяется процессами переконденсации в ходе роста.

6. Поверхностные островки Sii_xGe^/Si(001) при х < 0,45 проявляют свойства гетероструктур I рода.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийских и международных научных конференциях, в том числе:

— Российских конференциях по физике полупроводников (Новосибирск 1999; Нижний Новгород 2001; С.-Петербург 2003; Екатеринбург 2007),

— Всероссийских рабочих совещаниях «Нанофотоника» (Нижний Новгород) 1999, 2000,2001, 2002,2003, 2004;

— Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород) 2006; 2007, 2008,2009, 2010;

— International Symposium "Scanning Probe Microscopy" (Nizhny Novgorod, Russia) 1999,2000,2001,2002,2003,2004;

— International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology" (St.-Petersburg 2000, 2001, 2003, 2010; Novosibirsk 2007, Nizhny Novgorod 2012);

— International Conference"Quantum Dots 2010" (Nottingham, UK, April 25-30,2010);

International Conferences on the Physics of Semiconductors (Osaka, Japan, 2000; Edinburgh, UK, 2002; Flagstaff, AZ, 2004);

а также на семинарах Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» (НОЦ ФТНС) ННГУ им. Н.И.Лобачевского и Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород). Публикации

По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, из них 30 статей в ведущих научных изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук» ВАК РФ и 6 публикаций в прочих Российских и международных научных изданиях. Общая характеристика работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения, в котором приведён список научных работ автора по теме диссертации. Объём диссертации составляет 353 страницы. Текст диссертации включает 176 рисунков и 9 таблиц. Список использованных источников содержит 344 наименования. Содержание диссертации

Глава 1 посвящена исследованию НК Au в плёнках Si02/Si. В разделе 1.1 приводится обзор литературы, посвящённой формированию и исследованию электронных свойств МНК на поверхности и в диэлектрических матрицах.

В разделе 1.2 описаны методик формирования структур с НК Au в плёнках Si02/n-Si(001) и их исследований методом туннельной АСМ. Структуры были изготовлены в Национальном исследовательском ядерном университете (НИЯУ) «МИФИ» к.ф.-м.н. А.В.Зенкевичем и к.ф.-м.н. Ю.Ю.Лебединским методом ИЛО. Также были сформированы плёнки Si02:nc-Au/NaCl(001) для исследований методом просвечиваю-

Рис. 2. ПЭМ изображения НК Au в Si02.

щей электронной микроскопии (ПЭМ). Структуры с НК Au в Si02/Si формировались тремя способами:

1) Термическое окисление плёнок аморфного Si (a-Si) в среде 02. На поверхность «+-Si в СВВ при ЗООК последовательно осаждались слой a-Si толщиной 1 ^ 2 нм, слой Au номинальной толщиной « 1 MC и покровный слой a-Si толщиной 1 2 нм. Структура отжигалась при температуре отжига Т0 = 350°С в атмосфере Ог- Давление 02 составляло ~ 1(Г2 Topp, время отжига t0 = 5 мин. При отжиге происходило окисление слоя a-Si и разрыв пленки Au с образованием НК Au. Согласно данным ПЭМ, НК Au, сформированные данным способом, имели сферическую форму, диаметр НК D = 2 + 4 нм.

2) Реактивное ИЛО Si в атмосфере Ог. На поверхность п+-Si, покрытую естественным окислом толщиной « 2 нм, при ЗООК осаждался слой Au. После этого структура отжигалась при Т0 = 300°С, t„ = 5 мин. Согласно данным АСМ, в процессе отжига происходил разрыв пленки Au и формирование НК. Последние закрывались покровным слоем Si02 толщиной я 2 нм, нанесенным при 300 К с помощью реактивного ИЛО путем распыления мишени Si в атмосфере 02 (давление ~10-2 Topp).

3) Окисление смеси a-Au—Si в плазме тлеющего разряда [15]. На подложках Si методом окисления в кислородной плазме (давление 02 ~

\0Гг Topp, напряжение между образцом и контрэлектродом U = 800 В) формировалась плёнка Si02 толщиной 1,0 1,5 нм. На его поверхности формировался слой смеси a-Au—Si толщиной и 1,5 нм посредством попеременного ИЛО Au и Si в СВВ при ЗООК, который затем окислялся в кислородной плазме. НК формировались вследствие сегрегации Au в ходе окисле-Рис. 4. В АХ контакта АСМ зонда к по- ния Соотношение Au:Si в ис-верхности структуры Si02(2,1 hm)/Si02: - ,,

„ . п , wo rwi ч/о- и ходнои смеси изменялось от 1:6

пс-Аи( 1,3 hm)/Si02(1 hm)/Si. На вставке:

токовое изображение структуры. 1—5: до 1:L Затем гювеРх слоя точки измерения ВАХ. SiQ2:nc-Au формировался по-

верхностный слой a-Si толщиной 0,5 1,5 нм, который также окислялся в плазме тлеющего разряда. Согласно данным ПЭМ и ACM, НК, сформированные данным способом, имели сплюснутую форму, латеральные размеры D = 2 ^ 7 нм, высоту Я = 0,7 1,5 нм и монокристаллическую структуру (рис. 2). Толщина подстилающего и покровного слоев Si02 контролировалась методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) in situ в процессе роста.

Исследования методом туннельной АСМ проводились с помощью СВВ СЗМ Omicron UHV AFM/STM LF1 в составе СВВ комплекса Omicron Multiprobe S. Давление в камере СЗМ составляло < Ю~10 Topp.

В разделе 1.3 приведены результаты исследований механизма формирования токовых изображений НК Au в плёнках Si02/Si. На токовых изображениях структур Si02:nc-Au/«+-Si наблюдались участки повышенной проводимости (токовые каналы), обусловленные туннелиро-ванием электронов из зонда в Si подложку через НК Au (рис. 3). Таким образом, была показан возможность визуализации и туннельной спектроскопии единичных МНК в диэлектрических плёнках на проводящих подложках методом туннельной АСМ. Значительно большие, по сравнению с размерами НК Au, определенными методом ПЭМ, размеры токовых изображений НК объясняются эффектом конволюции [16]. С целью выяснения связи размеров токовых изображений НК с их параметрами, а также с условиями эксперимента, было проведено моделирование процесса туннелирования электронов между АСМ зондом и НК на основе теории [17]. Было установлено, что размеры токовых изображений НК определяются, в первую очередь, размером области контакта острия АСМ зонда с поверхностью диэлектрической плёнки, а также расстоянием от НК до поверхности плёнки.

В разделе 1.4 приводятся результаты исследований методом туннельной АСМ эффекта кулоновской блокады туннелирования электронов между АСМ зондом и Si подложкой через индивидуальные НК Au в плёнках Si02. В ВАХ контакта АСМ зонда с Pt покрытием к поверхности плёнок Si02:nc-Au/Si (рис. 4) наблюдалась особенности в виде последовательности ступеней, связанные с кулоновской блокадой туннелирования через НК Au. Были сделаны оценки размеров НК из периода кулоновской лестницы VCB. Поскольку для исследованных структур размер области контак-

2,2 пА

0 пА

Рис. 3.Токовое изображение структуры Si02:nc-Au/Si.

Рис. 5. ВАХ контакта АСМ зонда с Pt покрытием к структуре Si02 (1,5 hm)/Si02: nc-Au(l,6 нм)/ Si02(l,8 нм)/ n+-Si.

та острия АСМ зонда с плёнкой Si02 (оцененный из решения задачи Герца [18]) Dp » D, АСМ зонд аппроксимировался бесконечной проводящей плоскостью. Для расчёта ёмкости НК — зонд и НК — подложка использовались модели сферической капли и сплюснутого эллипсоида вращения. Полученные оценки D ~ 2,4 нм для ссферических НК (VCB ~ 0,4 В) и D = 2,1 -3,2 нм для сплюснутых НК (VCB = 0,39 -s-0,24 В) согласуются с данными ПЭМ.

Также впервые наблюдались эффекты зависимости периода кулоновской лестницы от полярности напряжения между АСМ зондом и подложкой и от положения АСМ зонда относительно границ токового изображения НК, связанные соответственно с модуляцией толщины ОПЗ на границе Si/Si02 под влиянием потенциала АСМ зонда и с уменьшением ёмкости зонд—НК по мере удаления зонда от НК.

В разделе 1.5 изложены результаты исследований методом туннельной АСМ явления резонансного туннелирования электронов через НК Аи достаточно малой толщины (~ 1 нм) в плёнке Si02/Si. На ВАХ контакта АСМ зонда с Pt покрытием к поверхности структур Si02:nc-Au/«+-Si, измеренных в токовых каналах (рис. 5), наблюдались пики, связанные с резонансным туннелированием электронов между зондом и Si подложкой через НК Аи. Интерпретация результатов эксперимента основывалась на одномерной модели резонансного туннелирования в

Pt SiO, Au SiO, n-s

3 4 5

Z, HM

Рис. 6. Расчётные зонная диаграмма и огибающая волновой функции электрона X(z) 3-го резонансного состояния (а) и спектр туннельной прозрачности (б) структуры Pt/Si02/Au/Si02/n+-Si (Vg =4,6 В); пример аппроксимации экспериментальной ВАХ контакта АСМ зонда с Pt покрытием к структуре Si02(l,5 нм)/ Si02:nc-Au(l,6 hm)/Si02(l,8 hm)/n+-Si (300 К) расчётной (в).

