WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Спектроскопия комбинационного рассеяния света и электроотражение самоорганизованных SiGe-наноостровков, сформированных при различных температурах © М.Я. Валах, Р.Ю. Голиней, В.Н. Джаган, З.Ф. Красильник, О.С. Литвин, Д.Н. Лобанов, А.Г. Милехин, А.И. Никифоров, А.В. Новиков, О.П. Пчеляков, В.А. Юхимчук Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603600 Нижний Новгород, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия E-mail: yukhum@isp.kiev.ua С помощью спектроскопии КРС и электроотражения исследованы SiGe-наноостровки в кремниевой матрице, выращенные в интервале температур от 300 до 600C. Для островков, сформированных при относительно низких температурах (300-500C), загеристрирован дублетный характер фононных полос.

Показано, что зависящие от температуры роста структур изменения компонентного состава, размеров и формы наноостровков и связанные с этим величины упругих напряжений существенно изменяют энергии электронных межзонных оптических переходов в островках. Как следствие изменяются резонансные условия процесса КРС. Установлено, что процесс интердиффузии из кремниевой подложки и покровного слоя, определяющий смешанный SiGe-состав наноостровков, оказывается актуальным даже при низких (300-400C) температурах выращивания наноструктур.

Работа выполнена при поддержке гранта INTAS NANO N 01-444.

Для полупроводниковых структур с размерами в 1. Методика эксперимента несколько нанометров характерны проявления квантовоСтруктуры, исследованные в данной работе, были размерных эффектов. Варьируя геометрические размеполучены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на ры и конфигурацию нанообъектов, можно управлять подложке Si (001) с предварительно выращенным бусвойствами кристаллической структуры и прежде всего ферным Si-слоем. На буфер осаждалось 8 ML гермаэнергетическими спектрами носителей заряда и фонония, после чего сформированные островки покрывались нов. Одним из методов формирования наноструктур слоем Si толщиной 50 nm. Температура подложки при является самоорганизованный рост наноостровков соэпитаксии для разных образцов варьировалась в ингласно механизму Странского–Крастанова [1]. Среди тервале от 300 до 600C. Спектры КРС измерялись полупроводниковых наноструктур особое внимание припри комнатной температуре на спектрометре ДФС-24.

влекают массивы Ge- и SiGe-квантовых точек (КТ) [2], Для возбуждения использовалось излучение Ar+-лазера что обусловлено их использованием в оптоэлектронике с различными длинами волн. Спектры электроотражения ближнего ИК-диапазона и совместимостью с кремниевой измерялись при комнатной температуре стандартным технологией. Для производства приборов с высокой электролитическим методом в области от 1.8 до 3.7 eV.

степенью совершенства необходимо знать оптические Модулирующее напряжение составляло 1 V, что отвечаи электронные свойства КТ, которые зависят от таких ет слабополевому режиму, при котором можно испольпараметров, как размер, форма, плотность, однородзовать формулы Аспнеса для расчета энергии прямых ность распределения, величина механических напряжепереходов [6].

ний, компонентный состав. На все эти характеристики КТ в процессе их формирования существенно влияет интердиффузия, что является актуальным не только для 2. Результаты и обсуждение Si / Ge-систем, но и для КТ на основе полупроводников AIIIBV и AIIBVI.

На рис. 1 представлены спектры КРС SiGe-наноКак было показано ранее [3], величины механиче- островков, сформированных в интервале температур от ских напряжений и компонентного состава КТ можно 300 до 600C. Они имеют ряд особенностей, отличаюопределять с помощью комбинационного рассеяния све- щих их от спектров исследованных нами ранее островта (КРС). В большинстве работ КРС использовалось ков, сформированных при более высоких температурах для диагностики SiGe-КТ, сформированных при высоких (650-750C) [5]. Во-первых, это дублетный характер температурах (600-750C) [2,4,5]. В данной работе полос, соответствующих Ge–Ge- и Si–Ge-колебаниям.

исследовались SiGe-КТ, которые были получены при Во-вторых, резонансное усиление интенсивности рассеболее низких температурах (300-600C). яния. В-третьих, в низкочастотной области проявляется Спектроскопия комбинационного рассеяния света и электроотражение самоорганизованных... Экспериментальные значения частот Ge–Ge- и Si–Ge-полос в спектрах КРС, компонентного состава x, упругой деформации и энергий прямых переходов E0(Si-Ge), E1(Si-Ge), E0(Si-Ge) T, C GeGe, cm-1 SiGe, cm-1 xGe E0(Si–Ge), eV E1(Si–Ge), eV E0(Si–Ge), eV 300 315.0 418.6 0.98 -0.041 1.97 2.46 3.400 314.3 419.0 0.96 0.039 2.11 2.42 3.500 311.9 420.4 0.87 0.035 2.16 2.34 3.600 300.5 419.9 0.56 0.021 - - полоса (вставка, на рис. 1), обусловленная взаимодей- Ge-Ge-дублета в спектре КРС смещается в низкочаствием акустических фононов с локализованными в стотную сторону (см. таблицу). Этот сдвиг может быть обусловлен уменьшением напряжений в островках и островках электронными состояниями [7].

