Kurzfassung
In dieser Arbeit untersuchen wir mittels elektronenmikroskopischer
Methoden (konventionelle und hochauflösende
Transmissionselektronenmikroskopie von Querschnitts- und
Aufsichtsproben) die Wachstums- und Spannungs-relaxationsmechanismen
heteroepitaktischer Ge0.85Si0.15/Si Schichten (Fehlpassung zwischen
Schicht und Substrat f=0.036). Die Schichten wurden nahe dem
thermodynamischen Gleichgewicht aus metallischer Lösung (Bi, In, Sn) auf
Si-Substrate (Substratorientierung (001), (011) und (111))
abgeschieden. Aus der Analyse unserer experimentellen Untersuchungen
erhalten wir drei wesentliche Ergebnisse, die (i) die
Wachstumsmorphologie, (ii) die Bildung von Versetzungen in
Wachstumsinseln und (iii) die Versetzungsbeweglichkeit in hoch
verspannten Schichten betreffen.
(i) Die Entwicklung der Oberflächenmorphologie während des Wachstums verzerrter heteroepitaktischer Schichten läßt sich auf Grundlage der Bilanz von Spannungsenergie und Oberflächenenergie (in unserem Falle die Grenzfläche zwischen Substrat und Lösung) verstehen. Inselbildung (Stranski-Krastanov-Wachstum) relaxiert einen Teil der in der Schicht gespeicherten Verzerrungsenergie (elastische Relaxation). Dieser Reduktion der Vezerrungsenergie steht prinzipiell eine Zunahme an Oberflächenenergie durch Inselbildung entgegen. Zweidimensionales Wachstum läßt sich nur dann erhalten, wenn Facettierung durch Inselbildung zu einem Anwachsen der Oberflächenenergie um einen Betrag führt, der größer ist als der Gewinn durch die elastische Relaxation durch Inselbildung. In dieser Arbeit zeigen wir, daß sich mittels Lösungszüchtung die Oberflächenergiebilanz durch geeignete Wahl des Lösungsmittels einstellen läßt. Als wichtige Schlußfolgerung ergibt sich, daß sich die Differenz der Oberflächenenergie zwischen Schicht und Substrat in der Lösungszüchtung für selbstterminiertes Wachstum nutzen läßt.
(ii) Unsere Analyse des Versetzungsbildungsprozesses in hochfehlpassenden heteroepitaktischen Systemen zeigt, daß die Versetzungskeimbildung entscheidend von der Wachstumsmorphologie der Schicht beeinflußt wird: dreidimensionales Wachstum (z.B. Inselwachstum) führt zu einer inhomogenen Verteilung der Verzerrungen. Generell nukleieren Versetzungen dort, wo die Scherspannungen maximal sind. Bei Scherspannungen größer als 2 GPa gleiten Fehlpassungsversetzungen in sekundären (a/2)<110>110- und (a/2)<110>311-Gleitsystemen anstatt im gewöhnlich beobachteten (a/2)<110>111-Gleitsystem. Das Auftreten solcher Gleitsysteme erklären wir damit, daß unter bestimmten Bedingungen die Scherspannungen in den sekundären Gleitsystemen die Scherspannungen in den primären Gleitsystemen um einen Betrag überschreiten, der größer ist als die Differenz der jeweiligen Peierlsspannungen.
(iii) Auf der Grundlage eines von Hirsch vorgeschlagenen Modells zeigen wir, daß die spannungsbedingte Verschiebung des Fermi-Niveaus eine reduzierte Aktivierungsenergie (Kink-Bildungsenergie) für Versetzungsgleitung zur Folge hat. Experimentell bestimmte Aktivierungsenergien für Versetzungsgleitung in verzerrten Schichten (Hull et al., 1994) sind in guter Übereinstimmung mit unseren theoretisch berechneten Werten.
In this work we investigate by means of transmission electron microscopy (conventional and high resolution transmission electron microscopy of cross-sectional and plane-view samples) the growth and strain relaxation mechanisms in the high misfit regime in Ge0.85Si0.15/Si (misfit f=0.036 between layer and substrate). The layers are grown near thermodynamic equilibrium from metallic solutions (Bi, In, Sn) onto Si substrates with orientations (001), (011) and (111). The analysis of our experimental investigations yields three main results that concern the (i) growth morphology, (ii) the dislocation formation in islanded films and (iii) the dislocation glide in highly strained layers.
(i) The surface morphology of a strained layer that develops during growth can be understood in terms of a balance between elastic strain relaxation due to island formation and surface energy terms (in our case energy of the surface between substrate and solution). Island formation (Stranski-Krastanov growth) in any case reduces the strain energy stored in the layer due to elastic relaxation. This gain in strain energy can in principle be counterbalanced by an increasing surface energy due to an increasing surface area of the layer. If low energy facets (facets with surface energies lower than that facet that has the substrate orientation) can form, island formation reduces the surface energy and leads to an additional energy gain due to islanding. Two-dimensional growth is obtained in case faceting due to island formation would increase the total surface energy by more than is gained by reduction of elastic strain energy. We show that in solution growth we can selectively adjust the surface energies by the appropriate choice of the solvent. An important consequence of our analysis is the possibility to make use of the difference in surface energy between layer and substrate for selfterminating growth of layers from a solution.
(ii) Our analysis of the dislocation formation processes in highly misfitting epitaxial layers shows that the dislocation nucleation is essentially influenced by the growth morphology of the layer: a three dimensional surface morphology (eg islands) leads to an inhomogeneous strain distribution. Generally, dislocations nucleate at sites where shear stresses are maximum. The image force due to the surface generally reduces the nucleation energy for a corresponding dislocation half loop. For shear stresses higher than 2 GPa dislocation glide in secondary (a/2)<110>110 and (a/2)<110>311 glide systems instead of the commonly observed (a/2)<110>111 glide system. This observation can be explained by the high shear stresses resolved in these systems under selected crystal geometry. Under certain conditions the resolved shear stress in the secondary glide system exceeds that in the primary glide system by an amount higher than the difference in lattice frictional force (Peierls stress).
(iii) Based on a model by Hirsch for the effects of doping on dislocation mobility in semiconductors we show that a shift of the Fermi-level due to the strain induced bandgap leads to a reduction in kink nucleation energy. Thus a higher dislocation mobility is expected at higher strains. Experimental data on kink nucleation energies measured by Hull et al. (1994) are in good agreement with our calculated values. In consequence measurements of dislocation velocities in strained epitaxial systems can be used to determine dislocation states in semiconductors.