WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Комбинационное рассеяние света лазерно-модифицированными структурами с квантовыми точками Ge/Si © А.Г. Милехин, В.В. Варавин, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, Д.Е. Маев, N. Vogel, D.R.T. Zahn Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Московский физико-технический институт, 141700 Долгопрудный, Московская обл., Россия Институт физики, Технический университет г. Кемниц, Д-09107 Кемниц, Германия E-mail: milekhin@thermo.isp.nsc.ru (Поступила в Редакцию 11 января 2006 г.) Структуры с самоорганизованными квантовыми точками Ge/Si, выращенные при помощи молекулярнолучевой эпитаксии, подвергались импульсному воздействию пикосекундным лазером. Изменения в колебательном спектре наноструктур, обусловленные внешним воздействием, изучены методом комбинационного рассеяния света. Анализ спектров комбинационного рассеяния света, измеренных вдоль обработанной области с микронным разрешением, указывает на перемешивание атомов Ge и Si и изменение встроенных механических напряжений в квантовых точках.

PACS: 78.30.Am, 78.67.Hc 1. Спектроскопия комбинационного рассеяния света воздействия. Вместе с тем КРС в стандартных условиях (КРС) широко используется для изучения колебательно- позволяет тестировать лишь усредненный по площади го спектра полупроводниковых структур. Недавно было (100 100 µm2) фононный отклик системы.

показано, что КРС может успешно применяться и для В настоящей работе приводятся результаты изучения изучения фононного спектра полупроводниковых кван- спектров КРС самоорганизованных КТ Ge/Si, подвергнутовых точек (КТ) [1–14], среди которых КТ на основе тых воздействию пикосекундного лазерного излучения, материалов Ge и Si занимают особое место вследствие с микронным пространственным разрешением.

их совместимости с кремниевой технологией. 2. Образцы были выращены методом молекулярноК настоящему времени с помощью КРС исследованы лучевой эпитаксии в ростовой моде Странского–Красструктуры с КТ Ge/Si с различными структурными танова на кремниевых подложках, ориентированных параметрами, такими как размеры КТ, толщины проме- в направлении (001), покрытых буферным слоем Si жуточных кремниевых слоев, степенью перемешивания толщиной 300 nm. Температура роста кремния составатомов в КТ и встроенные механические напряже- ляла 800 и 500C до и после нанесения германия ния [5–14]. Было показано, что эти параметры могут соответственно. КТ Ge выращивались при температуре меняться при варьировании технологических условий 300C. Структура включала десять периодов, состоящих процесса молекулярно-лучевой эпитаксии (температуры из слоев Ge и Si номинальной толщиной 1.4 и 30 nm подложки, плотности потока Ge и Si и т. д.). Структурные соответственно.

параметры КТ могут изменяться и при приложении Для определения структурных параметров КТ исвнешних воздействий на уже выращенные структуры пользовалась высокоразрешающая электронная микро(например, при высокотемпературном отжиге). Так, на- скопия (ВРЭМ) поперечного среза на пропускание.

пример, согласно данным, полученным при помощи Изображение поперечного среза структур с КТ было спектроскопии КРС [14], высокотемпературный отжиг получено при использовании электронного микроскопа структур с КТ Ge/Si приводит к релаксации встроенных CM20 FEG Philips.

механических напряжений и перемешиванию атомов Ge Структуры Ge/Si подвергались действию лазерных и Si. В работе [15] приводились результаты изучения импульсов длительностью 100 ps с длиной волны колебательных свойств структур с КТ Ge/Si, модифици- 1064 nm и плотностью мощности потока излучерованных под действием лазерного излучения, на основе ния 1555 и 6000 J/m2. Применялся лазер Nd : YAG анализа спектра КРС. Было показано, что воздействие AML-2 (Lumonics Deutschland Gmbh). Число импульсов наносекундным импульсным лазером с длиной волны изменялось от 1 до 3. Лазерное пятно при отжиге имело 694 nm вызывает изменение размеров КТ, а также приво- диаметр около 0.8 mm.