двухбарьерной структуре (рис. 6а). Применимость одномерной модели обоснована тем, что НК в исследованных структурах, по данным АСМ, имели сплюснутую форму. Обычно для расчёта спектра туннельной прозрачности двухбарьерных структур Т(Е) используют метод трансфер-матриц [19]. Однако данный метод неприменим для объектов, исследованных в настоящей работе, поскольку в них туннелирование происходило в режиме сильного поля: V~ EJe, где Еь — характерная высота потенциальных барьеров в структуре (рис. 6а), V — падение напряжения на них. Поэтому расчёт Т(£) для структур Si02/Au/Si02 (рис. 66) проводился на основе решения уравнения Шрёдингера в приближении эффективной массы. Решения уравнения Шрёдингера в слоях Si02 выбирались в виде линейной комбинации функций Эйри. Также учитывалось падение части Vg на ОПЗ в Si вблизи границы Si/Si02 путём решения уравнения Пуассона.

На рис. бе приведен пример аппроксимации экспериментальной ВАХ контакта АСМ зонда к поверхности структуры Si02(l,5 нм)/ Si02:nc-Au(l,6 HM)/Si02(l,8 HM)/n-Si расчётной. Параметрами аппроксимации были толщины покровного слоя Si02 dc, НК Au Н и подстилающего слоя Si02 du, а также диаметр НК D. Наилучшее согласие между расчётной и экспериментальной ВАХ (рис. 6в) было достигнуто при dc « 1,1 нм, du я 1,1 нм, Я к 1,3 нм и D « 3,1 нм, что согласуется с данными ПЭМ, АСМ и РФЭС. Пики на экспериментальной ВАХ существенно шире, чем на расчётной, что связано с неоднородностью НК по толщине, а также электрон-электронным рассеянием в НК.

Глава 2 посвящена исследованиям самоформирующихся КТ и колец In(Ga) As/ GaAs(001).

В разделе 2.1 приводится обзор литературы, посвящённой исследованиям процессов роста, электронных, оптических и фотоэлектрических свойств гетероструктур с КТ и квантовыми кольцами In(Ga)As/GaAs(001).

В разделе 2.2 описаны методики выращивания и характеризации ГС с КТ и квантовыми кольцами In(Ga)As/GaAs(001). ГС были выращены методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в Лаборатории эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ к.ф.-м.н. Б.Н. Звонковым. С целью повышения однородности КТ InAs/GaAs(001) по размерам, применялось легирование слоя КТ в процессе роста лазерным распылением Bi.

В п. 2.2.2 описаны методики исследования морфологии поверхностных КТ InAs/GaAs(001) методом АСМ. Предварительные исследо-

а б

Рис. 7. АСМ изображения КТ InAs/GaAs(001): а — необработанное; б — после деконволюции.

вания проводились в атмосферных условиях при помощи АСМ TopoMetrix Accurex ТМХ 2100 и NT MDT Solver Pro. Поскольку значения радиуса кривизны острия используемых АСМ зондов Rp = 10 ^ 40 нм были сравнимы с характерными размерами КТ, значения латеральных размеров КТ на АСМ изображениях (30 + 60 нм) были существенно завышены в силу эффекта конволюции (рис. 1а). Для определения реальных размеров КТ использовалось программное обеспечение для коррекции конволюционных артефактов (деконволюции), разработанное к.ф.-м.н. Д.И.Овчинниковым и д.ф.-м.н. А.А.Бухараевым (Казанский физико-технический институт (КФТИ) им. Е.К.Завойского КНЦ РАН) [16]. Было установлено, что КТ InAs/GaAs(001), выращенные методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении при температуре Тр = 530°С имели пирамидальную форму с длиной стороны основания L= 16 + 2 нм, высоту Я = 6 ± 1 нм и стороны основания, ориентированные вдоль <100> (рис. 16), т.е. имели сходные параметры с КТ InAs/GaAs(001), полученными методом МЛЭ в сходных условиях [2].

В п. 2.2.3 приводятся результаты исследования процесса формирования квантовых колец InGaAs/GaAs(0' эпитаксии при атмосферном давлении. Обычно для получения квантовых колец InGaAs/GaAs(001) методом МЛЭ КТ InAs/GaAs(001) заращивают покровным слоем GaAs толщиной dc 10 нм с последующим отжигом при Т0 > 600°С [20]. В настоящей работе было установлено, что в процессе МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении квантовые кольца формируются непосредствен-

01) методом МОС-гидридной

Рис. 8. АСМ изображение ГС с КТ InAs/GaAs(001), заращенными покровным слоем GaAs толщиной dc = 10 нм.

а б в

Рис. 9. АСМ (а) и токовое (б) изображения поверхности гетероструктуры с КТ InAs/GaAs(001). Vg = - 3,7 В; зонная диаграмма контакта АСМ зонда с Pt покрытием к поверхности КТ InAs/n-GaAs/«+-GaAs(001) (в).

но в ходе заращивания КТ InAs/GaAs(001) покровным слоем GaAs при Тр > 600°С, без послеростового отжига (рис. 8), что связано с большей скоростью поверхностной диффузии In и Ga в МОС гидридной эпитак-сии.

В п.2.2.4 описаны оригинальные методики исследования морфологии КТ и квантовых колец In(Ga)As/GaAs(001), заращенных покровным слоем GaAs, методом удаления покровного слоя селективным жидкостным травлением с последующим исследованием травленой поверхности методом АСМ в жидкой среде.

Разработанные методики используют процессы самоформирования клина травления в мениске на границе травящего раствора и воздуха и обеспечивают полное удаление покровного слоя GaAs при сохранении нанообъектов In(Ga)As неповреждёнными. Практическое значение разработанных методик заключается в том, что, как было установ-

Рис. 10. Туннельные спектры КТ InAs/GaAs(001) в точках / и 2 (Рис. 14а) (а); расчётная зависимость положения уровня Ферми в материале покрытия АСМ зонда относительно дна зоны проводимости GaAs на границе с собственным окислом (рис. 12в) от Vg (б). На оси ординат отмечены энергии уровней размерного квантования электронов (300К) в КТ InAs/GaAs(001) с L = 16 нм [22].

Рис. 11. ACM изображение (а) и карты дифференциальной проводимости ajx, у) (б —г) КТ InAs/GaAs(001). Vg, В: б— 2,3; в — 3,1; г — 3,6. Снизу приведены расчётные поверхности \х(х, у, z)|2 = 0,65 для соответствующих размерно-квантованных состояний электронов в КТ lnAs/GaAs(001) с L = 17,8 нм [22].

лено при исследовании процесса заращивания КТ InAs/GaAs(001) покровным слоем, последнее может существенно изменять морфологию КТ. Разработанные методики примялись в исследованиях транспортных свойств ГС In(Ga)As/GaAs(001 ) [А 11 - А 16].

В разделе 2.3 изложены результаты исследований электронной структуры КТ InAs/GaAs(001) методом туннельной АСМ.

В п.2.3.1 приводятся результаты исследований состояний зоны проводимости в КТ InAs/GaAs(001). КТ были выращены на поверхности «-GaAs(3 HM)/«+-GaAs(001) (рис. 9в). Исследования методом туннельной АСМ проводились м.н.с. КФТИ КНЦ РАН П.А.Бородиным с помощью СВВ СЗМ Omicron VT AFM/STM в составе СВВ комплекса Omicron Multiprobe Р при 300К с использованием Si АСМ зондов с покрытием W2C. На токовых изображениях поверхности ГС с КТ наблюдалось увеличение /, в местах расположения КТ (рис. 96), связанное с туннелиро-ванием электронов между АСМ зондом и размерно-квантованными состояниями в КТ через слой естественного окисла (рис. 9в). Дифференциальная проводимость контакта АСМ зонда к поверхности образца [17]

<*Л*.У.Уг)= p(*-y.EF+eVgy\x{x,y,EF+evA2 - (D

s

где p — локальная плотность состояний (ЛПС) на поверхности образца, X — огибающие волновых функций размерно-квантованных состояний

в КТ, Ef — уровень Ферми в образце (рис. 9в). Таким образом, экспериментально измеренные методом туннельной АСМ зависимости ojx, у, Vg) отражают пространственное и энергетическое распределение ЛПС в КТ, т.е. метод туннельной АСМ позволяет экспериментально измерить энергии и пространственную конфигурацию плотности вероятности огибающих волновых функций размерно-квантованных состояний в КТ. В [21] методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС) в СВВ исследована ЛПС в КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом МЛЭ in situ. Найдено, что электронная структура поверхностных КТ InAs/GaAs(001) удовлетворительно описывается теорией [22]. В настоящей работе подобные измерения были впервые выполнены для КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. Поскольку исследуемые структуры были выращены ex situ, и, следовательно, были покрыты слоем естественного окисла, формировавшимся при переносе образцов из ростовой установки в СЗМ, такие измерения могли быть выполнены только методом туннельной АСМ, применение метода СТМ/СТС для этой цели невозможно.

