WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 2 Модификация квантовых точек в наноструктурах Ge/Si импульсным лазерным облучением © В.А. Володин¶, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, М.Д. Ефремов, А.И. Никифоров, Е.И. Гацкевич, Г.Д. Ивлев, Г.Ю. Михалёв+ Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт электроники Национальной академии наук Белоруссии, 220090 Минск, Белоруссия + Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 6 мая 2005 г. Принята к печати 20 мая 2005 г.) Цель исследования заключалась в разработке метода модификации структуры квантовых точек в наноструктурах Ge/Si с применением импульсного лазерного излучения. Изменение структуры квантовых точек Gex Si1-x анализировалось по данным спектроскопии комбинационного рассеяния света. Методом спектроскопии комплексной проводимости исследован энергетический спектр дырок в гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками Gex Si1-x до и после импульсного лазерного воздействия. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что лазерная обработка позволяет уменьшить слоевую плотность квантовых точек, изменить их состав и увеличить средний размер. Наиболее важным результатом является обнаруженный эффект увеличения однородности параметров квантовых точек в результате наносекундного лазерного воздействия. Так, обработка образца со средним латеральным размером квантовых точек 8 нм (6 монослоев Ge) десятью лазерными импульсами приводит к двукратному уменьшению дисперсии энергетических уровней дырок в массиве квантовых точек.

PACS: 63.22.+m, 66.10.Cb, 81.15.Hi 1. Введение размеры их увеличатся и при этом должна существенно улучшиться однородность ансамбля квантовых точек по В настоящее время контролируемое управление раз- физическим параметрам.

мерами нанокластеров Ge в кремнии и их дисперсией по размерам непосредственно в процессе молекулярно2. Эксперимент лучевой эпитаксии достигается различными способами.

Используется варьирование температуры и скорости 2.1. Приготовление образцов роста, изменение механических напряжений на гетерогранице путем создания буферных слоев, введение Образцы формировались молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках p+-Si с ориентацией (001) и примесей и стрессоров в качестве центров зарождения удельным сопротивлением 0.005 Ом · см, легированных островков Ge, стимуляция трехмерного роста ионными пучками, окисление ультратонкого слоя кремния пе- бором до концентрации 2 · 1019 см-3. Вначале проводилось осаждение буферного слоя кремния p-типа ред осаждением германия [1]. Однако проблема однотолщиной 400 нм. Концентрация дырок в буферном слое родности распределения нанокластеров по размерам в составляла 4 · 1016 см-3. Затем при температуре 300C ансамбле по-прежнему является актуальной. Дисперсия проводился рост Ge с числом монослоев (МС) d = 6, размеров неизбежно приводит к разбросу энергетичеи 10. Для сравнительного анализа выращивался также ских уровней носителей заряда в массиве квантовых образец, не содержащий германия. Нанокластеры Ge точек (КТ), в результате чего дискретный электронный закрывались слоем кремния p-типа толщиной 300 нм.

спектр, необходимый для приборных применений наноИсследование структуры образцов методом высокоструктур с КТ, может трансформироваться в квазинеразрешающей электронной микроскопии показали, что прерывный с потерей основных преимуществ, обеспечисредние размеры основания КТ в плоскости роста соваемых размерным квантованием в нуль-мерных элекставляют 8 нм для d = 6МС, 10нм для d = 8МС и тронных системах. Основная физическая идея данного 15 нм для d = 10 МС. Отношение высоты к длине осноисследования заключалась в следующем. Импульсное вания составляет примерно 1 : 10. Слоевая плотность лазерное воздействие с достаточно большой плотностью КТ (3-4) · 1011 см-2.

энергии должно стимулировать плавление кластеров германия. При достаточно малой длительности лазерных 2.2. Импульсные лазерные обработки импульсов малые кластеры Ge будут растворяться в кремнии и исчезать, а крупные оставаться. В результаОптическая схема рубинового лазера ( = 694 нм) те плотность германиевых островков может снизиться, обеспечивала высокую однородность облучения образ¶ E-mail: volodin@isp.nsc.ru цов. Неравномерность распределения энергии в пятне 208 В.А. Володин, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, М.Д. Ефремов, А.И. Никифоров...

диаметром 4.5 мм не превышала ±5%. Плотность энергии W моноимпульсного облучения была близка к 1 Дж/см2 и соответствовала порогу плавления приповерхностной области ( 5нм) монокристалла Si, длительность лазерного импульса составляла 80 нс. Применялись обработки одним и десятью импульсами излучения. Рассчитанные данные распределения температуры по глубине при таких обработках приведены в работе [2].

