WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 Светоизлучающие слои твердого раствора кремний–германий, легированные эрбием в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии © В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов¶, В.Ю. Чалков, Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, Б.Я. Бэр†, Ю.Н. Дроздов, А.Н. Яблонский Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603000 Нижний Новгород, Россия † Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 8 ноября 2001 г. Принята к печати 21 ноября 2001 г.) Эпитаксиальные слои Si1-xGex, легированные эрбием, выращены методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в атмосфере германа. Легирование эрбием осуществляли в процессе роста из монокристаллического Si : Er. Граница раздела Si/Si1-xGex (0.01 x 0.09) исследована методом массспектрометрии вторичных ионов. Для Er и Ge наблюдались резкие границы распределения и значительное снижение их поверхностной сегрегации. Это означало, что водород выступает в роли „сурфактанта“.

Получены результаты по люминесцентным свойствам образцов Si/Si1-xGex, легированных эрбием.

1. Введение и возможности получения в процессе сублимационной МЛЭ в среде германа гетероструктур с резкими границами легированных областей, излучающих на длине Кремний, легированный эрбием, вызывает повышенволны 1.54 мкм.

ный интерес в связи с излучением на длине волны 1.54 мкм, соответствующей минимальной дисперсии кварцевого волокна. Сообщалось об электролюминесценции, наблюдаемой при комнатной температуре на 2. Эксперимент диодах, которые были изготовлены на основе кремниевых структур, легированных эрбием в процессе Выращивание структур проводили методом сублимамолекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [1,2]. В последционной МЛЭ кремния в среде германа по методике, нее время появились работы, посвященные исследоописанной в [7]. Атомарный поток кремния создавали ванию легированных эрбием слоев твердого раствора сублимацией монокристалла этого элемента, а разлокремний–германий [3]. Это открывает перспективу в жение на поверхности роста молекулярного потока герсоздании лазеров на основе кремния.

мана (GeH4), напускаемого в ростовую камеру, способствовало внедрению Ge в растущий слой. Поток атомов Однако слои SiGe : Er/Si остаются менее изученным материалом по сравнению со слоями Si : Er/Si. В огра- эрбия создавали испарением монокристалла кремния, ниченном количестве публикаций о выращивании сло- легированного этой примесью. Осаждение слоев проводилось на кремниевые подложки с ориентацией (100).

ев SiGe : Er методом МЛЭ практически не сообщается о примесном составе эпитаксиальных слоев, о распределе- Структуры обычно содержали буферный слой толщинии эрбия в них. В то же время установлено, что в сло- ной 100 нм, выращенный при температуре подложки ях Si эрбий проявляет поверхностную сегрегацию [4,5].

Ts = 1000C, на который при 500C осаждался слой Можно ожидать этого и в слоях SiGe : Er.

сплава GeSi толщиной от 50 до 100 нм. Поверх слоя сплава выращивался покрывающий слой из нелегированСолегирование кислородом в процессе выращивания ного кремния.

слоев кремния с эрбием способствует активному захвату атомов эрбия растущим слоем [4]. Из-за трудности Распределение концентрации Ge, Er, O по толщине высоздания стабильного потока атомов Ge в методе МЛЭ ращенных слоев исследовали методом вторично-ионной слои твердого раствора SiGe предпочтительнее выращи- масс-спектрометрии (ВИМС), а содержание Ge в слоях вать с использованием газовых источников [6]. Однако определялось методом рентгеновской дифракции.

напуск кислорода в ростовую камеру в этому случае Спектры фотолюминесценции структур измерялись исключается.

при температуре T = 4.2 K с помощью фурье-спектроЦель данной работы заключалась в исследовании метра BOMEM DA3 с разрешением 1 см-1 при накачке состава эпитаксиальных слоев SiGe : Er/Si, захвата ато- излучением Ar+-лазера (514.5 нм) мощностью 200 мВт мов эрбия растущим слоем раствора кремний–германий со стороны эпитаксиального слоя. Сигнал фотолюминесценции регистрировался германиевым детектором, ¶ E-mail: svetlov@phys.unn.ru охлаждаемым жидким азотом.