На туннельных спектрах csj(Vg), полученных численным дифференцированием экспериментальных В АХ I£Vg) с нелинейным сглаживанием, наблюдаются максимумы (рис. 10а), соответствующие уровням размерного квантования в КТ. Соответствие между значениями Vg, при которых наблюдались пики на кривых сr^Vg) (рис. 10а) и энергиями уровней размерного квантования в КТ (рис. 10б) устанавливалась путём решения одномерного уравнения Пуассона с учётом падения части Vg на

1210=1 J110>x il(x2)

„

10>

Жо>

Рис. 12. Зонная диаграмма (о) и дифференциальные В АХ (б) контакта АСМ зонда с покрытием W2C к поверхности КТ InAs/GaAs/p+-GaAs(001); 1, 2 — точки измерения В АХ (Рис. 13а); расчётная зависимость положения уровня Ферми в материале покрытия АСМ зонда относительно потолка валентной зоны GaAs на границе с собственным окислом от Vg (в). Кружками на оси ординат отмечены энергии уровней размерного квантования дырок (300К) в КТ InAs/GaAs(001) с L = 16 нм [22].

110

^ ш

Рис. 13. АСМ изображение (а) и карты ст/х, у) (б—г) КТ InAs/GaAs//>+GaAs(001). -Vg, В: б — 1,4; в — 2,6; г — 3,8. Снизу приведены расчётные поверхности |-/(х, у, z)| = 0,65 для соответствующих размерно-квантованных состояний дырок в КТ InAs/ GaAs(OOl) сL = 17,8 нм [22].

ОПЗ контакта зонд-образец (рис. 9в) [23]. Также была показана необходимость учёта заряда на поверхностных состояниях на границе полупроводника с собственным окислом [24].

Путём сравнения карт а/х, у) (рис. 116—г), полученных при значениях Fg, соответствующих максимумам на кривых csj(Vg) (рис. 10а), с расчётными огибающими волновых функций размерно-квантованных электронных состояний в КТ [22] были идентифицированы некоторые состояния электронов в КТ (рис. 11).

В п. 2.3.2 приводятся результаты исследований дырочных состояний в КТ InAs/GaAs(001). Такие исследования были впервые выполнены в рамках настоящей работы. КТ для исследования дырочных состояний были выращены на поверхности GaAs//?+-GaAs(001) (рис. 12а). Особенности на туннельных спектрах КТ InAs/GaAs/p+-GaAs при Vg < 0 (рис. 126) связаны с экстракцией электронов с размерно-квантованных дырочных состоя-

»А

vmsmjfL

10 nm

<c|000> <H/L|000> <010|—>

<110|000> <010|000> <000|300> <000|000> I

1.1 1.2 Ли, эв

Рис. 14. Спектр ФЧ (ЗООК) ГС с КТ 1п-Ав/СаА5(001), выращенной методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении.

3,8 nA

диаметр

300

100

О пА

а б

Рис. 15. АСМ (а) и токовое (б) изображения поверхности ГС InGaAs /GaAs(OOl) с квантовыми кольцами. Vg = 1,9 В; в — туннельные спектры квантовых колец.

ний КТ в свободные состояния в зоне проводимости материала покрытия АСМ зонда (рис. 12а). Расстояние по оси Vg между особенностями на туннельных спектрах КТ InAs/GaAs/p+-GaAs (рис. 126) значительно меньше, чем на туннельных спектрах КТ InAs/GaAs/и -GaAs (рис. 1 la), что соответствует результатам расчётов [22]: расчётные энергетические расстояния между уровнями размерного квантования электронов в КТ InAs/GaAs(001) составляют 50 - 60 мэВ (рис. 106), тогда как для дырочных — 10 15 мэВ (рис. 12в).

Как и для КТ InAs/GaAs/w+-GaAs, путём сравнения карт ajx, у) (рис. 136—г), полученных при значениях Vg, соответствующих максимумам на кривых a^Vg) (рис. 126), с расчётными огибающими волновых функций размерно-квантованных дырочных состояний в КТ [22] были идентифицированы некоторые дырочные состояния в КТ (рис. 13). Таким образом, было показано, что электронная структура поверхностных КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитак-сии при атмосферном давлении, удовлетворительно описывается моделью [22], так же, как и выращенных методом МЛЭ [21].

В п.2.3.3 приводится результаты практического использования полученных методом туннельной АСМ данных об электронной структуре КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпи-таксии при атмосферном давлении, для интерпретации спектров их ФЧ. В спектрах ФЧ ГС с КТ InAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии с лазерным легированием Bi проявляются пики, связанные с межзонными оптическими переходами между электронными и дырочными размерно-квантованными состояниями в КТ (рис. 14). Однако оставалось неустановленным, переходы между какими именно состояниями проявляются в спектрах ФЧ. Полученные методом туннельной АСМ данные в совокупности с результатами [22] позволили идентифицировать уровни.

•^-i л )М „i.

а о еж

Рис. 16 .а — геометрия, профили потенциала и ЛПС (р)|2 (качественно), б — ж модельные латеральные распределения ЛПС размерно-квантованных состояний электронов |ХтМ(р, ф)|2 для квантовых колец In0,35Ga0,65As/GaAs(001) прямоугольного сечения: без учета (б, д) и с учётом (в, г, е, ж) пьезоэлектрического поля, т: б, в, г — 1; д, е. ж — 2. \х: в, е — 1; г, ж — 2.

В разделе 2.4 приведены результаты исследований методом туннельной АСМ электронной структуры квантовых колец InGaAs/GaAs(001). Подобные исследования были впервые выполнены в настоящей работе. ГС с квантовыми кольцами InGaAs/GaAs(001) были получены методом МОС гидридной эпитаксии при атмосферном давлении (рис. 15а). Кольца меньшего диаметра (150 + 200 нм) формируются при заращивании КТ InAs, а большего диаметра (> 300 нм) — при зара-щивании дислоцированных кластеров InGaAs, образующихся в результате коалесценции КТ InAs в процессе роста. Оценка молярной доли 1п х в материале колец по спектральному положению пиков фотолюминесценции и краёв полос ФЧ колец на основании модели [25] даёт х « 0,35.

Наблюдаемая угловая зависимость токовых

изобаржений квантовых рис ] у Схема микроскопии сопротивления колец (рис. 15 б) связана с растекания на поперечных сколах в масле.

Рис. 18. ACM (а) и JICM (б) изображения скола в масле и схема (в) лазерной ГС InGaP/GaAs/InGaAs.

асимметрией формы колец (рис. 15а). В радиально-симметричных кольцах (группа симметрии Кюри С„) угловая зависимость огибающих электронных состояний выражается членом ехр(/7ф), где ф — угол, / — целое число, а |ехр(г/ф)|2 = 1.

В настоящей работе был впервые рассмотрен ещё один фактор, приводящий к угловой зависимости ЛПС в квантовых кольцах 1п-GaAs/GaAs: пьезоэлектрическое поле в упруго-напряжённом InGaAs, понижающее симметрию потенциала носителей до C2v [22]. Проведено моделирование влияния пьезополя на угловую зависимость ЛПС в квантовых кольцах в рамках теории возмущений. Невозмущённые огибающие вычислялись по модели кольца прямоугольного сечения с конечной глубиной потенциальной ямы (рис. 16а) [25]. Модельный возмущающий пьезопотенциал выбирался в виде К(ф) = Г0соБ(2ф), он удовлетворяет группе симметрии Съ,. В таком виде данная задача аналогична известной задаче о плоском ротаторе в однородном электрическом поле. Мо-

а б в

Рис. 19. ВАХ (а) контакта АСМ зонда с Pt покрытием к сколу лазерной ГС InGaP/GaAs/InGaAs (в) в масле. Номера кривых соответствуют номерам ночек на АСМ изображении поверхности скола (б).

а б

Рис. 20. ЛСМ (а) и токовое (б) изображения скола ГС с 6-слойным массивом КТ InAs/GaAs(001) в масле. Vg = 3 В.

дельные карты ЛПС |ХтДр, ф)|2 (р, ф — полярные координаты в плоскости поверхности образца, ц = |/|) имеют ту же симметрию, что и возмущающий пьезопотенциал, в то время как в отсутствие возмущения они радиально-симметричны (рис. 16).

В Главе 3 описан метод исследования полупроводниковых наноструктур — микроскопия сопротивления растекания (МСР) на поперечных сколах в защитной жидкой среде, разработанный в настоящей работе.

В разделе 3.1 приведен обзор публикаций, посвященных исследованию структуры, морфологии, состава и ЛПС в ГС на базе соединений А3В5 (КЯ, КТ и пр.) методом СВВ СТМ на поперечных сколах (X-СТМ).

В разделе 3.2 описаны методики исследований. Использовался СЗМ NT-MDT Solver Pro со специализированной жидкостной головкой Smena В, оснащенной СТМ-предусилителем, позволяющим измерять ток через АСМ зонд (рис. 17). Исследуемые структуры укреплялись вертикально в микротисках в чашке Петри, заполненную вакуумным маслом ВМ-1, и скалывалась под слоем масла, который предохранял скол от окисления на воздухе, и сканировалась в контактной моде Si АСМ зондом с Pt покрытием.

В разделе 3.3 приведены результаты исследований лазерных ГС на базе GaAs с КЯ Ino^Ga^gAs в активной области и ограничивающими слоями In0,49Gao,5iP (рис. 18в). ГС были выращены методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в НИФТИ ННГУ к.ф.-м.н. Б.Н.Звонковым. Показана возможность визуализации на АСМ изображениях КЯ InGaAs и ограничивающих слоев InGaP (рис. 18а). Формирование нанорельефа поверхности скола связано с релаксацией упругих напряжений в слоях InGaAs. Также показана возможность визуализации свеллинга поверхности скола, обусловленного релаксацией упругих напряжений в слоях InGaAs, методом латерально-силовой мик-

а б в г

Рис. 21. АСМ изображения поверхности ГС с наноостровками SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ. Тр, °С: а — 500; б — 600; в — 700; г — 800.

