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III: Equipamento experimental

V: Resultados experimentais

V.1. Preparação e crescimento de amostras

V.2.3. Amostras crescidas por LEPE-CVD e MBE

V.2.3.2. Amostra #60.16 1 RSM

O resultado dos RSMs desta amostra é extremamente interessante do ponto de vista estrutural, devido ao facto de existir uma possível estrutura de mosaico bastante acentuada (cerca de 0.5º). Esta estrutura que começa junto ao substrato, onde aumenta rapidamente, e com a tendência a estabilizar com a medida que nos aproximamos do topo do gradiente. Na figura seguinte está ilustrado os mapas simétricos em torno do plano (004), segundo a direcção basal [110] à esquerda e [110] à direita. Os dois mapas foram efectuados segundo direcções perpendiculares, de forma a se confirmar a presença deste tipo estrutura. É de notar que a estrutura segundo a direcção [110] é ligeiramente superior à vista segundo a direcção [110], ou seja, o que se observa é apenas uma projecção da estrutura no plano de difracção.

Como se observa no mapa simétrico, é necessário recorrer à correcção do mapa assimétrico. Esta correcção é pouco precisa uma vez que os picos são muito largos e não uniformes. Assim optou-se por seleccionar a zona mais intensa de ambos os mapas

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70

Q

X

[110] (Å

-1

)

Q

Z

[001]

-1

)

Q

X

[110] (Å

-1

)

Fig. V.43 – Mapas simétricos em torno do plano (004) segundo diferentes direcções, como está indicado na escala das abcissas

(simétrico e assimétrico) e efectuar a correcção por essa linha (esta linha está representada em ambos os mapas por uma linha cheia preta).

Na tabela seguinte estão representados os resultados da correcção do mapa assimétrico, onde apenas foram corrigidos os picos referentes ao final do gradiente (2), ao VS representado na zona (3) e ao canal (4). O pico (1) corresponde ao substrato.

Tabela V.31 - Correcção do mapa assimétrico

Zona QX (Å-1) QZ (Å-1) ângulo (º) QX (Å-1) QZ (Å-1) Q’X (Å-1) Q’Z (Å-1) 1 0 4.6282 0 3.2725 4.6282 3.2725 4.6282 2 -0.0394 4.5027 0.51 3.1395 4.5318 3.1797 4.5037 3 -0.0394 4.5189 0.51 3.1395 4.5474 3.1797 4.5193 4 -0.0394 4.4159 0.51 3.1395 4.4437 3.1972 4.4154 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70

Q

X

[110] (Å

-1

)

Q

Z

[001]

-1

)

Fig. V.44 – Mapa assimétrico do plano (224) 2 4 3 4 Direcção 2θ perpendicular a θ-2θ

Tabela V.32 - Determinação dos parâmetros estruturais Zona QX (Å-1) QZ (Å-1) a (Å) c (Å) ε// εT Ge % R 1 3.2725 4.6282 5.4306 5.4304 --- --- --- --- 2 3.1797 4.5037 5.5890 5.5805 9.10-4 -7.10-4 67.6 1.032 3 3.1797 4.5193 5.5889 5.5612 3.10-3 -2.10-3 62.7 0.007 4 3.1972 4.4154 5.5900 5.6921 -1.10-2 8.10-3 95.8 0.016

Os parâmetros estruturais estão representados na tabela IV.32. O gradiente de concentrações está relaxado e o canal coerente com o VS, sendo a sua espessura estimada em 18 nm. À semelhança das amostras #680.72 e #680.75, também foi observada uma camada sobre tracção coerente com o topo do gradiente de concentrações, embora nesta amostra a camada representa o VS. Assim ao contrário de todas as restantes amostras, temos um VS sobre tensão.

