DOI: 10.1051/jp3:1994163
J. Phys. III France 4 (1994) 733-740

In-situ surface technique analyses and ex-situ characterization of Si _1-xGe _x epilayers grown on Si(001)- by molecular beam epitaxy

D. Aubel¹, M. Diani¹, M. Stoehr¹, J. L. Bischoff¹, L. Kubler¹, D. Bolmont¹, B. Fraisse², R. Fourcade² and D. Muller<sup>3

1</sup>  Faculté des Sciences et Techniques, Université de Haute Alsace, Laboratoire de Physique et de Spectroscopie Electronique, URA-CNRS 1435, 4 rue des Frères Lumière, 68093 Mulhouse Cedex, France
²  Université de Montpellier II, Laboratoire des Agrégats Moléculaires et des Matériaux Inorganiques, Place E. Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 05, France
³  Laboratoire de Physique et Applications de Semi-conducteurs, Centre de Recherche Nucléaire, UPR-CNRS 292, 23 rue du Loess, 67037 Strasbourg Cedex 2, France

(Received 15 Novemher 1993, accepted 4 January 1994)

Abstract
Si _1-xGe _x epilayers grown by Molecular Beam Epitaxy on Si(001) at 400  C have been analyzed in-situ by surface techniques such as X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopies (XPS and UPS), Low Energy Electron Diffraction (LEED) and photoelectron diffraction (XPD). The Ge surface concentrations ( x) obtained from the ratios of Ge and Si core level intensities are systematically higher than those obtained by the respective evaporation fluxes. This indicates a Ge enrichment in the first overlayers confirmed by Ge-like UPS valence band spectra. The structured crystallographic character of the epilayers is ascertained by LEED and XPD polar scans in the (100) plane since the Ge Auger LMM and the Si 2p XPD intensity patterns from the Si _1-xGe _x epilayers are identical to those of the Si substrate. The residual stress in the epilayer is determined by ex-situ X-ray diffraction (XRD) which also allows, as Rutherford Back Scattering (RBS), Ge concentration determinations.

Résumé
Des couches minces d'alliage Si _1-xGe _x épitaxiées à 400  C sur des substrats Si(001) sont caractérisées in situ par des techniques d'analyse de surface telles que la spectroscopie de photoélectrons X et ultraviolet (XPS, UPS), la diffraction d'électrons lents (LEED) et la diffraction de photoélectrons (XPD). Les concentrations de germanium en surface déterminées à partir des rapports d'intensité des niveaux de coeur du germanium et du silicium sont systématiquement supérieures à celles obtenues à partir des flux d'évaporation. Ce résultat indique un enrichissement en germanium des couches proches de la surface, confirmé par l'obtention de spectres UPS similaires à ceux du germanium massif. Les résultats de LEED et ceux obtenus par XPD confirment la structure cristallographique des couches dans la mesure où les variations angulaires de l'intensité des pics Auger LMM du germanium et Si2p du silicium dans l'alliage sont identiques à celles du silicium (001). La contrainte résiduelle dans la couche est déterminée par diffraction de rayons X qui, comme la RBS, permet d'accéder à la concentration de l'alliage en germanium.

© Les Editions de Physique 1994