WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Si/Ge наноструктуры для применений в оптоэлектронике,,,,,,, © В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, В.Г. Талалаев, А.Г. Макаров, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, N.D. Zakharov, P. Werner Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия E-mail: cirlin@beam.ioffe.rssi.ru Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, Россия Max-Planck-Institut fr Mikrostrukturphysik, D-06120 Halle (Saale), Germany E-mail: egorov_v@mail.ru Исследованы оптические и структурные свойства многослойных Si/Ge структур с докритическими, а также близкими к критическим включениями германия в кремниевую матрицу, при которых происходит переход от двумерного к островковому росту. Показана возможность получения интенсивной фотолюминесценции при комнатной температуре в обоих случаях при оптимально подобранных ростовых параметрах. Предлагаемые подходы создания активной области являются перспективными для оптоэлектронных применений на основе кремния.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке научными программами Минпромнауки и технологии РФ. Один из авторов (Г.Э.Ц.) выражает признательность Alexander von Humboldt Stiftung.

В настоящее время в мире существует значительный достигнуть высокой интенсивности люминесценции при интерес к поиску возможных путей создания свето- комнатной температуре. Изложенное выше стимулирует излучающих полупроводниковых приборов на основе поиск новых путей к решению проблемы увеличения кремния. Эффективность излучательной рекомбинации эффективности излучательной рекомбинации в полупров кремнии затруднена его непрямозонной природой, водниковых структурах на основе кремния.

однако если удастся найти способ ее увеличения, это В первой части настоящей работы предложен метод сделает возможным интеграцию на одной подложке локализации носителей заряда в активной области, соприборов оптоэлектроники и современной микроэлекстоящей из наноразмерных островков Ge с латеральнытроники, где кремний является основным материалом.

ми размерами, меньшими, чем боровский радиус дырки, Известные сегодня подходы к решению этой проблемы полученными в результате осаждения на кристалле заключаются в использовании пористого кремния [1], кремния субмонослойных покрытий германия при молеквантовых ям в системе Si/Ge и квантовых точек Si/Ge кулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Такие включения и Si/Ge/C [2], а также InAs/Si [3] и других прямозонных должны привести к частичному изменению правил отAIIIBV материалов; легирование кремния редкоземельбора по волновому вектору и возможности образования ными элементами [4]. Эти подходы частично успешны, локализованного экситона, стабильного вплоть до комчастично имеют свои недостатки. Например, получение натных температур, образованного при взаимодействии на поверхности Si качественных гетероэпитаксиальных свободного электрона с локализованной на германиевом слоев, необходимых для создания квантовых ям и кваностровке дыркой, что повысит эффективность излучатовых точек, осложняется рассогласованием решеток, тельной рекомбинации. Подобная ситуация возможна в приводящим к большому количеству дефектов в расслучае, если энергия кулоновского притяжения окажется тущем слое материала; возникновением напряжений в для электрона сильнее отталкивающего потенциального слое AIIIBV полупроводника вследствие значительнобарьера, создаваемого германиевым наноостровком в го различия коэффициентов линейного расширения Si зоне проводимости. В целях дальнейшего увеличения и AIIIBV материала. При легировании Si редкоземельэффективности излучательной рекомбинации предполаными элементами, например, эрбием, имеет место пригается многократное вертикальное складирование слоев, месная люминесценция, в то время как для приборного содержащих германиевые субмонослойные включения, применения (в частности, для инжекционных лазеров) разделенных кремниевым спейсером. Предлагаемая технеобходима эффективная межзонная люминесценция.

нология получения субмонослойных включений гермаВ [5] показана возможность создания высокоскоростного ния в кремниевую матрицу позволяет добиться хорогерманиевого детектора, интегрированного на кремниешей локализации дырок и соответственно экситонов;

вом чипе. Однако при использовании квантовых ям Ge/Si из-за малости размеров островки будут когерентны, а в качестве активной области для светоизлучающих накопленные упругие напряжения в структуре — малы приборов оба материала обладают непрямой зонной структурой, поэтому не удается добиться эффективного ввиду небольших количеств германия, используемого в сбора носителей заряда в область рекомбинации и качестве активной области, что позволяет ожидать хоро54 В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, В.Г. Талалаев, А.Г. Макаров, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов...

шее кристаллографическое качество и малую плотность ными включениями германия [7] было обнаружено, что дефектов, являющихся центрами безызлучательной ре- в спектрах ФЛ этих образцов появлялись новые линии, комбинации.

