OTTIMIZZAZIONE DELLE MQWs

La microscopia AFM è stata applicata alla caratterizzazione superficiale dei campioni di multi QWs s-Ge/SiGe. Questa tecnica ha permesso di evidenziare un abbassamento della rugosità superficiale in eterostrutture a deformazione parzialmente compensata (p-SB) rispetto ad eterostrutture non-compensate (no- SB). La parziale compensazione è avvenuta depositando un VS al 85% sul quale si sono alternati epistrati di Ge compressivo e barriere Si0.2Ge0.8 tensili drogate n

(vedi figura III.4a).

Il cap layer finale ha stessa concentrazione x del VS. Nelle strutture non compensate barriere, VS, e cap layer hanno stessa concentrazione x=0.80.

In figura III.4a è mostrato lo schema dell’intera eterostruttura delle multi QWs ed in figura III.4b la topografia superficiale del cap layer per sei diversi campioni dei quali quattro di tipologia p-SB, (pannelli A, B, C, D) e due campioni di tipologia

no-SB (pannelli E, F).

Si può’ notare che nel caso di eterostrutture p-SB si ottiene rugosità quadratica media che è circa la metà di quella tipicamente ottenuta in strutture no-SB.

Figura III.4a: Rappresentazione schematica dei campioni di Multi QWs p-SB nei quali si alternano pozzi (nero) quantici compressivi di Ge e barriere tensili di Si0.2Ge0.8 (bianco) drogate con fosforo (PH3). Il tutto è depositato sul VS ottimizzato e ricoperto con uno strato finale di Cap di Si0.15Ge0.85.

L’analisi Raman dei campioni di MQWs è avvenuta con la stessa procedura utilizzata per caratterizzare il VS risolvendo il sistema III.(2) per il modo di vibrazione ωGe-Ge sia negli strati SiGe che nei pozzi di Ge (la lunghezza di

Figura III.4b: Caratterizzazione AFM delle Multi QWs Ge\Si0.2Ge0.8 depositate coerentemente su substrato Si0.15Ge0.85 (A,B,C,D) e su substrato Si0.2Ge0.8. In basso ad ogni pannello è indicata la scala dell’area di scansione ed il valore massimo della quota z (zrange). Si può notare che nelle strutture p-SB si ottiene una rugosità superficiale su 15μm2 pari a 5nm<rrms<10nm mentre in eterostrutture non-SB la rugosità superficiale su 10μm2 è pari a 20nm<rrms<40nm.

In figura III.4c è mostrato un tipico spettro Raman ottenuto nei nostri campioni, confrontato con il modo ωGe-Ge misurato in un campione di Ge volume.

E’ importante puntualizzare che la parte attiva delle MQWs è depositata coerente al VS, pertanto l’analisi Raman ha permesso di determinare il passo reticolare parallelo nell’intera eterostruttura.

L’analisi Raman ha permesso di concludere che a causa della deformazione tensile residua del VS, nei campioni p-SB caratterizzati da xeq=0.93, le barriere

possiedono una consistente deformazione tensile con bar=+0.0042, mentre i pozzi

di Ge sono compressivi con well=-0.0025.

Nel Capitolo IV saranno discusse le conseguenze di questo fatto sulle energie delle transizioni interbanda ed intersottobanda.

Al fine di caratterizzare i meccanismi rilassamento plastico all’interno degli strati attivi e di valutare la densità di difetti strutturali nelle MQWs, queste sono state studiate approfonditamente tramite microscopia STEM.

L’analisi STEM ha permesso di determinare con precisione gli spessori di barriere e pozzi e di stimare la lunghezza di interdiffusione e rugosità delle interfacce Ge/Si0.2Ge0.8 con risoluzione di pochi angstrom. Le immagini STEM hanno

confermato la deposizione di strati altamente omogenei, la tecnica ha permesso un accurata taratura delle velocità di crescita (vedi figura III.4d,e), e ha permesso di verificare l’alto livello di riproducibilità di tutti i processi di crescita. Gli strati

attivi sono stati depositati ad una temperatura di Tdep=500° per la quale si è

riscontrata una debole lunghezza di interdiffusione e una rugosità di interfaccia di RMS=0,5nm. Questa valore è stato ricavato grazie a immagini STEM ad alta risoluzione HR-STEM che hanno evidenziato come questo valore sia principalmente dovuto alla presenza di terrazze atomiche, come mostrato in figura III.4e, D e in figura III.4d.

Figura III.4c: Spetti Raman del campione di MQWs #1594, (sopra) e del Ge(001) bulk di riferimento nella regione spettrale relativa al modo Ge-Ge.

Figura III.4d: Immagine HAADF-STEM del campione 1619 per diversi gradi di ingrandimento. La lunghezza di interdiffusione e la rugosità di interfaccia contribuiscono ad una rugosità pari a rRMS=0.5nm (pochi passi atomici).

Figura III.4e:Microscopia DF-STEM su Multi QWs Ge/ Si0.2Ge0.8 depositate si VS Si0,15Ge0,85/Ge/Si(001).

(a): propagazione di un difetto (SF) dall’interfaccia Ge/Si0.15Ge0.85 fino alla superficie del campione. nel riquadro è evidenziata la regione delle MQWs e l’effetto dello SF sul reticolo cristallino.

(b): contrasto associato al diverso contenuto di lega con la tecnica HAADF (+Ge  +chiaro) del campione 1616.

(c): Ingrandimento della regione attiva per calcolare lo spessore di barriere e pozzi quantici con errore inferiore al nm.

(d): HR-STEM permette di stimare la lunghezza di interdiffusione all’interfaccia pozzo-barriera e la rugosità media di interfaccia.

L’analisi XRD delle MQWs mostrata in figura III.4f, ha permesso di confermare sia lo stato di deformazione del VS al 85% e delle barriere di Si0.2Ge0.8, sia il

parametro reticolare nel piano che corrisponde a quello una lega cubica con

xGe=0.93=xeq. Questa considerazione come vedremo meglio nel Capitolo IV è di

fondamentale importanza al fine di determinare attraverso simulazioni i valori esatti di discontinuità di banda nei pozzi/barriere nelle diverse direzioni cristallografiche.

Figura III.4f: Mappa nello spazio reciproco (RSM) vicino alla riflessione (422) di un eterostruttura SiGe/Ge/Si. Nella figura sono mostrate le linee corrispondenti ad una crescita coerente e rilassata.

III.5 CARATTERIZZAZIONE

ELETTRICA E TARATURA