2.3. Методика исследования Изменение структуры нанокластеров GexSi1-x анализировалось на основе данных спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС). Спектры КРС регистрировались при T = 300 K на автоматизированной установке на базе спектрометра ДФС-52 (ЛОМО, Санкт-Петербург) при возбуждении КРС Ar-лазером ( = 514.5нм). Использовалась геометрия квазиобратного рассеяния, с ориентацией вектора поляризации Рис. 1. Отношение максимума коэффициента отражения зонпадающего излучения вдоль кристаллографического надирующего излучения Rmax ( = 0.53 и 1.06 мкм) к начальной правления 100 ; рассеянный свет регистрировался в величине коэффициента отражения Rin в зависимости от плотполяризации 010. Такая геометрия является разре- ности энергии облучения. Зондирующие пучки p-поляризации, шенной для рассеяния на LO (продольных оптических) сфокусированные в пятно 1 мм, направлялись в центр облучаемой зоны диаметром 4.5 мм под углом 45.

фононах в германии и кремнии и запрещенной для двухфононного рассеяния на ТА (поперечных акустических) фононах от подложки кремния. Это позволяет избавиться от сложностей в интерпретации спектров В эксперименте с наноструктурами Ge/Si методом КРС, рассмотренных в работе [3].

оптической пирометрии [6] на эффективной длине волЭнергетический спектр дырок в КТ Gex Si1-x и его ны 0.53 мкм контролировалась достигаемая температуизменение под действием лазерного излучения исследора поверхности монокристалла. Форма и длительность вались методом спектроскопии комплексной проводимоимпульса теплового излучения контролировались осцилсти (адмиттанса), основные принципы который изложелографом. При первичном моноимпульсном облучении ны, например, в работе [4]. Эксперименты проводились поверхности образцов длительность импульсов излус диодами Шоттки, сформированными напылением на чения (в зеленой области спектра) составляет 100 нс.

поверхность образцов пленки Ti. Площадь титанового При повторном и последующем многократном облучеконтакта составляла 4.4 · 10-3 см2. Измерения комплекснии (до 10-кратного) длительность импульса составляет ной проводимости проводились с помощью моста Fluke приблизительно 50 нс. Максимум интенсивности теплоPM6306 RCL в диапазоне частот 10-700 кГц и темперавого излучения уменьшается примерно в 1.5 раза при тур 100-300 K. Амплитуда переменной составляющей повторном облучении и далее остается неизменным с приложенного напряжения составляла 25 мэВ.

отклонением ±10% от среднего значения.

При определении температуры калибровка измери3. Результаты и обсуждение тельной системы при неизменной геометрии визирования поверхности объекта производилось по темпе3.1. Временное и пространственное ратуре поверхности расплава кремния, образующегося распределение температуры при при энергии облучения 2.4 Дж/см2 [7]. Эффективная импульсных лазерных обработках пиковая температура поверхности образцов при повторном и дальнейшем облучении практически не зависит В условиях эксперимента с монокристаллом Si рост от числа монослоев Ge в матрице Si и составляет коэффициента отражения, связанный с плавлением поверхности, начинается при плотности энергии облуче- около 1650-1680 K с достаточно высокой воспроизвония 0.95 Дж/см2 и выше [5] (рис. 1). Определенные в экс- димостью от импульса к импульсу. Она приближаетперименте методом оптического зондирования in situ по- ся к равновесной температуре плавления Si (1685 K).

В соответствии с результатами численного моделиророги лазерно-индуцированного плавления поверхности вания динамики лазерного нагрева на глубинах 0.монокристалла Si и образцов, содержащих нанокластеры Ge, практически не различаются. Из-за малой толщины и 0.3 мкм максимальная достигаемая температура сослоев Ge, глубина проникновения излучения определя- ставляет 1630 и 1515 K соответственно [2]. При этом ется только коэффициентом поглощения излучения в за времена порядка 50 нс температура уменьшается на монокристаллической матрице Si. 200-300 K [2].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Модификация квантовых точек в наноструктурах Ge/Si импульсным лазерным облучением 3.2. Исследование структурных свойств квантовых точек Gex Si1-x с использованием спектроскопии КРС На спектрах КРС исходных образцов и образцов, модифицированных излучением лазера (рис. 2–4), присутствует пик, соответствующий рассеянию на оптических колебаниях атомов Ge–Ge с положением от до 312 см-1 в зависимости от эффективной толщины германия. В объемном германии (в отсутствие механических напряжений) положение пика рассеяния на LO и TO (поперечных оптических) фононах составляет 302 см-1. Вследствие локализации оптических фононов уменьшение размеров КТ Ge должно смещать пик в сторону меньших частот, тогда как механические напряжения сжатия в сторону больших. Во всех пиках присутствует низкочастотное „крыло“. Это обусловлено вкладом в рассеяние локализованных мод более высокого порядка, имеющих меньшие частоты вследствие дисперсии оптических фононов. Возможно, это также обусловлено некоторой флуктуацией толщины германиевых слоев.

Элементный состав КТ GexSi1-x (параметр x) можно определить из соотношения интегральных интенсивностей КРС на колебаниях связей Ge–Ge и Ge–Si по следующей формуле [8]: Рис. 3. Спектры КРС образца с 8 монослоями Ge до и после лазерного облучения.