которые не наблюдаются в спектре от кремниевой Во второй части работы сообщается об изготовлении подложки и которые связывались с излучением из Si/Ge бездефектных многослойных Si/Ge структур с квансверхрешетки. Интересной особенностью оказалось, что товыми точками, излучающих в области длины волпри осаждении целого количества монослоев Ge инны 1.55 µm при комнатной температуре. Интегральная тегральная интенсивность соответствующего пика ФЛ интенсивность фотолюминесцентной полосы, связанной оказывается в 20 раз меньше, чем в случае осаждес излучением от квантовых точек, демонстрирует сверхния 0.5 MC (рис. 1, a, b). Структурные исследования полинейную зависимость от плотности оптической накачказали, что при осаждении целого количества монослоев ки. Приводятся результаты исследований оптических и германиевый слой является практически моноатомным, структурных свойств таких структур в зависимости от в то время как в случае осаждения субмонослойного коростовых параметров.

личества германий собирается в наноостровки высотой до нескольких монослоев [8]. Различия в структурных и оптических свойствах могут быть объяснены следующим 1. Эксперимент образом. При монослойном заполнении слой является Экспериментальные образцы были выращены мето- сингулярным, в то время как при неполном заполнении дом МПЭ на установке Riber SIVA45 на полуизолируна поверхности появляются локальные неоднородности.

ющих Si (100) подложках. Подложки проходили предПри заращивании материалом подложки (Si) вследростовую химическую подготовку [6], обеспечивающую ствие наличия упругих напряжений в последнем случае удаление окисного слоя при нагреве до Ts = 840C.

возможно (при определенных условиях) образование Неравномерность температурного распределения нагреквазитрехмерных островков. Их размер определяется вателя подложки при использовании вращения образбалансом упругих и поверхностных энергий. Таким ца не превышала 5%. Образцы состояли из буфернообразом, при размерах двумерных зародышей меньше го слоя кремния толщиной 100 nm, выращенного при критических, островкам энергетически выгодно иметь Ts = 600C, Ge/Si сверхрешеток (20 пар) и прикрытрехмерное строение, при больших размерах островки вающего слоя кремния 20 nm. Толщина Ge слоя сосохраняют плоскую форму. В нашем случае осаждеставляла 0.7-9, толщина кремниевого спейсера — ние 0.5 MC Ge сначала приводит к образованию отно40-50. Температура роста активной области сосительно небольших островков германия моноатомной ставляла 600-750C. В некоторых образцах испольвысоты на поверхности кремния, поскольку количества зовалось легирование кремниевого спейсера примесью осажденного материала недостаточно для полного поn-типа (Sb). Скорости роста для Si и Ge поддержикрытия всей поверхности. Затем эти плоские островки вались постоянными с помощью масс-спектрометров, заращиваются кремниевым спейсером, что приводит к настроенных на 28 (Si) и 74 (Ge) массы и составляли изменению баланса поверхностной и упругой энергий.

для конкретного ростового процесса 0.5 и 0.02-3 /c Если размеры этих островков меньше критического, они соответственно. Давление в ростовой камере в ростовых трансформируются из плоских в трехмерные; в противэкспериментах было не выше 5 · 10-10 Topp. Процесс ном случае они сохранят свою форму.

осаждения активной области контролировался in situ с Для доказательства этого механизма были выращены помощью дифракции быстрых электронов на отражение.

образцы с использованием прерывания роста сразу посФотолюминесценция (ФЛ) возбуждалась Ar+-лазером ле осаждения слоя Ge. Прерывание роста стимулирует ( = 488 nm). Для измерений зависимости ФЛ от плотмиграцию адатомов германия по поверхности, и плоские ности накачки лазерный луч фокусировался на площади образца 103 µm2. Измерения температурной зависимо- наноостровки получаются большие по размерам, нежели без использования прерывания роста. На рис. 1, c, d сти ФЛ производились в гелиевом криостате. ФЛ сигнал собирался монохроматором, совмещенным с Ge фото- приведены спектры ФЛ для образцов, выращенных без детектором, охлаждаемым жидким азотом (Edindurgh прерывания роста и со 120-секундным прерыванием.

Instruments Inc.). При построении зависимостей ФЛ от Во втором случае в спектре практически отсутствует мощности возбуждения спектры нормализовались на пик ФЛ, соответствующий излучению из Si/Ge сверхчувствительность фотодетектора. Структурные исследо- решетки. Данные исследований методом ПЭМ таквания проводились с помощью просвечивающей элекже показывают отсутствие трехмерных наноостровков тронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопах JEM для образца, выращенного с прерыванием роста. Это (ускоряющее напряжение 400 kV) и CM20 (200 kV).

подтверждает, что размеры двумерных островков в этом случае оказались выше критических и при заращивании кремниевым спейсером не произошло образования 2. Результаты и обсуждение трехмерных включений, а форма островков Ge осталась плоской.