Embora os picos bidimensionais sejam bastante largos, o que levaria numa análise rápida, a concluir que a qualidade cristalina é baixa, podemos verificar que este alargamento dos picos que se observa, é devido à baixa densidade de deslocações ao longo do gradiente de concentrações, ao contrario do que se esperaria, uma vez que o gradiente está relaxado. Nesta caso o gradiente ao relaxar tende a encurvar a própria amostra, de modo que a estrutura do gradiente se acomode para que a densidade de deslocações se reduza ao mínimo. Assim estamos perante o caso ideal de um gradiente de concentrações com uma reduzida densidade de deslocações, como está esquematicamente representado na figura I.9a). Daí o grande desvio angular verificado ao longo do grandiente (0.5º v.s. 0.07º verificado em amostra anteriores)

2. RBS

Foram efectuadas duas medidas de RBS, a primeira com um feixe de protões com 1.5 MeV de energia em incidência normal, de forma medir o VS. Na segunda medida foi utilizado um feixe de He+ com 1.6 MeV em incidência rasante, para medir as camadas activas. A aquisição foi assegurada pelo detector standard a 160º com uma resolução em energia de 20 keV. Os resultados experimentais estão ilustrados na figura seguinte, bem como o ajuste teórico representado a vermelho.

Uma vez mais no ajuste teórico foi usado o resultado do RSM no que diz respeito à concentração de Ge no canal, ou seja foi usada uma concentração de 94.5%, de resto como foi efectuado em todas as amostras anteriores.

50 100 150 200 250 300 350 400 0 2000 4000 6000

Co

nt

age

ns u.

a.

Canal

1.6 MeV

4

He θ=75º

Ge canal

Si

0 1000 2000 3000

1.5 MeV

1

H θ=7º

Ge

Si

Fig. V.45 – Espectros de RBS obtidos para o VS (cima) e para as camadas activas (baixo)

Tabela V.33 – Resultado do ajuste do espectro de RSB Camada Espessura (nm) (10Densidade 22 cm-3) Si % Ge % Rugosidade (nm) 1 4.13 4.996 100 0.00 0.0 2 94.99 4.611 35.19 64.81 0.0 3 22.15 4.454 4.6 95.4 0.0 4 57.72 4.611 35.76 64.24 0.0 5 11238.67 4.631 32.24 67.76 0.0

De acordo com os resultados obtidos representados na tabela, verifica-se que temos uma camada de Si superficial de 4 nm, e um canal com uma espessura de 22 nm entre duas camadas de cerca de 65 % de Ge. O VS tem uma concentração de 68 % e uma espessura de pelo menos 11 μm. Note-se que se conseguiu um excelente ajuste mesmo sem a presença de rugosidade, o que leva a crer que o seu valor é bastante inferior à espessura do canal.

3. Discussão

Os resultados de RBS e raios-x são bastante coerentes, principalmente no que diz respeito à concentrações de Ge. A maior diferença está na determinação da espessura do canal, que é de 22 nm no RBS e 18 nm através dos RSM.

O resultado dos RSMs é bastante interessante, porque à partida, e pela forma dos picos no mapa, a sua análise levaria à conclusão que estaríamos na presença de uma estrutura de baixa qualidade. Mas verifica-se o contrário, tanto os resultados de RBS como os da mobilidade (tabela V.34), indicam-nos que a heteroestrutura apresenta uma grande qualidade cristalina. Assim, teremos que abordar o facto da forma destes picos medidos através do RSM de maneira diferente, principalmente o pico referente ao gradiente de concentrações, uma vez que é nesta camada que toda a estrutura começa a inclinar-se. Comparando a forma deste pico com o esperado se estivermos perante o gradiente esquematicamente representado na figura I.9a), facilmente verificamos que são coerentes. Ou seja a elevada qualidade cristalina leva a uma baixa espessura da largura dos picos, que neste mapa é dada pela direcção 2θ (ver figura V.44). A curvatura leva a um alargamento dos picos na direcção perpendicular à direcção ω-2θ, também assinalada na figura V.44. Assim, ao contrário de todas as amostras anteriores, estamos perante o tipo de relaxamento ideal do gradiente de concentrações. Este fenómeno já foi verificado em outras estruturas SiGe, embora o mecanismo de relaxamento que leva a esta curvatura da estrutura, não esteja ainda muito bem desenvolvido.

Tabela V.34 – Resultado do ajuste do espectro de RSB

Amostra Mobilidade [cm-2V-1s-1] Densidade de cargas [cm-2]

9 K 294 K 9 K 294 K

V.3. Referências

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VI: Conclusões

Nesta secção é efectuada uma breve descrição do trabalho realizado durante o período desta tese, será efectuada uma correlação de resultados entre as várias amostras, evidenciando no fim as conclusões finais. Finalmente algumas sugestões serão apresentadas no que diz respeito à continuação deste trabalho.

