WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 3 Особенности фотолюминесценции самоформирующихся островков Ge(Si)/Si (001), выращенных на напряженном слое Si1-xGex © Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов¶, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 20 июня 2005 г. Принята к печати 13 июля 2005 г.) Исследовано влияние предосаждения напряженных слоев Si1-xGex (x 20%) на фотолюминесценцию самоформирующихся островков Ge(Si)/Si (001). Обнаружено смещение пика фотолюминесценции от куполообразных островков в сторону меньших энергий по сравнению с пиком фотолюминесценции от пирамидальных островков, которое связывается со значительно большей высотой куполов по сравнению с пирамидами. Выявлено, что с увеличением содержания Ge в слое Si1-xGex более 10% в широкой полосе фотолюминесценции от островков появляются два отдельных пика, которые связываются с бесфононным и фононным оптическими переходами в островках. Их появление вызвано изменением типа TO-фотона, участвующего в оптической рекомбинации, с TOGe-Ge-фонона на более коротковолновый TOSi-Ge-фонон.

PACS: 78.67.Hc, 78.55.Hx, 81.07.Ta 1. Введение из твердых источников при температуре роста 700C.

Структуры с самоформирующимися наноостровками Низкоразмерные гетероструктуры Ge(Si)/Si (001) с сасостояли из буферного слоя Si толщиной 100 нм и моформирующимися наноостровками и квантовыми точслоя Si1-xGex (0 x 20%) толщиной 10 нм, на коками вызывают растущий интерес в связи с возможноторый осаждался Ge с эквивалентной толщиной от 3.8 стью содания на их основе светоизлучающих приборов до 13 монослоев (МС) (1МС 0.14 нм). Необходимо и фотоприемников. В таких структурах при комнатной отметить, что толщина слоев Si1-xGex была меньтемпературе наблюдается как интенсивный сигнал фотоше критической толщины псевдоэпитаксиального роста и электролюминесценции [1–4], так и сигнал фотопрово( 13 нм для сплава Si0.8Ge0.2 [7]) и слои Si1-xGex димости [5] в области длин волн 1.3-1.55 мкм, соответбыли напряженными. По данным АМС-измерений поствующей минимуму оптических потерь для современверхность структур после осаждения слоев Si1-xGex ных оптоволоконнных линий передач. Для увеличения оставалась планарной. Структуры для фотолюминесинтенсивности сигнала люминесценции и фотопроводицентных измерений имели покровный слой Si, рост мости необходимо формирование массива островков с которого проходил при 700C. Исследования морфовысокой поверхностной плотностью и малым разбросом логии поверхности выращенных структур выполнены по размерам. Проведенные ранее исследования методаex situ с помощью атомно-силовой микроскопии в ми атомно-силовой микроскопии (АСМ) [6] показали, полуконтактном режиме на микроскопе „Solver PRO“.

что предосаждение напряженного слоя Si1-xGex привоРентгенодифракционные (РД) исследования выполнедит к увеличению поверхностной плотности и размеров ны на дифрактометре ДРОН-4. Спектры фотолюминессамоформирующихся островков Ge(Si). При этом на ценции GeSi-гетероструктур записывались с помощью поверхности структур со слоем Si1-xGex наблюдается фурье-спектрометра BOMEM DA3.36. Для регистрации локальное пространственное упорядочение во взаимном спектров использовался охлаждаемый Ge-детектор. Для расположении островков. Кроме того, было обнаружевозбуждения ФЛ использовался Ar+-лазер (длина волны но [6] увеличение сигнала фотолюминесценции (ФЛ) в излучения = 514.5нм).

области длин волн 1.3-1.55 мкм от островков, выращенных на слое Si0.9Ge0.1, по сравнению с островками, сформированными непосредственно на Si.