Светоизлучающие слои твердого раствора кремний–германий, легированные эрбием... 3. Результаты экспериментов и их обсуждение На рис. 1 приведены профили распределения концентрации атомов Ge, Er, O в гетероструктурах Si/Si1-xGex : Er/Si (100). Первую гетероструктуру (11-133) выращивали из легированного эрбием кремниевого источника при давлении германа PGeH = 2 · 10-5 Торр. Покрывающий слой в этой структуре не осаждался. Из рис. 1, a видно, что, начиная с буферного слоя концентрация Ge резко увеличивается. Величина подъема концентрации Ge в верхней части профиля составляет 1 порядок на 14 нм.

Концентрация Ge в слое распределена достаточно однородно на уровне 3 · 1021 см-3 (x = 0.06) с небольшим уменьшением к поверхности слоя. Рентгеновские исследования дают примерно такую же концентрацию германия — x = 0.07. Синхронно с изменением концентрации Ge изменяется и концентрация Er в слое.

Ее значение в слое достигает концентрации в источнике ( 5 · 1018 см-3). В то же время при выращивании слоя кремния из такого источника в отсутствие напуска кислорода концентрация Er не превышала величины 1 · 1017 см-3 [8].

Выращивание слоя Si1-xGex при более низком давлении PGeH = 8 · 10-6 Торр (структура 11-135) приводит к снижению содержания германия до x 0.01 (рис. 1, b).

При этом концентрация Ge распределена неоднородно по толщине слоя: после достижения максимального значения в начале слоя она спадает на половину ее величины в конце слоя Si1-xGex. Далее при закрывании вентиля напуска германа и выращивании покрывающего слоя концентрация Ge спадает еще ниже. Концентрация эрбия в слое Si1-x Gex изменяется почти синхронно с распределением германия. Изменение концентрации эрбия от 3 · 1017 до 3 · 1018 см-3 на границе буферный слой - слой Si1-xGex происходит на толщине 25 нм, а изменение концентрации эрбия в том же интервале на границе слой Si1-xGex - покрывающий слой происходит на толщине 9нм.

Приложение отрицательного потенциала (V = -300 В) к подложке в процессе выращивания слоя Si1-x Gex : Er (структура 11-138) приводит к значительному возрастанию содержания Ge в нем Рис. 1. Распределения концентрации атомов Ge, Er, O в гете(x = 0.09) (рис. 1, c) по сравнению с предыдущим роструктурах Si/Si1-x Gex : Er/Si, выращенных из легированного опытом. Изменение концентрации Ge на порядок при ее эрбием кремниевого источника: a — PGeH4 = 2 · 10-5 Торр, возрастании в верхней части происходит на 12 нм, а на покрывающий слой не осаждался (структура 11-133);

границе покрывающий слой Si /Si1-x Gex : Er на 8нм.

b — PGeH4 = 8 · 10-6 Торр (структура 11-135); c — PGeH4 = Изменение концентрации эрбия синхронно следует за = 8 · 10-6 Торр, к подложке приложен потенциал V = -300 В изменением концентрации германия в слое Si1-x Gex : Er.

при выращивании слоя Si1-x Gex : Er (структура 11-138).

Ее величина сравнима с концентрацией эрбия в предыдущих опытах, а подъем и спад концентрации Er совпадает с подъемом и спадом концентрации Ge в этом (3-4) · 1018 см-3 независимо от уровня содержания Ge слое.

в слое Si1-xGex. Резкость подъема концентрации Ge в Обобщая полученные экспериментальные данные, можно сказать следующее. Концентрация эрбия в выра- слое Si1-xGex увеличивается с повышением давления щенных слоях достигает своего максимального значения германа, вводимого в камеру роста, а также с прилоФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 664 В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, Б.Я. Бэр...

