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Doctoral Thesis

Growth and characterization of semiconductor nanostructures inthe system Si-Ge-C

Author(s): Hartmann, Rainer Udo Maximilian

Publication Date: 1999

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-002073424

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Diss. ETH Nr. 12902

Growth and Characterization ofSemiconductorNanostructures in the

System Si-Ge-C

Dissertationsubmittt d to theSwiss Federal Institute of Technology Zürich

for the degree ofDoctor of Natural Sciences presented by

Rainer HartmannDipl. Phys. (Unhersitv of Würzbtirg)

born July 25, 1967

German Citizen

.*:

acecptcd on the recommendation ofProf. Dr. IC. Ensslin, examiner

Dr. D. Grützmacher, co-examinerDr. K. E-berl, co-examiner

199S

Abstract

This thesis cleais with flu MIBE (mole< cilaj In ma < plta-xy) f cowth and bin charac¬terization oj nariosfamcturesm the system Si-Gc-C. V Lat oc spectrum oJ material

Systems is studied. wbieb diffeor in. composition., strain distribution, dimension andsize ol tlw growth sones Ihr structural optre il md electrica] properties are Lu-

vestigated, u big the techniques of x-ca\ diJlractioxi (XRD), secondaiw, ion mass

spectronaetry (SIMS), transmission electron mieroscop\ (TEM), atomic Force mi-c:roscopy (AJ \l) photohun.inescen.ee(PL), Ivaman and in [mied (IR) spectroscopyas well as van der Pauw Ra.II and Mnibniko\ de Haas (ScltT) nieasmcments.

The Si(h In tetoepttaw ig shown to dopend on the lateral cum.« nsions ol ! h< growthzone. Tbc dislocation density m related SiGe buffers dericasos with the mesa sizeand it is (oinul that the size of the mesas can bc drasticalb) iiicreased along cer-

tain directions \\hil< mamhunnigthe lo\ dislocation density. The crystallographuorientatlonof Line shapf d mesas also clet« rrniaes whc (hei Symmetrie 01 asyminetricstrain relaxation ocenrs. Raman spectroscopy L1iri.stca.tes, that the strain is almosl

completeLj relieved in the overlayers ol du scpiarc mesas, whereas a a ifam ainormtof the strain remains in the layers on top ol flu mesa ridges. Slgnillc ml changesappear in the PL spectra, as the size and orlentafcioti of the mesa stripes, cespectjvciy, vari.es. \ decrease of the :mesa size suppresses the dislocation related huffeiLtiiairj.escen.ce. D< p< ndenl on th.« ouonlaiion ol (he mesa hm 3, (die lateral t:ecl.u< tionofthe growth zom shiffcs th« excitouk btiffei PI to lower eneegies and allows theObservation ol spaiiaLlsj nidirect Si/SiOequantum w< 11 laininescence, respectively.Th( broadlumincscena , that ishptcalh observed foi MBEgrown. S'.i-Ge-Csamples,is shown to orighiate Jiom ion bom.bard:men.t within the deposition chainber. Ihcbomhatdnwnf daxaag« is illustrated by TEM. An externa] Geld during the growthand i hei mal annealing alter the growth afreci the munhei and spatial distributionof the la.ttl.ee delects, and si1aultane.ous.l3 cluuigf die PL chaaacte ustics. The sup-pressionol bombauhm ni damageisespeclaü.3 lm.port-an.1 foi the geowth o:l 0 alloys,where rathei low growth temp« 1 rtuces are required. For the cha.i j.cteri.stics oi two-

diiu.erksio.tiaJ hole gases (2 DHGs) ion bombardment is fotind to pla\ a mmol role,and scattering al: the interface ronghnesa of Si/SiGt iun< tions and charged impurities in SiGeG structures appear as the factors, which are limiting the mobility.Band gap and band aliumucd 111 strain reduced Si/SiGeO multiple quantum weih

(MQAYs) are studied by PL spectroscopy. Typ« I band dign_me.nl with rathei large

condu.cti.on band offsets is found. TIk offsets are calculated fo:i different Ge and (

concentrations h) model solid theory and linear extra.pola.tiono( 1 he experim.ent.aiJ3found band discontbinities. The possibiiilpj ol'achievme both electron and hol« con

iinerueut m Si\-.x-vGexCXJlayers without: the med ol ceiaxed Imffers is discussed.

