Comparison between surfactant-mediated Bi/Ge/Si(111) epitaxy and Ge/Si(111) epitaxy

Biサーファクタントの有無によるGe/Si(111)エピタキシー成長形態の比較

Paul, N.*; 朝岡 秀人  ; Voigtlnder, B.*

Paul, N.*; Asaoka, Hidehito; 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の有無にかか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次元アイランドを形成して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いた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。

Using scanning tunneling microscopy (STM) the Ge epitaxy on a Bi terminated Si(111) surface is compared to the growth without surfactant. As soon as the 2 bilayer high wetting layer is completed with surfactant, Ge islands with a flat top and an underlying dislocation network occur. Elastic distortions due to the dislocation network result in periodic sub-Angstrom height undulations measured by the STM. In this case the Ge islands have the form of a mesa. With increasing Ge coverage, these mesas spread laterally. Beyond a Ge coverage of 10 bilayers, the Ge mesas have coalesced and further Ge deposition leads to a 2D layer-by-layer growth of Ge on Si(111). In epitaxy without the use of a surfactant as well, the formation of Ge islands with an underlying dislocation network is observed. However, in this case the Ge islands are much higher and show no tendency to coalesce. The partially relaxed islands coexist with another type of tall islands.