роскопии (ЛСМ) (рис. 186). Также было показано, что ширина эффективной щели в ВАХ контакта металлизированного АСМ зонда к поверхности скола лазерной ГС (рис. 18а) соответствует ширине запрещённой зоны материла в точке контакта, а положение краёв щели — типу и уровню легирования материала. Таким образом, было показано, что возможности метода MCP на поперечных сколах в масле в области исследования лазерных ГС не уступают возможностям метода Х-СТМ в СВВ [26], в то время как метод MCP в масле существенно проще, дешевле в реализации и производительнее.

В разделе 3.4 приведены результаты исследований методом MCP на поперечных сколах в масле ГС с многослойными массивами KT lnAs/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. На токовых изображениях поверхности скола наблюдается увеличение I, в местах расположения слоёв KT (рис. 20). Особенности на токовом изображении размером 10 -г- 15 нм были связаны с дислоцированными кластерами InGaAs.

Глава 4 посвящена исследованию самоформирующихся островков SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ.

В разделе 4.1 приведён обзор литературы, посвящённой исследованиям процессов роста, морфологии и электронных свойств самофор-

1.39

Ь=0,27-0

10 10° 10" 10" 10-' 10°

t , мин. t , мин. ( , мин.

р р р

а б в

Рис. 22. Зависимости средних значений высоты <Н>, размера <£)> и поверхностной плотности Ns наноостровков SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ, от tp. Тр, °С: О, □ — 700; М — 800. рр, Ю-3 Topp: О - 5; ■, □ - 9.

а б в г

Рис. 23. АСМ (а) и КМ (б) изображения поверхности ГС с наноостровками Si, . xGcx/Si(001); карты распределения х (в) и е (г) по поверхности ГС. Тр = 800°С,рр = 910-4 Topp, tp = 2 мин. ¿4, нм: г? — 0; б—г — 40.

мирующихся наноостровков SiGe/Si(001).

В разделе 4.2 приводится описание методик выращивания и ха-рактеризации ГС с островками SiGe/Si(001). ГС были выращены в НИФТИ ННГУ к.ф.-м.н. С.А.Денисовым и м.н.с. В.Ю.Чалковым под руководством д.ф.-м.н. В.Г.Шенгурова. Параметры процесса роста островков, которые определяли значение номинальной толщины слоя Ge ¿/ое, варьировались в пределах: температура подложки Тр = 500 800 °С, давление GeH4 в ростовой камере рр = 5-Ю-4 1 ,ЗТ0 3 Topp, время напуска GeH4 в ростовую камеру tp = 0,25 5 мин. Значения dQt определялась методом резерфордовского обратного рассеяния (POP). Измерения POP были выполнены м.н.с. П.С.Черных в НИИ ЯФ МГУ.

В разделе 4.3 приводится результаты исследования методом АСМ зависимости морфологии островков SiGe/Si от условий роста (Тр, рр и tp). Зависимости параметров морфологии островков, выращенных в диапазоне Тр = 700 800°С, от tp описываются степенной функции (1р -to)b (рис. 22), что характерно для процесса переконденсации (остваль-довского созревания) в ходе роста [27]. Таким образом, хотя островки в процессе СМЛЭ-ГФЭ зарождаются по механизму Странски-Крастанова (значение dm. ~ 4,8 MC при Тр = 700°С), морфология островков, выращенных при Тр = 700 -s- 800°С, определяется процессами переконденсаци в ходе роста, что связано с влиянием газовой атмосферы в ростовой камере, наличие которой приводит к увеличению скорости поверхностной диффузии адатомов Ge. Показатель степени b уменьшается с увеличением Тр и рр, т. е. с увеличением влияния факторов, увеличивающих скорость поверхностной диффузии (рис. 22), что СОГЛаСу-

Zc - кд , см"

Рис. 24. Микрорамановские спектры ГС с наноостровками SiGe/ Si(001). Тр = 800°С.

Рис. 25. Зависимости <х> (а) и <ггер> (б) (еге/ = е/е/„/ХХ), £/и//(х) —упругая деформация псевдоморфного слоя 811_хСеЛ/В1(001)) в наноостровках 81) .хСед751{001) (К и в смачивающем слое от 1р. Тр, °С: («9. ^ — 700, У; X— 800.

ется с теорией Чакраверти [27]. При Тр = 500 600 °С зависимостей, подобных приведённых на рис. 22 не наблюдалось, вероятно, вследствие уменьшения скорости поверхностной диффузии при пониженных

Т 1 р-

Как и для островков, выращенных методами МЛЭ и ГФЭ, для островков, поученных методом СМЛЭ-ГФЭ, было характерно бимодальное распределение по размерам. При ¿/Сс >10 МС подобное распределение обусловлено сосуществованием на поверхности куполообразных и т. наз. супер-дом островков. Также рассмотрена роль увеличения аспектного отношения островков Э1Се/81(001) Ак в ходе роста как альтернативного (по отношению к формированию дислокаций несоответствия) механизмы релаксации упругой деформации в островках 8Юе/81(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ при Тр = 700 - 800°С.

В разделе 4.4 приводятся результаты исследований состава и упругой деформации островков Б1Се/51(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ при Тр = 700 -ь 800°С, от условий роста. Островки 8еСе с целью предотвращения их окисления на воздухе были заращены по- мш^ВЕГШЛНР30 № ^амшн ш ПА

о 2 Мт О 2,an """ Pt

а б в

Рис. 26. АСМ (а) и токовое (б) изображения ГС с островками SiGe/Si(001). Тр = 700°С. Vg = 2,0 В; зонная диаграмма контакта АСМ зонда с Pt покрытием к на-ноостровку SiGe/ p-Si/p+-Si (в).

а б в г

Рис. 27. АСМ (а) и токовые (б—г) изображения островка SiGe/Si(001). Vg, В: б — 0,1; в — 0,5; г — 1,0. 1, 2 — точки измерения туннельных спектров на рис. 29.

кровным слоем Si толщиной dc « 40 нм. В настоящей работе для определения атомной доли Ge х и упругой деформации £ материала индивидуальных островков SiGe/Si(001) был впервые применён метод конфокальной рамановской микроскопии (КРМ). Измерения КРМ были выполнены н.с. Каф. ФПиО ННГУ А.В.Неждановым с помощью мик-ро/спектроскопического комплекса NT-MDT Integra Spectra при 300К. Длина волны тестирующего излучения X составляла я 473 нм.

Была продемонстрирована возможность визуализации на конфокальных микроскопических (КМ) изображениях островков SiGe размерами > 100 нм (рис. 236) и измерения микрорамановских спектров индивидуальных островков (рис. 24). Расщепление линий Ge—Ge и Si— Ge было связано с наличием у островков SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ, приповерхностного слоя, обогащенного Ge [28].

По соотношению интенсивностей и рамановским сдвигам линий Ge—Ge и Si—Ge по [29] были определены значения х и е в материале островков (рис. 25). Уменьшение <х> и

<е> с ростом ¡р и Тр было связано с диффузией 81 из подложки внутрь островков в процессе роста [30]. Кроме того, уменьшение <е> в островках при = 1-^2 мин было связано с трансформацией куполообразных островков в супер-дом островки, а при 1Р = 4-^5 мин (так же, как и уменьшение <е> в смачивающем слое) — с коалес-ценцией островков.

Полученные методом КРМ карты пространственного распределения

окисел __

Ge Si P*-Si/E

ч щ

V , В

9

Рис. 28. Туннельные спектры КТ Ge/Si(001). Тр = 500°С. На вставке: зонная диаграмма контакта АСМ зонда с Pt покрытием к КТ Gе/р+-Si(001).

а б в

Рис. 29. Нормированные туннельные спектры островков 510е (7) и

поверхности между островками (2). Тр, °С: а — 600; б— 700; в — 800.

рамановских сдвигов линий Ge—Ge и Si—Ge по поверхности образцов были пересчитаны по [29] в карты <х> и <е> (рис. 24в и г, соответственно), на которых островки SiGe проявляются как области локального уменьшения х и г на фоне смачивающего слоя.

В разделе 4.5 приводятся результаты исследований методом туннельной АСМ пространственного и энергетического распределения ЛПС в самоформирующихся островках SiGe/Si(001). В рамках настоящей работы такие исследования были проведены впервые. Образцы для исследования методом туннельной АСМ были выращены на подложках //-Si(OOl). На поверхность буферного слоя p+-Si осаждался спейсорный слой р-Si (~1015 см-3) толщиной « 3 нм, на поверхности которого формировались островки SiGe. Измерения методом туннельной АСМ проводились при помощи СВВ комплекса Omicron Multiprobe Р при 300К в КФТИ КНЦ РАН к.ф.-м.н. Н.И.Нургазизовым под руководством д.ф.-м.н. А.А.Бухараева.

На токовых изображениях ГС SiGe/Si(001) (рис. 216) наблюдались области увеличения /„ положение которых соответствует островкам SiGe на АСМ изображении (рис. 26а), связанные с туннелировани-ем электронов из заполненных состояний в валентной зоне SiGe в сво-

^ "1

~,VLa5 01 о2 аз (ы as Ö.e "о.о o.i 0.2 о.з 0.4 0.5 о.б

<Х> <Х>

а б

Рис. 30. Зависимости разрыва зоны проводимости АЕС (а) и валентной зоны Л£„ (б) между наноостровков Si!_xGe^/Si(OOl ) от <х> (300К).

