Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

Определив приближенные значения толщин пленок, мы смогли рассчитать спектральные зависимости оптических постоянных Ч показателей преломления n и поглощения k. В этом случае последовательно для всех длин волн численными методами решалось нелинейное уравнение tg exp(i ) = f (, n, k). На рис. 5 показаны результаты этого расчета для одного из образцов (С2) Ч зависимость показателя преломления n (рис. 5, a) и показателя поглощения, называемого также коэффициентом экстинкции k, (рис. 5, b) от энергии фотона для пленки. Видно, что поглощение в слое возрастает в коротковолновую область спектра, обнаруживая при этом несколько максимумов. Широкий максимум при 3.7 эВ совпадает с максимумом поглощения аморфного Ge. Как уже отмечалось, по данным КРС в пленке присутствовали и аморфные кластеры. Более узкий максимум при 4.37 эВ связан скорее всего с краем поРис. 4. ВРЭМ-изображение (a) и соответствующая микродиглощения в GeO2. Кроме того, на фоне широкого склона фракционная картина (b) аморфной пленки GeO (из серии В) с нанокристаллами Ge на кремниевой подложке. отчетливо наблюдается пик в поглощении при 2.28 эВ Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1214 Е.Б. Горохов, В.А. Володин, Д.В. Марин, Д.А. Орехов, А.Г. Черков, А.К. Гутаковский, В.А. Швец...

c полушириной 0.12 эВ. Мы связываем эту особенность спектра с поглощением на квантовых точках Ч нанокристаллах германия. Следует отметить, что максимум ФЛ для пленки С2 (рис. 1) также находится в диапазоне 2.2Ц2.3 эВ.

Перейдем к обсуждению полученных результатов. Для оценки среднего размера НК германия была использована модель эффективной свертки колебательных состояний (effective folding of vibration modes) [15,8]. Cуть модели заключается в следующем. Вследствие снятия правил отбора по импульсу в нанокристаллах конечного размера в спектрах КРС проявляются колебательные моды с волновыми векторами, отличными от нуля. Если форма нанокристаллов близка к шаровой, интенсивность КРС можно записать как [15] 1 4q2 exp -q2r2/I() =A [n(i(q)) + 1] dq, [ - i(q)]2 +( /2)i=(3) где n() Ч фактор заполнения БозеЦЭйнштейна, i(q) Ч дисперсия фононов i-й фононной ветви, Ч ширина линии, r0 Ч радиус нанокристалла и q Ч Рис. 6. Рассчитанные положения пика КРС от размера нанокристаллов германия (Ge-NC). Точки Ч результаты работы [17]; линия Ч оригинальные данные, расчет в модели эффективной свертки колебательных состояний.

волновой вектор. Дисперсионные зависимости фононов i(q) были представлены в виде набора гармонических функций с параметрами, полученными из аппроксимации экспериментально измеренных дисперсионных зависимостей фононов в германии [17]. Таким образом были рассчитаны спектры КРС НК германия в зависимости от их диаметра. Рассчитанное положение максимума пика КРС в зависимости от размера нанокристалов приведено на рис. 6. Наши оценки соответствуют расчетам частот локализованных оптических фононов в кластерах кристаллического германия, выполненных с использованием микроскопической модели валентных сил [18], которые также представлены на рис. 6. Таким образом, мы определили средний размер НК германия в пленках серий А, В и С.

Отметим, что для образцов серии А в соответствии с мольным соотношением Ge : GeO2 = 1 : 1 в гетеропленке, вытекающим из химизма ее синтеза, при учете различий плотности Ge и аморфного GeO2 среднее расстояние между сферическими наночастицами в оксиде всегда составляет 1/2 их диаметра, т. е. может достигать 1.5Ц2 нм. При диаметре 3 нм плотность нанокристаллов в сечении слоя составляет 1013 см-2.

