WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Фотолюминесценция GeSi/Si(001) самоорганизующихся наноостровков различной формы © Н.В. Востоков, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: anov@ipm.sci-nnov.ru Представлены результаты исследования зависимости спектров фотолюминесценции структур с самоорганизующимися островками GeSi/Si(001) от температуры осаждения Ge. Обнаружен немонотонный характер зависимости положения максимума пика фотолюминесценции от островков при понижении температуры осаждения Ge. Сдвиг пика фотолюминесценции от островков в область больших энергий при понижении температуры роста с 600 до 550C связывается с происходящим в этом температурном интервале изменением формы островков, которое сопровождается резким уменьшением средней высоты островков.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-0216792), проекта INTAS NANO N 01-444 и программ Минпромнауки РФ.

Образование трехмерных самоорганизующихся ост- ФЛ использовался Фурье-спектрометр BOMEM DA3.36 ровков, вызванное рассогласованием кристаллических с охлаждаемым InSb детектором. Оптическая накачка решеток Ge и Si, экспериментально наблюдалось в осуществлялась Ar+ лазером (линия 514.5 nm).

широком интервале температур осаждения Ge на поверхность Si(001) [1–3]. За счет изменения темпе2. Результаты и обсуждение ратуры осаждения Ge можно получать как большие наноостровки с латеральным размером > 100 nm [1,2], Ранее проведенные исследования роста наноостровков так и предельно малые островки (квантовые точки), GeSi при температурах осаждения Ge Tp 600C покамаксимальный размер которых не превосходит зали [1–4], что при эффективной толщине осажденно15-20 nm [2,3]. Температура роста оказывает влияние го Ge dGe = 7-8 ML на поверхности структур наблюдане только на размеры островков, но и на их форму [1] и состав [4]. Размеры островков, их форма и состав ются два типа островков, различающиеся своей формой являются параметрами, определяющими положение и размерами: пирамидальные (pyramid) и куполообразэнергетических зон в структурах с наноостровками. ные (dome) островки. Было обнаружено [4], что большое Зависимость этих параметров от температуры роста влияние на рост островков при Tp 600C оказывает должна приводить к существенному различию в зонных образование сплава GeSi в островках, вызванное диффудиаграммах структур с наноостровками, выращенных зией Si в островки, ускоренной полями упругих напряжепри различных температурах, что в свою очередь долж- ний от островков. Исследования структур, проведенные но повлиять на их оптические свойства. В настоящей с помощью АСМ, показали, что доминирующим типом работе представлены результаты исследований роста и островков при dGe = 7-8 ML являются куполообразные фотолюминесценции (ФЛ) структур с самоорганизую- островки, имеющие по сравнению с пирамидальными щимися островками GeSi/Si(001), выращенными в широ- островками большую высоту и размер в плоскости роста ком (460-700C) интервале температур осаждения Ge.

(рис. 1, a). При понижении Tp с 700 до 600C происходит монотонное уменьшение размеров островков (рис. 1, d) и увеличение их поверхностной плотности (рис. 1, e).

1. Методика эксперимента Рост поверхностной плотности островков вызван уменьшением поверхностной диффузии атомов при понижеИсследуемые структуры были выращены на Si(001) нии температуры. Уменьшение размеров островков при подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии из понижении Tp связано с подавлением диффузии Si в твердых источников. Структуры для исследования моростровки и увеличением в них доли Ge [4].

фологии поверхности состояли из буферного слоя Si, При понижении температуры осаждения Ge с 600 до выращенного при 700C, и слоя Ge с эквивалентной 550C происходит качественное изменение в росте самотолщиной dGe = 7-8 монослоев (ML) (1ML 0.14 nm), организующихся островков (рис. 1). Понижение Tp всего осажденного в интервале температур Tp = 460-700C.