The G depe.11d.eni Variation ol the band ott'sets. togethei with (he different coirßxum< ol shdts ol the \{2, and \( 11 stat.es, are show 11 to describe tlu band gap loweriligfor exactij strain comperrsated SiGeG. Thus, Si-i-T~yGe.xGy behavea different to

hz/S/]^,(f, quantum weil structures, where tlu humm.esccn.ee energy monotonnalh

varles wdh the G concentration and is well described b\ strain effects aionc, even

while neglecting the confnu ment shifts.I he influence of a ubmonobner ol ( on the sclf-assc mbled formal ion ol Ge dots is

investigated Pols with lateral sizes between 150A and 250 V are fabricated below

the critical thickness fo:i two dlm.ension.al growth.. (uowth toropeiaüue ( coverageand Ge ove.ilaver thickness are tahen as growth variables. Doi luminescence with

a broacl no phonon (KP) Line and almosl conipleteh suppressed phonon äignai i-

measured. An increasing growth temperature and post growth arrneais at dith i

ent temperatures. respectively, are shown lo lead to a graduaj trarrsition from clot

io quantum well related PL. The assienment ol zero and two-dimensionalcharg«tecombmation is suppoited bv exeitation dependent PI spectroscopy.

Zusammenfassung

Die Dissertation behandelt die Elerstellung und Charakterisierung von Halbleiter--

IN anosüiiktureu ans den Elementen Si, Ge and C. Die Stinktmen untersch.el.clensich dabei in ihrer Zusammensetzung, Vorspannung, Dimension sowie m dm late¬

ralen Größe ihrer Wachstumsflache Die Ma.teriaJ.ab ch eidüng erfolgte mittels der

Molekularstrahlcpitaxic (MBE), und die strukturellen, optischen, und elektrischen

Eigenschaften winden mit den Techniken dei Röntgenstra,] hhlliaktonx tue (XRD),SekundaiRuienmassenspektrometrie(SIMS). Transmissions« I« Lctronen- (TJ3M) und.

Kialimikioskopie (APAD, Photolumineszenz-(PL), Paman- und Infrarot Spektro¬skopie (TR.) sowie van dci Pauvv Hall und Sltubnikcw ck Haas (Sdli) MesstmgenoiitersiH ht.

Unterschiede m der lateralen Dimension einer freisteht nclen Wa< hstumdladie (Me¬sa) äußern sich in untei 5< hiedlu Liem Wa< listunisveihalten von SiGe lief;« ios« bic.Li.ten.

Die. Verseteungsdichte in relaxierten.Si Ge Buffern verringert sich mit abnehmenden

Größe clei Wachsirnrnsnaesa. Ferner zeigt sich i\<-\^ entlang bestimmtei Kristall

rl.cht.un.gen du Wadisturo.sfia.che ausgeciehirt werden kann, ohne daß dies zu einer

erhöhten \mahl an Vereetaungen führt. Die liristahographische kisrichtung der

Mesa eo.tsch.dd.et clarübej hinaus zwischen symmetrischem und as} aximetrischein

-Ibbau der Vorspannung Di.« llanianspektroskople veranschaulicht,daß die SiGe

Episch ich ten an! cpiadratisc Iren i\ U ms nu hr relaxierenals die entsp:ce< liencien Schi« htett auf linlenförmkmn Mesa.s. Besonders ausgeprägte Auswirkungen haben die un¬

ters chiecLIicheu Größen und Orientierungen der Mcsastreifen auf die PL-S'pektren.Verringerl man du laterale Mesagröße, so werch n du Im icbmiette Buffer typischenVersetzungslinieu unterdrückt. Eim g1.el< hsei.ti.ge Rotverschiebungden exsitonlschen.

