Кремниевые пластины с (211) ориентацией

Кремниевые подложки обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, высокая механическая прочность и соответствие теплового расширения кремниевым схемам считывания в таких областях, как инфракрасные матрицы в фокальной плоскости и высокоэффективные солнечные элементы. Однако обычно используемые кристаллические плоскости с низким показателем преломления, такие как Si(001) и Si(111), сталкиваются с двумя внутренними трудностями при выращивании полярных полупроводников (например, CdTe, GaP): суммарный интерфейсный заряд и селективность атомных позиций. Если на поверхности подложки имеется только один тип конфигурации оборванных связей, в эпитаксиальном слое неизбежно появляются противофазные домены, что серьезно ухудшает характеристики устройства.

Поверхность Si(211) естественным образом решает эту проблему. Эту кристаллическую плоскость можно рассматривать как узкие (111) террасы, периодически расположенные вдоль направления [1-1-1]. Каждая поверхностная элементарная ячейка (9,41 Å × 3,84 Å) одновременно содержит атомы Si в двух различных координационных окружениях: атомы террасы (T) трехкоординированы с одной оборванной связью, а краевые атомы (E) двухкоординированы с двумя оборванными связями. Эта двухмодовая система оборванных связей позволяет Si (211) естественным образом различать различные элементы в соединениях III-V или II-VI: катионы (Ga, Cd) преимущественно связываются с атомами террасы с одинарной оборванной связью, тогда как анионы (P, Te) предпочитают краевые атомы с двойной оборванной связью, тем самым достигая нейтрального заряда интерфейса. Экспериментально на подложках Si(211) были успешно выращены высококачественные слои CdTe большой площади и использованы при изготовлении инфракрасных детекторов HgCdTe. PAM-XIAMEN может производить кремниевые пластины с ориентацией (211) со следующими характеристиками:

1. Характеристики (211)-ориентированных кремниевых пластин.

Пункт	Тип/Допация	Ориентация.	Диаметр	Толщина (мкм)	Surf.	Рез Омсм	Комментарий
PAM3037	n-тип Si:Sb	[211] ±0,5°	4 "	1500 ±15	P / P	0.01-0.02	SEMI Test, 1Flat, Empak cst, пластины можно полировать за дополнительную плату
PAM3038	n-тип Si:Sb	[211] ±0,5°	4 "	1600	С/С	0.01-0.02	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3039	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ >50	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3040	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3041	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3042	n-типа Si:P	[211] ±0,5°	3 "	1016	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3043	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3044	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3045	n-типа Si:P	[211-5°] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3046	n-типа Si:P	[211] ±0,5°	3 "	508	P / P	ФЗ 25-75	Prime, 1Квартира, Комната Эмпак
PAM3047	n-типа Si:P	[211] ±0,5°	3 "	1016	P / P	ФЗ 25-75	ПОЛУ ТЕСТ, 1 плоская, Empak cst
PAM3048	n-типа Si:P	[211] ±0,5°	3 "	1016	P / P	ФЗ 25-75	SEMI Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3049	p-тип Si:B	[211] ±0,5°	3 "	525	P / P	>10	SEMI Prime, 1Flat, Empak cst
PAM3050	p-тип Si:B	[211] ±0,5°	3 "	525	P / E,	>10	SEMI Prime, 1Flat, в кассетах Empak по 7, 8 и 8 пластин.
PAM3051	n-тип Si:As	[211] ±0,5°	3 "	550	Э/Э	0.0030-0.0042	SEMI Prime, 2Квартиры, Эмпак ЦСТ
PAM3052	n-типа Si:P	[211]	3 "	450	P / P	50-65

 

Перед эпитаксией подложки требуют высокотемпературной очистки, которая может вызвать реконструкцию или огранку, влияя на зародышеобразование. Кроме того, As и Te часто используются в качестве поверхностно-активных веществ для улучшения режима роста. Поэтому глубокое понимание структуры чистой поверхности Si(211) и адсорбционного поведения As и Te имеет решающее значение для определения окна процесса.

2. Реконструкция и стабильность чистой поверхности Si(211)

2.1 (2×1) Реконструкция димера

Идеальная поверхность Si(211) с объемным окончанием состоит из атомов террасы (T), краевых атомов (E) и атомов канала второго слоя (Tr). Хотя эта модель послужила отправной точкой для раннего теоретического анализа, расчеты теории функционала плотности (плосковолновой псевдопотенциал, приближение GGA, энергия отсечки 250 эВ) показывают, что идеальная поверхность не является конфигурацией с самой низкой энергией — две оборванные связи, переносимые краевыми атомами, приводят к существенной реконструкции поверхности.

Рис. 1. Вид сверху на идеальную поверхность Si(211) с объемными окончаниями (обозначены T, E, Tr и места адсорбции).