бодные состояния над уровнем Ферми в материале покрытия АСМ зонда (Pt) (рис. 26в). Вид токовых изображений островков зависит от Vg (рис. 27). При Vg~0 (случай экстракция электронов из состояний вблизи потолка валентной зоны в SiGe, рис 26в), токовое изображение имеет округлую форму (рис. 276). С увеличением Vg симметрия изображения становится подобной C2v (рис. 27в), а затем — C4v (рис. 27г), что связано с изменением ЛПС валентной зоны в SiGe вследствие релаксаций упругих напряжений на рёбрах островка. В туннельных спектрах островков Ge/Si(001), выращенной при Тр = 500°С с D = 40 н- 80 нм и Я = 4 - 8 нм (рис. 21 а), наблюдались пики, связанные с туннелированием электронов из заполненных размерно-квантованных дырочных состояний в КТ Ge/Si(001) в свободные состояния в материале покрытия зонда (рис. 28).

На рис.30 приведены нормированные туннельные спектры dIJdVg/(IJVg) островков SiGe/Si(001), выращенных при Тр = 600 800°С, и к поверхности между островками. Зависимость положения уровня Ферми в материале покрытия зонда относительно края зоны проводимости на границе структуры с естественным окислом Е = Ес- Ещ (рис. 26в) от Vg рассчитывалась, как и для ГС InAs/GaAs, путём решения одномерного уравнения Пуассона [23].

В отличие от КТ InAs/GaAs (001) и квантовых колец InGaAs/GaAs(001), а также КТ Ge/Si(001) в туннельных спектрах островков SiGe/Si(001), выращенных при Тр = 600 + 800°С, с латеральными размерами D > 100 нм и высотой Н > 20 нм не наблюдается участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это свидетельствует, что размерное квантование не оказывает существенного влияния на энергетический спектр островков SiGe указанных размеров. Из нормированных туннельных спектров были определены зависимости разрыва зоны проводимости АЕС и валентной зоны АЕу между островками Si^GeyS^OOl) и Si от <х> (рис. 30). Значения <х> определялись методом КРМ на образцах с островками, выращенными в тех же условиях (раздел 4.4). Как следует из рис. 30я, поверхностные островки Sii-jcGe^/SifOOl) с х « 0,24 и 0,32 проявляет свойства ГС I рода. Традиционно считается, что псевдоморфные ГС Sii_xGe7Si(001) относятся ко II роду [31]. Однако, в ряде теоретических и экспериментальных работ сообщалось, что при малых значениях х псевдоморфные слои Sij_ jGej/SiiOOl) являются ГС I рода. И в том, и в другом случае абсолютные значения разрыва зоны проводимости ДЕс на границе Sii_xGe^/Si(001) при х-< 0,5 не превышает нескольких десятков мэВ [32].

На рис. 30а приведены теоретические зависимости АЕС и ДEv от <х>, рассчитанные для частично релаксированных островков Sii_ xGex/Si(001) при 300К по модели [33], согласно которой ГС Si(_ xGe^/Si(001) относятся к I роду при 0 < х < 0,36. Минимумы зоны проводимости в SiGe образуют долины Д». Качественно, результаты туннельной спектроскопии согласуются с теорией [33], хотя количественные абсолютные значения ДЕс при соответствующих значениях <х> больше расчётных, вероятно, вследствие частичной релаксации упругих напряжений на рёбрах и вершинах островков. На рис. 306 приведена расчётная зависимость ДEv между островками Sii^Ge^/SiCOOl) и Si от <х>, рассчитанная по [33], которая также удовлетворительно согласуется с экспериментальной, что свидетельствует о справедливости выводов о характере зависимости Д£с(<х>).

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Методом туннельной АСМ впервые исследованы туннельные спектры индивидуальных нанокластеров Аи в толще и на поверхности сверхтонких (2 + 5 нм) плёнок Si02/Si. Показано, что метод туннельной АСМ позволяет визуализировать металлические нанокластеры в толще диэлектрической плёнки и изучать туннельный электронный транспорт через индивидуальные нанокластеры.

2. Разработана модель формирования токовых изображений металлических нанокластеров, встроенных в диэлектрическую плёнку, при исследовании методом туннельной АСМ. Установлено, что размер токовых изображений нанокластеров определяется размерами области контакта острия АСМ зонда к поверхности диэлектрической плёнки.

3. В туннельных спектрах индивидуальных нанокластеров Аи в толще плёнок Si02/Si обнаружены особенности в виде последовательности ступеней и/или в виде пиков, связанные с кулоновской блокадой тунне-лирования и с резонансным туннелированием электронов через нанокластеры Аи размерами 2 3 и ~ 1 нм, соответственно.

4. Методом туннельной АСМ исследована электронная структура поверхностных квантовых точек и колец In(Ga)As/GaAs(001), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. В туннельных спектрах квантовых точек и колец наблюдались пики, связанные с туннелированием электронов через размерно-квантованные состояния в квантовых точках и кольцах. Токовые изображения квантовых точек и колец при напряжениях между зондом и подложкой, соответствующих максимумам на туннельных спектрах, отражают про-

странственное распределение локальной плотности размерно-квантованных состояний в квантовых точках и кольцах.

5. Разработан новый метод исследования гетероструктур In(Ga)As/GaAs(001) с квантовыми ямами и точками: микроскопия сопротивления растекания на поперечных сколах в защитной жидкой среде. Показана возможность визуализации квантовых ям и точек на АСМ и токовых изображениях, а также измерения ВАХ контакта АСМ зонда к поверхности скола и идентификации на ней слоев различного состава и типа проводимости. Данный метод может быть простой, недорогой и перспективной альтернативой методу СТМ на поперечных сколах в СВВ в области исследований гетероструктур на основе полупроводниковых соединений типа А3В5.

6. Методом АСМ изучена зависимость морфологии самоформирующихся островков SiGe/Si(001), полученных методом СМЛЭ-ГФЭ, от условий роста. Установлено, что существенное влияние на морфологию островков, выращенных в диапазоне температур 700 н- 800°С, оказывают процессы переконденсации, чему способствует газовая атмосфера в ростовой камере, наличие которой увеличивает скорость поверхностной диффузии.

7. Впервые метод конфокальной рамановской микроскопии применён для определения состава и упруго-напряжённого состояния индивидуальных островков SiGe/Si(001). Показана возможность измерения спектров рамановского рассеяния от индивидуальных островков SiGe/Si(001) размерами 100 нм и более. Установлена зависимость состава и упругой деформации материала самоформирующихся островков SiGe/Si(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ при температуре 700 800°С, от условий роста.

8. Впервые методом туннельной АСМ исследовано пространственное и энергетическое распределения локальной плотности электронных состояний в самоформирующихся островках SiGe/Si(001). Установлено, что поверхностные островки Si^Ge^/S^OOl) при х < 0,45 проявляют свойства гетероструктур I рода.

В Приложении приведён список научных работ автора по теме диссертации.

AI. B.N.Zvonkov, I.A.Karpovich, N.V.Baidus, D.O.Filatov, S.V.Morozov, Yu.Yu.Gushina. Surfactant effect of bismuth in the MOVPE growth of the InAs quantum dots on GaAs. Nanotechnology 11,221 (2000). A2. И.А.Карпович, Д.О.Филатов, С.В.Морозов, Н.В.Байдусь, Б.Н. Звонков, Ю.Ю.Гущина. О связи спектров фотоэлектрической чувствитель-

ности и фотолюминесценции с геометрическими параметрами слоя квантовых точек в гетероструктурах InAs/GaAs. Известия РАН: Серия физическая, 63, 313 (2000).

A3. Н.В.Байдусь, Б.Н.Звонков, Д.О.Филатов, Ю.Ю.Гущина, И.А. Карпович, А.В.Здоровешцев. Исследование процесса заращивания нанокла-стеров InAs в гетероструктурах с квантовыми точками GaAs/lnAs, полученных методом газофазной эпитаксии. Поверхность, 2000, №7, с.71. А4. Б.Н.Звонков, И.А.Карпович, Н.В.Байдусь, Д.О.Филатов, С.В. Морозов. Влияние легирования слоя квантовых точек InAs висмутом на морфологию и фотоэлектронные свойства гетероструктур GaAs/lnAs, полученных газофазной эпитаксией. ФТП 35,92 (2001). А5. И.А.Карпович, А.П.Горшков, С.Б.Левичев, С.В.Морозов, Б.Н. Звонков, Д.О.Филатов. Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками в системе полупроводник-электролит. ФТП 35, 564 (2001).

А6.1.A.Karpovich, N.V.Baidus, B.N.Zvonkov, S.V.Morozov, D.O.Filatov, A.V.Zdoroveishev. Morphology and photoelectronic properties of the InAs/GaAs surface quantum dots grown by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy. Nanotechnology 12,425 (2001).

A7. В.А.Кульбачинский, Р.А.Лунин, В.Г.Кытин, А.В.Голиков, А.В. Демин, В.А.Рогозин, Б.Н.Звонков, С.М.Некоркин, Д.О.Филатов. Электрический транспорт и замороженная фотопроводимость в слоях квантовых точек в структурах InAs/GaAs. ЖЭТФ 120, 933 (2001). А8. И.А.Карпович, Н.В.Байдусь, Б.Н.Звонков, Д.О.Филатов, С.Б. Леви-чев, А.В.Здоровейщев, В.А.Перевощиков. Исследование квантовых точек InAs, встроенных в матрицу GaAs, методом атомно-силовой микроскопии с использованием селективного химического травления. Вестник ННГУ им. Н.И.Лобачевского. Серия «Физика твердого тела» 2001, №1, С. 130.