дит к частичной релаксации механических напряжений Спектры КРС измерялись при комнатной температуре в КТ и перемешиванию атомов Ge и Si. Очевидно, с помощью микроскопа, позволяющего сфокусировать что лазерный отжиг из-за неоднородного распределения лазерное пятно до размера порядка 1 µm. В качеплотности мощности в лазерном пятне вызывает струк- стве источника возбуждения использовался Ar+-лазер турные изменения в образце, неоднородные по площади с длиной волны 514.5 nm и мощностью 10 mW, что 2064 А.Г. Милехин, В.В. Варавин, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, Д.Е. Маев, N. Vogel, D.R.T. Zahn позволило избежать разогрева образца. Спектры КРС измерялись вдоль линии длиной 40 µm с шагом сканирования 2.5-5 µm от границы до центра зоны воздействия, где происходят изменения в спектре КРС. Рассеянный свет анализировался в геометрии обратного рассеяния с помощью тройного монохроматора Dilor XY с использованием CCD-камеры для многоканального детектрирования. Использовалась геометрия рассеяния z (x, y)z, где x, y, z параллельны кристаллографическим осям [100], [010] и [001] соответственно. Разрешение по всему спектральному диапазону составляло 2 cm-1.

3. По данным ВРЭМ КТ Ge имеют пирамидальную форму со средним размером основания 15 nm и высотой 1.5-2nm [16]. Плотность КТ определена как 3 · 1011 cm-2. Дисперсия точек по размерам составила 20%.

Частоты оптических фононов в КТ Ge зависят по крайней мере от двух параметров: величины механичеРис. 1. Спектры КРС структур с квантовыми точками Ge/Si, ских напряжений в КТ и степени перемешивания атомов измеренные в различных геометриях рассеяния. Стрелками КТ и матрицы. Эффект локализации оптических фононов показаны линии КРС, соответствующие TO- и LO-колебаниям в исследуемых структурах при данных экспериментальGe-Ge и Ge-Si.

ных условиях приводит к незначительному низкочастотному сдвигу порядка 1-2cm-1 [17] и не учитывается при дальнейшем рассмотрении. Вследствие двуосного частоте 520.5 cm-1. Наблюдение линий КРС в области напряжения в КТ (сжатие в плоскости слоев и растяLO-колебаний Ge-Ge и Ge-Si в геометрии рассеяжение вдоль оси роста структуры) линия оптического ния z (x, x)z, „запрещенных“ в сверхрешетках Ge/Si, фонона Ge расщепляется на две моды, продольную (LO) выращенных в направлении (001), свидетельструет о и поперечную (TO), частоты которых сдвигаются в нарушении правил отбора для КРС в структурах с КТ область больших энергий. Перемешивания атомов Ge Ge/Si [6].

и Si в КТ, наоборот, приводит к уменьшению частот Частоты линий LO- и TO-фононов колебаний Ge-Ge фононов Ge. При конкурирующем влиянии этих двух (315 и 306 cm-1 соответственно) превышают частоту эффектов частоты LO- и TO-фононов в напряженных оптических фононов в объемном Ge (300 cm-1 при КТ твердого раствора Gex Si1-x могут быть определены T = 300 K), что объясняется наличием напряжения сжакак [17] тия в слоях Ge. Из формул (1) и (2) следует, что комC12 xx понента тензора механических напряжений составляет LO() = qlo - plo + 0(x), (1) C11 (x) величину xx = 0.034 и содержание Ge в КТ близко к 85%. Асимметричная форма пиков КРС связана с C12 xx распределением КТ Ge по размерам [5,6,18,19]. Кроме TO() = p + q 1 - 2 + 0(x). (2) C11 2(x) того, вклад в асимметрию пика может вносить рассеяние второго порядка на TA-фононах в X и/или точках зоны Здесь 0(x) — частота LO-фонона объемного твердого раствора Gex Si1-x; p и q — деформационные по- Бриллюэна [14].

тенциалы фононов; Ci j — константы упругости матриа- 4. В результате воздействия на образец единичным лазерным импульсом с плотностью энергии 6000 J/mла КТ, представленные в первом приближении линейной комбинацией констант для Si и Ge [17]; xx — компонен- в спектрах КРС наблюдаются значительные изменения.

На рис. 2 показаны характерные спектры КРС, измерента тензора механических напряжений в плоскости слоев.