Так как барьеры для электронов и дырок в германии, окруженном GeO2, составляют 2 и 3эВ cоответственно [13], данный объект представляет собой Рис. 5. Спектральные зависимости показателей преломлеквантовую точку первого рода. Вследствие сильной ния (a) и поглощения (b) пленки С2. Данные получены из результатов обсчета данных спектральной эллипсометрии. локализации электронов и дырок и снятия правил отбора Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние квантово-размерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в пленках GeO2 по импульсу можно предположить их эффективную излучательную рекомбинацию.

Были также проведены расчеты энергетических уровней локализованных состояний для электронов и дырок в нанокристаллах германия. Максимум валентной зоны германия находится в точке. Эффективная масса тяжелых дырок mhh в германии составляет 0.33m0, масса легких дырок mlh составляет 0.042m0 (m0 Ч масса свободного электрона) [11]. Минимум зоны проводимости лежит вдоль направления (111), поперечная и продольная эффективные массы электрона: me = 0.082m0, me = 1.58m0.

Задача нахождения энергий E уровней в случае сферически симметричной ямы радиусом r0 с барьером высотой U0 решена следующим образом [19]. Разделение переменных в этом случае приводит к уравнению следующего вида для радиальной волновой функции:

1 2 L(L + 1) r2( (r)) - (r) r2 r2 r2m(r) + [E - U(r)] (r) =0. (4) Нас интересует основное состояние, когда орбитальРис. 7. Рассчитанные значения оптической щели в нанокриный момент L равен нулю, а уравнение преобразуется сталлах германия (Ge-NC) шарообразной формы, окруженных в одномерное для потенциальной ямы U(r). Для беско- GeO2, без учета (1) и с учетом (2) конечности барьеров, а также с учетом конечности барьеров и разрыва масс (3) в нечного потенциала оно решается точно, и внутри ямы сравнении с экспериментальными данными (4).

конечным решением при r = 0 является sin(r) = A, (5) r Результары расчетов представлены на рис. 7. Видно, где = 2mE/ = /r0.

что в случае учета конечности барьеров для электронов Будучи локализованными, состояния с волновыми и дырок рассчитанная энергия оптического перехода векторами как вдоль, так и поперек направления (111) для нанокристалла германия диаметром 2.6 нм (образец будут ДперемешаныУ. Поэтому, следуя подходу, излоА1, данные КРС) совпадает с положением пика ФЛ.

женному в работе [20], эффективную массу для электроНа рис. 7 приведены также экспериментальные данные на возьмем в виде me = 3meme /(2me + me), откуда для образцов С1 и С3, в которых, по данным КРС, me = 0.123. ДДырочныйУ уровень рассчитывался для средний размер нанокристаллов составлял 2 и 1.2 нм тяжелых дырок с mhh = 0.33 [12]. Тогда, если энергию соответственно. Для этих образцов видно заметное отизмерять в эВ, а радиус ямы в нм, то энергия оптическоклонение экспериментальных и рассчитанных данных.

го перехода будет следующей:

По-видимому, для НК германия столь малых размеров подход эффективной массы уже не справедлив, 4.Etr = Eg +. (6) и необходимо использовать ab initio расчетные модеrли. Уменьшение экспериментальной оптической щели Решение для конечного барьера находится из сшивки в гетеросистеме нанокристалЦдиэлектрик также моволновой функции и ее производной на границе (mwell, жет быть связано с наличием следующего механизма mbar Ч эффективные массы в яме и в барьере соответизлучательной рекомбинации: возбужденный электрон, ственно):

окализованный в нанокристалле, переходит на уровень, well bar связанный с поверхностными состояниями на границе =, =. (7) well bar mwell mbar нанокристалЦдиэлектрик, излучая фотон [21]. Уровень Соответствующие уравнения были решены численно энергии поверхностного состояния уже не зависит от как без учета разрыва масс для электронов и дырок размеров нанокристалла, и соответственно величина внутри ямы и в барьере, так и с учетом разрыва квантово-размерного эффекта уменьшается. Еще одной масс. Массы электронов и дырок в GeO2 неизвестны, причиной уменьшения оптической щели может быть то, но, считая GeO2 широкозонным материалом, как и в что ширина барьеров между соседними НК туннельно работе [20], мы предположили, что массы носителей мала. По оценкам, расстояние между соседними НК близки к массе свободного электрона. может достигать 1.3Ц2нм [8]. При таких толщинах Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1216 Е.Б. Горохов, В.А. Володин, Д.В. Марин, Д.А. Орехов, А.Г. Черков, А.К. Гутаковский, В.А. Швец...

