Procedura di preparazione dei substrati di Si Fz (100) e real-

virtuale Si

Ge

/Si

La realizzazione di una lega cubica rilassata di Si0.8Ge0.2, a partire da un

silicio cubico, introduce delle ulteriori difficoltà, legate alla presenza del dis- accordo reticolare, rispetto al caso dello SGOI e del SSOI.

Come nel caso precedente, prima della deposizione della lega di Si0.8Ge0.2,

viene effettuata una pulizia del substrato Si Fz di partenza. Tale procedura è estremamente semplice e consta, anch’essa, di un procedimento ex-situ ed uno in-situ.

La pulizia ex-situ consiste nella sola immersione in alcol isopropilico e nel trattamento in ultrasuoni per alcuni minuti.

La pulizia in-situ consiste in un annealing termico a 500°C, che ha lo scopo di eliminare le impurezze adsorbite sul substrato e sul portacampioni ed un an- nealing a alta temperatura (∼ 1100°), in atmosfera di idrogeno (PH2∼4mTorr),

che consente di eliminare il carbonio e l’ossigeno chimicamente legati alla su- perficie [38].

La concentrazione dei contaminanti, ottenuta mediante analisi XPS, al ter- mine di questo processo, è trascurabile ovvero al di sotto della soglia di rivelazione dell’apparato, che è dell’ordine di qualche parte su 10000. Per quanto concerne la realizzazione di una lega rilassata di Si0.8Ge0.2, a partire

da un substrato di Si FZ, la sequenza di crescita prevede inizialmente la de- posizione di un film epitassiale di Si di circa 1µm che consente di ricostruire una superficie di buona qualità cristallina. Tale strato è realizzato in un flus- so di SiH4 pari a 6 sccm, alla pressione di 1 mTorr e ad una temperatura di

850°C.

Una volta ottenuta una superficie di buona qualità per la crescita eteroepitas- siale, deve essere realizzato uno strato di Si0.8Ge0.2 completamente rilassato,

partendo da uno strato di Si cubico.

Come discusso nel capitolo 1, un film depositato su un substrato con diverso parametro reticolare, rilassa per spessori maggiori dello spessore critico, in- troducendo un’elevata densità di dislocazioni penetranti (109_{÷ 10}11_{) cm}−2_,

che possono difettare pesantemente gli strati attivi [74].

La densità di dislocazioni può essere drasticamente ridotta (fino a 106_cm−2_),

realizzando il cosiddetto substrato virtuale.

Quest’ultimo viene cresciuto alla temperatura di 800°C e si compone di due parti.

La prima si ottiene aumentando gradualmente il rapporto germano/silano nella camera di crescita, in modo da ottenere una variazione graduale,da 0

Figura 3.3.1: Pannello (a): sezione TEM di un substrato virtuale realizzato su Si FZ. Si distingue chiaramente la regione a concentrazione di Ge vari- abile, contraddistinta dalla presenza di strutture attribuibili alla presenza di dislocazioni e la regione a concentrazione costante. Pannello (b): Immag- ine AFM (80 x 80 µm) del cross-hatch pattern del substrato virtuale (in alto) e schema del meccanismo di formazione dell’ondulazione dovuta alla distorsione elastica dei piani del SiGe cresciuto su un substrato di Si.

fino al 20% , della concentrazione di Ge nella lega . La velocità di incremento della concentrazione nella lega, detta grading rate 6 _{è di circa 8.7%(Ge)/µm}

e lo spessore totale è di 2.4µm. La seconda regione del substrato virtuale è costituita da una lega di SiGe ad una concentrazione costante pari al 20% in germanio dello spessore di 1.7µm.

Come dimostrato dall’immagine TEM riportata in figura 3.3.1 (a), la proce- dura di crescita descritta, determina un confinamento delle dislocazioni al- l’interno del primo strato di SiGe a concentrazione variabile, mentre lo strato a concentrazione fissa cresce partendo da una condizione di quasi totale ri- lassamento. Si nota infatti che, in prossimità dell’interfaccia con il substrato

6

definita come l’aumento percentuale della concentrazione di germanio nella lega per micron di campione cresciuto

di Si, i segmenti di dislocazione hanno dimensioni e orientamento irregolari, mentre nella regione a concentrazione variabile tendono ad ordinarsi fino a diventare lunghi e paralleli. In prossimità dello strato uniforme tali segmenti risultano scomparsi.

Dal punto di vista della morfologia superficiale, i substrati virtuali presen- tano una caratteristica trama, detta cross-hatch pattern [12], visibile in figura 3.3.1 (b) in cui si riporta la topografia AFM di uno dei substrati realizzati. Essa è costituita da ondulazioni regolari della superficie, disposte lungo le direzioni <110> ed equivalenti, dovute alla tensione non omogenea, schema- tizzata in figura 3.3.1 (b), che è associata alla mappa di dislocazioni dovute al disaccordo reticolare. Queste tensioni locali possono determinare deposizioni non uniformi, specialmente nelle crescite ad alta temperatura, quando l’ele- vata lunghezza di diffusione sulla superficie permette agli atomi di collocarsi nei punti di minima energia. Dall’immagine è possibile stimare una rugosità dell’ordine dei 10 nm.

In conclusione è possibile fare un confronto tra i substrati di Si0.8Ge0.2 real-

izzati su SGOI ed SSOI con quelli realizzati su Si Fz.

E’evidente che i substrati realizzati su SGOI e SSOI risultano di qualità supe- riore, data la bassa rugosità e l’assenza di dislocazioni, rispetto al substrato virtuale. Tali caratteristiche rendono questi substrati particolarmente adatti alla realizzazione di dispositivi per il trasporto elettronico ad elevata mo- bilità, in quanto la rugosità delle interfacce è uno dei principali fattori che limitano la mobilità dei portatori [81]. Un vantaggio non meno importante è rappresentato dal fatto che i buffer realizzati su tali substrati sono molto meno onerosi da un punto di vista del tempo di realizzazione delle strutture e, di conseguenza del costo di realizzazione. A tale proposito, basta pensare che la realizzazione dei substrati virtuali richiede circa 8 ore, mentre, per ottenere dei buffer di una buona qualità cristallina su SGOI e SSOI, è suffi- ciente una deposizione di circa 40 minuti.

In questo lavoro abbiamo depositato le MQW sui tre tipi di substrato de- scritti, in modo da confrontare tra loro i relativi spettri di assorbimento infrarosso. Inoltre, nonostante i substrati virtuali presentino gli svantaggi elencati rendono più facile l’interpretazione degli spettri infrarossi. In par- ticolare, come dimostrato da misure di assorbimento IR (non riportate), su MQW realizzate su SSOI e SGOI, sono presenti assorbimenti relativi ai modi di stretching Si-O-Si, negli intervalli 92-109 meV e 130-160 meV. Tali assor- bimenti risultano molto intensi per via della geometria di misura a multipla riflessione, che verrà descritta nel prossimo capitolo, e rendono difficoltosa l’individuazione dei picchi relativi alle transizioni intersottobanda.