В структурах для оптических исследований после оса- на 50C приводит к увеличению на порядок поверхностждения Ge выращивался покровный слоя Si, темпера- ной плотности островков (рис. 1, e), а высота островков тура роста которого совпадала с температурой осажде- уменьшается примерно в 5 раз (рис. 1, d). Резкое измения Ge. Исследования морфологии поверхности струк- нение параметров островков связано с появлением на тур выполнены с помощью атомно-силового микро- поверхности так называемых hut-островков [5]: островскопа (АСМ) „Solver“ P4. Для регистрации спектров ков, имеющих прямоугольное основание, вытянутое в 64 Н.В. Востоков, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский Рис. 1. a–c — ACM снимки поверхности структур, выращенных при 600, 550 и 460C соответственно. Размер снимков 500 500 nm. d и e — зависимости средней высоты островков и их поверхностной плотности от температуры осаждения Ge.

Штриховая линия на частях c и d разделяет области существования hut- и dome-островков и соответствует Tp = 580C.

направлении 100 или 010 (рис. 1, b). Островки дан- Сравнение спектров ФЛ структур, выращенных при ного типа появляются при Tp = 580C [6] (рис. 1), а при различных температурах осаждения Ge, показало немоTp 550C и dGe = 7-8 ML они становятся основным нотонный характер зависимости положения максимума типом островков, наблюдаемым на поверхности струк- пика островковой ФЛ (Eisl) от Tp (рис. 2). Как и в случае тур (рис. 1, b). При уменьшении Tp с 550 до 460C высо- роста островков, зависимость Eisl(Tp) можно разбить на та hut-островков монотонно уменьшается, а их поверх- два участка (рис. 2, b).

ностная плотность растет (рис. 1). При Tp = 460C вы- На первом участке, при Tp 600C, Eisl монотонно сота hut-островков составляет 0.7–1 nm, размер в плос- уменьшается с понижением температуры роста. На кости роста лежит в диапазоне 15–30 nm, а поверхност- энергию оптического перехода в островках при пониная плотность островков равна Ns = 2.5 1011 cm-жении температуры оказывают влияние два основных (рис. 1, c).

фактора: уменьшение размеров островков и изменение Исследования спектров ФЛ выращенных структур их состава. При Tp 600C первый фактор оказывает показали, что в низкоэнергетической части спектра слабое влияние на энергию оптического перехода в ФЛ всех исследованных структур наблюдается широкий островках, так как даже при Tp = 600C высота незапик ФЛ (рис. 2, a). Данный пик ФЛ связывается с непря- рощенных куполоообразных островков больше 10 nm мым оптическим переходом между дырками, локализо- (рис. 1, d) и эффекты размерного квантования оказывают ванными в островках, и электронами, находящимися в Si слабое влияние на положение первого уровня размерна гетерогранице типа II с островком [7]. В работе [8] ного квантования дырок в островках. В результате было показано, что значительная часть сигнала ФЛ от этого энергетический уновень дырок в островках лежит островков, выращенных при Tp 650C, расположена вблизи потолка валентной зоны (рис. 3, a). Основное при энергиях, меньших низкоэнергетической границы влияние на положение пика ФЛ от островков оказывает рабочего диапазона охлаждаемого Ge детектора. Для зависимость состава островков от температуры роста.

того, чтобы избежать модификации сигнала ФЛ от Смещение пика ФЛ от островков в область меньших островков спектральной характеристикой Ge детектора, энергий связано с подавлением диффузии Si в островки в настоящей работе для регистрации спектров ФЛ при понижении температуры роста и соответственно с использовался менее чувствительный охлаждаемый InSb увеличением доли Ge в них [4]. Увеличение доли Ge детектор, имеющий более длинноволновую границу ра- в островках приводит к росту разрыва валентных зон бочего диапазона. на гетерогранице кремний–островок и, следовательно, Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Фотолюминесценция GeSi/Si(001) самоорганизующихся наноостровков различной формы Рис. 2. Спектры ФЛ структур с островками, выращенными при различных температурах осаждения Ge (a) и положение максимума пика ФЛ от островков в зависимости от Tp (b). Спектры ФЛ записаны при 4 K с помощью InSb детектора.

