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微区中分子束外延生长SiGe/Si异质结构研究

杨鸿斌  
【摘要】: 本论文中我们研究微区中外延生长SiGe/Si异质结构,由于外延层和掩膜窗口的边缘效应所引起的应变的变化,并讨论此应变的变化对于材料物理性质的影响。此外,在上述研究工作的基础上,我们提出了一种生长高品质应变Si的新方法。它利用微区生长材料的边缘效应引发应变弛豫的原理,结合Ge组分台阶变化Si_(1-x)Ge_x外延层对于失配位错的限制作用,成功地生长了高品质的具有张应变Si材料。 论文中各章讨论的内容如下: 第一章,主要介绍SiGe/Si异质结构的基本性质和论文研究工作的目的和意义。第二章,介绍MBE生长SiGe/Si异质结构材料的生长技术,和材料的表征方法。 第三章中,我们叙述了掩膜边缘及外延膜边缘效应,对于Si(100)衬底上微区生长的SiGe/Si异质结构中的应变和位错的影响的实验结果。研究了边缘效应对于共度生长材料和非共度生长材料的应变所产生的影响,并利用微区Raman光谱技术,研究了不同的掩模材料(SiO_2或Si_3N_4)的边缘效应对于微区中外延生长的SiGe/Si中的应变分布的影响。 在第四章中我们研究了微区生长SiGe/Si材料,由于边缘效应引起的应变变化,导致材料物理性质的变化。主要讨论两方面的内容:一,不同掩膜的边缘效应引起的外延层表面形貌的改变。二,研究微区生长SiGe/Si异质结构中,边缘引起的应变弛豫对于材料的热稳定性影响。实验表明,与无边界约束的生长材料相比,微区生长SiGe/Si材料的应变具有远为良好的热稳定性。它表明利用微区生长材料研制器件,有利于提高器件的可靠性。 第五章,我们利用外延薄膜边缘弛豫效应,研究外延生长SiGe薄膜表面纳米结构的密度和尺度随应变的变化,实验中观察到,由于Si_(1-x)Ge_x/Si层的部分应变通过外延膜的边缘释放后,导致Si_(1-x)Ge_x/Si表面的纳米结构的密度降低,同时横向尺度也发生变化。在外延纳米结构时通过外延区域尺寸的选择,可以在Ge组份不改变的情况下,实现对纳米结构密度及尺寸的改变。 第六章,我们利用微区外延技术生长高品质的应变Si材料。主要包括下面几个方面:一,研制生长高Ge组份,低位错密度,高应变驰豫的Si_(0.45)G_(e0.55)膜虚拟衬底。在3微米的窗口内成功生长了应变弛豫达90%,穿透位错密度低于2×10~5cm~(-2)的Si_(0.5)Ge_(0.5)虚拟衬底,而整个虚拟衬底厚度仅为340nm。二,在Si_(0.5)Ge_(0.5)虚拟衬底上生长高品质的应变Si膜。其张应变达到1.5%,穿透位错密度低于2×10~5cm~2。


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