Estabilidade térmica de bolhas de Ne e He produzidas por implantação em Si(111)

Abstract

O crescimento epitaxial de GaN sobre substrato Si leva a possibilidade de integração entre as tecnologias que empregam GaN e Si. No entanto, uma diferença de ~17% entre os parâmetros de rede gera discordâncias que reduzem a qualidade da camada de GaN crescida. A fim de melhorar essa camada de GaN, um método baseado na formação de bolhas de He pressurizadas em substrato Si foi sugerido anteriormente (ver ref. [2]). As bolhas atraem os defeitos formados na interface GaN/Si e redireciona-os direto para o substrato Si, reduzindo a densidade de discordâncias na camada de GaN. Neste trabalho, nós estudamos substratos de Si(111) implantados com Ne e também coimplantados com Ne e He, em função da temperatura de recozimento. Ne foi o primeiro íon implantado e a temperatura da amostra foi mantida em 350°C durante a implantação, enquanto a implantação de He ocorreu a temperatura ambiente. Implantamos íons de Ne até fluências de 1 × 1015 cm-2 e 5 × 1015 cm-2, assim como Ne co-implantado com He em fluências de 5 × 1015 cm-2 e 5 × 1016 cm-2. Posteriormente, essas amostras foram submetidas a tratamento térmico rápido em temperaturas de 400 – 1000°C. Medidas de RBS e canalização (RBS/C) sugeriram uma boa estabilidade térmica dos sistemas coimplantados com 1 × 1015 Ne/cm-2 e 1 × 1016 He/cm-2, na faixa de 400 - 800°C. Medidas TEM mostraram, no entanto, que a morfologia das bolhas de He-Ne é similar ao sistema contendo Ne puro, mas com uma quantidade de defeitos devido implantação muito maior, mesmo para o sistema co-implantado em que a proporção He:Ne foi de 10:1. Além disso, não foi observado campo de tensão ao redor das bolhas, sugerindo que que o sistema está despressurizado.

The epitaxial growth of GaN on Si substrates opens the possibility of integrating GaN and Si technologies. However, the 17% lattice mismatch generates dislocations reducing the quality of the grown GaN. To improve the layer quality, a procedure based on the formation of pressurized He bubbles in Si substrate was suggested earlier (see ref [2]). The bubbles attract the misfit dislocations formed at Si/GaN interface and redirect them towards the Si substrate, thereby reducing the dislocation density in the GaN layer. In this work we have studied Si(111) substrates implanted with Ne and also co-implanted with Ne and He as a function of the annealing temperature. Ne has been the first ion type to be implanted and it has been performed keeping the sample at 350oC temperature, while He implantation has been carried out at room temperature. We have implanted the Ne ions up to fluences of 1 × 1015 cm-2 and 5 × 1015 cm-2, as well as Ne co-implanted with He up to fluences of 5 × 1015 cm-2 and 1 × 1016 cm-2, respectively. Subsequently, these samples were subjected to rapid thermal annealing ranging from 400°C to 1000°C. RBS/Channeling measurements suggested a greater stability of the coimplanted system with 1×1015 Ne/cm2 and 1×1016 He/cm2, in the range of 400 - 800°C. TEM measurements, however, demonstrated that bubble morphology of He-Ne was similar to that of the pure Ne system, with a much higher residual implantation damage, even in the case of He:Ne co-implantation ratio of 10:1. In addition, no stress field was observed around the bubbles suggesting an unpressurized system. We have concluded that the observed dechanneling, at the region of the implanted ions, are mainly due to Ne residual implantation damage and that the behavior of such systems are very different from the He pure one.