WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Влияние квантово-размерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в пленках GeO2 ¶ © Е.Б. Горохов, В.А. Володин, Д.В. Марин, Д.А. Орехов, А.Г. Черков, А.К. Гутаковский, В.А. Швец, А.Г. Борисов, М.Д. Ефремов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 11 января 2005 г. Принята к печати 27 января 2005 г.) Исследованы пленки GeO2, содержащие нанокристаллы германия, полученные двумя способами: осаждением пленок из пересыщенных паров GeO с последующим распадом метастабильного монооксида германия на гетерофазную систему Ge : GeO2; формированием аномально толстых естественных окислов германия химического состава GeOx(H2O) при его каталитически ускоренном окислении. Пленки на различных подложках исследованы с применением методик фотолюминесценции, спектроскопии комбинационного рассеяния света, спектральной эллипсометрии, высокоразрешающей электронной микроскопии. В пленках GeO2 с нанокластерами Ge обнаружена интенсивная фотолюминесценция при комнатной температуре.

Из положения пика спектра комбинационного рассеяния на локализованных оптических фононах оценены размеры нанокластеров. Получена корреляция между уменьшением размеров нанокластеров и сдвигом пиков фотолюминесценции в синюю область спектра при уменьшении доли кристаллического германия. Наличие нанокластеров подтверждено данными электронной микроскопии высокого разрешения. Наблюдается корреляция рассчитанной с учетом размерного квантования электронов и дырок оптической щели в нанокластерах с положением экспериментально наблюдаемого пика. Из полученных данных можно сделать вывод, что нанокластеры Ge в матрице GeO2 являются квантовыми точками первого рода.

1. Введение ски неустойчивого твердофазного монооксида германия:

2GeO GeO2 + Ge. (1) Возрастающий интерес к исследованию нанокластеров германия и кремния в диэлектриках обусловлен Для приготовления экспериментальных образцов двух перспективами использования таких структур в опто- типов применялись соответственно два метода: осаждеэлектронных приборах и в устройствах энергонезави- ние из пересыщенных паров монооксида германия на симой памяти (non-volatile memory). Привлекает совме- различные подложки и выращивание аномально толстых естественных окислов германия химического состава стимость используемых для их формирования подходов с традиционной кремниевой технологией, а также воз- GeOx (H2O) при каталитически ускоренном окислении можность модификации их оптических свойств, опре- германия. Первым методом были изготовлены две серии образцов — А и В. Осаждение GeO проводилось в проделяемых квантово-размерными эффектами (band gap точном кварцевом реакторе, имеющем две температурengineering). Оптические свойства нанокристаллов (НК) ные зоны — испарения и осаждения. В зоне испарения, кремния и германия, созданных различными методами находящейся при температуре 600–700C, устанавливав пленках двуокиси кремния и нитрида кремния, были ются чистые пластины германия (20 штук) параллельно исследованы ранее [1–7]. Недавно была обнаружена пропускаемому сквозь реактор потоку инертного газа.

фотолюминесценция (ФЛ) в пленках GeO2, содержащих Инертный газ (Ar или Не) содержит в своем составе НК германия [8]. В данной работе структура и свойства примеси кислорода и паров воды (10-2-10-3 Topp), НК германия, полученных в пленках диоксида германия которые интенсивно реагируют с германием с образоразличными способами, исследовались с применением ванием летучего монооксида германия:

методик ФЛ, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и пропускания света, спектральной эллип2Ge + O2 2GeO (газ), сометрии и высокоразрешающей электронной микроскоGe + H2O GeO (газ) +H2 (газ). (2) пии (ВРЭМ).

Инертный газ, насыщенный парами GeO, поступает в зону осаждения, где из охлаждающегося газа — 2. Эксперимент носителя осаждается избыток GeO в виде твердой фазы — тонкой прозрачной пленки. При определенной 2.1. Приготовление образцов температуре на поверхности пленки происходит распад метастабильного моноокисла германия на гетерофазную В экспериментах использованы пленки Ge : GeO2 двух систему Ge : GeO2 по реакции (1). Чем ниже температутипов, при изготовлении которых применяли общий техра конденсации и выше ее скорость, тем меньше средний нологический прием — декомпозицию термодинамичеразмер наночастиц Ge и объем их кристаллизованной ¶ E-mail: volodin@isp.nsc.ru части.

Влияние квантово-размерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в пленках GeO2 Ранее с применением методик эллипсометрии, элек- пленок были проведены на высокоразрешающем электронной микроскопии, инфракрасной (ИК) спектроско- тронном микроскопе JEOL-4000EX при использовании пии и комбинационного рассеяния света [9] было по- ускоряющего напряжения 250 кэВ, для которого проказано, что пленки представляли собой стеклообразную странственное разрешение составляло 0.19 нм.

