WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 2 Фотолюминесценция квантовых ям и квантовых точек германия в кремнии, полученных при низких температурах молекулярно-пучковой эпитаксии ¶ © Т.М. Бурбаев, В.А. Курбатов, А.О. Погосов, М.М. Рзаев, Н.Н. Сибельдин Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 28 мая 2002 г. Принята к печати 3 июня 2002 г.) Исследована низкотемпературная (при 2 K) фотолюминесценция Si/Ge-структур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии при низких температурах (250-350C) осаждения германия. Обнаружены существенные изменения в спектрах люминесценции, когда средняя толщина слоя германия превышает 6 монослоев: линия излучения псевдоморфного слоя (квантовой ямы), сохраняя свое спектральное положение, возрастает по интенсивности за счет линии люминесценции островков (квантовых точек), которая при этом полностью исчезает. Полученные результаты показывают, что механизм низкотемпературного эпитаксиального роста заметно отличается от реализующегося при обычно используемых температурах роста (500-700C).

Обычно полагают, что эпитаксия германия на крем- который содержал лишь один слой германия. У части нии идет по механизму Странски–Крастанова — на образцов, использовавшихся для исследований методом начальном этапе происходит образование сплошного атомно-силовой микроскопии (ACM), верхний слой герпсевдоморфного слоя германия, который в матрице мания не был закрыт кремнием.

кремния проявляется как квантовая яма (КЯ) для дырок, Полученные результаты суммированы на рис. 1, где а по достижении критической толщины послойный рост они представлены в координатах средняя толщина нанесменяется ростом самоорганизующихся нанокристал- сенного слоя германия — энергетическое положение лов — островков (квантовых точек, КТ) [1]. Это подтвер- бесфононной линии фотолюминесценции. На том же ждается результатами экспериментальных исследований рисунке показаны результаты работы [2] для темпераструктур, изготовленных при температурах эпитаксии туры роста 740C, которые демонстрируют известные 500-750C [2–4]. Вместе с тем считается, что при положения: с началом образования островков толщина температурах эпитаксии 360C и ниже формирование псевдоморфного слоя стабилизируется (позиция линии островков подавлено [4] из-за низкой скорости диффу- ФЛ КЯ почти не изменяется), нанесенный „избыточный“ зии адатомов. Это противоречит, однако, результатам германий собирается в островки, которые по мере роста ряда работ [5–7], в которых исследовались свойства претерпевают изменения в форме, затем пронизываются островков, полученных при температурах эпитаксии 200-300C.

Здесь мы приводим результаты исследований фотолюминесценции (ФЛ/PL) Si/Ge-структур, выращенных при низких температурах (250-350C), которые обнаруживают аномальное поведение фотолюминесценции КЯ и КТ германия в кремнии — по мере роста средней толщины нанесенного слоя германия (в некотором интервале толщин) интенсивность излучения КТ снижается с одновременным повышением интенсивности излучения КЯ.

Структуры со слоями германия толщиной 6–9.5 монослоев (MC/ML) в кремнии были изготовлены на установках „Катунь“ (в ФИАН — Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук и в ИФП СО РАН — Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук) и „Riber Siva 45“ (в Институте физики полупроводников университета Линца, Австрия). Все образцы имели 4–5 слоев германия, разделенных слоями кремния толщиной 10 нм („Катунь“, 300C) или 25.5 нм („Riber“, 250 и 350C), Рис. 1. Энергия бесфононных линий фотолюминесценции в направление роста [100]. Исключение составлял образец зависимости от средней толщины слоя германия, нанесенного со средней толщиной слоя германия 9.5 MC (300C), при различных температурах. Вверху — данные для квантовых ¶ E-mail: kurbatov@maill.lebedev.ru ям, внизу — для квантовых точек.

Фотолюминесценция квантовых ям и квантовых точек германия в кремнии... дислокациями несоответствия и прекращают люминесцировать.

Для температуры эпитаксии 350C полученные нами результаты в целом согласуются с принятыми представлениями: при некоторой толщине нанесенного слоя (в данном случае 6 MC) наблюдается излучение как квантовых ям, так и квантовых точек, при увеличении толщины нанесенного слоя излучение КЯ исчезает, при этом линия излучения КТ сдвигается вниз по энергии и быстро спадает по интенсивности (последнее видно из спектров ФЛ, которые мы здесь не приводим).