Наиболее устойчивой реконструкцией является димеризация краевых атомов вдоль направления [01-1], образующая структуру (2×1). Оптимизированная длина связи димера Si-Si составляет 2,45 Å, а краевые атомы подняты примерно на 0,6 Å относительно атомов террасы. Каждый димер дает выигрыш в энергии 2,1 эВ. Экспериментально дифракция низкоэнергетических электронов последовательно подтверждает 2-кратную периодичность в направлении [01-1], а сканирующая туннельная микроскопия наблюдала парные яркие полосы, возникающие из димеров краевых атомов. Ключевые геометрические параметры этой реконструкции следующие: расстояние T(4)-E(4) 2,26 Å, димер E(3)-E(4) 2,45 Å, E(4)-L3(4) 2,37 Å, валентный угол L2(3)-T(4)-E(4) = 88,67° и T(4)-E(4)-L3(4) = 105,04°.

Рис. 2. Вид сверху на восстановленную поверхность (2×1) (димер и сайты B, H, D, V).

2.2. Реконструкция восстановленной (1×1) и нестабильность π-связанной цепи.

Если краевые атомы удалены, атомы террасы верхнего слоя могут связываться с атомами третьего слоя, образуя восстановленную поверхность (1×1). Его поверхностная энергия на 0,013 эВ/Ų выше, чем у структуры (2×1), разница лежит на границе точности вычислений; следовательно, две реконструкции могут сосуществовать в разных условиях подготовки. Характерные длины связей для этой реконструкции включают: T(4)-L3(4) = 2,46 Å, L3(4)-L3(4) = 2,52 Å и валентный угол T(4)-L3(4)-L3(4) = 137,56°.

Рис. 3. Вид сверху восстановленной структуры (1×1) на поверхности Si(211).

Все попытки построить реконструкцию π-связной цепи, аналогичную реконструкции на Si(111), не увенчались успехом; при релаксации поверхность всегда возвращается к структуре (2×1), что указывает на неустойчивость этой реконструкции на Si(211).

Рис. 4. Модель реконструкции нестабильной π-связной цепи на поверхности Si (211)

2.3 Фасетирование, вызванное температурой

После высокотемпературного отжига (>1200°C) на поверхности Si(211) образуются грани (111)-5×5 и (111)-7×7. Дифракция низкоэнергетических электронов показывает дополнительные пятна вдоль направления [1-1-1], а анализ профиля линии сканирующей туннельной микроскопии показывает, что при 1260 ° C размер грани достигает примерно 75 Å, а периодичность вдоль [1-1-1] уменьшается примерно с 19 Å при более низких температурах до примерно 10,5 Å. Это говорит о том, что в эпитаксиальных процессах следует избегать чрезмерно высокотемпературного отжига, чтобы предотвратить чрезмерный рост граней (111), что разрушило бы преимущество Si(211) в двух позициях.

3. Адсорбция As и Te на Si (211).

На поверхности Si(211) имеется несколько мест адсорбции (сверху, перемычка B, полость H, впадина V и т. д.). На идеальной поверхности наиболее стабильным местом для As является B (энергия связи 5,37 эВ), тогда как Те предпочитает сайт H (~ 4,7 эВ). Оба элемента имеют несколько энергетически близких центров (разница <0,3 эВ), что объясняет экспериментально наблюдаемую многоцентровую адсорбцию Те.

На реконструированной поверхности (2 × 1), обычно используемой в практической эпитаксии, оптимальным местом для As становится V (энергия связи 4,84 эВ), поскольку после димеризации краевых атомов краевые атомы больше не могут образовывать прочные двойные связи с As; Оптимальное место для Te — B (4,09 эВ), а место V немного ниже (4,02 эВ).

При покрытии 0,5ML (четыре атома, занимающие позиции B), As подвергается димеризации (расстояние As-As 2,55 Å, энергия связи увеличивается до 5,28 эВ), тогда как Te не димеризуется (энергия связи остается ~ 4,09 эВ). Это связано с конфигурацией валентных электронов Te 5s²5p⁴, которая предотвращает образование связи Te-Te после соединения с двумя атомами Si. Таким образом, As пригоден в качестве ПАВ для стимулирования послойного роста (формирования плавающего димерного слоя), а Те — для пассивации оборванных связей без введения дополнительной реконструкции.

Расчеты зонной структуры показывают, что обе поверхности проявляют металлический характер при покрытии 0,5ML, что позволяет предположить, что на начальных стадиях эпитаксии должен быстро образовываться составной слой, чтобы экранировать поверхностные состояния подложки.

Если вам нужна кремниевая подложка с ориентацией (211) для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Сен П., Батра И.П., Сиванантхан С., Грейн Ч.Х., Дхар Н. и Чирачи С. (2003). Электронная структура кремния, покрытого Te и As (211). Физическое обозрение Б, 68(4), 045314.
2. Фулк К., Сиванантхан С., Завитц Д., Сингх Р., Тренари М., Чен Ю.П.,… и Дхар Н. (2006). Структура поверхности Si(211). Журнал электронных материалов, 35(6), 1449-1454.