3. Результаты В настоящей работе представлены результаты детальных исследований влияния предосаждения напряженных АСМ-исследования показали, что на начальных стадислоев Si1-xGex (x 20%) на ФЛ самоформирующихся ях роста, в отличие от бимодального распределения саостровков Ge(Si)/Si (001). Выявлены особенности в ФЛ моформирующихся островков Ge(Si) по размерам и форостровков различной формы.

ме при росте на Si-буфере [8], формирование островков Ge(Si) на напряженном слое Si1-xGex при x 10% поз2. Эксперимент воляет получить массив только пирамидальных островков („пирамид“) (рис. 1, a) [6]. При дальнейшем увеИсследуемые структуры были выращены на подложличении количества осажденного Ge, как и в случае ках Si (001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии роста островков на буфере Si, пирамиды постепенно ¶ трансформируются в куполообразные островки. НеобхоE-mail: dima@ipm.sci-nnov.ru димо отметить, что переход пирамидальных островков 344 Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский роста на напряженном слое Si1-x Gex позволяет изучать оптические свойства островков с разной формой.

На рис. 2 представлены спектры ФЛ образцов с самоформирующимися островками Ge(Si)/Si (001) разной формы. Пирамиды были получены осаждением Ge с эквивалентной толщиной 4.2 МС, а купола — с эквивалентной толщиной 13 МС на слой Si0.9Ge0.толщиной 10 нм. В представленных на рис. 2 спектрах можно видеть TO-фононный сигнал ФЛ от объемного кремния (TOSi), а в спектре ФЛ образца с пирамидами — бесфононный (NPWL) и TO-фононный (TOWL) пики от смачивающего слоя. В области 0.7-0.9эВ в спектрах обеих структур наблюдается широкий пик ФЛ, который связывается с непрямыми в реальном пространстве оптическими переходами между дырками, локализованными в островках, и электронами, находящимися в кремнии на границе с островками [10]. Из рис. 2 видно, что пик ФЛ от куполов смещен в область меньших энергий по сравнению с пиком ФЛ от пирамид. Из литературы известно [11], что при трансформации пирамид в купола происходит уменьшение содержания Ge в островках, что должно приводить к уменьшению разрыва в валентной зоне и, следовательно, увеличению энергии непрямого оптического перехода в куполах, что не согласуется с нашими экспериментальными данными.

Кроме состава, на положение уровня дырок в островке могут оказывать влияние эффекты размерного квантования, приводящие к смещению основного состояния дырок от потолка валентной зоны в островке к потолку валентной зоны кремния. С ростом высоты островков влияние эффектов размерного квантования на положение уровня дырок в островках уменьшается, и он смещается ближе к потолку валентной зоны в островке.

В результате этого происходит уменьшение энергии оптического перехода при увеличении высоты островков.

Рис. 1. АСМ-снимки образцов с пирамидами (a) и куОчевидно, что отмеченное выше значительное увелиполами (b), полученными соответственно осаждением 4.чение высоты островков при их переходе из пирамид и 13 МСGe на слой Si0.9Ge0.1 толщиной 10 нм.

в купола оказывает более существенное влияние на положение пика ФЛ от остовков, чем различие в составе в куполообразные сопровождается увеличением высоты островков в 2 раза (рис. 1). При толщине осажденного Ge больше 10 МС возможно формирование массива островков только куполообразной формы („куполов“) (рис. 1, b).

Как было отмечено выше, при росте островков непосредственно на Si-буфере трудно получить массив островков Ge(Si) пирамидальной формы, так как уже на начальных стадиях роста на поверхности наблюдается бимодальное распределение островков по форме (на поверхности имеются как пирамидальные, так и куполообразные островки) [8]. Поэтому в спектрах ФЛ структур с островками Ge(Si), выращенными на Si-буфере, присутствует сигнал от островков различной формы [9], Рис. 2. Спектры фотолюминесценции (PL) образцов с пирамичто значительно усложняет задачу выделения сигнала дами и куполами. NPWL и TOWL — бесфононный и TO-фононот островков пирамидальной формы. Возможность по- ный сигналы от смачивающего слоя; TOSi — TO-фононный лучения однородных по форме островков в случае их сигнал от объемного кремния.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Особенности фотолюминесценции самоформирующихся островков Ge(Si)/Si (001)... пирамид и куполов. Таким образом, обнаруженное смещение пика ФЛ от куполов в сторону меньших энергий связывается нами с уменьшением влияния эффектов размерного квантования на положение энергетических уровней дырок в островках в результате значительно большей высоты куполов по сравнению с пирамидами.