На рис. 1 представлены спектры КРС образца до при- ные вдоль направления [110] от границы области возложенного внешнего воздействия, измеренные в различ- действия к ее центру с шагом 5 µm. При перемещении от края к центру области воздействия линия колебаний ных геометриях рассеяния. Из этого рисунка видно, что в геометриях обратного рассеяния z (x, x)z и z (y, x)z в Ge-Ge (рис. 2, a) сдвигается в область низких энергий спектрах проявляются пики на частотах 315 и 416 cm-1, (с 312 до 302 cm-1), а ее интенсивность уменьшается, в соответствующие LO-модам Ge-Ge и Ge-Si, в то вре- то время как частота моды Ge-Si (рис. 2, b) возрастает мя как в геометрии рассеяния y (zx )y наблюдаются (с 415 до 420 cm-1) при уменьшении ее интенсивности.

особенности на частотах 306 и 409 cm-1, обусловлен- Частота моды Si-Si (рис. 2, c) не изменяется, а ее инные TO-колебаниями Ge-Ge и Ge-Si соответственно. тенсивность возрастает. Изменение частот мод Ge-Ge Кроме того, во всех спектрах КРС наблюдается линия и Ge-Si свидетельствует об уменьшении содержания Ge оптических колебаний Si-Si в подложке и слоях Si на в КТ (c 85 до 50%) и величины напряжения сжатия Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Комбинационное рассеяние света лазерно-модифицированными структурами с квантовыми... кремнием, вблизи КТ Ge, а не из КТ Ge/Si, обогащенных германием. Незначительная ширина пика (около 5 cm-1) указывает на то, что флуктуация концентрации Ge в данной области достаточно мала. Согласно полученным ранее данным [9,20], содержание Ge в твердом растворе GeSi определено как 10%. Колебательные моды при и 440 cm-1 предположительно также происходят из этой обогащенной кремнием области GeSi.

Интересным обстоятельством является увеличение примерно в 5 раз интенсивности пика Si (520.5 cm-1) от слоев Si и кремниевой подложки, наблюдаемого в спектрах КРС, измеренных в обработанной области, относительно соответствующего значения в спектрах, полученных вне этой области (рис. 2, c). Возможное объяснение данного факта может быть следующим. Вследствие резонансного поглощения в Ge при 2.3 eV [21] Рис. 2. Спектры микро-КРС лазерно-модифицированной интенсивность пика Si уменьшается. Этот резонанс осластруктуры, измеренные в области частот колебаний бевает при достижении обработанной области, где струкGe-Ge (a), Ge-Si (b) и Si-Si (c) вдоль направления [110] от границы области воздействия к ее центру (спектры турные параметры КТ модифицированы. Это приводит к упорядочены сверху вниз) с шагом 5 µm (сплошные линии).

увеличению рассеяния на фононах в Si и соответственно В области резкого изменения колебательных свойств образца к росту интенсивности КРС от Si.

спектры КРС представлены с шагом 2.5 µm дополнительно Важно отметить, что поведение спектров КРС, ча(штриховые линии). Коэффициенты, приведенные на части a, стоты наблюдаемых линий не завият ни от плотности относятся также к части b. Для удобства восприятия спектры энергии импульсного лазерного излучения, ни от числа сдвинуты вдоль вертикальной оси.

импульсов. Это означает, что при изменении условий лазерного отжига структурные свойства образцов с КТ, подвергнутых отжигу, меняются незначительно.

5. Таким образом, изучено КРС сверхрешетками с сав КТ (компонента тензора напряжения в плоскости сломоорганизованными КТ Ge, подвергнутыми воздействию ев xx возрастает с -0.034 до -0.02). При дальнейшем пикосекундного лазера. Продемонстрированы возможнодвижении к центру обработанной области спектры КРС сти спектроскопии КРС для изучения неоднородных КТ.

не изменяются, что свидетельствует о стабилизации и Обнаруженные изменения частот колебательных мод в онородности структурных параметров в этой области.

структурах во время мониторинга с микронным разреКроме того, в спектрах КРС, представленных на шением подтверждают наличие релаксации мехнических рис. 2, появляются новые колебательные моды в напряжений в КТ Ge и перемешивание атомов Ge и Si.

