mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2014-1-24-31mateltech-15Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSДАЛЬНОДЕЙСТВУЮЩИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ПЛЕНКЕ, СОЗДАННЫЕ ДИСЛОКАЦИЯМИ НЕСООТВЕТСТВИЯLONG RANGE STRESSES IN EPITAXIAL FILMS GENERATED WITH MISFIT DISLOCATIONSТрухановЕ. М.TrukhanovE. M.

доктор физ.−мат. наук, ведущий научный сотрудник

Doctor of Physico−Mathematical Sciences, Leading Researcher

trukh@isp.nsc.ruКолесниковА. В.KolesnikovA. V.

кандидат физ.−мат. наук, старший научный сотрудник

Candidate of Physico−Mathematical Sciences, Senior Researcher

trukh@isp.nsc.ruЛошкаревИ. Д.LoshkarevI. D.

кандидат физ.−мат. наук, младший научный сотрудник

Candidate of Physico−Mathematical Sciences, Junior Researcher

trukh@isp.nsc.ruИнститут физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, просп. Лаврентьева, д. 13РоссияInstitute of Semiconductor Physics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrenteva ave., 13Russian Federation201413032015012431Copyright © Труханов Е.М., Колесников А.В., Лошкарев И.Д., 20152015Труханов Е.М., Колесников А.В., Лошкарев И.Д.Trukhanov E.M., Kolesnikov A.V., Loshkarev I.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/15

Для границы раздела (ГР) произвольной ориентации (hkl) впервые получено выражение, устанавливающее взаимосвязь между параметром несоответствия эпитаксиальной гетеросистемы f, числом дислокационных семейств, участвующих в процессе снятия напряжений несоответствия, линейными плотностями дислокаций несоответствия (ДН) каждого семейства, а также значениями проекций краевых компонент векторов Бюргерса ДН на ГР. Для получения выражения рассмотрены дальнодействующие поля нормальных и сдвиговых напряжений, возникающие в приповерхностном слое эпитаксиальной пленки. Сформулированы критерии оптимального и неоптимального протекания релаксационного процесса снятия напряжений несоответствия. Для ГР (001) и (111) обсуждена проблема уменьшения плотности пронизывающих дислокаций при введении пересекающихся ДН, имеющих одинаковые векторы Бюргерса (Г-образных ДН). Показано, что эффективная генерация таких ДН возможна только на начальной стадии релаксационного процесса, поскольку сопровождается увеличением уровня дальнодействующих сдвиговых напряжений.

The equation connecting the misfit parameter f, the number of misfit dislocation (MD) families and the distances between MDs of the same family with the edge Burgers vector components taken for different dislocation families is obtained for the first time. It is valid for various interface boundaries (hkl). To get the equation, the long range normal and shear stresses associated with MD distribution have been considered. The optimum and non−optimum stress releasing processes are discussed. The problem of threading dislocation density diminution with generation of intersecting MDs with the same Burgers vector (L−shape MDs) is also considered for (001) and (111) interfaces. It is shown that such type MDs grow the level of the long range shear stresses and can be effectively generated only at an early stage of relaxation.