Buffer.luxnh:iesze:na sowie das Auftrete n lamniuh urdirekte;! Quanten.trogiu.ttiiD.es2en.asind dabei abhängig von d.e.i Ausrichtung der Mesalinien,Tut typisches Merkmal Im das \1B1 -Wachstum von Si-Ge-C Proben ist das \ul

treten eines hielten Signalbarides m den jeweiligen Luniilnesserixspektcen In die¬

ser Vrbeit wird gezeigt, daß diese-, auf lonemmphmlationwählend des Vbschei-

dungsproaesses zurückzufahren Ist. In TEM Antnahmen werden diese Implantat!onsschäclen sichtbar. Ein äußeres Feld während des Wachstumssowie üaehträgii ch.es

thermisches Ausheilen beeinflussendie Ansah! und räumliche Verteilung dei Gitter-defekte und verändern so die Lummesz*nscharakteiri tik dei Probe. DI« Verrneidtnigder Lfnp]an talionsschäclen ist besonders bei tiefen Wach turnstemperaturc n, wiesle

für den su.bst.ltutlonelien Umbau von 0 in das SiGe Gittei benötigi wilden, von

Wichtigkeit. Für die Gharaktenslik zwei- cllmenslouaiei Lochgase erscheinen die

\.osWirkungen der Km-situ" Implantation nur von untergeordnetes Bedeutung in

SI/SlGe ITeterostrukturenwird die Beweg!Ichkeil in erstes Pitm cloreh. die Streuungan Greiisliächem auhlgkeiten beg.ten.at, während l:n Sl.Ge( Proben verstärkt Streu¬

ung an geladenen Verunreinigungen aultritt.

Die Größe der Ba31diucJ.ce und den Baudsprängt m vers'pa.D.nun.gsreduslertenSi/SiGeC Quant.(:XT.i.t.rogstru.lvturexi und mit hülfe von Photolumi'nesaenaxn.essn.ngenbestimmt. Klare filnwelsc aul eine Bandu luktui vom Dp 1 mit aulfallend großenLei tungsbandinhornogenl täten werden gefunden. 'Model solid Theorie und lineare

Extrapolation d<u experim.ente.lien Ergebnisse erlauben die Bestimmung dei Band-

Sprung« Im verschieden« Ge und C-konzeatration.en. Es scheant, daß auch oh¬

ne das Wachstum relaxierter SiGe Butler Löcher und Elektronen innerhalb derSiGeG Schichten loka.lisl.erl weiden können. Die experimentell beobachtete Ve.i

ringerung det Bamllmke von verspanuuiigslosein SiGeG kann mit Hilfe der C—abhängigkeit dei Bcinchllskontlnultäten sowie dei unterschiedlichenQuantlslerungsenerglen für die A(2) und A( 1) Zustände (tklart werden. Dies steht In Geg< osats zu

Si/Sii-vOv Quantcmiiogs( Luhtmem deren bumines/enzenergiensich monoton mit

dei G konzent tahon ändern. Zudem, reichen die Verspanuungseffekte zun Bescbreibring der SifSii-yCy PL aus, ohne daß Quanj islermigseffekte mitbeuieksnhtlgi wer¬

den müssen.

Die Vbrbedeclrung des Sl-Substrats mit Kohlenstoß von wenigen als einer lVEon.oIa.gebeeinflußt das selbstorgauislert« Wachstum von Ge-lnsein. Unterhalb der kriti¬schen Sdilch.tcilcke für zwei--clirnensionales Wachstum bilden sich Inseln mit latera¬len Ausdehnungenvon 150A - 250A ans. Die Einflüsse von Waclistm.mstemaperat.ur,C-Bedeckungund Ge Sclu.clit.dicb weiden untersucht. M11ll.-cLlmensI0.naie I ummeszenz mit verbreiterter diu biet Rekombmat lonsllnle (NP) und last vollständigunterchuckiei Phononbme weiden gemessen. Eine Erhöhungder \\ ac hüumstempeial ut.

bzw. ein nachträglichesTempern bei verschiedenen Texuperaturen führen zu einemsdirittwelsen1 bergangvon null—dimensionaler zu zwei- dnncnuonalci 1 uminesaena.Deren [dentlfislerrrngsteht in Einklang mit PIr-messimgcn bei verschiedenen Anre-enm?s(iichtem