А9.1.A.Karpovich, S.B.Levichev, S.V.Morozov, B.N.Zvonkov, D.O.Filatov, A.P.Gorshkov, A.Yu.Ermakov. Photoelectric spectroscopy of InAs/GaAs quantum dot structures in a semiconductor/electrolyte system. Nanotechnology 13,445 (2002).

A10. И.А.Карпович, С.Б.Левичев, С.В.Морозов, Б.Н.Звонков, ДО. Филатов, А.П.Горшков, А.Ю.Ермаков. Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми точками InAs/GaAs в системе полупроводник/электролит. Известия РАН, Серия физическая 65,186 (2002). All. В.А.Кульбачинский, Р.АЛунин, В.А.Рогозин, А.В.Голиков, В.Г. Кытин, Б.Н.Звонков, С.М.Некоркин, Д.О.Филатов, А.де Виссер. Пере-

ход квантовый эффект Холла-изолятор в системе InAs/GaAs квантовых точек. ФТТ 46, 725 (2003).

А12. V.A.Kulbachinskii., R.A.Lunin, V.A.Rogozin, V.G.Kytin, B.N. Zvonkov, S.M.Nekorkin, D.O.Filatov, A. de Visser. Magnetic-field-induced quantum Hall—insulator transition and persistent photoconductivity in InAs/GaAs quantum dot layers. Physica E 17,159 (2003). A13. V.A.Kulbachinskii;., R.A.Lunin, V.A.Rogozin, B.N.Zvonkov, D.O. Filatov, A. de Visser Magnetic-field-induced quantum Hall effect - Hall insulator transition and hopping conductivity in InAs/GaAs quantum dot layers Physica E 18, 116(2003).

A14. V.A.Kulbachinskii, R.A.Lunin, V.G.Kytin, V.A.Rogozin, P.V.Gurin, B.N.Zvonkov, D.O.Filatov. Persistent photoconductivity in quantum dot layers in InAs/GaAs structures. Phys. Stat. Sol. (c) 2003, № 4, P.1297. A15. G.M.Minkov, O.E.Rut, A.V.Germanenko, A.A.Sherstobitov, B.N. Zvonkov, V.I.Shashkin, O.I.Khrykin, D.O.Filatov. Transverse negative magnetoresistance of two-dimensional structures in the presence of a strong inplane magnetic field: Weak localization as a probe of interface roughness. Phys. Rev. В 70,035304 (2004).

A16. A.B.Германенко, Г.М.Миньков, О.Э.Рут, В.А.Ларионова, Б.Н. Звонков, В.И.Шашкин, О.И.Хрыкин, Д.О.Филатов. Влияние шероховатости двумерных гетероструктур на слабую локализацию. ФТТ 47 128 (2005).

А17. Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский. Исследование электронных свойств нанокластеров Аи в Si02 методом комбинированной сканирующей туннельной / атомно-силовой микроскопии. Известия РАН: Серия физическая 71,61 (2007). А18. Д.О.Филатов, М.В.Круглова, М.А.Исаков, С.В.Сипрова, М.О. Ма-рычев, В.Г.Шенгуров, С.П.Светлов, В.Ю.Чалков, С.А.Денисов. Морфология и фотолюминесценция самоформирующихся нанокластеров GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа. Известия РАН: Серия физическая 72, 267 (2008).

А19. Е.Е.Щербакова, М.А.Исаков, Д.А.Воронцов, Д.О.Филатов. Исследование гетероструктур InGaAs/GaAs с квантовыми ямами и точками методом комбинированной СТМ/АСМ на сколах в жидкости. Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2008, №8, с.620.

А20. М.А.Лапшина, Д.О.Филатов, Д.А.Антонов. Формирование токового изображения при исследовании металлических нанокластеров в ди-

электрических пленках методом комбинированной СТМ/АСМ. Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2008, №8, С. 616.

А21. А.В.Зенкевич, Ю.Ю.Лебединский, А.А.Тимофеев, В.Н.Неволин, Д.А.Антонов, Д.О.Филатов, Г.А.Максимов. Формирование сверхтонких нанокомпозитных структур Si02:Au методом импульсного лазерного осаждения. Перспективные материалы, 2008, №4, С. 5. А22. Д.О.Филатов, М.В.Круглова, М.А.Исаков, С.В.Сипрова, М.О. Ма-рычев, В.Г.Шенгуров, В.Ю.Чалков, С.А.Денисов. Фотолюминесценция нанокластеров GeSi/Si, формирующихся в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа. ФТП 42,1116 (2008). А23. Д.О.Филатов, М.В.Круглова, М.А.Исаков, С.В.Сипрова, М.О. Ма-рычев, В.Г.Шенгуров, В.Ю.Чалков, С.А.Денисов. Фотолюминесценция самоформирующихся нанокластеров в гетероструктурах GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH4. Неорганические материалы 44, 1287 (2008). А24. П.А.Бородин, А.А.Бухараев, Д.О.Филатов, Д.А.Воронцов, М.А. Лапшина. Визуализация локальной плотности состояний в квантовых точках InAs/GaAs методом комбинированной СТМ/АСМ. Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009, №9, с. 71.

А25. М.А.Исаков, Д.О.Филатов, М.О.Марычев, В.Г.Шенгуров, В.Ю. Чалков, С.А.Денисов. Особенности процесса роста и фотолюминесценции самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH4 . Вестник ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Серия "Физика твёрдого тела", 2010, №5. с. 36.

А26. D.O.Filatov, M.A.Lapshina, M.A.Isakov, P.A.Borodin, A.A.Bukharaev. Tunnelling AFM study of the local density of states in the self assembled In(Ga)As/GaAs(001) quantum dots and rings. J. Phys. Conf. Series, 245, 012017(2010).

A27. D.O.Filatov, M.A.Lapshina, D.A.Antonov, O.N.Gorshkov, A.V. Zenkevich, Yu.Yu.Lebedinskii. Resonant tunnelling through individual Au nanoclusters embedded in ultrathin Si02 films studied by Tunnelling AFM. J. Phys. Conf. Series, 245,012018 (2010).

A28. А.И.Машин, А.В.Нежданов, Д.О.Филатов, М.А.Исаков, В.Г. Шен-гуров, В.Ю.Чалков, С.А.Денисов. Конфокальная рамановская микроскопия самоформирующихся островков GeSi/Si(001). ФТП 44,1552 (2010).

А29. П.А.Бородин, А.А.Бухараев, Д.О.Филатов, М.А.Исаков, В.Г. Шен-гуров, В.Ю.Чалков, С.А.Денисов. Исследование локальной плотности состояний в самоформирующихся островках GeSi/Si(001) методом комбинированной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии ФТП, 45,414(2011).

А30. Д.О.Филатов, П.А.Бородин, А.А.Бухараев. Исследование локальной плотности электронных состояний в квантовых кольцах InGaAs/GaAs методом комбинированной СТМ/АСМ. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011 №6 С.44.

А31.1.AKarpovich, N.V.Baidus, B.N.Zvonkov, D.O.Filatov, S.B.Levichev, A.V.Zdoroveishev, V.A.Perevoshikov. Investigation of the buried InAs/GaAs quantum dots by SPM combined with selective chemical etching. Phys. Low-Dim. Structures 2001, №3/4, p. 341.

A32. LA. Karpovich, A.V. Zdoroveichev, A.P.Gorshkov, D.O. Filatov, R.N. Skvortsov. AFM investigation of the buried InAs/GaAs quantum dots with in situ monitoring of etching process by photoelectric and photoluminescence spectroscopy. Phys. Low-Dim. Structures 2003, №3/4, P. 191. A33.1.A.Karpovich, B.N.Zvonkov, N.V.Baidus', S.V.Tikhov, D.O.Filatov. Tuning the Energy Spectrum of the InAs/GaAs Quantum Dot Structures by Varying the Thickness and Composition of a Thin Double GaAs/InGaAs Cladding Layer // Trends in Nanotechnology Research / Nova Science New York, 2004. p. 173-208.

A34. A.Zenkevich, Yu.Lebedinskii, O.Gorshkov, D.Filatov, D.Antonov. Structural and Electron Transport Properties of Ultrathin Si02 Films with Embedded Metal Nanoclusters Grown on Si // Advances in Diverse Industrial Applications of Nanocompositess / Vienna: InTech, 2011. p. 317-340. A35. D.O.Filatov, M.A.Isakov, V.G.Shengurov, M.O.Marychev, A.V.Nezdanov, A.I.Mashin. Photoluminescence of the Self Assembled Ge-Si/Si(001) Nanoislands Grown by Sublimation Molecular Beam Epitaxy in GeH4 Ambient // Photoluminescence: Applications, Types and Efficacy / New York: Nova Science, 2012. P. 12 - 63.

A36. D.Filatov, V.Shengurov, N.Nurgazizov, P.Borodin, ABukharaev. Tunneling Atomic Force Microscopy of Self-Assembled In(Ga)As/GaAs Quantum Dots and Rings and of GeSi/Si(001) Nanoislands // Fingerprints in the Optical and Transport Properties of Quantum Dots. Ed. A. Al-Ahmadi. Rije-ka: InTech, 2012. P. 273-298.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ж.И.Алферов. ФТП 32,3 (1998).