кремнийгерманийдальнодействующие напряжениядислокации несоответствияоптимальная и неоптимальная релаксацияsilicongermaniumlong range stressesmisfit dislocationsoptimum and non−optimal relaxationReferencesMatthews, J. W. Fracture and the formation of misfit dislocations between PbS and PbSe / J. W. Matthews // Phil. Mag. – 1971. – V. 23, N 186. – P. 1405—1416.Matthews J. W. Fracture and the formation of misfit dislocations between PbS and PbSe. Phil. Mag. 1971, vol. 23, no. 186, pp. 1405—1416.Matthews, J. W. Defects associated with the accommodation of misfit between crystals / J. W. Matthews // J. Vac. Sci. Technol. – 1975. – V. 12. – P. 126—133.Matthews J. W. Defects associated with the accommodation of misfit between crystals. J. Vac. Sci. Technol. 1975, vol. 12, pp. 126—133.LeGous, F. K. Strain−relief mechanism in surfactant-grown epitaxial germanium films on Si(111) / F. K. LeGous, M. Horn-von Hoegen, M. Copel, R. M. Tromp // Phys. Rev. B. – 1991. – V. 44. – P. 12894—12902.LeGous F. K., Horn−von Hoegen M., Copel M., Tromp R. M. Strain-relief mechanism in surfactant−grown epitaxial germanium films on Si(111). Phys. Rev. B. 1991, vol. 44, pp. 12894—12902.Волынцев, А. Б. Наследственная механика дислокационных ансамблей. Компьютерное моделирование и эксперимент / А. Б. Волынцев. – Иркутск : Изд-во Иркут. Ун-та, 1990. – 288 с.Volyncev A. B. Nasledstvennaya mekhanika dislokatsionnykh ansamblei. Komp’yuternoe modelirovanie i eksperiment [Hereditary mechanics of dislocation ensembles. Computer modeling and experiment]. Irkutsk, Izd–vo Irkut. un–ta, 1990. 288 p. (In Russ.)Пинтус, С. М. Дислокационная структура границы раздела Ge—Si (111) / С. М. Пинтус, А. В. Латышев, А. Л. Асеев, В. Ю. Карасев // Поверхность. – 1984. −№ 8. – С. 60—65.Pintus S. M., Latyshev A. V., Aseev A. L., Karasev V. Yu. Dislocation structure of limit of the section Ge—Si (111). Poverhnost’. 1984, no. 8, pp. 60—65. (In Russ.).Труханов, Е. М. Напряженное состояние и дислокационная структура гетеросистем германий/кремний с интерфейсами (001), (111) и (7710) / Е. М. Труханов, И. Д. Лошкарев, К. Н. Романюк, А. С. Ильин, А. К. Гутаковский, А. В. Колесников, М. М. Качанова // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы: электрон журн. 2011.05.07. URL:http://ptosnm.ru/.Truhanov E. M., Loshkarev I. D., Romanyuk K. N., Ilin A. S., Gutakovskii A. K., Kolesnikov A. V., Kachanova M. M. Napryazhennoe sostoyanie i dislokatsionnaya struktura geterosistem germanii/kremnii s interfeisami (001), (111) i (7710) [Tension and dislocation structure of heterosystems Ge/Si with interfaces (001), (111) and (7710)]. Fazovye perehody, uporyadochennye sostoyaniya i novye materialy: electron zhurn. 2011.05.07. URL:http://ptosnm.ru/. (In Russ.)Труханов, Е. М. Структурное состояние гетеросистем Ge/Si с интерфейсами (001), (111) и (7710) / Е. М. Труханов, И. Д. Лошкарев, К. Н. Романюк, А. К. Гутаковский, А. С. Ильин, А. В. Колесников // Изв. РАН. Сер. физ. – 2012. – Т. 76, № 3. – C. 373—376.Trukhanov E. M., Loshkarev I. D., Romanyuk K. N., Gutakovskii A. K., Ilin A. S., Kolesnikov A. V. Structural state of Ge/Si heterosystems with (001), (111), and (7710) interfaces. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Seriya fizicheskaya. 2012, vol. 76, no. 3, pp. 373—376. (In Russ.)