Este trabalho teve como objectivo o estudo das propriedades estruturais de multicamadas de SiGe para aplicações na área da electrónica, nomeadamente em dispositivos electrónicos conhecidos como MODFET. Na realização deste trabalho foram usadas diversas heteroestruturas distintas, crescidas por diversos grupos de investigação, em colaboração com a Universidade de Warwick. Estas heteroestruturas foram divididas em dois grupos: as que são compostas por uma camada de concentração constante de Ge, como camada suporte para o VS, e as que têm um gradiente de concentrações, sobre o qual é crescido o VS. Sendo cada um dos grupos de amostras compostos por diferentes estruturas em camadas, onde as diferenças mais importantes advêm da concentração do VS e do canal e da sua espessura.

Na análise estrutural foram utilizadas duas técnicas de caracterização distintas: a difracção de raios-x onde, de entre muitas, foi utilizada a técnica de mapeamento bidimensional no espaço recíproco. Esta técnica revelou-se ser extraordinariamente útil na obtenção de informação estrutural detalhada e precisa, permitindo a obtenção de concentrações e estados de tensão com grande precisão, bem como a determinação de desvios angulares entre camadas, adicionalmente permitiu ainda estimar as espessuras dos canais. A espectroscopia de retrodispersão de Rutherford foi a segunda técnica experimental usada e permitiu além da obtenção de informação estrutural adicional à difracção de raios-x, como sendo a espessura e rugosidade, uma maior consistência dos resultados estruturais.

Em relação à difracção de raios-x, foram desenvolvidas algumas ferramentas que permitiram a realização e a análise dos mapas. Nestas ferramentas podemos incluir um procedimento experimental, que permite com grande resolução e de uma forma simplificada a orientação das amostras, de forma a prepará-las para as medidas

experimentais. E um conjunto de ferramentas desenvolvidas por software que permitiram o tratamento e a análise dados. No que diz respeito ao RBS, foram efectuadas medidas em todas as amostras com feixes de H+ e He+ em vários ângulos de incidência e vários valores de energia. A análise destes dados foi efectuada através do ajuste de curvas teóricas aos resultados experimentais, onde o ajuste é efectuado usando os diferentes espectros para cada amostra em simultâneo. Comparando estas duas técnicas experimentais de análise de heteroestruturas SiGe, verificou-se que a utilização destas duas técnicas, para além de se complementarem, são uma ferramenta imprescindível para este tipo de caracterização. Assim, a espessura e rugosidade no canal que é obtida por RBS, e é determinada a partir dos valores da concentração de Ge no canal obtido por difracção de raios-x.

Posteriormente os resultados de XRD e RBS foram confrontados com os resultados da caracterização eléctrica das amostras e com alguns resultados de TEM, obtidos pelos diferentes grupos de investigação.

Amostras sem gradiente de concentrações

A este grupo pertencem as amostras #622.83, #622.84 e #02.06, onde se verifica alguma diferença na mobilidade entre as duas primeiras, e uma grande diferença, quando comparadas com a última amostra. Confrontando estes resultados da mobilidade com os resultados estruturais, não resta dúvidas em verificar que esta diferença está directamente relacionada com a concentração de Ge no canal, onde as amostras #622.83 e #622.84 apresentam uma concentração de Ge de 77-78 % enquanto a amostra tem um canal com 94% de Ge, embora o canal esteja sujeito a uma tensão inferior, o que mostra que a mobilidade é mais sensível à variação de concentração de Ge no canal do que à sua tensão. Verifica-se ainda uma diminuição da mobilidade com a espessura da camada espaçadora. Outro factor que é importante salientar deve-se ao facto da largura a meia altura do pico do VS da amostra #02.06 ser bastante superior (cerca de 3 vezes) e com uma razão entre o eixo maior e menor (eixos da elipse que é a forma do pico) bastante superior, enquanto a largura (em QX) do canal se mantém similar. Isto leva a crer que a forma do VS influencia o desempenho do dispositivo, como veremos já de seguida nas amostras com gradiente.