2. Н.НЛеденцов, В.М.Устинов, В.А.Щукин и др. ФТП 32, 385 (1998).

3. С. Binns. Surf. Sci. R44, 1 (2001).

4. A.L.Stepanov, I.B.Khaibullin. Rev. Adv. Mater. Sci. 9, 109 (2005).

5. W.A. de Heer. Rev. Mod. Phys. 65, 611 (1993).

6. К. К. Лихарев. Микроэлектроника 16,195 (1987).

7. V.P.Halperin. Rev. Mod. Phys. 58, 533 (1986).

8. H.I.Hanafi et al. IEEE Trans. Electron Devices ED 43, 1553 (1996).

9. L.Pavesi. J. Phys.: Cond. Matt. 15, R1169 (2003).

10. Y.Shiraki, A.Sakai. Surf. Sci. R. 59, 153 (2005). 11.1.Berbezier, A.Ronda. Surf. Sci. R. 64,47 (2009).

12. G.Binnig. Rev. Mod. Phys. 71, S324 (1999).

13. D.A.Antonov et al. PLDS, 2004, №1/2, p. 139.

14. U.Schwalke. ECS Trans. 11,301 (2007).

15. A.V.Zenkevich et al. Appl. Surf. Sci. 255, 5355 (2009).

16. А.А.Бухараев и др. Микроэлектроника 26,163 (1997).

17. J.Tersoff, D.B.Hamann. Phys. Rev. В 31, 805 (1985).

18. Л.Д.Ландау, Е.МЛифшиц. Теория упругости. Наука, 1987.

19. R.Tsu, L.Esaki. Appl. Phys. Lett. 22, 562 (1973);

20. A.Lorke, RJ.Luyken. Physica В 256,424 (1998).

21. T.Maltezopoulos et al. Phys.Rev.Lett. 91,196804 (2003).

22.0.Stier, M.Grundmann, D.Bimberg. Phys. Rev. В 59, 5688 (1999).

23. R.M.Feenstra, J.A.Stroscio. J. Vac. Sci. Technol. В 5, 923 (1987).

24. H.Hasegawa, T.Sawada. Thin Solid Films 103,119 (1983).

25. Z.Barticevic, M.Pacheco, A.Latge. Phys. Rev. B. 62, 6963 (2000).

26. В.С.Эдельман. ПТЭ, 1989, № 5, с. 25.

27. B.K.Chakraverty. J. Phys. Chem. Solids 28,2413 (1967).

28. G.A.Maximov, Z.F.Krasil'nik, A.V.Novikov et al. // Nanophysics, Nanoclusters, and Nanodevices. Nova Science, 2006. - p. 87.

29. J.Gronen, R.Carles, S.Christiansen. Appl. Phys. Lett. 71,3856 (1997).

30. X.Z.Liao, J.Zou, D.J.H.Cockayne et al. Phys. Rev. В 60, 15605 (1999).

31. A.B.Двуреченский, А.И.Якимов. ФТП 35, 1143 (2001).

32. M.E1 Kurdi, S.Sauvage, G.Fishman. Phys. Rev. В 73,195327 (2006).

33. В.Я. Алёшкин, H.A. Бекин. ФТП 31, 171 (1997).

Подписано в печать 28.05.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 505. Тираж 100.

Отпечатано в РИУ Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"

На правах рукописи

05201351 998

/

л

Филатов Дмитрий Олегович ^ I

Туннельная атомно-силовая микроскопия твердотельных наноструктур

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................5

1. НАНОКЛАСТЕРЫ Аи НА ПОВЕРХНОСТИ И В ТОЛЩЕ ПЛЁНОК Si02 НА ПОДЛОЖКАХ Si

1.1. Металлические нанокластеры на поверхности и в диэлектрической матрице: получение и свойства. Обзор литературы

1.1.1. Поверхностные нанокластеры........................................ 18

1.1.2. Нанокластеры в диэлектрических матрицах.......................43

1.1.3. Метод туннельной атомно-силовой микроскопии.....................53

1.2. Методика эксперимента

1.2.1. Методика формирования нанокластеров Аи в толще и на поверхности плёнок Si02...............................................58

1.2.2. Методика исследования электронных свойств нанокластеров Аи в плёнках SiOi/Si методом туннельной АСМ......................66

1.3. Формирование токовых изображений металлических нанокластеров в диэлектрической плёнке.........................................................68

1.4. Кулоновская блокада туннелирования электронов через нанокластеры Аи в плёнках БЮг.................................................................79

1.4.1. Особенности кулоновской блокады в нанокомпозитных структурах Si02/Si02:nc-Au/Si02/«+-Si, сформированных различными методами ....................................................................80

1.4.2. Влияние модуляции ОПЗ в полупроводниковой подложке на ку-лоновскую блокаду туннелирования..........................................93

1.4.3. Влияние положения АСМ зонда относительно нанокластера на период кулоновской лестницы.......................................................96

1.5. Резонансное туннелирование через нанокластеры Аи в плёнках Si02 99

2. САМОФОРМИРУЮЩИЕСЯ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ И КОЛЬЦА In(Ga) As/GaAs(001)

2.1. Рост, морфология и электронные свойства гетероструктур с самоформирующимися квантовыми точками и кольцами In(Ga)As/GaAs(001).

Обзор литературы....................................114

2.1.1. Рост и морфология самоформирующихся квантовых точек In(Ga) As/GaAs(001 ).................................................... 115

2.1.2. Энергетический спектр и оптические свойства гетероструктур In(Ga)As/GaAs(001) с квантовыми точками...................... 121

2.1.3. Фотоэлектрические свойства гетероструктур InAs/GaAs(001) с квантовыми точками................................................... 136

2.1.4. Приборы на основе гетероструктур с квантовыми точками .. 146

2.2. Описание образцов с квантовыми точками и кольцами In(Ga)As/GaAs(001 )............................................................ 129

2.2.1. Методика выращивания гетероструктур In(Ga)As/GaAs(001) с квантовыми точками методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении................................................ 147

2.2.2. Морфология квантовых точек InAs/GaAs(001 ), выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении 152

2.2.3. Формирование квантовых колец InGaAs/GaAs в процессе МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении............... 158

2.2.4. Исследование морфологии заращенных квантовых точек InAs/GaAs методом атомно-силовой микроскопии в сочетании с жидкостным химическим травлением.............................. 162

2.3. Исследование электронной структуры квантовых точек InAs/GaAs(001) методом туннельной АСМ................................172

2.3.1. Электронные состояния в KT InAs/GaAs(001)..................... 173

2.3.2. Дырочные состояния.................................................... 188

2.3.3 Спектры фоточувствительности гетероструктур InAs/GaAs(001) с

квантовыми точками.................................................... 195

2.4. Исследование электронной структуры квантовых колец InGaAs/GaAs(001 )............................................................... 207

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР In(Ga)As/GaAs С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ И ТОЧКАМИ МЕТОДОМ МИКРОСКОПИИ

СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЯ НА ПОПЕРЕЧНЫХ СКОЛАХ В ЗАЩИТНОЙ ЖИДКОЙ СРЕДЕ..................................................220

3.1. Исследование морфологии, состава, атомной и электронной структуры квантовых ям и точек методом СТМ на поперечных сколах. Обзор литературы ........................................................................221

3.2. Методика эксперимента.......................................................238

3.3. Лазерные гетероструктуры ГпОаР/ОаАзЛпОаАз.........................239

3.4. Гетероструктуры с квантовыми точками 1пА8/СаА8(001)............. 245

4. САМОФОРМИРУЮЩИЕСЯ ОСТРОВКИ 810е/81(001)............ 229

4.1. Самоформирующиеся наноостровки 81Се/81(001): получение и свойства. Обзор литературы

4.1.1. Кремниевая оптоэлектроника.........................................248

4.1.2. Рост, морфология и состав самоформирующихся наноостровков 81Се/81(001)............................................................... 255

4.1.3. Электронная структура наноостровков 81Се/81(001)..............263

4.2. Описание образцов для экспериментальных исследований..........270

4.3. Зависимость морфологии островков 81Се/81(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ, от условий роста...................................276

4.4. Зависимость состава и упруго-напряжённого состояния материала самоформирующихся островков 81Се/81(001) от условий роста

4.4.1. Исследование самоформирующихся островков 81Се/81(001) методом конфокальной рамановской микроскопии.............289

4.4.2. Локальная рамановская спектроскопия индивидуальных островков 810е/81(001)................................................. 294

4.5. Исследование локальной плотности электронных состояний в самоформирующихся островках 81Се/81(001) методом туннельной атомно-силовой микроскопии...............................................................303

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................316

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................318

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................348

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Развитие технологии формирования твердотельных наноструктур (НС) на основе полупроводников, диэлектриков и металлов, исследование их структуры, энергетического спектра, электрофизических, оптических и др. свойств в течение последних 30 лет являлось одним из основных направлений развития физики конденсированного состояния [1]. В настоящий момент исследования в области создания принципиально новых материалов со структурой нанометрового масштаба являются одним из приоритетных направлений развития науки и техники [2]. Такие материалы, в частности, составляют основу для создания новых твердотельных электронных и оптоэлектронных устройств для систем оптоволоконной связи, наноэлектроники, телекоммуникаций, квантового компьютинга и криптографии, устройств памяти и пр.