увеличением в них содержания Si. Это изменение наЧастотное положение высокоэнергетической компопряжений может определяться двумя факторами: уменьненты Ge–Ge-дублета для островков, сформированных шением рассогласования постоянных решеток Si1-x Gex при температуре 300C, составляет 315 cm-1. Для пракостровка и Si-подложки и / или релаксацией за счет уветически чисто германиевого островка столь высокая личения отношения высоты островка к его латеральным частота свидетельствует о значительной упругой деразмерам (h/L). Как показали наши АСМ-исследования формации сжатия, определяемой 4% расхождением по(АСМ — атомно-силовая микроскопия), непокрытые стоянных решеток островка и кремниевой подложки.

кремнием наноостровки, сформированные при осаждеПри увеличении температуры роста островков до 400C нии Ge толщиной 8 ML при температурах 450-580C, (и тем более до 500C) высокочастотная компонента имеют форму hut-кластеров (рис. 2, a). При более низких температурах эпитаксии (300-450C) с помощью сканирующей туннельной микроскопии было обнаружено, что островки также имеют форму hut-кластеров [8,9].

С ростом температуры эпитаксии отношение h/L для островков значительно не изменяется, а для покрытых кремнием островков релаксации препятствует еще и покровный слой Si. В связи с этим можно сделать вывод, что более вероятным фактором, влияющим на уменьшение упругих напряжений в островках, является увеличение в них содержания Si в результате интердиффузии. Этот вывод дополнительно подтверждают результаты измерения электроотражения.

Известно [10], что для ненапряженного твердого раствора Si1-x Gex с уменьшением x величины энергии прямых переходов E0(Si–Ge) и E1(Si–Ge) возрастают, причем E0(x) изменяется более значительно. Энергия Рис. 1. Спектры КРС SiGe-наноостровков, сформированных перехода E0(Si–Ge) очень слабо зависит от x [10].

при различных температурах. T, C: 1 — 300, 2 — 400, Как видно из экспериментальных данных, для наших 3 — 500, 4 — 600. На вставке — низкочастотная область образцов энергия прямого перехода E0(Si–Ge) монотонспектров КРС. Для возбуждения спектров использовалось но возрастает по мере увеличения температуры роста, излучение Ar+-лазера с = 514.5nm.

несмотря на уменьшение напряжений в островках (см.

таблицу), что свидетельствует об увеличении содержания Si в островках. О заметной интердиффузии в подобных островках при столь низких температурах свидетельствуют также результаты исследования фотолюминесценции [9].

Мы оценили компонентный состав островков, сформировавшихся в интервале температур 300-500C, исходя из предположения, что уменьшение напряжений в островках обусловлено диффузией в них Si. Частотное положение полосы в спектре КРС, соответствующей Ge-Ge-колебаниям, зависит от x согласно формуле [11] Рис. 2. АСМ-изображения SiGe-наноостровков, сформирован ных при различных температурах. T, C: a — 500, b — 600. GeGe = 280.8 + 19.37 x. (1) Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 56 М.Я. Валах, Р.Ю. Голиней, В.Н. Джаган, З.Ф. Красильник, О.С. Литвин, Д.Н. Лобанов, А.Г. Милехин...

Если учесть, что GeGe зависит и от упругой деформации [12], получим GeGe = 280.8 + 19.37 x - 400(x), (2) где (x) =(aSiGe(x) - aSi)/aSi, aSiGe и aSi — постоянные решетки островков и подложки соответственно.

Полученные результаты (см. таблицу) свидетельствуют о том, что даже при низких температурах эпитаксии (300-500C) имеет место интердиффузия Si в островки.

АСМ-исследования непокрытых кремнием островков, сформированных при температуре 600C, показали, что они имеют форму пирамид и куполов (рис. 2, b). Релаксация напряжений в них происходит как за счет увеличения содержания Si, так и в результате увеличения отношения h/L. Поэтому для определения величин комРис. 3. Спектры электроотражения SiGe-наноостровков, сфорпонентного состава x и упругих деформаций в островмированных при различных температурах.

ках были использованы две зависимости: GeGe(x, ) и SiGe(x, ). В связи с тем, что при температуре роста 600 плотность островков на порядок меньше, чем при 500C (рис. 2), а содержание Si в островках значительно при осаждении Ge с номинальной толщиной не более больше, вкладом в рассеяние интерфейса SiGe-остро8 ML формируются только hut-кластеры, в основании вок / Si-покровный слой можно пренебречь. Частотное которых лежит прямоугольник с разными сторонами.

положение Si–Ge-полосы в области 0.25 x 0.9 для Для таких островков отношения высоты к латеральным твердых растворов хорошо описывается формулой размерам в разных направлениях различаются, что приводит к асимметричному распределению напряжений в SiGe = 387 + 81(1 - x) - 78(1 - x)2 - 575. (3) островках и может проявиться в спектрах КРС в виде дублета. Однако расхождение частотных положений Решая систему уравнений (2) и (3), мы получили компонент дублета Ge–Ge-полосы столь значительно x = 0.56 и = -0.021. При таких значениях x и (7-10 cm-1), что упругая деформация в различных величина прямого перехода E1(Si–Ge) для островков направлениях должна была бы отличаться в 2 раза, что значительно больше энергии возбуждающего излучения мало вероятно.

