Growth mechanisms in Ge/Si(111) heteroepitaxy with and without Bi as a surfactant

サーファクタントとしてのBiの有無にかかわるGe/Si(111)ヘテロエピタキシー成長機構

Paul, N.*; 朝岡 秀人  ; Mysliveek, J.*; Voigtlnder, B.*

Paul, N.*; Asaoka, Hidehito; Mysliveek, J.*; Voigtlnder, B.*

サーファクタント(界面活性剤)としてのBiの有無によるGe/Si(111)ヘテロエピタキシー成長機構の違いについて比較検討を行った。Geの格子定数はSiと比較して4%大きいためGe/Siヘテロエピタキシャル成長を行った際にストレスが生じ、成長形態に大きな影響を与える。第3の元素として用いたBiはSi基板上のGe成長時に表面偏析しサーファクタントとして作用する。Biの有無に関わらずいずれもストレスの存在する2次元成長がはじめに見られるが、Biの存在するものはそのまま2次元成長を続け、Biのないものはその後3次元アイランドを作製してStranski-Krastanov(SK)成長モードに変化しストレスを解消する。サーファクタントによる2次元成長は平衡状態に到る以前に原子の交換がうち切られるカイネティックな制限により生じると考えられる。

We compare the initial stages of growth of Ge on Si(111) with Bi as a surfactant and without surfactant. At the beginning of growth, 3D islands with a strain relieving dislocation network at their base are formed in both growth systems. These islands can be regarded as seeds of a flat relaxed Ge layer on Si(111). However, such Ge layer forms at later stages of growth only in the growth with Bi surfactant, while the growing Ge layer without surfactant remains rough. What makes the dierence and the success of Bi surfactant mediated epitaxy is the lateral growth and coalescence of the seed islands that cover the entire surface within first 15 bilayers of Ge deposition. This happens due to a kinetic limitation of the incorporation of Ge into the growing layer in the presence of surfactant.