WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 8 Оптические свойства монослоев германия на кремнии © Т.М. Бурбаев¶, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Никифоров Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 10 января 2001 г. Принята к печати 16 января 2001 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света тонких слоев германия на кремнии, выращенных при низкой температуре (250C). Показано, что в таких структурах, в отличие от структур, выращенных при высокой температуре, люминесценция квантовых ям наблюдается при толщине германия, превышающей 9 монослоев. С развитием дислокаций несоответствия линии люминесценции квантовых ям сдвигаются в область больших энергий, а поперечные оптические фононы, участвующие в люминесценции, распространяются в квазидвумерном слое германия. Показано, что введение дополнительного релаксированного подслоя Si0.95Ge0.05 в многослойную структуру Ge / Si приводит к значительному росту интенсивности и сужению линии люминесценции квантовых точек (до 24 мэВ), что указывает на их существенное упорядочение.

Введение повышении толщины происходит пластическая релаксация напряжений с образованием дислокаций. Вследствие малости размеров кластеров в них проявляются Наноструктуры, состоящие из тонких слоев германия эффекты размерного квантования электронного спектра.

на кремнии, вызывают возрастающий интерес исслеВ работах [2,3] отмечено, что снижение температуры дователей в связи с перспективой их использования роста Ts до 200C приводит к уменьшению размеров в различных электронных и оптоэлектронных устройнанокластеров, росту их плотности и к возрастанию hc.

ствах [1]. В частности, одно из важных применений Интенсивность квазипрямозонной фотолюминесценции связано с осуществлением в таких структурах квазипряКТ должна усиливаться при уменьшении размеров и при мозонной люминесценции для создания на базе кремулучшении пространственной однородности формируениевой интегральной технологии излучателей в области мых нанокластеров. Одним из способов упорядочения длин волн вблизи 1.5 мкм, необходимых для оптоволонанокластеров является последовательное наращивание конных систем связи. Квазипрямые переходы в непрямых слоев с кластерами германия, которые заращиваются полупроводниках возможны при локализации свободных слоями кремния (вертикальная самоорганизация). В [3] носителей заряда. Такая локализация наблюдается в приведен спектр фотолюминесценции такой структуры.

многослойных ковариантных гетероструктурах Ge / Si и Из литературы известно, что существенное изменение SiGe / Si. Электроны при этом обычно локализуются структуры ансамбля нанокластеров происходит в узком в квантовой яме (КЯ) кремния, а дырки в квантовой диапазоне толщин германия, примерно до 15 MC. В раяме германия. Другая возможность локализации связаботе [4] этот вывод подтвержден с помощью сканируюна с явлением самоорганизации на поверхности кремщей туннельной и атомно-силовой микроскопии, в рабония под действием гетероэпитаксиальных напряжений те [2] — на основании исследования комбинационного с образованием ансамбля нанокластеров — квантовых рассеяния света.

точек (КТ). Различие параметров кристаллических решеток кремния и германия (монослой германия равен 1.4, кремния 1.35 ) приводит к тому, что стадия Образцы и методика измерений псевдоморфного двумерного роста при гетероэпитаксии сохраняется до некоторой критической толщины Мы исследовали спектры низкотемпературной фотоhc пленки германия, близкой к четырем монослоям люминесценции и комбинационного рассеяния света в (МС) — смачивающий слой. С повышением толщины диапазоне толщин германия до 15 МС. Многослойные напряжения снимаются путем самосогласованного роста структуры с различными толщинами слоев Ge и Si бездислокационных кластеров германия на поверхности выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии кремния по механизму Странского–Крастанова. Сначала на подложках кремния n- или p-типа проводимости образуются так называемые ”hut-кластеры”, имеющие (5-20 Ом · см) ориентации (001). После стандартформу четырехгранных пирамид (hut clusters), затем ной операции очистки поверхности на подложке при большие по размеру ”dome-кластеры”. При дальнейшем Ts 800C выращивался буферный слой кремния, затем при более низкой температуре наращивались периодиче¶ E-mail: burbaev@sci.lebedev.ru ские структуры, состоящие из слоев Ge и более толстых 6 980 Т.М. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев...

Режим роста структуры Образец 8 Образец Si, 235, 450C Si, 235, 450C Si, 20, 250C 7 Si, 20, 250C Ge, 10, 250C Ge, 8, 250C Si, 100, 450C Si, 100, 450C Si0.95Ge0.05, 700, 450C Si, 1150, 780C Отжиг после роста при 1050C Подложка: p-Si, 7.5 Ом · см Si, 1150, 780C Подложка: p-Si, 7.5Ом· см Образец 15 Образец 48 Образец Si, 235, 450C Si, 300 Si, Si, 20, 250C 7 Ge, 13, 300C Si, Ge, 13, 250C Ge, Si, Si, 100, 450C Подложка: n-Si, 7.5 Ом · см Si, Si, 1150, 780C Подложка: n-Si, 7.5 Ом · см Подложка: n-Si, 4.5 Ом · см слоев Si. На заключительной стадии структура покрыва- Результаты и обсуждение лась защитной пленкой кремния толщиной в несколько сотен ангстрем. Данные о режимах роста обсуждаемых Измеренные спектры фотолюминесценции предстадалее структур приведены в таблице.