Труханов, Е. М. Возникновение дальнодействующих полей нормальных и сдвиговых напряжений при введении дислокаций несоответствия / Е. М. Труханов, А. В. Колесников, И. Д. Лошкарев // Тез. докл. Междунар. конф. «Кремний−2012». – Санкт−Петербург, 2012. – С. 84.Trukhanov E. M., Kolesnikov A. V., Loshkarev I. D. Vozniknovenie dal’nodeistvuyushchikh polei normal’nykh i sdvigovykh napryazhenii pri vvedenii dislokatsii nesootvetstviya [Emergence of dalnodeystvuyushchy fields of normal and shift tension at introduction of dislocations of discrepancy]. Tez. dokl. Mezhdunarodnoi konf. «Kremnii−2012». Sankt−Peterburg, 2012. P. 84. (In Russ.)Trukhanov, E. M. Specific features of the dislocation structure of germanium in the system Ge-SiO2 / E. M. Trukhanov, E. B. Gorokhov, S. I. Stenin // Phys. status solidi. – 1976. – V. 33. – P. 435—442.Trukhanov E. M., Gorokhov E. B., Stenin S. I. Specific features of the dislocation structure of germanium in the system Ge-SiO2. Phys. status solidi. 1976, vol. 33, pp. 435—442.Димитриенко, Ю. И. Тензорное исчисление / Ю. И. Димитриенко. – М. : Высшая школа, 2001. – 575 с.Dimitrienko Yu. I. Tenzornoe ischislenie [Tensor calculation]. Moscow: Vysshaya shkola, 2001. 575 p. (In Russ.)Труханов, Е. М. Влияние типа дислокаций несоответствия на энергию и структуру эпитаксиальных пленок / Е. М. Труханов // Поверхность. – 1995. – № 2. – С. 13—21.Trukhanov E. M. Influence of type of dislocations of discrepancy on energy and structure of epitaxial films. Poverhnost’. 1995, no. 2, pp. 13—21. (In Russ.)Хирт, Дж. Теория дислокаций / Дж. Хирт, И. Лоте. – М. : Атомиздат, 1972. – 599 с.Hirth Dzh., Lote J. Teoriya dislokatsii [Theory of dislocations]. Moscow: Atomizdat, 1972. 599 p. (In Russ.)Фридель, Ж. Дислокации / Ж. Фридель. – М. : Мир, 1967. – 643 с.Fridel Zh. Dislokatsii [Dislocations]. Moscow: Mir, 1967. 643 p. (In Russ.)Труханов, Е. М. Влияние типа винтовой составляющей дислокаций несоответствия на образование пронизывающих дислокаций в полупроводниковых гетероструктурах / Е. М. Труханов, А. В. Колесников, А. П. Василенко, А. К. Гутаковский // ФТП. – 2002 – Т. 36, № 3. – C. 309—316.Trukhanov E. M., Kolesnikov A. V., Vasilenko A. P., Gutakovskii A. K. Influence of type of a screw component of dislocations of discrepancy on formation of penetrating dislocations in semiconductor heterostructures. Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2002, vol. 36, no. 3. pp. 309—316. (In Russ.)Тимошенко, С. П. Теория упругости / С. П. Тимошенко, Дж. Гудьер. – М. : Наука, 1975. – 576 с.Timoshenko S. P., Guder Dzh. Teoriya uprugosti [Elasticity theory]. Moscow, Nauka, 1975. 576 p. (In Russ.)Труханов, Е. М. Роль винтовой составляющей при формировании дислокационной структуры в гетеросистемах, приготовленных на основе Ge и Si / Е. М. Труханов, А. С. Ильин, А. Ю. Красотин, А. П. Василенко, А. С. Дерябин, М. М. Качанова, А. К. Гутаковский, А. В. Колесников // Поверхность. – 2007. – № 5. – С. 28—36.Trukhanov E. M., Ilin A. S., Krasotin A. Yu., Vasilenko A. P., Deryabin A. S., Kachanova M. M., Gutakovskii A. K., Kolesnikov A. V. Role of a screw component when forming dislocation structure in the heterosystems prepared on the basis of Ge and Si. Poverhnost’. 2007, no. 5, pp. 28—36. (In Russ.).Тхорик, Ю. А. Пластическая деформация и дислокации несоответствия в гетероэпитаксиальных системах / Ю. А. Тхорик, Л. С. Хазан. – Киев: Наукова Думка, 1983. – 135 c.Tkhorik Yu. A., Hazan L. S. Plasticheskaya deformatsiya I dislokatsii nesootvetstviya v geteroepitaksial’nykh sistemakh [Plastic deformation and discrepancy dislocations in heteroepitaxial systems]. Kiev: Naukova Dumka, 1983. 135 p. (In Russ.)Мильвидский, М. Г. