Selbstdiffusion in Silizium-Germanium-Legierungen

Abstract

Selbstdiffusionsuntersuchungen in relaxiertem Si-Ge in Abhängigkeit vom Ge-Gehalt y und der Temperatur T wurden mittels des Radiotracer-Verfahrens durchgeführt. Als Sonden für die Ge-Selbstdiffusion wurden 71Ge-Atome (Halbwertszeit t½ = 11 d) verwendet, die am Institut für Strahlen- und Kernphysik (ISKP) der Universität Bonn oder am Massenseparator ISOLDE am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) in Genf implantiert wurden. Als Sonden für die Si-Selbstdiffusion wurden 31Si-Atome (Halbwertszeit t½ = 2,6 h) verwendet, die am IGISOL-Beschleuniger der Universität Jyväskylä implantiert wurden. Die bestimmten 71Ge- und 31Si-Diffusionskoeffizienten D unterscheiden sich für gleiche Zusammensetzungen kaum, nehmen mit zunehmendem Ge-Gehalt zu und folgen Arrhenius-Gesetzen D = D0exp(-H/kT). Beim Übergang von Si-reichem zu Ge-reichem Si1-yGey findet ein Wechsel des Diffusionsmechanismus vom indirekten Zwischengitteratom-Mechanismus zum Leerstellen-Mechanimus statt. Dieser Wechsel macht sich als deutlicher Knick bei y = 0,35 in den Kurven D(y) bei festem T, H(y) und D0(y) bemerkbar. Bei dieser Zusammensetzung findet in der ungeordneten Legierung Si-Ge ein Übergang von einem festen und harten (Si-ähnlichen) Kristallgitter zu einem weichen und lockeren (Ge-ähnlichen) Kristallgitter statt. Zur Messung der Diffusion kurzlebiger Isotope (Halbwertszeiten < 1 d) war es nötig, eine Vakuumkammer so umzubauen, daß in ihr die Implantation der kurzlebigen Radioisotope (z. B. 31Si), die Diffusionstemperung und die anschließende Schichtenteilung durch Ionenstrahlzerstäubung on- beamline und in-situ durchgeführt werden können. In dieser neuartigen Apparatur konnte zusätzlich die Diffusion von 11C (t½ = 20 min) in Ge gemessen werden. Die Ergebnisse für H und D0 legen die Annahme eines Leerstellen-Mechanismus für die C-Diffusion in Ge nahe.

Self-diffusion in Si-Ge alloys was studied as a function of Ge conent y and temperature T using radiotracer techniques. 71Ge isotopes (half-life 11 d) were used a probes for Ge self-diffusion. The isotopes were implanted at Institut für Strahlen- und Kernphysik (ISKP) at Bonn University or at the mass separator ISOLDE at the European Organization for Nuclear Research (CERN) in Geneva, Switzerland. 31Si isotopes (half-life 2.6 h) were used as probes for Si self-diffusion. The isotopes were produced and implanted at the IGISOL-type accelerator of Jyväskylä University, Finland. For given compoisitions, the 71Ge and 31Si diffusion coefficients D only differ slightly, increase with increasing Ge-content, and follow Arrhenius laws D = D0exp(-H/kT). With increasing Ge content a change-over from indirect interstitialcy-diffusion on the Si-side to vacancy-mediated diffusion on the Ge-side was observed. This change-over is indicated by a break at y = 0,35 in the curves of D(y) at constant T, H(y), and D0(y). At this composition, in the disordered alloy Si-Ge a transition from a rigid Si-type lattice to a floppy Ge-type lattice takes place. For measuring the diffusion of short-lived radioisotopes with half-lives < 1 d (e.g., 31Si) it was necessary to construct a set-up, in which implantation of the radioisotopes, diffusion annealing, and subsequent serial sectioning by ion-beam sputtering can be performed on beamline and in situ. In this novel set-up the diffusion of 11C (half-life 20 min) in Ge was measured. The results for H and D0 showed evidence for vacancy-mediated diffusion of C in Ge.