IGeGe x B. (1) ISiGe 2(1 - x) Параметр B, по литературным данным, изменяется от до 3.2 [9]. Он вычислялся путем подгонки рассчитанных Рис. 4. Спектры КРС образца с 10 монослоями Ge до и после Рис. 2. Спектры КРС образца с 6 монослоями Ge до и после лазерного облучения.

лазерного облучения.

6 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 210 В.А. Володин, А.И. Якимов, А.В. Двуреченский, М.Д. Ефремов, А.И. Никифоров...

Таблица 1. Содержание Ge в нанокластерах Gex Si1-x берется для германия и при напряжениях сжатия оно имеет отрицательный знак. Механические напряжения Число Обработка образцов Параметр x сжатия увеличивают частоту оптического фонона в монослоев Ge лазерным излучением состава Gex Si1-x германии, а квантово-размерный эффект уменьшает ее.

Исходный образец 0.77 В псевдоморфных пленках германия (рассогласование 10 1 импульс 0.параметров решетки с Si 4.2%) смещение пика оставляет 10 импульсов 0.приблизительно 17 см-1. По результатам наших расчетов, квантово-размерный эффект смещает пик КРС на Исходный образец 0.4см-1 при толщине германия 1.4 нм (10 МС). В табл. 8 1 импульс 0.10 импульсов 0.69 приведены параметры пиков КРС, полученные в результате подгонки экспериментальных спектров кривыми Исходный образец 0.Лоренца, по которым можно оценить упругие напряже6 1 импульс 0.ния в нанокластерах Ge.

10 импульсов 0.Положение максимума пика определяется составом, средними упругими деформациями и размером КТ GexSi1-x. В свою очередь ширина пика связана с разТаблица 2. Параметры пиков КРС на колебаниях связей Ge-Ge в квантовых точках Ge бросом элементного состава нанокластеров, дисперсией размеров и неоднородностью механических напряжений.

Обработка Видно, что лазерное облучение приводит к уменьшению Число Положение образцов Ширина ширны пиков. Это может быть следствием уменьшения монослоев максимума, лазерным пика, см-дисперсии размеров островков, а также связанного с Ge см-излучением этим увеличения степени однородности их состава и релаксацией механических напряжений в них.

Исходный образец 308 Согласно закону Вегарда, постоянная решетки в твер10 1 импульс 310 дых растворах линейно зависит от их состава. Так как 10 импульсов 305.5 разница в постоянных решетки Ge и Si составляет 4.2%, Исходный образец 308.5 максимальная величина упругих напряжений для твер8 1 импульс 309 дого раствора Gex Si1-x имеет величину max = -0.042x.

10 импульсов 306 По формулам (2) можно найти среднюю величину Исходный образец 303 деформаций в плоскости роста (100) = exp и оценить 6 1 импульс 303 степень релаксации механических напряжений (табл. 3).

10 импульсов 302.5 Следует отметить, что в табл. 3 приведены средние значения механических напряжений. В исходных образцах пик КРС на связях Ge–Ge гораздо шире из-за неодспектров КРС к экспериментальным спектрам твердых нородности механических напряжений и есть области КТ с напряжениями выше средних. Лазерные обработки растворов Ge–Si с известным составом. По нашим приводят к более однородному распределению напряжеданным, при содержании германия от x = 0.6 до 0.ний, пик КРС становится уже и несколько смещается параметр B 2.2.

в область больших волновых чисел. Без учета эффекта Из полученных данных следует (табл. 1), что действие локализации фононов и эффекта уменьшения вклада в лазерного излучения приводит к увеличению содерКРС от малых островков германия и смачивающего жания кремния в нанокластерах, т. е. к уменьшению слоя германия получается, что, как правило, лазерная параметра x. Особенно отчетливо это наблюдается для обработка приводит к увеличению относительных меобразца с d = 6МС.

ханических напряжений (табл. 3). Особенно наглядно Можно также определить средние упругие напряжеэто проявилось для образца с 6 МС Ge. Абсолютная ния в островках Ge.

величина деформаций и упругая энергия в целом Частота оптических фононов в центре зоны Брилуменьшаются.

люэна для объемного германия равна 302 см-1, тогда Представляется важным сравнить действие импульсчастоты колебаний связи Si–Si, Ge–Si и Ge–Ge аппрокного лазерного отжига с результатом быстрых термичесимируются зависимостями ских обработок. Время быстрого термического воздействия (нагрев импульсом тока) на образцы с КТ Gex Si1-x SiSi = 520.5 - 62x - 815, (средняя толщина Ge 10 MC) в работе [11] составляло GeSi = 400.5 + 14.2x - 575, (2) около 1 с, максимальная температура достигала 1050C.

С ростом температуры импульсных нагревов интенсивGeGe = 302 - 18(1 - x) - 385.

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.