Технологии создания твердотельных наноструктурированных материалов, используемые и развиваемые в настоящий момент, основаны на двух различных подходах к формированию структуры нанометрового масштаба в изначально однородном исходном материале:

1. Перенесение искусственной структуры в изначально однородный материал с использованием различных методов нанолитографии: ультрафиолетовой (УФ), рентгеновской, электронной, ионной, нанозондовой и т. п. Этот подход доминирует в промышленных технологиях современной микроэлектроники, которая, по сути, стала наноэлектроникой, хотя и основана на технологии оптической фотолитографии, сформировавшейся в конце 1950-х гг.

2. Использовании процессов самоформирования, за счёт которых в изначально однородном материале непосредственно в процессе синтеза (преимущественно, в существенно неравновесных условиях) возникает структура нанометрового масштаба. Среди разнообразных материалов, получаемых методом самоформирования, особое внимание привлекают полупроводниковые гетероструктуры с нанообьектами, обладающими уникальными, отличными

от трёхмерного (ЗЭ) материала свойствами, в частности, размерно-квантованным энергетическим спектром. С освоением технологии, основанной на использовании самоформирования в процессе гетероэпитаксии сильно решёточно рассогласованных полупроводников, связан качественный прорыв в развитии технологии синтеза массивов квантовых точек (КТ) в начале 1990-х гг. [3].

Фундаментальной задачей материаловедения наноструктур, получаемых методами самоформирования, является установление связи условий формирования, морфологией и свойствами наноструктур. Знание законов, связывающих свойства наноструктур с их морфологией и условиями формирования, служат основой для разработки технологий синтеза наноструктури-рованных материалов с необходимыми для практического применения свойствами.

В рамках настоящей работы проводились исследования по трём направлениям, объединённым общей направленностью на решение сформулированной выше фундаментальной проблемы физики и технологии твердотельных наноструктур, получаемых методами самоформирования: установление закономерностей связи условий формирования, морфологии, электронной структуры, энергетического спектра и электронных (оптических, фотоэлектрических и др.) свойства наноструктур трёх нижеперечисленных типов.

1. Нанокластеры (НК) Аи, сформированные на поверхности и в толще сверхтонких плёнок 8 Юг на подложках 81 методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Исследования металлических нанокластеров (МНК), как осаждённых на различные подложки [4], так и диспергированных в диэлектрических матрицах [э] в последние годы вызывают значительный интерес [6]. В таких системах наблюдаются эффекты кулоновской блокады [7], резонансное туннелирование [8] и т.п. [9]. В последние годы значительное внимание вызывают разработки технологий формирования и исследованиям нанокомпозитов, представляющих из себя системы металлических и полупроводниковых НК, диспергированных в сверхтонких диэлектрических

слоях на полупроводниковых подложках [10]. Практический интерес к подобным системам связан с перспективами создания на их базе одноэлектронных устройств [11], нелинейно-оптических сред (т. наз. метаматериалов) [12] и пр. Кроме того, такие структуры представляют интерес в качестве среды, способной хранить электрический заряд, локализованный на НК, с перспективой использования в МОП-транзисторах с плавающим затвором, являющихся элементами флэш-памяти [13]. Среди множества подобных материалов, система Si02:nc-Au представляет особый интерес. Поскольку отсутствуют стабильные химические соединения Аи и Si, равно как и оксид золота, возможно формирование нанокомпозитов Si02:nc-Au путём плазменного окислении смеси Аи и Si посредством сегрегации Аи в процессе окисления [14].

2. Гетероструктуры с КТ и квантовыми кольцами In(Ga)As/GaAs(001), полученные с использованием самоформирования в процессе МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении. КТ InAs/GaAs(001) являются на данный момент наиболее изученными среди всего многообразия ге-тероструктур с КТ, полученных к настоящему времени [15]. Исторически, в этой системе материалов были получены первые инжекционные лазеры с активной областью на основе КТ, экспериментально продемонстрированы фундаментальные свойства 0-мерных систем: дискретный энергетический спектр, независимость ширины линий фотолюминесценции (ФЛ) массива КТ и порогового тока лазеров на КТ от температуры [16]. К настоящему времени получены самоформирующиеся КТ в большом количестве систем материалов типа А3В5, А2В6, Ge/Si и пр. Однако интерес к КТ InAs/GaAs не ослабевает, несмотря на большое число работ, посвящённых изучению процессов самоформирования и свойств КТ InAs/GaAs(001) [16]. Остаётся открытым даже вопрос о точном определении энергетического спектра и пространственной конфигурации огибающих волновых функций размерно-квантованных электронных и дырочных состояний в КТ InAs/GaAs(001).

Если в большинстве опубликованных работ исследовались КТ, полученные методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или, реже, МОС-

гидридной эпитаксии при пониженном давлении, в настоящей работе предметом исследования являлись КТ, выращенные методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении, развиваемым в Научно-исследовательском физико-техническом институте (НИФТИ) Нижегородского государственного университета (ННГУ) им. Н.И.Лобачевского. Благодаря относительной простоте и связанным с этим экономическим достоинствам, особенно ценным при массовом производстве, дальнейшее развитие и усовершенствование этого метода, для чего необходимы исследования связи условий формирования, морфологии, электронной структуры и свойств КТ, полученных с его помощью, являются актуальными.

3. Самоформирующиеся островки 811 ех/81(001). Актуальность этого направления связана с проблемой создания светоизлучающих оптоэлектрон-ных приборов на базе традиционной кремниевой технологии (так называемой кремниевой оптоэлектроники) [17]. Основным препятствием на пути решения этой проблемы является непрямозонность 81, в связи с чем вероятность бе-зызлучательной рекомбинации в 81, как правило, много больше излучатель-ной. Как один из перспективных путей решения этой проблемы, рассматривалось использование самоформирующихся наноостровков 81 ]_лОеу/81(001) в качестве активной среды светодиодов и инжекционных лазеров, излучающих в практически важном для оптоволоконной связи диапазоне длин волн 1,3 -ь 1,6 цм (т. наз. коммуникативном диапазоне длин волн) [18]. Ожидалось, что благодаря эффекту размерного квантования в островках 8Юе/81(001), в них возможны квазипрямые излучательные межзонные переходы и, как следствие, повышение квантового выхода электролюминесценции (ЭЛ) [19]. В последнее время усилился интерес к исследованию фотоэлектрических свойств структур 81Се/81(001) в области энергий световых квантов Иу, меньших ширины запрещенной зоны 81 связанный с расширением спектрального диапазона фотоприемников на базе 81 в инфракрасную (РЖ) область (прежде всего — на коммуникативный диапазон 1,3 ^ 1,6 цм) [20].

Управление свойствами самоформирующихся островков 8Юе/81 — не-

обходимое условие их практического использования. Несмотря на большое количество работ по росту и исследованиям самоформирующихся островков 81Се/81(001), связь их морфологии и свойств с условиями роста остается не до конца выясненной. Для решения указанной задачи необходимы комплексные исследования с привлечением как традиционных, так и новых методов.

В большинстве опубликованных к настоящему времени работ гетерост-руктуры с наноостровками 8Юе/81(001) выращивались методом МЛЭ [21]. В настоящей работе исследовались островки 8Юе/81(001), полученные гибридным методом сублимационной МЛЭ (СМЛЭ) в сочетании с ГФЭ [22], развиваемым в НИФТИ ННГУ. В этом методе слои 81 осаждаются из сублимационного источника, а для осаждения ве в ростовую камеру напускается веНь который разлагается на поверхности нагретой подожки. Таким образом, данный метод представляет собой гибрид СМЛЭ и ГФЭ при низком давлении. Использование сублимационного источника для осаждения 81 позволяет выращивать структуры любой сложности с высоким кристаллическом совершенством при достаточно низких температурах осаждения (до 400 500°С), а, кроме того, предоставляет значительно более широкие возможности в выборе и доступной концентрации легирующих примесей, чем метод ГФЭ из силанов и МОС. Однако, если закономерности роста наноостровков 8Юе/81(001) в процессе МЛЭ интенсивно изучались в последние 15 лет (см., например, обзоры [23, 24]), то особенности роста и энергетического спектра островков 8Юе/81(001), выращенных методом СМЛЭ-ГФЭ к началу настоящей работы не были изучены, что и обусловило её актуальность.

Исследования по вышеуказанным направлениям включают в себя в качестве органической и ключевой составной части исследования морфологии, электронных и др. свойств самоформирующихся наноструктур в нанометро-вом масштабе размеров с применением различных методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). В цепочке "технология — структура — свойства" СЗМ (наряду с другими методами, как то: просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) [25], растровая электронная микроскопия (РЭМ) [26] и

др.) играет важную роль. Здесь следует отметить, что отличительной особенностью и, вместе с тем, немаловажным достоинством СЗМ является то, что наряду с информацией о структуре материала в нанометровом масштабе, различные методы СЗМ позволяют получать широкий спектр информации о различных физических (а также химических и пр.) свойствах материала с беспрецедентным пространственным разрешением. Уникальные возможности методов СЗМ позволяют, например, проводить анализ атомной структуры и локального состава материала отдельных КТ с субнанометровым пространственным разрешением [27]. Поэтому развитие методов СЗМ применительно к анализу различных видов самоформирующихся твердотельных наноструктур, чему, в значительной степени, посвящена настоящая работа, имеет несомненное научное и практическое значение.

Для изучения морфологии поверхностных наноструктур широко применяются методы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Метод сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) также �