барьеров эффекты туннелирования могут приводить к ской матрицеУ. Технологию пленочной гетеросистемы трансформации дискретного энергетического уровня в Ge : GeO2 отличает способность к вариациям ее оптиминизону и к заглублению нижнего уровня в мини- ческих свойств различными путями [8]:

зоне. Возможно и следующее: структура барьера такова, 1) модификация размеров нанокристаллов Ge в прочто существует переходный слой GeOx (0 < x < 2), и цессе синтеза in situ за счет вариации температуры и соответственно яма оказывается не прямоугольной, а скорости конденсации монооксида германия;

треугольной. Это также приводит к уменьшению опти- 2) контролируемое увеличение размеров нанокристалческой щели.

ов Ge и ширины барьеров между ними ex situ Ч Как уже отмечалось, в образцах серии C (малые НК отжигом в инертной среде (без нарушения соотношения германия) интенсивность ФЛ в несколько раз больше, Ge : GeO2 в пленке), за счет диффузионно-лимитируемой чем в образцах серии А (относительно большие НК трансформации малых кластеров Ge в большие;

германия). Возникнование эффективной излучательной 3) контролируемое уменьшение размеров нанокрирекомбинации при комнатной температуре в нанокри- сталлов Ge окислением (температуры всех процессов сталлах непрямозонных материалов предположительно ниже 550C);

связано со смягчением правил отбора по импульсу 4) изменение высоты потенциальных барьеров кванв оптических переходах [22]. Чем меньше нанокритовых ям в гетеросистеме путем химических и фазовых сталл, тем больше неопределенность по импульсу, и, превращений компонентов системы [24]; в частности, следовательно, тем больше вероятность излучательных доля x в германосиликатном стекле GeO2(x) : SiO2(1-x) переходов [23]. Подобную зависимость мы и наблюдали может меняться от 1 до 0, и вместе с ней непрерывно и в эксперименте. Следует отметить, что столь малые практически линейно меняются оптические и электронразмеры нанокристаллов, формируемых без термиченые параметры диэлектрика [25Ц27]; для запрещенной ских обработок при комнатной температуре, связаны зоны Eg это означает рост от 5.5 до 9эВ;

с метастабильностью пленок GeO. Известно, что из-за 5) возможность применения сложносоставных стекол влияния поверхностной энергии критический размер и их кристаллизация при низких температурах (до кристаллического зародыша кремния в аморфной среде 650-700C [28,29]), что также приводит к изменению составляет 2Ц3 нм. В нашем случае вклад в свободную свойств диэлектрических барьеров; отметим, что при энергию от границы раздела GeЦGeO2 существует и для кристаллизации возрастает диэлектрическая проницаеаморфного, и для кристаллического кластера германия.

мость пленок (в среднем на 20%), что благоприятно Однако кристаллическое состояние более энергетически для приборов типa quasi-nonvolatile MOS memory на выгодно, поэтому и происходит кристаллизация аморфловушках из квантовых точек [24].

ных кластеров.