спектральном диапазоне колебаний Ge-Si (440 cm-1) и Si-Si (516.4 cm-1). Линия при 440 cm-1 интерпретирована как соответствующая локальным колебаниям Список литературы Si-Si в кремнии в присутствии атомов Ge [20]. Заме[1] C. Miesner, O. Rthig, K. Brunner, G. Abstreiter. Appl. Phys.

тим, что эта линия на частоте 516.4 cm-1 появляется Lett. 76, 1027 (2000).

только в достаточно узкой области (около 15 µm). Ее [2] B.R. Bennett, B.V. Shanabrook, R. Magno. Appl. Phys. Lett.

частотное положение не зависит ни от мощности лазера, 68, 958 (1996).

ни от числа лазерных импульсов, используемых при [3] J. Groenen, A. Mlayah, R. Carles, A. Ponchet, A. Le Corre, отжиге, ни от расположения лазерного пятна. В спекS. Salaun. Appl. Phys. Lett. 69, 943 (1996).

трах КРС, измеренных в этой области, не наблюдается [4] G. Armelles, T. Utzmeier, P.A. Postigo, F. Briones, J.C. Ferrer, сдвига линии Ge-Ge, в то время как частота фонона P. Peiro, A. Cornet. J. Appl. Phys. 81, 6339 (1997).

Ge-Si (415 cm-1) сдвигается в высокочастотную об[5] A. Milekhin, D. Tenne, D.R.T. Zahn. In: Quantum dots and ласть на 3 cm-1. В то же время интенсивность мод nanowires / Eds S. Bandyopadhyay, H.S. Nalwa. American Scientific Publ., CA (2003). P. 375.

Ge-Ge и Ge-Si (415 cm-1) уменьшается. Это означает, [6] A. Milekhin, A.I. Nikiforov, O.P. Pchelyakov, S. Schulze, что КТ остаются практически полностью напряженными, D.R.T. Zahn. Physica E 13/2-4, 982 (2002).

тогда как в приграничной с КТ области происходит [7] A.G. Milekhin, A.I. Nikiforov, M.Yu. Ladanov, O.P. Pcheперемешивание атомов Ge и Si. Появление линии Si-Si lyakov, D.N. Lobanov, A.V. Novikov, Z.F. Krasil’nik, при 516.4 cm-1 связано с формированием обогащенного S. Schulze, D.R.T. Zahn. Physica E 21/2-4, 464 (2004).

кремнием твердого раствора GeSi, образующегося под [8] М.Я. Валах, Р.Ю. Голиней, В.Н. Джаган, З.Ф. Красильник, действием пикосекундного лазера. Высокая интенсивО.С. Литвин, Д.Н. Лобанов, А.Г. Милехин, А.И. Никифоность наблюдаемого пика Si-Si указывает на то, что эта ров, А.В. Новиков, О.П. Пчеляков, В.А. Юхимчук. ФТТ 47, мода происходит, скорее, из области GeSi, обогащенной 54 (2005).

10 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2066 А.Г. Милехин, В.В. Варавин, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, Д.Е. Маев, N. Vogel, D.R.T. Zahn [9] J.I. Liu, G. Jin, Y.S. Tang, K.L. Wang, D.P. Yu. Appl. Phys.

Lett. 76, 586 (2000).

[10] M. Cazayous, J. Groenen, A. Zwick, A. Mlayah, R. Carles, J.L. Bischoff, D. Dentel. Phys. Rev. B 66, 195 320 (2002).

[11] J. Groenen, R. Carles, S. Christiansen, M. Albrecht, W. Dorsch, H.P. Strunk, H. Wawra, G. Wagner. Appl. Phys.

Lett. 71, 3856 (1997).

[12] А.Б. Талочкин, В.А. Марков, С.П. Супрун, А.И. Никифоров. Письма в ЖЭТФ 64, 203 (1996).

[13] H.K. Shin, D.J. Loockwood, J.-M. Baribeau. Solid State Commun. 114, 505 (2000).

[14] P.H. Tan, K. Brunner, D. Bougeard, G. Abstreiter. Phys. Rev.

B 68, 125 302 (2003).

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.