Существенным отличием спектров ФЛ структур с пирамидами от структур с куполами является отсутствие в спектрах ФЛ последних сигнала, связанного со смачивающим слоем (рис. 2). Уменьшение интенсивности сигнала ФЛ от смачивающего слоя происходит монотонно с увеличением количества осажденного Ge, и пики от самчивающего слоя исчезают при толщинах осажденного Ge > 10 МС. Этот эффект может быть вызван существенным увеличением степени заполнения поверхности образца островками с ростом количества осажденного Ge, в связи с чем смачивающий слой между островками практически исчезает (рис. 1, b).

Необходимо отметить, что во всех исследованных структурах с островками не наблюдается сигнала ФЛ от слоя Si1-xGex, так как из-за большего содержания Ge в островках и смачивающем слое локализация дырок происходит или в островках, или в смачивающем слое.

При анализе спектров ФЛ структур с куполообразными островками, выращенными на слое Si1-xGex с различным содержанием Ge, было обнаружено, что при увеличении доли Ge в слое Si1-xGex сигнал ФЛ от островков смещается в сторону больших энергий Рис. 3. a — спектры фотолюминесценции (PL) образцов (рис. 3, a). Это смещение связывается нами с обнаруженс куполообразными островками, полученными осаждением ным ранее уменьшением содержания Ge в незаращенных 10 МС Ge на слой Si1-xGex толщиной 10 нм с разным сокуполообразных островках с ростом содержания Ge держанием Ge (x). NP и TO — бесфононная и ТО-фононная в слое Si1-xGex [6]. Было обнаружено, что среднее реплики сигнала ФЛ от островков. b — энергия TO-фонона, определенная из разности энергий NP- и TO-пиков ФЛ от содержание Ge в островках уменьшается с (52 ± 3)% островков, в зависимости от содержания Ge в слое Si1-xGex.

до (41 ± 3)% при увеличении содержания Ge в слое Si1-xGex от x = 0 до 15% [6]. При уменьшении доли Ge в островках уменьшается разрыв валентных зон островка и кремния, что приводит к росту энергии между NP- и TO-пиками с ростом содержания Ge непрямого оптического перехода.

в слое Si1-xGex (рис. 3, b). Возможным объяснением В спектрах ФЛ структур с куполообразными островизменения разности энергий между NP- и TO-пиками ками, выращенными на слое Si1-xGex с содержанием Ge является изменение типа TO-фонона, участвующего в x 10%, в широкой полосе ФЛ от островков проявляоптической рекомбинации, с TOGe-Ge-фонона с энергией ются два отдельных пика, которые связываются нами 34 мэВ на более коротковолновый TOSi-Ge-фонон с энерс бесфононным оптическим переходом (NP) и перехогией 49 мэВ [12].