Отметим, что в пленках GeO2, содержащих наноВ образцах серии В, по данным КРС и ВРЭМ, размеры кристаллы германия, обнаружен сигнал ФЛ при комНК германия составляли 8 нм и выше. Поэтому от натной температуре. Обнаружен сдвиг максимума ФЛ данных образцов не наблюдалось сигнала ФЛ в видимом при уменьшении размеров нанокристаллов (квантовоспектральном диапазоне. По нашим расчетам сигнал ФЛ размерный эффект). Так как барьеры для электронов и от НК германия таких размеров должен находиться в индырок в гетероструктуре Ge : GeO2 существенно меньше, фракрасном диапазоне. Необходимо также отметить, что чем в случае структуры Ge : SiO2 (на основе которой уже в спектрах ФЛ образцов С3 и С2 наблюдался значительсозданы экспериментальные образцы оптоэлектронных ный рост сигнала в длинноволновой области спектра, приборов [30]), первая структура представляется более а для образца С3 даже наблюдался интенсивный пик эффективной для инжекции электронов и дырок и, ФЛ с максимумом около 1.5 эВ. Этот пик может быть следовательно, перспективна в плане создания оптоэлекобусловлен оптическими переходами с участием либо тронных элементов на ее основе.

поверхностных состояний на границе НК - окружающая Авторы признательны С.В. Голоду за помощь в пригоматрица, либо дефектов внутри НК. Дополнительный товлении образцов для ВРЭМ. Работа поддержана Роспик ФЛ в образце С3 может быть связан с существосийским фондом фундаментальных исследований (прованием в НК неосновных (возбужденных) уровней и екты № 04-02-16642 и № 04-02-16286).

разрешенных оптических переходов с возбужденного на основной уровень. К сожалению, красная граница чувствительности фотоэлектронного умножителя не Список литературы позволяла зарегистрировать сигнал в ИК диапазоне.

[1] T.T. Shimizu-Iwayama, K. Fujita, S. Nakao, K. Saitoh, T. Fujita, N. Itoh. J. Appl. Phys., 75, 7779 (1994).

4. Заключение [2] V.Yu. Timoshenko, M.G. Lisachenko, B.V. Kamenev, O.A. Shalygina, P.K. Kashkarov, J. Heitmann, M. Schmidt, В заключение рассмотрим возможности управления M. Zacharias. Appl. Phys. Lett., 84, 2512 (2002).

структурой электронных уровней (band gap engineering) [3] S. Takeoka, M. Fujii, S. Hayashi, K. Yamamoto. Phys. Rev. B, в гетеросистемах Дквантовые точки в диэлектриче- 58, 7921 (1998).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние квантово-размерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в пленках GeO2 [4] И.Е. Тысченко, В.А. Володин, Л. Реболе, М. Фельсков, The influence of quantum-size effects В. Скорупа. ФТП, 33, 559 (1999).

on optical properties of Ge nanocrystals [5] N.-M. Park, C.-J. Choi, T.-Y. Seong, S.-J. Park. Phys. Rev. Lett., in GeO2 films 86, 1355 (2001).

[6] D. Nesheva, C. Raptis, A. Perakis, I. Bineva, Z. Aneva, E.B. Gorokhov, V.A. Volodin, D.V. Marin, D.A. Orekhov, Z. Levi, S. Alexandrova, H. Hofmeister. J. Appl. Phys., 92, A.G. Cherkov, A.K. Gutakovskii, V.A. Shwets, 4678 (2002).

A.G. Borisov, M.D. Efremov [7] Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В.Г. Кеслер, А.Ф. Лейер, М.О. Ruault. ФТП, 36, 685 (2002). Institute of Semiconductor Physics, [8] В.А. Володин, Е.Б. Горохов, М.Д. Ефремов, Д.В. Марин, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Д.А. Орехов. Письма ЖЭТФ, 77, 485 (2003).

630090 Novosibirsk, Russia [9] Н.Н. Овсюк, Е.Б. Горохов, В.В. Грищенко, А.П. Шебанин.

Письма ЖЭТФ, 47, 248 (1988).

Abstract

GeO2 films with Ge nanocrystals (NCs) obtained by [10] Е.Б. Горохов, В.В. Грищенко, Н.Н. Овсюк, Л.И. Федина.

two methods were studied. The first one is a film deposition Поверхность, № 10, 82 (1990).

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам