Las observaciones realizadas mediante microscopía electrónica de transmisión en capas de SiGe crecidas por SPE indican que existe una capa de alta calidad cristalográfica situada junto a la intercara entre la epitaxia y el sustrato. A continuación de estas capas sin defectos aparecen los defectos responsables de la relajación. Los espesores de las capas sin defectos que es posible crecer, junto a los comentarios realizados sobre su estructura o calidad por los diversos autores que las han crecido y caracterizado, se resumen en la Tabla 2.4.
AUTORES CARACTERÍSTICAS DE LA CAPA
[Referencia] x d (nm) Observaciones
[Hong Q, 92] 0.04 > 350 Pseudomórfica
[Paine, 91A] 0.054 > 200 Pseudomórfica
[Kringhøj, 94] 0.085 > 120 Pseudomórfica
[Hong Q, 92] 0.1 30 Buena calidad
[Lee, 93] 0.12 40 Libre de defectos
[Chilton, 89] 0.16 30 Pseudomórfica
[Kringhøj, 94] 0.17 30 - 50 ?
Tabla 2.4. Características de las capas de SiGe libres de defectos, situadas junto a la intercara entre
capa y sustrato, crecidas por diversos autores mediante epitaxia en fase sólida.
Si la fracción de Ge es pequeña, el espesor de capa que puede ser crecido por SPE sin que aparezcan defectos suele ser superior al de la capa de SiGe disponible originalmente. Así ocurre con las capas de 350 nm de espesor con
x
= 0.04 analizadas en [Hong Q, 92], la capa dex
= 0.054 y 200 nm de espesor caracterizada en [Paine, 91A] y la capa dex
= 0.085 y espesor 120 nm estudiada en la referencia [Kringhøj, 94]. Los análisis realizados en estas capas muestran que su calidad cristalográfica es excelente, son pseudomórficas y no presentan ningún tipo de defecto en su estructura cristalina.En capas de SiGe con
x
= 0.1 se ha encontrado que el espesor de la zona sin defectos es del orden de 30 nm [Hong Q, 92]. Los defectos observados en la parte superior han sido identificados como dislocaciones ascendentes que se propagan hasta la superficie de la muestra, pero no hacia la intercara. En las capas dex
= 0.12 crecidas y analizadas en [Lee, 93] se indica que la región situada junto a la intercara, de unos 40 nm de espesor, está relativamente libre de defectos. Los autores se refieren a ella como capa coherente, aunque no ofrecen datos sobre su grado de deformación elástica. Los defectos observados en la parte superior de la capa de SiGe han sido identificados como dislocaciones y fallos de apilamiento.Los resultados presentados en la referencia [Paine, 91A] muestran que el crecimiento de capas de
x
= 0.116 y 0.17 tiene lugar de forma coherente y sin que aparezcan defectos hasta que se alcanza un determinado espesor, dependiente de la composición. A partir de este momento aparecen defectos que producen la relajación de las capas. Los autores describen los defectos observados como fallos de apilamiento limitados en los extremos que terminan en el interior del cristal por dislocaciones. También se indica que no fueron observadas dislocaciones aisladas en las capas. Los autores no proporcionan datos sobre los espesores de las capas sin defectos crecidas y tampoco analizan el grado de deformación de las capas.En la referencia [Chilton, 89] se presentan resultados sobre el crecimiento de una capa de
x
= 0.16 y 30 nm de espesor crecida por SPE. La calidad cristalográfica de la capa es excelente y la deformación elástica total, por lo que el espesor de capa coherente y libre de defectos que es posible crecer con esta fracción de Ge debe ser igual o superior a 30 nm.La región sin defectos de la capa de
x
= 0.17 a la que se alude en la referencia [Kringhøj, 94] tiene un espesor entre 30 y 50 nm, según las indicaciones de los autores. Las medidas realizadas mediante difractometría de rayos X en esta muestra revelaron que existe un significativo grado de relajación global. Sin embargo, al encontrarse la capa sin defectos situada bajo otra capa mucho más gruesa y que presenta una gran densidad de defectos, nada puede decirse sobre su grado de deformación.El análisis de una capa de
x
= 0.29 y 30 nm de espesor presentado en la referencia [Chilton, 89] indica que tiene el 25% de la deformación necesaria para la coherencia. El grado de deformación es un valor medio representativo de toda la capa y no se proporcionan datos que permitan conocer la distribución en profundidad de dicha deformación. Tampoco se ha analizado la existencia de una capa sin defectos en esta muestra. Otras capas de fracciones de Ge superiores, como la dex
= 0.3 analizada en [Paine, 90] o las dex
= 0.37, 0.47 y 0.67 estudiadas en [Kringhøj, 94] aparentemente crecen relajadas desde la intercara, aunque su deformación no ha sido analizada detalladamente.El modelo de espesor crítico aplicable al crecimiento de capas de SiGe sobre Si por epitaxia en fase sólida fue propuesto por Paine et al. [Paine, 90]. La formulación detallada del mismo se encuentra en el Apéndice A-3. Se define el espesor crítico para la aparición de determinado tipo de defecto como aquél para el que el trabajo realizado por el esfuerzo interno presente en la capa durante el deslizamiento asociado a la formación del defecto (energía liberada) es igual a la energía necesaria para la introducción de dicho defecto en la red. Los defectos observados por estos autores en las capas crecidas por SPE son normalmente fallos de apilamiento situados en los planos del tipo (111) que se extienden normalmente desde una determinada profundidad hasta la superficie de la muestra y están limitados en los extremos situados en el interior del cristal por dislocaciones. El deslizamiento producido por estas dislocaciones es el que permite eliminar la deformación elástica de las capas. Los vectores de Burgers de estas dislocaciones pueden formar 90º ó 30º con la línea de dislocación, que está orientada en alguna de las direcciones <110> paralelas al plano de crecimiento [Paine, 90]. También se han considerado, como comparación, las dislocaciones de desacoplo típicas de procesos de relajación de capas de SiGe obtenidas por otros métodos de crecimiento epitaxial en fase vapor. El vector de Burgers de estas dislocaciones forma un ángulo de 60º con la línea de dislocación, que se extiende también a lo largo de las direcciones <110> paralelas al plano de la intercara. Estas dislocaciones están aisladas y no van asociadas a ningún fallo de apilamiento como en el caso anterior. La estructura de todos estos defectos se describe con más detalle en el Apéndice A-3. La Figura 2.9 muestra las curvas que definen el espesor crítico para la aparición de cada uno de los defectos indicados en función de la fracción de Ge de las capas. En ella se representan también los espesores de las capas sin defectos determinados por diversos autores y resumidos en la Tabla 2.4.
FRACCIÓN DE Ge (x) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 ESPES O R (n m ) 1 10 100 1000 b) 30º + FA c) 90º + FA a) 60º a b c Chiltonet al. Paineet al. Honget al. Leeet al. Kringhøjet al.
Figura 2.9. Espesores de las capas sin defectos en función del contenido en Ge. Se incluyen los
cálculos teóricos del espesor crítico [Paine, 90]. Símbolos blancos: el espesor total de la capa crecida se encuentra libre de defectos. Símbolos negros: el espesor de la capa sin defectos es inferior al espesor total de la capa crecida. FA: fallo de apilamiento.
Las curvas teóricas indican que en capas con fracciones de Ge superiores a