Для образцов, изготовленных при температурах эпитаксии германия 300 и 250C, наблюдается обратная картина — с ростом толщины слоя германия излучение КТ исчезает, при этом излучение КЯ по-прежнему Рис. 3. Спектры фотолюминесценции Si/Ge-структур, выранаблюдается и даже растет по интенсивности. Так, щенных при 300C. Температура измерения T = 2K. Средняя для структур, выращенных при температуре эпитактолщина слоев германия в структурах: 1 —6 MC, 2 —8.5 MC, сии 250C, излучение, связанное с островками (КТ), 3 —8.5 MC, 4 —9.5 MC. Спектры 2, 3, 4 в области высоких наблюдается у образца, содержащего слои германия энергий и спектры 1, 2 в области низких энергий подняты со средней толщиной 6 MC; при повышении средней над осью абсцисс. D1, D2 — линии излучения дислокаций.

Остальные обозначения те же, что на рис. 2.

толщины до 8 MC фотолюминесценция КТ пропадает, а интенсивность излучения, связанного с КЯ, при этом повышается (рис. 2).

Отметим, что в области энергий, соответствующих излучению электронно-дырочных капель в кремнии — На рис. 3 показаны спектры излучения образцов 1–4, 1086 мэВ (ehL на рис. 2), наблюдается люминесценция, выращенных на установках „Катунь“ при температуре избыточная по отношению к люминесценции, наблюдае- эпитаксии германия 300C. Здесь, как и в предыдумой при возбуждении структуры со стороны подложки.

щем случае (250C), излучение в области энергий Этот эффект в большей или меньшей степени наблюда- 800 мэВ, которое можно связать с островками, нается на всех исследованных структурах.

блюдается для структур с меньшими толщинами слоев германия. В области излучения КЯ (1000–1100 мэВ) образцы 1, 2, 3, несмотря на заведомо различные толщины слоев германия (образцы 1 и 2) и неизбежный технологический разброс (образцы 2 и 3 изготовлены на различных установках), обнаруживают практически идентичные характеристики излучения КЯ: линия бесфононного излучения для всех трех образцов имеет с высокой точностью одинаковую энергию — 1080 мэВ, при этом ширина линии, как показали более подробные измерения, не превышает 1 мэВ. Это свидетельствует об исключительно высокой однородности псевдоморфного слоя, образующегося в использованных технологических условиях. Неслучайным в связи с этим может оказаться и совпадение экспериментальных значений энергетического положения линий излучения КЯ с вычисленными [8] для целого числа монослоев: 2 MC при температуре эпитаксии 250C и 3 MC при 300C (рис. 1). ИмеРис. 2. Спектры низкотемпературной фотолюминесценции ющиеся данные не позволяют выделить одну причину Si/Ge-структур со слоями германия, нанесенными при 250C, реализации такого процесса. Здесь может играть роль средней толщиной 6 MC (1) и 8 MC (2). Температура измересовокупность условий — температура и время процесса, ния T = 2K. Спектр 2 в области высоких энергий поднят над геометрические характеристики и даже количество и осью абсцисс. QW–TO и QW–NP — соответственно фононная тип примесей, неконтролируемо вносимых в процес(Si) и бесфононная линии излучения КЯ. QD — линия излучесе эпитаксии. В этой связи отметим, что фононное ния КТ. BE–TO и BE–TO complex — соответственно фононные повторение линии КЯ в спектре фотолюминесценции, линии излучения связанных экситонов и связанных экситонных связанное с фононом германия, ранее наблюдалось лишь комплексов в кремнии; FE–TO — линия излучения свободных экситонов в кремнии, ehL — линия излучения электронно- для структур, специально легированных в процессе дырочных капель в кремнии. эпитаксии [9].

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 218 Т.М. Бурбаев, В.А. Курбатов, А.О. Погосов, М.М. Рзаев, Н.Н. Сибельдин Прекращение люминесценции КТ при росте количе- [6] V.A. Markov, H.H. Cheng, Chin-ta Chia, A.I. Nikiforov, V.A. Cherepanov, O.P. Pchelyakov, K.S. Zhuravlev, A.B. Taства осажденного германия позволяет предположить, lochkin, E. McGlynn, M.O. Henry. Thin. Sol. Films, 369, что площадь сплошного псевдоморфного слоя (КЯ) (2000).