2. 1. Si/Ge структуры с субмонослойными в к л ю ч е н и я м и. В ходе проведенных ранее исследова- Поскольку в исследуемых Si/Ge структурах происхоний оптических свойств Si/Ge структур с субмонослой- дит эффективная локализация дырок в островках Ge, Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Si/Ge наноструктуры для применений в оптоэлектронике Рис. 1. Спекты ФЛ, снятые при 15 K для образцов с 0.5 (a) и 1.0 MC(b) Ge в каждом слое структуры и для образцов, выращенных с прерыванием роста после осаждения каждого слоя Ge (c) и без прерывания роста (d).

но локализация электронов в островках ослаблена от- подобранном уровне легирования наблюдается повыталкивающим потенциалом барьера, то для увеличения шение эффективности ФЛ до 50 раз по сравнению с интенсивности ФЛ нами предложено дополнительное нелегированной структурой. На рис. 2 представлены легирование матрицы примесью n-типа. При оптимально спектры ФЛ при 15 K для легированного Si/Ge образца и InAs образца с квантовыми точками, помещенными в In0.12Ga0.88As квантовую яму (что позволяет получать интенсивное излучение на длине волны 1.3 µmпри комнатной температуре). Внутренняя квантовая эффективность для последнего образца оценивается как близкая к 100% [9]. Следует отметить, что в нашем случае для легированного Si/Ge образца с субмонослойными включениями интенсивность ФЛ оказывается только на 2 порядка ниже, чем для образца с прямозонными InAs квантовыми точками в GaAs матрице. Кроме того, недавно нами была получена сверхлинейная зависимость интегральной интенсивности ФЛ от плотности возбуждения [10] в Si/Ge структурах с субмонослойными включениями Ge, что делает перспективным данный подход для реализации светоизлучающих приборов на основе кремния.

2. 2. Si/Ge структуры с квантовыми точкам и. Исследовались структуры, состоящие из 20 слоев Ge толщиной 0.7-0.9 nm, разделенных кремниевым спейсером толщиной 5 nm. После осаждения слоя Ge поверхность выдерживалась под потоком Sb в течение 20-30 s (дельта-легирование), прилегающие 2 nm спейсера легировались примесью n-типа, а следующие 3 nm спейсера выращивались нелегированными.

На рис. 3 представлены типичные ПЭМ фотографии Рис. 2. Сравнение спектров ФЛ InAs квантовых точек в InGaAs квантовой яме и Sb-легированной Si/Ge многослой- поперечного сечения (a) и плоскости поверхности (b) ной структуры с квантовыми точками. исследуемых Si/Ge структур с квантовыми точками.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 56 В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких, В.Г. Талалаев, А.Г. Макаров, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов...

Рис. 3. ПЭМ изображения высокого разрешения поперечного сечения (a) и плоскости поверхности оптимизированного Ge/Si образца с квантовыми точками (b).

Рис. 4. Спектры ФЛ для оптимизированного Ge/Si образца с квантовыми точками, плотность возбуждения 1 W/cm2 (a);

зависимость от плотности возбуждения, снятая при комнатной температуре (b).

Несмотря на небольшую толщину спейсера, в структу- из Ge квантовых точек, от плотности оптической нарах не наблюдаются структурные дефекты. Отчетливо качки в двойном логарифмическом масштабе. Согласно видны островки Ge с латеральными размерами 80 nm, формуле J = Pm, где J — интенсивность ФЛ, P — высота их колеблется от 3 до 5 nm. Островки с наиболь- плотность накачки, фактор m = 1.6 в широком диапашими высотами располагаются в середине структуры. зоне плотностей возбуждения от 3 до 6000 W/cm2. При Средняя поверхностная плотность островков, оцененная более высоких уровнях возбуждения зависимость иниз рис. 3, b, составляет 1 · 1010 cm-2 в каждом слое. тенсивности ФЛ по-прежнему остается сверхлинейной Островки расположены с высокой степенью вертикаль- с фактором m = 1.15. Насколько нам известно, такой ной и поверхностной упорядоченности. ход зависимости не наблюдался для переходов II рода На рис. 4, a представлены спектры ФЛ, снятые при в системе Si/Ge. В качестве примера в [11] для систекомнатной и гелиевой температурах, для Ge/Si образца мы Si/Ge с квантовыми точками фактор m оценивается с квантовыми точками, выращенного при оптималь- как 0.78 для ФЛ из квантовых точек (переход II рода) но подобранных ростовых параметрах. Излучение ФЛ и 0.96 для излучения из смачивающего слоя (переход из Ge квантовых точек (соответствующий пик помечен квази — I рода).

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.