(2.41 eV) и условия измерений КРС выходят из резонанДругой причиной проявления в спектрах КРС дублеса. Как следствие интенсивность полосы Ge-Ge в спектов может быть нарушение правил отбора для рассетре КРС уменьшается почти на порядок по сравнению яния света и проявление как LO-, так и TO-мод за с интенсивностью соответствующей полосы в спектрах счет расщепления оптического фонона F2g при k = островков, сформированных при 300C.

под действием внутренних напряжений в островках.

За проявление дублетного характера Ge–Ge- и Si–GeОднако проведенные нами поляризационные измерения полос может отвечать несколько факторов: во-первых, спектров КРС показали, что при варьировании векторов рассеяние от островков, имеющих разную форму;

во-вторых, TO-LO-расщепление при k = 0 за счет вну- поляризации возбуждающего и рассеянного излучения интенсивности обеих компонент Ge–Ge-колебаний изтренних напряжений в островках; и наконец, изменение меняются пропорционально. Этот факт противоречит частоты фонона (k) при k = 0 за счет размерных также и предположению, что дублетный характер поэффектов.

Расхождение величин упругих напряжений в различ- лос — проявление LO-TO-расщепления для волнового ных по форме островках даже при одинаковом ком- вектора k = 0.

И наконец, причиной проявления низкочастотного понентном составе действительно может приводить к различию частотного положения полос в спектрах КРС. плеча в Ge–Ge-полосе может быть влияние размерного Однако для образцов с наноостровками, полученных эффекта на частоту фонона за счет участия в процессе при относительно высоких температурах (600-750C), рассеяния волновых векторов, отличных от k = 0. Как даже при очевидном присутствии двух форм наноостров- было показано в работе [13], для структур с размерами ков дублетный характер полос КРС спектрально не в одну-две постоянных решетки различие по высоте разрешался [5]. По этой причине определялись усред- всего в один-два монослоя приводит к значительному ненные по всему ансамблю значения компонентного изменению частоты фононных колебаний вследствие состава и напряжений наноостровков. В то же время для изменения величины волнового вектора фонона, приниструктур, выращенных при более низких температурах мающего участие в процессе КРС. В модели линейной (300-500C), проявляется дублетный характер Ge–Ge- цепочки [13] теоретическая оценка влияния уменьшения и Si–Ge-полос в спектре КРС. При этих температурах высоты структуры на 4 ML дает расхождение частотного Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Спектроскопия комбинационного рассеяния света и электроотражение самоорганизованных... положения полос 7cm-1, что согласуется с нашими [9] M.W. Dashiell, U. Denker, C. Muller, G. Costantini, C. Manzano, K. Kern, O.G. Schmidt. Appl. Phys. Lett. 80, 1279 (2002).

экспериментальными результатами. Кроме того, данное [10] J.S. Kline, F.H. Pollak, M. Cardona. Helv. Phys. Acta 41, предположение позволяет объяснить наблюдаемое нами (1968).

в эксперименте смещение Ge–Ge-полосы в низкочастот[11] H.K. Shin, D.J. Lockwood, J.-M. Baribeau. Solid State ную сторону при возрастании энергии возбуждающего Commun. 114, 505 (2000).

лазерного излучения.

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

Исследование спектров электроотражения позволиB 68, 125 302 (2003).

ло нам определить энергии электронных переходов в [13] M.A. Arajo Silva, E. Riberio, P.A. Schulz, F. Cerdeira, изученных образцах. В спектрах электроотражения для J.C. Bean. Phys. Rev. B 53. 15 871 (1996).

наноостровков, выращенных при температуре 300C, в [14] T.P. Pearsall, F.H. Pollak, J.C. Bean, R. Hull. Phys. Rev. B 33, 6821 (1986).

области энергий до 3.0 eV проявляются два прямых перехода E0 и E1 [10,14] с энергиями 1.97 и 2.46 eV соответственно (рис. 3). С увеличением температуры формирования островков энергия перехода E0 незначительно возрастает, что связано с доминирующим влиянием увеличения содержания Si в наноостровках (см.

таблицу). В то же время, несмотря на увеличение доли Si в наноостровках, энергия перехода E1 уменьшается.

Такое изменение энергии перехода E1 обусловлено конкурирующим влиянием напряжений и компонентного состава. Для островков, сформированных при температурах 400 и 500C, эффект уменьшения напряжений, обусловливающий низкочастотный сдвиг, преобладает над высокоэнергетическим сдвигом, связанным с уменьшением x. Интенсивность спектров электроотражения для островков, сформировавшихся при температуре 600C, была очень малой, что не позволило достоверно оценить энергии переходов, поэтому их значения в таблице не приведены.

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.