дом с участием поперечного оптического фонона (TO) Сигнал ФЛ от островков в области 1.3-1.55 мкм на(рис. 3, a). Появление двух максимумов в спектре сигнаблюдается вплоть до комнатной температуры. Проведенла ФЛ от островков может быть связано с уменьшением ные исследования показали, что интенсивность сигнала ширины NP- и TO-пиков от островков. Однако, как ФЛ от островков при комнатной температуре немонопоказал количественный анализ спектров ФЛ от остров- тонно зависит от доли Ge в слое Si1-x Gex и достигает ков, сформированных на слоях Si1-xGex с различным максимума при x = 10%. Увеличение интенсивности содержанием Ge, заметного сужения пиков ФЛ с ро- сигнала ФЛ от островков при росте x до 10%, возможно, стом x не происходит. Достаточно большая ширина пи- связано со значительным ( 3 раза) ростом доли поков ФЛ от островков (ширина на полувысоте 35 мэВ) верхности, занятой островками, при увеличении x от может быть связана с сохраняющимся большим раз- до 10% [6]. Рост доли поверхности, занятой островками, бросом островков по размерам ( 10%). Появление может приводить к более эффективному захвату островдвух отдельных пиков в сигнале ФЛ от островков, ками носителей заряда и, как следствие, увеличению выращенных на слоях Si1-xGex c x 10%, может быть интенсивности сигнала ФЛ от островков при комнатной связано с обнаруженным увеличением разности энергий температуре. В случае, когда содержание Ge в слое Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 346 Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский Si1-xGex превышает 10%, уменьшение интенсивности [5] А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, А.И. Никифоров, С.В. Чайковский, С.А. Тийс. ФТП, 37, 1383 (2003).

сигнала ФЛ от островков связывается нами с уменьше[6] D.N. Lobanov, A.V. Novikov, N.V. Vostokov, Yu.N. Drozdov, нием содержания Ge в островках с ростом x [6], которое A.N. Yablonskiy, Z.F. Krasilnik, M. Stoffel, U. Denker, приводит к ослаблению локализации носителей заряда O.G. Schmidt. Optical Materials, 27, 818 (2005).

в островках. Снижение содержания Ge в островках [7] J.W. Matthews, A.E. Blakeslee. J. Cryst. Growth, 27, вызывает уменьшение разрыва в валентной зоне на гра118 (1974).

нице кремний–островок и ослабляет локализацию дырок [8] T.I. Kamins, E.C. Carr, R.S. Williams, S.J. Rosner. J. Appl.

в островках. Снижение содержания Ge в островках с Phys., 81, 211 (1997).

ростом x приводит также к уменьшению потенциальной [9] M. Goryll, L. Vescan, H. Lth. Mater. Sci. Eng. B, 69-70, ямы для электронов, находящейся в Si на гетерогранице 251 (2000).

с островком, которая вызвана проникновением упругих [10] В.Я. Алешин, Н.А. Бекин, Н.Г. Калугин, З.Ф. Красильник, напряжений от островков в слои Si и глубина которой А.В. Новиков, В.В. Постников, Х. Сейрингер. Письма увеличивается с ростом рассогласования кристалличеЖЭТФ, 67, 46 (1998).

ских решеток Si и островка [10]. [11] R. Magalhes-Paniago, G. Medeiros-Ribeiro, A. Malachias, S. Kycia, T.I. Kamins, R. Stan Williams. Phys. Rev. B, 66, 245 312 (2002).

4. Заключение [12] J. Weber, M.I. Alonso. Phys. Rev. B, 40, 5683 (1989).

Редактор Л.В. Шаронова Таким образом, в результате исследований влияния предосаждения напряженных слоев Si1-xGex (x 20%) на ФЛ самоформирующихся островков Ge(Si)/Si (001) Effect of Si1-xGex layer predeposition выявлены различия в спектрах ФЛ островков различной on growth of SiGe/Si (001) self-assembled формы. Обнаруженное смещение пика ФЛ от куполов islands в сторону меньших энергий по сравнению с пиком Yu.N. Drozdov, Z.F. Krasil’nik, D.N. Lobanov, ФЛ от пирамид связывается со значительно большей A.V. Novikov, M.V. Shaleev, A.N. Yablonskiy высотой куполов, по сравнению с пирамидами. Обнаружено, что с увеличением содержания Ge в слое Institute for Physics of Microstructures, Si1-xGex выше 10% в широкой полосе ФЛ от островков Russian Academy of Sciences, появляются два отдельных пика, которые связываются 603950 Nizhny Novgorod, Russia с бесфононным и фононным оптическими переходами в островках. Их появление объясняется изменением

Abstract

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.