влены на рис. 1–5. На рисунках приведены спектры Спектры фотолюминесценции (PL) измерялись при как структуры, так и подложки. Излучение квантовых температуре T = 2 K с использованием монохроматора точек возникает начиная с толщин германия 4МС МДР-2. Источником возбуждения служил полупровод- сначала в виде слабой по интенсивности широкой полосы никовый лазер с длиной волны излучения = 0.66 мкм (QD) в диапазоне h = 0.75-0.85 эВ. С увеличением (энергия кванта h = 1.87 эВ). Максимальная мощность толщины до 6–8 МС интенсивность излучения увеличиизлучения была равна 70 мВт, плотность мощности излу- вается, а полоса сужается. При дальнейшем увеличении чения на образце обычно составляла 4 Вт / см2. Излуче- толщины германия (> 10-15 МС) кластеры смыкаются ние от образцов регистрировалось с помощью охлажда- в сплошной слой и релаксация напряжений идет путем емого жидким азотом германиевого p - i - n-фотодиода. образования дислокаций несоответствия. Излучение при На некоторых образцах для большей уверенности, что этом вновь представляет широкую слабую по интенсивсветят квантовые точки или смачивающий слой, а не ности полосу, на фоне которой иногда просматриваются подложка, мы смотрели спектры люминесценции с двух слабые линии от дислокаций, а затем вовсе исчезает.

сторон. Фотовозбужденные носители при = 0.66 мкм в Границы области толщин германия, в пределах котоосновном образуются в области глубиной до нескольких рых интенсивность излучения максимальна, изменяются микрометров вблизи освещаемой поверхности. При осве- в зависимости от температуры роста, скорости роста, щении со стороны структуры область фотовозбужде- наличия дополнительных подслоев SiGe, снимающих ния захватывает структуру и несколько микрометров внутренние напряжения. При одинаковых параметрах подложки, а при освещении со стороны подложки — роста линии излучения сдвигаются в красную область только несколько микрометров подложки, так как тол- спектра с увеличением толщины германия.

щина образца 300 мкм и свет с обратной стороны до Введение дополнительного релаксированного SiGeструктуры не доходит. При обычных длинах диффузии подслоя (образец 9) приводит, по-видимому, к упорядофотоносителей для кремния в первом случае мы видим чению КТ, интенсивность излучения при этом возрастает, излучение как структуры, так и подложки, а во втором — а линия излучения сужается. Ширина линии излучения преимущественно подложки.

КТ в этом образце (по уровню 0.5) равна 24 мэВ. СледуИзмерение спектров комбинационного рассеяния све- ет отличать линии излучения квантовых точек от линий та на оптических фононах производилось при комнатной излучения дислокаций в кремнии (линия D1 — 810 мэВ, температуре. Возбуждение производилось аргоновым ла- линия D2 — 870 мэВ), находящихся в этом же диапазоне зером ( = 0.488 мкм), излучение регистрировалось энергий. Следующие доводы свидетельствуют в пользу спектрометром U-1000. того, что в образце 9 светят именно квантовые точки.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Оптические свойства монослоев германия на кремнии Рис. 1. Спектр фотолюминесценции образца 8 при T = 2 K и участок спектра структуры (2) и подложки (3) при увеличении чувствительности. QD — люминесценция квантовых точек; BETO — линия излучения связанного экситона с испусканием поперечного оптического фонона.

Рис. 2. Фотолюминесценция образца 9 с дополнительным SiGe-подслоем при T = 2 (1, 2) и 77 K(3).

1) Линии D1 и D2 появляются обычно парами, ши- образованием дислокаций, их излучение незначительно рина дислокационных линий 10 мэВ. При повыше- или вовсе не просматривается (рис. 3, структура 15).

нии температуры до 77 K интенсивность люминесценции Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) подилоскаций уменьшается в несклько раз. В образце зволяют сделать вывод о степени релаксации напряженнаблюдается одиночная линия излучения (809 мэВ), ин- ных слоев германия на кремнии. Такие спектры для тенсивность люминесценции которой при 2 и 77 K почти образцов 8, 9 и 15 представлены на рис. 6. В образодна и та же (рис. 2).

це 8 наблюдаются линии 520 см-1 (оптический фонон в 2) В образцах с толщинами германия 10 МС, где кремнии), 420 см-1 (колебания Si–Ge-связей), 316 см-релаксация напряжений действительно происходит с (оптический фонон в напряженном германии). ПоскольФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 982 Т.М. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев...