Рис. 3. Схематическое изображение модели непрямого оптического перехода для dome- (a) и hut- (b) островков. На рисунке показано положение потолка валентной зоны и 2 долин электронов в островках и их окрестностях. Стрелками отмечен непрямой оптический переход.

к уменьшению энергии непрямого оптического перехо- Монотонное уменьшение Eisl при понижении Tp с да [8] (рис. 3, a). 550 до 460C связывается с подавлением изменения Зависимость (Tp) имеет особенность в диапазоне параметров островков при их заращивании. Известно [9], Tp = 550-600C: пик ФЛ от островков смещается что при росте покровного слоя Si происходит увелипримерно на 50 meV в область больших энергий при чение доли Si в островках и уменьшение их высоты.

понижении Tp с 550 до 600C (рис. 2). Исследования В работе [10] было показано, что при понижении температуры заращивания в 500 до 390C эти процессы роста островков показали, что именно в этом интервале Tp происходит существенное изменение в значительной мере подавляются. Таким образом, при в морфологии островков (рис. 1). Как было показано уменьшении температуры роста с 550 до 460C провыше, при Tp > 580C на поверхности структур исходит увеличение высоты зарощенных островков и преобладают dome-островки, имеющие высоту > 10 nm, увеличение средней доли Ge в них. Оба этих процесса а при температурах Tp < 580C — hut-островки, приводят к уменьшению энергии оптического перехода высота которых 2nm (рис. 1, d). Резкое уменьшение в островках (рис. 3, b) и соответственно к сдвигу пика высоты островков вызывает существенное увеличение ФЛ от островков в область меньших энергий.

влияния квантово-размерных эффектов на положение энергетических уровней дырок в островках. Это Список литературы приводит к тому, что несмотря на увеличение разрыва валентных зон на гетерогранице Si-островок, связанное [1] T.I. Kamins, E.C. Carr, R.S. Williams, S.J. Rosner. J. Appl.

с увеличением доли Ge в островках при понижении Phys. 81, 211 (1997).

Tp, первый уровень размерного квантования дырок [2] О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, в островках смещается („выталкивается“) к потолку Л.В. Соколов, А.И. Никифоров, А.И. Якимов, Б. Фойхтленвалентной зоны Si (рис. 3, b), в результате чего дер. ФТП 34, 1281 (2000).

происходит увеличение энергии оптического перехода в [3] M.W. Dashiell, U. Denker, C. Muller, G. Costantini, C. Manzaостровках и наблюдаемый сдвиг линии ФЛ. no, K. Kern, O.G. Schmidt. Appl. Phys. Lett. 80, 1279 (2002).

5 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 66 Н.В. Востоков, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский [4] A.V. Novikov, B.A. Andreev, N.V. Vostokov, Yu.N. Drozdov, Z.F. Krasil’nik, D.N. Lobanov, L.D. Moldavskaya, A.N. Yablonskiy, M. Miura, N. Usami, Y. Shiraki, M.Ya. Valakh, N. Mesters, J. Pascual. Mater. Sci. Eng. B 89, 62 (2002).

[5] U.-W. Mo, D.E. Savage, B.S. Swartzentruber, M.G. Lagally.

Phys. Rev. Lett. 65, 1020 (1990).

[6] O.G. Schmidt, C. Lange, K. Eberl. Phys. Stat. Sol. (b) 215, 319 (1999).

[7] В.Я. Алешкин, Н.А. Бекин, Н.Г. Калугин, З.Ф. Красильник, А.В. Новиков, В.В. Постников, Х. Сейрингер. Письма в ЖЭТФ 67, 46 (1998).

[8] Н.В. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, А.Н. Яблонский. Письма в ЖЭТФ 76, 6, 425 (2002).

[9] P. Sutter, E. Mateeva, J.S. Sullivan, M.G. Lagally. Thin Solid Films 336, 262 (1998).

[10] A. Rastelli, E. Muller, H. von Kanel. Appl. Phys. Lett. 80, 1438 (2002).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 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.