жением отрицательного потенциала к подложке. Наблюдаемые величины наклона профиля концентрации Ge на границе покрывающий слой Si /Si1-x Gex (изменение концентрации на порядок на толщине 8-9нм) и на границе слоя Si1-xGex с буферным слоем (изменение концентрации на порядок на толщине 12 нм) предполагают достаточно резкие границы раздела в этих экспериментальных условиях. Более того, резкость профиля на границе покрывающий слой Si /Si1-x Gex : Er могла быть еще большей. Она ограничена нерезким изменением давления германа в ростовой камере после прекращения подачи германа в камеру. После закрытия вентиля напуска германа определенное количество этого газа остается в камере и продолжает подпитывать растущий слой кремния германием до момента полной его откачки.

Захват Ge растущим слоем Si происходит так же, как Рис. 2. Спектры фотолюминесценции образцов 11-133, 11-любой другой примеси в процессе МЛЭ при легирои 11-138 (область эрбиевой люминесценции). Стрелками покавании [9]. Первоначально на поверхности формируется заны две наиболее интенсивные линии центра Er-O1.

адсорбционный слой Ge, который подпитывает растущий слой. Поверхностная сегрегация Ge приводит к нерезкому профилю слоя Six-1Gex на гетерогранице.

Наши данные свидетельствуют, что в процессе сублимации кремния в среде германа при температуре роста 500C сегрегация Ge сводится к минимуму.

Этому способствует, вероятно, непрерывное покрытие поверхности роста атомами водорода, которые образуются при диссоциации GeH4. Поверхностный водород может влиять на кинетику сегрегации Ge в процессе роста гетероструктур Si/Si1-xGex, подавляя в результате поверхностную сегрегацию. Адсорбированный на поверхности водород выступает в роли сурфактанта [6,10].

В потоке атомов Si из сублимирующего источника имеются ионы Si+. Поэтому приложение отрицательного потенциала к подложке в процессе роста слоя Si1-xGex приводит к ускорению ионов Si+ в направлении поверхности роста. Они воздействуют на атомы Ge, Er и O, Рис. 3. Спектры фотолюминесценции образцов 11-133, 11-способствуя их захвату растущим слоем [8].

и 11-138 (дислокационная линия D2).

Тот факт, что резкость профиля концентрации Er возрастает с ростом содержания Ge, указывает на влияние Ge на поверхностную сегрегацию этой примеси.

Исследуемые структуру излучают на длине вол- низкосимметричных эрбиевых комплексов с кислородом и дефектами [12]. Положение и относительные интенны 1.54 мкм ( 6500 см-1) при оптической накачке.

Спектры низкотемпературной фотолюминесценции, свя- сивности линий центра Er-O1 совпадают с таковыми 4 в структурах Si : Er, изготовленных методом сублимацизанные с внутрицентровым переходом I13/2 I15/иона Er3+ в матрице твердого раствора Si1-x Gex, при- онной МЛЭ при температуре роста 500C. С увеведены на рис. 2. Кроме того, заметный вклад в люми- личением содержания Ge в структурах 11-135, 11-несценцию вблизи 6500 см-1 дает, по-видимому, и ли- и 11-133 интенсивность эрбиевой люминесценции пания дислокационной люминесценции D1 на 6549 см-1, дает (особенно сильно для линейчатого спектра изочто подтверждается наблюдением интенсивной линии лированных центров), несмотря на возрастание общего дислокационной люминесценции D2 на 7057 см-1 [11]. количества эрбия (см. рис. 1). Возможной причиной В линейчатом спектре наиболее интенсивная серия уменьшения интенсивности эрбиевой люминесценции линий изолированного эрбиевого центра Er-O1 [12] является возникновение дислокаций, плотность которых с аксиальной симметрией кристаллического окруже- растет с увеличением концентрации германия. Это сония иона Er3+ (наиболее интенсивная линия в серии здает, во-первых, альтернативный канал рекомбинации имеет максимум на частоте 6508 см-1). В интервале экситонов [13] и снижает тем самым эффективность 6510-6550 см-1 наблюдаются также отдельные линии возбуждения эрбиевых центров; действительно, дислокаФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Светоизлучающие слои твердого раствора кремний–германий, легированные эрбием... ционная линия D2 имеет наибольшую интенсивность в [13] Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, А.О. Солдаткин, М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, И.Н. Яссиевич. ФТТ, спектре структуры 11-133 с максимальным содержанием 43 (6), 979 (2001).