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции образца 15 при T = 2K: 1 — структура, 2 —подложка.

Рис. 4. Спектр фотолюминесценции одиночной КЯ образца 48 (13 Ge) (1, 2) в сравнении со спектром излучения подложки (3, 4) при T = 2K. QWNP, QWTO — полосы люминесценции КЯ, бесфононная и с испусканием поперечного оптического фонона соответственно. BENP, BETO — линии люминесценции связанного экситона, бесфононная и с испусканием поперечного оптического фонона соответственно.

ку частота оптического фонона линейно зависит от де- В работе [5] показано, что в структурах Si / Ge / Si, формации, то, как это показано в [2], при релаксации на- выращенных при температурах Ts = 700C, люминеспряжений на дислокациях проявляется линия 300 см-1, ценция квантовой ямы (КЯ) (т. е. напряженного смачисоответствующая оптическому фонону в объемном гер- вающего слоя) и квантовых точек конкурируют друг мании. В образце 9 линия вблизи 300 см-1 существенно с другом. При малых толщинах германия преобладает слабее линии 316 см-1, т. е. в этом образце плотность излучение КЯ. С образованием КТ излучение ям стадислокаций относительно невелика. Проявление линии новится слабее, а излучение точек усиливается. Слои 300 см-1, по-видимому, обусловлено релаксированным германия в наших образцах были получены при низподслоем SiGe. кой температуре, Ts = 250-300C. Длина диффузии Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Оптические свойства монослоев германия на кремнии Рис. 5. Фотолюминесценция КЯ образца 66 при T = 2K: 1 — структура, 2 —подложка. BENP, BETO — линии люминесценции связанного экситона, бесфононная и с испусканием поперечного оптического фонона соответственно.

Рис. 6. Спектры комбинационного рассеяния света. Образцы: 1 —8, 2 —9, 3 — 15.

адатомов при низких температурах мала, поэтому обра- несценции таких образцов (48 и 66) приведены на рис. зование hut-кластеров, ответственных за излучение КТ, и 5. Бесфононная линия QWNP в образце 48 наблюпроисходит одновременно с ростом смачивающего слоя, дается при энергии 1039 мэВ. При энергии 982 мэВ начиная с нулевой толщины. По этой причине излучение наблюдаетя фононное повторение QWTO — излучение КЯ в диапазоне толщин 8 МС мы не наблюдали, с испусканием поперечного оптического фонона в кремоно подавлено излучением нанокластеров. Излучение КЯ нии, TOSi–Si-фонона (59 мэВ). В образце 66 бесфононная мы наблюдали при толщинах 9МС, когда отдельные линия наблюдается при энергии 1080 мэВ, линия фононкластеры начинают исчезать, сливаясь в сплошной слой ного повторения (1048 мэВ) отстоит от нее примерно на с развитием дислокаций несоответствия. Спектры люми- энергию поперечного оптического фонона в германии, Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 984 Т.М. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев...

TOGe–Ge-фонона. Сдвиг бесфононной линии в сторону [4] Ю.Г. Садофьев, Т.М. Бурбаев, В.А. Курбатов, М.М. Рзаев, В.А. Цветков, М.В. Байзер, С.Ю. Садофьев, Ю.В. Ларионов.

больших энергий связан, по-видимому, с уменьшением Изв. РАН. Сер. физ., 64, 273 (2000).

энергетического разрыва краев валентных зон слоев [5] L.P. Rokhinson, D.C. Tsui, J.L. Benton, Y.-H. Xie. Appl. Phys.

германия и кремния, вызванным частичной релаксацией Lett., 75, 2413 (1999).

напряжений на дислокациях несоответствия. Спектр КРС этого образца похож на спектр образца 15, что указывает Редактор Л.В. Шаронова на наличие релаксированного слоя Ge. В области 700–900 мэВ в этом образце, в отличие от образца 48, Optical properties of germanium наблюдается интенсивное излучение дислокаций как при monolayers on silicon облучении возбуждающим светом образца со стороны T.M. Burbaev, T.N. Zavaritskaya, V.A. Kurbatov, структуры, так и при облучении с обратной стороны, со стороны подложки. По-видимому, релаксация напряже- N.N. Melnik, V.A. Tsvetkov, K.S. Zhuravlev, V.A. Markov, A.I. Nikiforov ний при не очень больших толщинах Ge спровоцирована высокой плотностью исходных дислокаций в подложке P.N. Lebedev Physical Institute, образца.

Russian Academy of Sciences, 117924 Moscow, Russia Institute of Semiconductor Physics, Заключение Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Таким образом, показано, что в структурах Ge / Si, 630090 Novosibirsk, Russia выращенных при низких температурах (200-300C), существенное изменение в спектрах фотолюминесценции,

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.