SiGe produkty připravené metodou CVD z různých prekurzorů

M. Klementová^1,3, V. Dřínek², L. Palatinus¹, M. Rieder⁴

¹ Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i., Cukrovarnická 10, 162 00 Praha, Česká republika

² Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i., Rozvojová 135, 165 02 Praha

³ Ústav anorganické chemie AV ČR, v.v.i., 250 68 Husinec-Řež, Česká republika

⁴ Česká geologická služba, Geologická 6, 150 00 Praha 5, Česká republika

klemari@fzu.cz

Úvod

Nanomateriály jsou v současné době středem zájmu pro svoje specifické chemické a fyzikální vlastnosti, které se díky jejich velikosti liší od vlastností ekvivalentních fází ve velkém objemu. V mikroelektronice jsou velice žádané nanoobjekty vyrobené z polovodičů, křemíku a germania, případně jejich kombinací ve např. ve formě strukturovaných nanovláken či slitiny SiGe. Přítomnost germania umožňuje rychlejší přenos informace v integrovaných obvodech vzhledem k jeho vyšší elekronové mobiltě ve srovnání s křemíkem (Ge - 3900 cm²/V.s; Si - 1500 cm²/V.s).

Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition) je běžná technika pro přípravu nanoobjektů (nanovláken, nanotrubiček, nanodestiček atd.). Využívá prekurzory, jejichž páry jsou vedeny do vyhřívaného reaktoru, kde jsou pyrolyticky dekomponovány za vzniku pevných produktů.

Metody

Vzorky byly připraveny pyrolýzou prekurzorů za použití techniky LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition). Byly použity dva rozdílné prekurzory a jim odpovídající nastavení aparatury. Vzorky připravené pyrolýzou tris(trimethylsilyl)germanu (Si(CH₃)₃)₃GeH byly deponovány na tantalovou podložku při teplotě 365 °C po dobu 90 minut. Pyrolitická aparatura pracovala v průtočném módu při tlaku 90 – 100 Pa. Vzorky připravené pyrolýzou hexamethyldigermanu Ge₂(CH₃)₆ společně s ethylsilanem (C₂H₅)SiH₃ byly deponovány na měděnou podložku při teplotě 500 °C po dobu 70 minut. Pyrolitická aparatura pracovala v průtočném módu při celkovém tlaku 180 Pa, z čehož bylo 110 Pa Ge₂(CH₃)₆ a 70 Pa (C₂H₅)SiH₃.

Vzorky byly studovány elektronovou mikroskopií (SEM, TEM, HRTEM) a elektronovou difrakcí (SAED, PED).

Výsledky

Prekurzor tris(trimethylsilyl)german (Si(CH₃)₃)₃GeH

Vzorky připravené z prekurzoru tris(trimethylsilyl)germanu (Si(CH₃)₃)₃GeH obsahují nanovlákna o průměru desítek nanometrů a délce až několika mikrometrů [1]. Nanovlákna vykazují vnitřní strukturu skládající se z jádra o průměru 10 až 30 nm a obalu o tloušťce 10 až 50 nm (Obr. 1a). Jádro je tvořeno monokrystalickým germaniem, zatímco amorfní Si/SiC obal obsahuje nanočástice germania o velikosti cca 5 nm.

Byly pozorovány tři typy nanovláken podle směru protažení (růstu) monokrystalového jádra: <110>, <111>, <211> (Obr 1). Nejčetněji se vyskytovala vlákna protažená ve směru <110>, která neobsahují žádné strukturní poruchy (Obr. 1a). Méně četná byla vlákna protažená ve směru <111>, ve kterých byl pozorován nepravidelný klad vrstev (111) či dvojčatění podle {111} (Obr. 1b). Dále byl v tomto typu vláken zjištěn čtyřvrstevný hexagonální polytyp germania s kladem vrstev ABCB (kubická struktura má klad ABC) ve směru protažení vlaken. Ve vláknech protažených ve směru <211> byly pozorovány lamely dokladující dvojčatění podle {211}.

(a) GeNW protažená ve směru <110>	(b) GeNW protažená ve směru <111>	(c) GeNW protažená ve směru <211>

Obrázek 1. TEM pozorování obalených nanovláken germania (GeNW). Vložené obrázky demonstrují elektronovou difrakci z příslušných nanovláken.

Prekurzor hexamethyldigerman Ge₂(CH₃)₆ a ethylsilan (C₂H₅)SiH₃

Vzorky připravené z kombinace prekurzorů hexamethyldigermanu Ge₂(CH₃)₆ a ethylsilanu (C₂H₅)SiH₃ obsahují shluky lístečkovitých krystalů SiGe a SiGe nanovlákna. Tvary lístečkovitých krystalů jsou v průmětu hexagonální, často protažené do listovitých čepelí. Krystaly mají velikost několika mikrometrů, ale jsou velice tenké. Jejich tloušťka je pouhých 40 nm. Lístky jsou zploštěny ve podle {111} kubické struktury křemíku (Obr. 2). Nanovlákna mají tloušťku kolem 10 nm a délku několik mikrometrů. Jedná se o monokrystaly protažené ve směru <111>, bez jakýchkoli defektů. Vlákna podléhají okamžité oxidaci na vzduchu, o čemž svědčí amorfní obal tvořený oxidy germania.

Předběžné výsledky studia pomocí elektronové difrakce indikují, že struktura nanolístků je superstruktura diamantového strukturního typu s nižší symetrií než kubickou. Na Obr. 2 lze pozorovat satelitní stopy způsobené strukturními modulacemi.

(a) zobrazení ve světlém poli	(b) elektronová difrakce (PED)	(c) HR TEM

Obrázek 2. TEM pozorování nanolístků SiGe.

Citace

1. Drinek, V. et al., Nanotechnology, 20(3), (2009), Art. No. 035606.

Poděkování.

Výzkum byl podporován grantovou agenturou GAČR (projekt 203/09/1088)a výzkumným záměrem AVČR (AV0Z40320502) .