матрицу GeO2 с встроенными в нее аморфными или кристаллическими кластерами германия (в зависимости 3. Результаты и обсуждение от условий осаждения). В серии А пленки осаждались на подложки из сапфира. Температура подложки варьиНа рис. 1 приведены спектры ФЛ одного образца ровалась от 500 до 520C. Bсерии Впленки осаждались из серии А (образец А1, температура сапфировой подна подложки из кремния, температура подложки при ложки при осаждении 500C) и образцов из серии С.

этом варьировалась от 540 до 580C. Детали технологии От образцов серии В сигнала ФЛ в видимой части осаждения подробно описаны в работе [10].

спектра не обнаружено. Для удобства восприятия амОбразцы серии С представляли собой пленки аноплитуды спектров ФЛ приведены к одной величине.

мально толстого естественного окисла германия на Виден сдвиг максимума сигнала ФЛ в образцах серии подложке германия с ориентацией (111). После травC в синюю область спектра, при этом интенсивность ления пластин Ge в HF на них вырастали слои естеФЛ возрастала. Так, для образца С3 она в нескольственного окисла толщиной до 0.5 мкм. Получение ко раз превышала интенсивность ФЛ образца А1. Из таких слоев основано на эффекте влияния качества анализа спектра пропускания образца А1 с учетом химико-механической обработки пластин германия на интерференции света в структуре было получено знаскорость их окисления как в условиях нагрева, так и чение энергии края поглощения [8]. Край поглощения в процессе роста ественного окисла. Механизм такого ( 1.8эВ) сильно сдвинут от значения запрещенной роста до конца не изучен. Химический состав слоев зоны германия (Eg = 0.67 эВ) [12]. Оптическая щель в аномально толстого естественного окисла германия, соGeO2 составляет 5.5эВ [13], из чего следует, что погласно данным просвечивающей ИК спектроскопии [11], глощение обусловлено включениями германия. Возникпредставляет собой сильно гидратированный монооксид новение интенсивной ФЛ при комнатной температуре и германия типа GeOx (H2O) c x 1. Некоторые образцы сильный сдвиг максимума ФЛ в синюю область спектра были подвергнуты последующим термическим обработкам — отжиг в атмосфере Не в течение 15 мин при температурах 630C (образец С1) и 550C (образец С2).

Образец С3 не отжигался. Пленки всех типов хранили открытыми, не покрывая защитными слоями от влияния атмосферы.

2.2. Методики исследования Для возбуждения ФЛ использовался импульсный N2лазер (длина волны излучения = 337 нм), спектры регистрировали с применением спектрометра СДЛ-1 с фотоумножителем ФЭУ-79 в качестве приемника. Для образцов, выращенных на прозрачных подложках (сапфир), регистрировали спектры пропускания, используя спектрометр СФ-20 в двухлучевой схеме. Для образцов, выращенных на непрозрачных подложках (германий и кремний), были измерены спектры эллипсометрических параметров образцов в диапазоне = 260-650 нм. Измерения проводились на спектральном эллипсометре производства Института физики полупроводников СО РАН. Ксеноновая лампа использовалась в качестве источника света. Спектры КРС получали при комнатной температуре, в качестве источника использовали Arлазер (линия 514.5 нм — 2.41 эВ). Установка спектроскопии КРС на базе спектрометра ДФС-52 автоматизирована в стандарте КАМАК. Применяли геометрию ква зиобратного рассеяния Z XY Z, когда плоскости поляризации падающего и рассеянного света перпендикулярны, Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пленок GeO2 с наноклаа также геометрию, в которой поляризация рассеянного стерами германия из серии А и С. Интенсивность нормирована света не анализировалась. Структурные исследования на максимум.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1212 Е.Б. Горохов, В.А. Володин, Д.В. Марин, Д.А. Орехов, А.Г. Черков, А.К. Гутаковский, В.А. Швец...

пик при 297 см-1. Данный пик обусловлен КРС на оптических фононах, локализованных в нанокристаллах германия. Виден также небольшой пик, связанный с КРС на кластерах аморфного германия (a-Ge). В спектре КРС образца С1 доминирует пик от германиевой подложки (положение около 302 см-1). На его фоне виден пик от НК германия (GeNCs, положение 294 см-1).

Для сравнения приведен также спектр КРС подложки германия. Для образцов серии С из спектров КРС был вычтен пик, возникающий вследствие рассеяния на длинноволновых оптических фононах объемного германия. Эти данные и данные КРС от образцов серий В приведены на рис. 3.