германия и минимальной фотолюминесценцией эрбия (см. рис. 3). Во-вторых, рост локальных напряжений, Редактор Л.В. Шаронова связанных с дислокациями, приводит к уширению линий и соответствующему уменьшению интенсивностей.

Luminescent erbium-doped silicon–germanium solid solution layers 4. Заключение grown by molecular-beam epitaxy V.G. Shengurov, S.P. Svetlov, V.Ju. Chalkov, Полученные результаты свидетельствуют о том, что B.A. Andreev, Z.F. Krasil’nik, B.Ya. Ber†, при выращивании гетерострукткур Si1-xGex : Er/Si (100) Ju.N. Drozdov, A.N. Yablonsky методом сублимационной МЛЭ в среде германа германий способствует захвату эрбия растущим слоем Physical-Technical Research Institute at Nizhny кремний–германий. Резкость профиля распределения Novgorod State University, концентрации эрбия увеличивается по мере повышения 603950 Nizhny Novgorod, Russia содержания германия в слое. Распределение самого Institute for Physics of Microstructures, германия на границах гетероструктуры тоже достаточно Russian Academy of Sciences, резкое, что свидетельствует о практическом подавле603000 Nizhny Novgorod, Russia нии поверхностной сегрегации германия в процессе † Ioffe Physicotechnical Institute, роста. Этому, вероятно, способствует пассивирующий Russian Academy of Sciences, поверхность роста водород, который образуется при 194021 St. Petersburg, Russia диссоциации GeH4 и выступает в роли сурфактанта. Полученные структуры демонстрируют интенсивную лю

Abstract

Epitaxial growth of erbium-doped Si1-x Gex layers has минесценцию, связанную с внутрицентровым перехрдом been performed by sublimation molecular-beam epitaxy of Si in в ионе Er3+.

the german (GeH4) atmosphere. To grow Er-doped layers, we Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты applied a polycrystalline Si plate previously doped with Er taken 01-01-02001БНТС, 99-03-32757 и 01-02-16439), МНТП as a source for both the Er and Si fluxes. The Si/Si1-xGex : Er „Фундаментальная спектроскопия“ (проект 08.02.043), (0.01 x 0.09) interface has been studied by means of the проектов INTAS 99-1872 и NWO 047.009.013. secondary-ion mass spectrometry. Sharper interfaces were obtained for Er and Ge as well, their surface segregation being significantly reduced. This indicates, that the surfactant“ effect ” Список литературы hydrogen takes place here. Promising results have been obtained also on Er-doped Si/Si1-xGex samples.

[1] H. Ennen, G. Pomrenke, A. Axmann, K. Eisele, W. Haude, J. Schneider. Appl. Phys. Lett., 46, 381 (1985).

[2] J. Stimmer, A. Reittinger, G. Abstreiter, H. Holrbrecher, Ch. Buchal. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 422, 15 (1995).

[3] E. Neuteld, A. Sticht, A. Luigan, K. Brumer, G. Abstreiter.

Appl. Phys. Lett., 73 (21), 3061 (1998).

[4] R. Serna, M. Lohmeier, P.M. Zagviin, E. Vlieg, A. Polman.

Appl. Phys. Lett., 66, 1385 (1995).

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.