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях полупроводников / М. Г. Мильвидский, Б. В. Освенский – М.: Металлургия, 1985. – С. 51.Mil’vidskii M. G., Osvenskii B. V. Strukturnye defekty v epitaksial’nykh sloyakh poluprovodnikov [Structural defects in epitaxial layers of semiconductors]. Moscow, Metallurgiya, 1985. p. 51. (In Russ.)LeGoues, F. K. Self−aligned sources for dislocation nucleation: the key to low threading dislocation densities in compositionally graded thin films grown at low temperature / F. K. LeGoues // Phys. Rev. Lett. – 1994. – V. 72, N 6. – P. 876—879.LeGoues F. K. Self−aligned sources for dislocation nucleation: the key to low threading dislocation densities in compositionally graded thin films grown at low temperature . Phys. Rev. Lett. 1994, vol. 72, no. 6, pp. 876—879.Strunk, H. Low−density dislocation arrays at heteroepitaxial ge/gaas−interfaces investigated by high voltage electron microscopy. / H. Strunk, W. Hagen, E. Bauser // J. Appl. Phys. – 1979. – V. 18. – P. 67—75.Strunk H., Hagen W., Bauser E. Low−density dislocation arrays at heteroepitaxial Ge/GaAs−interfaces investigated by high voltage electron microscopy. J. Appl. Phys. 1979, vol. 18, pp. 67—75.LeGoues, F. K. Mechanism and conditions for anomalous strain relaxation in graded thin−films and superlattices. / F. K. LeGoues, B. S. Meyerson, J. F. Morar, P. D. Kirchner // J. Appl. Phys. – 1992. – V. 71, N 9. – P. 4230—4243.LeGoues F. K., Meyerson B. S., Morar J. F., Kirchner P. D. Mechanism and conditions for anomalous strain relaxation in graded thin−films and superlattices. J. Appl. Phys. 1992, vol. 71, no. 9, pp. 4230—4243.Vdovin, V. I. Misfit dislocations in epitaxial heterostructures: Mechanisms of generation and multiplication. / V. I. Vdovin // Phys. status. solidi. (a). – 1998. – V. 171. – P. 239—250.Vdovin V. I. Misfit dislocations in epitaxial heterostructures: Mechanisms of generation and multiplication. Phys. status. solidi. (a). 1998, vol. 171, pp. 239—250.Beanland, R. Dislocation multiplication mechanisms in low-misfit strained epitaxial layers / R. Beanland // J. Appl. Phys. – 1995. – V. 77, N 12. – P. 6217—6222.Beanland R. Dislocation multiplication mechanisms in low-misfit strained epitaxial layers. J. Appl. Phys. 1995, vol. 77, no. 12, pp. 6217—6222.Jasinski, J. Structural, electrical and optical studies of GaAs implanted with MeV As or Ga ions / J. Jasinski, Z. Lilientalweber, J. Washburn, H. H. Tan, C. Jagadish, A. Krotkus, S. Marcinkevicius, M. Kaminska // J. Electronic Mater. – 1997. – V. 26, N 5. – P. 449—458.Jasinski J., Lilientalweber Z., Washburn J., Tan H. H., Jagadish C., Krotkus A., Marcinkevicius S., Kaminska M. Structural, electrical and optical studies of GaAs implanted with MeV As or Ga ions. J. Electronic Mater. 1997, vol. 26, no. 5, pp. 449—458.LeGoues, F. K. Relaxation of SiGe thin-films grown on Si/SiO2 substrates. / F. K. LeGoues, A. Powell, S. S. Iyer // J. Appl. Phys. – 1994. – V. 75, N 11. – P. 7240—7246.LeGoues F. K., Powell A., Iyer S. S. Relaxation of SiGe thin-films grown on Si/SiO2 substrates. J. Appl. Phys. 1994, vol. 75, no. 11. pp. 7240—7246.Рид, В. Т. Дислокации в кристаллах / В. Т. Рид. – М. : Гос. н.-т. изд-во литературы по черной и цв. металлургии 1957. – 114 с.Rid V. T. Dislokatsii v kristallakh [Dislocations in crystals]. Moscow: Gos. n.–t. izd–vo literatury po chernoi i tsv. metallurgii, 1957. 114 p. (In Russ.)Лошкарев, И. Д. Теоретическое и экспериментальное определение начальной стадии пластической релаксации напряжений несоответствия в гетеросистеме «подложка (111) – островки пленки» / И. Д. Лошкарев, Е. М. Труханов, К. Н. Романюк, М. М. Качанова // Изв. РАН. Сер. физ. – 2012. – Т. 76, № 3. − C. 425—428.Loshkarev I. D., Truhanov E. M., Romanyuk K. N., Kachanova M. M. Theoretical and experimental determination of the initial stage of plastic relaxation of misfit stresses in a (111) substrate-film islands heterosystem. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Seriya fizicheskaya. 2012, vol. 76, no 3, pp. 425—428. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.