Смещение положения пика КРС в сторону меньших волновых чисел (рис. 3) является следствием уменьшения средних размеров НК германия как вследствие понижения температуры подложки при синтезе из паров GeO (серия В), так и вследствие варьирования температуры отжигов (серия С). В случае серии В понижение температуры подавляет диффузию германия по поверхности и атомы германия не успевают (при той же скорости осаждения) собираться в большие кластеры.

В случае серии С повышение температуры отжига приводит к увеличению размеров кластеров германия, т. е.

термические обработки стимулируют собирание германия в кластеры, при этом температуры таких обработок заметно выше температуры роста образцов серий А Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния света образцов А1 и С1. Для сравнения приведен спектр объемного германия.

(рис. 1) могут быть обусловлены квантово-размерными эффектами в нанокристаллах германия. Большая ширина и асимметрия пиков, по-видимому, связаны с дисперсией нанокристаллов по размерам. От используемых в качестве подложек сапфира, германия и кремния ФЛ в данном диапазоне не наблюдалось. Аргументом в пользу того, что наблюдаемые от исследуемых пленок сигналы ФЛ связаны с присутствием нанокристаллов германия, а не связаны с дефектами в GeO2, является следующий экспериментальных факт. Были исследованы пленки GeO2, выращенные термическим окислением германия.

Сигнала ФЛ от этих пленок не было обнаружено.

Для анализа структуры германиевых включений был применен метод спектроскопии КРС. Экспрессный и неразрушающий метод КРС в сочетании с расчетами [14] является весьма информативным для исследования нанообъектов. Положение пика КРС на оптических фононах определяется размером нанокристаллов, и его можно определять, используя метод свертки эффективной плотности состояний [15]. Чем больше сдвинут пик КРС в сторону меньших волновых чисел по сравнению с пиком КРС на объемном германии, тем меньше размер НК германия. Механические напряжения сжатия, напротив, сдвигают пик в сторону больших волновых чисел. На рис. 2 приведены спектры КРС образцов А1, С1 и объем- Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния света образцов ного германия. В спектре образца А1 виден широкий серий В и С. Интенсивность нормирована на максимум.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние квантово-размерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в пленках GeO2 и В. Это свидетельствует о том, что диффузия атомов матрице отчетливо визуализуются нанокристаллические германия в объеме пленки подавлена по сравнению с включения, имеющие на изображении более темный поверхностной диффузией в процессе роста. В спектрах контраст. Характерной особенностью изображения этих КРС образцов серии С также видны широкие пики в включений является наличие регулярной системы интердиапазоне 275–280 см-1. Это связано с наличием аморф- ференционных полос, соответствующих следам атомных плоскостей {111}, ориентированных перпендикулярно ных кластеров германия, так как этой спектральной плоскости изображения. Дифракция электронов на этих области соответствует максимум плотности оптических включениях приводит к формированию системы коколебательных состояний аморфного германия.

лец, характерной для поликристаллических материалов.

Для того чтобы убедиться в наличии НК германия Межплоскостные расстояния для первых трех колец, в пленках GeO2, были проведены эксперименты по их рассчитанные из картины микродифрации, составляют прямому наблюдению с применением ВРЭМ. Наиболее 0.32, 0.20 и 0.17 нм и совпадают с межплоскостными просто было приготовить тонкие мембраны для исследорасстояниями для кубической кристаллической решетки вания методом просвечивающей электронной микроскогермания. При вычислениях межплоскостных расстояпией из образцов серии В (выращенных на кремниевой ний нанокристаллов в качестве репера использовалась подложке). На рис. 4 приведены ВРЭМ-изображение картина дифракции от монокристаллической подложки и соответствующая картина микродифракции для обкремния (см. рис. 4, b). Из рис. 4, a видно, что размеры разца, выращенного в условиях, близких к условиям нанокристаллов варьируются от 3 до 10 нм. В случае роста образца В1. Из рисунка видно, что в аморфной образцов серии В средний размер составлял 10 нм.

Наличие включений германия в пленках серии С подтверждается также данными спектральной эллипсометрии. Были измерены спектры эллипсометрических параметров образцов (, ) в диапа зоне длин волн = 260-650 нм. Для интерпретации этих измерений мы использовали модель подложка германия - однородная пленка. В качестве первого шага мы рассчитывали оптические постоянные пленки в модели Бруггеманна [16] для смеси GeO2 и аморфного Ge, используя для этих материалов справочные данные.

Подгоночными параметрами служили толщина пленки и объемное содержание обеих фаз. Эти параметры подбирались таким образом, чтобы рассчитанные для них спектральные зависимости эллипсометрических параметров максимально совпали с измеренными спектрами.

Определенное таким образом для трех исследуемых образцов (С1–С3) объемное содержание германия в кластерах составляло 15, 14 и 9%, а толщины пленок лежали в диапазоне 80–90 нм.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.