возрастает в результате рекристаллизации оснований [7] Т.М. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельостровков, начало которой может провоцироваться их ник, В.А. Цветков, К.С. Журавлев, В.А. Марков, А.И. Нисращиванием при повышении плотности. Заметим, что кифоров. ФТП, 35, 979 (2001).

при малых размерах островков последние покрывают [8] J. Brunner, J.F. Nutzel, M. Gail, U. Menczigar, G. Abstreiter.

всю поверхность структуры уже при небольшом колиJ. Vac. Sci. Technol. B, 11, 1097 (1993).

честве нанесенного материала — так, для пирамидаль[9] L.P. Rokhinson, D.C. Tsui, J.L. Benton, Y.-H. Xie. Appl. Phys.

ных островков с размерами основания 10 нм требуется Lett., 75, 2413 (1999).

всего 2.5 MC. ACM-изображение поверхности одного из [10] Д.В. Денисов, В.М. Устинов, Г.Э. Цырлин, В.А. Егоров.

образцов (8.5 MC, 300C—см. спектр 3 на рис. 3) обна- Материалы совещения „Нанофотоника“ (Н. Новгород, 2002) с. 161.

руживает непрерывный рельеф с характерным периодом 30 нм, который является, по-видимому, результатом Редактор Л.В. Шаронова сплошного заполнения поверхности островками и их сращивания, о чем говорит и малая глубина рельефа, Photoluminescence of germanium 0.5 нм. Можно предположить, что при понижении quantum wells and quantum dots температуры эпитаксии ниже 350C рост осажденноin silicon grown by molecular beam го слоя происходит по механизму Фольмера–Вебера:

островки начинают формироваться уже на начальном epitaxy at low temperatures этапе роста, без образования смачивающего слоя. Такая T.M. Burbaev, V.A. Kurbatov, A.O. Pogosov, смена механизмов роста — от роста по Странски– M.M. Rzaev, N.N. Sibeldin Крастанову к росту по Фольмеру–Веберу — была обнаружена, в частности, при осаждении InAs на кремнии P.N. Lebedev Physical Institute, при понижении температуры ниже 400C [10]. Russian Academy of Sciences, 119991 Moscow, Russia Совокупность полученных результатов показывает, что при понижении температуры молекулярно-пучковой эпитаксии ниже 350C механизм роста германия на

Abstract

The low-temperature (T = 2K) photoluminescence кремнии претерпевает существенные изменения. of Si/Ge-structures, grow by molecular beam epitaxy at low temperatures (250-350C) of germanium deposition, has been Авторы выражают благодарность проф. О.П. Пчеinvestigated. Essential changes of the photoluminescence spectra лякову, предоставившему для исследований структуры, have been found, when the average Ge thickness was exceeding изготовленные в ИФП СО РАН, а также проф. Ф. Шеф6 monolayers: the photoluminescence line of the wetting layer (that флеру за предоставленную возможность работы в его of the quantum well) did not change its position but increased its лаборатории.

intensity at the expense of an island (quantum dot) luminescence Работа выполнена при поддержке Программы пре- line, which after all entirely disappeared. The results obtained зидиума РАН „Низкоразмерные квантовые структу- have shown, that the mechanism of the low-temperature epitaxy ры“, Федеральной целевой научно-технической про- growth noticeably differs from the commonly accepted one, which is realized at conventional growth temperatures (500-700).

граммы России (контракты № 37.039.1.1.0041 и № 40.072.1.1.1180) и Программы поддержки ведущих научных школ (грант № 00-15-96568).

Список литературы [1] О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, Л.В. Соколов, А.И Никифиров, А.И. Якимов, Б. Фойхтлендер. ФТП, 34, 1281 (2000).

[2] G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel, E. Silveira, A. Zrenner, D. Meertens, W. Jger. Semicond. Sci. Technol., 11, 1521 (1996).

[3] P. Schittenhelm, C. Engel, F. Findeis, G. Abstreiter, A.A. Darhuber, G. Bauer, A.O. Kosogov, P. Werner. J. Vac.

Sci. Technol. B, 16 (3), 1575 (1998).

[4] O.G. Schmidt, C. Lange, K. Eberl. Appl. Phys. Lett., 75, (1999).

[5] А.Б. Талочкин, А.В. Ефанов, В.А. Марков, А.И. Никифоров. Изв. РАН. Сер. физ., 63, 290 (1999).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, 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.