Amostras com gradiente de concentrações

Comparando estas amostras com as anteriores, sem gradiente de concentrações, verifica-se que a mobilidade é superior neste tipo de estrutura, excepto as amostras #60.46 e #67.77, onde o valor da mobilidade é bastante baixo. Começando pelas amostras #60.46, a baixa mobilidade está directamente relacionada com baixa espessura do canal e um valor elevado de rugosidade, isto é, a espessura efectiva (espessura v.s.

rugosidade) de condução é extremamente baixa. Em relação à amostra #67.77, através da análise estrutural não se consegue justificar a baixa mobilidade. A amostra apresenta uma estrutura de bastante qualidade, e a mobilidade a baixas temperaturas é bastante elevada.

As amostras #680.72 e #680.75 apresentam uma elevada mobilidade quando comparada com as amostras anteriores, e este valor é bastante idêntico entre si embora na segunda seja ligeiramente superior. Esta diferença deve-se ao facto da espessura do canal na amostra #680.75 ser ligeiramente superior.

Contrariamente ao que à primeira vista seria de prever do resultado experimental dos mapas, a amostra #60.16 apresenta uma mobilidade de 2940 cm2.V-1.s-1, que é o melhor resultado de mobilidade obtido neste trabalho. De acordo com o resultado de RBS verifica-se que uma espessura de canal com cerca de 22 nm com uma boa qualidade das interfaces, como já se tinha verificado noutras amostras (por exemplo #680.75). Assim esta elevada mobilidade fica devido à forma de como o gradiente de concentrações relaxa, evitando ao máximo a criação de deslocações. Este tipo de estrutura está ilustrado na figura I.9.

Tratamento térmico

Em todas as amostras que se efectuou o tratamento térmico, observou-se um melhoramento da mobilidade para temperaturas por volta dos 650 ºC. Embora tanto nos RSMs como no RBS não se tenham observado mudanças estruturais significativas. Este fenómeno já tinha sido observado e fica devido a um ligeiro aumento da qualidade da rede cristalina. Outro facto importante está relacionado com a tendência de relaxação do canal e diminuição da concentração, acompanhada de um aumento da espessura, ou seja, à difusão do Ge para as camadas vizinhas.

Finalmente observa-se nas amostras recozidas #622.83 e #622.84 e #60.46 recozidas a 600 ºC, não é observado qualquer melhoramento significativo da mobilidade. Isto deve- se ao facto das soldaduras para os contactos metálicos para a medição da mobilidade, serem efectuadas a uma temperatura de 600 ºC durante cerca de 10 minutos, assim sendo em todas as amostras onde não foram efectuados tratamentos térmicos, na realidade são medidas após um tratamento a 600 ºC. Verificou-se ainda que para temperaturas elevadas (750º C e 900º C), a mobilidade é bastante comprometida, devido à dispersão de Ge do canal para as interfaces envolventes.

Considerações finais

Neste trabalho foi efectuado um estudo estrutural em heteroestruturas SiGe/Ge do tipo MODFET. Foram utilizadas basicamente duas técnicas de caracterização estrutural, a difracção de raios-x utilizado a técnica de RSM e a retrodispersão de Rutherford,

utilizando feixes de protões e hélio ionizado. Através dos RSM foi verificado e determinado a qualidade cristalina e o estado de tensões de todas as camadas, bem como a concentração de Ge. O RBS foi utilizado de forma a se obter uma maior credibilidade dos resultados, bem como para a determinação de espessuras e rugosidades.

Trabalho futuro

No seguimento deste trabalho está em fase de desenvolvimento uma técnica que permite a determinação dos desvios angulares reais entre camadas, nomeadamente no gradiente de concentrações. Este ponto é de extrema importância no que respeita ao mecanismo de relaxamento que leva à inclinação da camada, visto este ter uma grande influência na qualidade cristalina do VS e consequentemente na mobilidade no canal. Hoje em dia já existem alguns trabalhos onde é referenciado este facto, embora todos eles abordam este tema de uma forma superficial e pouco aprofundada.

Um ponto de interesse seria confrontar os resultados estruturais obtidos com outras técnicas como por exemplo com resultados ópticos de fotoluminescência onde se pode obter informação sobre as tensões aplicadas e defeitos.

Outro ponto de interesse seria comparar os resultados dos RSMs, nomeadamente da concentração de Ge, com Rocking Curves de alta resolução obtidos em sincrotrão, uma vez que estes tipos de resultados são bastante difíceis obter com fontes de raios-x comerciais, devido à baixa estatística.

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