Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Влияние напряженного Si-слоя на фотолюминесценцию Ge(Si) самоформирующихся островков, выращенных на релаксированных SiGe/Si(001)-буферных слоях й М.В. Шалеев,, А.В. Новиков,+, А.Н. Яблонский, О.А. КузнецовХ, Ю.Н. Дроздов,+, З.Ф. Красильник,+ Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950, ГСП-105 Нижний Новгород, Россия + Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Х Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 12 апреля 2006 г. Принята к печати 24 апреля 2006 г.) Представлены результаты исследований фотолюминесценции структур с Ge(Si)-самоформирующимися островками, встроенными в напряженный Si-слой. Структуры были выращены на гладких релаксированных Si1-x Gex/Si(001) (x = 20-30%) буферных слоях. Обнаруженный в спектрах фотолюминесценции исследованных структур пик фотолюминесценции связывается с непрямым в реальном пространстве оптическим переходом между дырками, локализованными в Ge(Si)-островках, и электронами, локализованными в напряженных Si-слоях над и под островком. Продемонстрирована возможность эффективного управления положением пика фотолюминесценции от данного типа структур путем изменения толщин напряженных Si-слоев. Обнаружено, что при 77 K интенсивность сигнала фотолюминесценции от гетероструктур с Ge(Si)cамоформирующимися островками, заключенными между напряженными Si-слоями, на порядок превосходит интенсивность сигнала фотолюминесценции от структур Ge(Si) c островками, сформированными на Si(001)подложках.

PACS: 81.07.Ta, 78.55.Цm, 78.67.Hc, 71.20.Nr, 68.37.Ps, 81.15.Hi 1. Введение Для решения проблемы локализации электронов в структурах с Ge(Si)/Si(001)-самоформирующимися Ge/Si-гетероструктуры с самоформирующимися ост- островками предлагалось использовать осаждение субровками и квантовыми точками являются весьма при- монослойных покрытий углерода [6] и рост многослойвлекательными с точки зрения создания на основе ных структур с островками, разделенными тонкими слоями Si [6,7]. Однако контролировать параметры потенцикремния светоизлучающих приборов на используемый альной ямы для электронов (глубину и размер в направв оптоволоконных линияx связи диапазон длин волн 1.3-1.55 мкм. Основанием для этого служит наблюдае- лении роста) в обоих этих случаях достаточно сложно.

Кроме того, введение углерода в Ge/Si-гетероструктуры мый в этих структурах вплоть до комнатной температуприводит к росту концентрации центров безызлучательры сигнал электро- и фотолюминесценции в этой обланой рекомбинации и, как следствие, к уменьшению сти длин волн [1,2]. Значительно меньшее по сравнению эффективности излучательной рекомбинации носителей со структурами с SiGe-квантовыми ямами температурзаряда.

ное гашение сигнала люминесценции от Ge(Si)/Si(001)C другой стороны, известно (см., например, [8]), что cамоформирующихся островков связывается с эффекнапряженный (растянутый) Si-слой ( -Si-слой), выращентивной трехмерной локализацией дырок в островках [3].

ный на релаксированном Si1-x Gex /Si(001)-буферном Однако из-за реализации в Ge/Si-структурах с островкаслое, является эффективной потенциальной ямой для ми гетероперехода II-типа в островках возможна локаэлектронов. Положение энергетических уровней элеклизация только одного типа носителей заряда Ч дырок.

тронов в такой яме можно контролировать, меняя состав В то же время электроны оказываются лишь слабо лобуферного SiGe-слоя и толщину -Si-слоя. Встраивание кализованными в Si на гетерогранице с островками [4,5].

Ge(Si)-самоформирующихся островков между напряженНебольшая потенциальная яма для электронов на гетеными -Si-слоями, выращенными на релаксированном рогранице с островком вызвана локальным растяжением SiGe-буфере (рис. 1, a), могло бы существенно улучшить кремния вблизи островка и кулоновским потенциалом локализацию электронов на гетерогранице с островком дырок, локализованных в островках [4,5]. Слабая ло(рис. 1, b). Первые опыты по исследованию роста и фокализация электронов в структурах с Ge(Si)/Si(001)толюминeсценции (ФЛ) структур с Ge(Si)-островками, самоформирующимися островками является одной из встроенными в напряженный -Si-слой, показали налипричин относительно низкой эффективности излучательчие в спектрах ФЛ этих структур линии, положение коной рекомбинации в этих структурах.

торой зависело от толщины -Si-слоя [9]. Существование E-mail: shaleev@ipm.sci-nnov.ru данной зависимости позволило связать обнаруженный Влияние напряженного Si-слоя на фотолюминесценцию Ge(Si) самоформирующихся островков... сигнал ФЛ с непрямым в реальном пространстве оптическим переходом между дырками, локализованными в Ge(Si)-островках, и электронами, локализованными в Si-cлое на гетерогранице с островком (рис. 1, b).

В данной работе представлены результаты детального исследования влияния толщины -Si-слоя на положение и ширину пика ФЛ от Ge(Si)-самоформирующихся островков, встроенных в этот слой. Показана возможность эффективного управления положением пика ФЛ от островков за счет изменения толщин -Si-слоев над и под островками. Продемонстрировано увеличение на порядок интенсивности сигнала ФЛ при 77 K от Ge(Si)островков, встроенных в напряженный -Si-слой, по сравнению с сигналом ФЛ от Ge(Si)-островков, выращенных на ненапряженных Si(001)-подложках.

2. Методика эксперимента Рост исследованных структур был выполнен на Дискусственных подложкахУ на основе градиентных (ступенчатый градиент доли Ge 5-10 %/мкм) релаксированных Si1-xGex /Si(001) (x = 20-30%) буферных слоев, выращенных методом гидридной газофазной эпитаксии при атмосферном давлении [10]. С целью уменьРис. 1. a Ч схематичное изображение поперечного сечения шения шероховатости поверхности, выращенные SiGeгетероструктур с Ge(Si)-cамоформирующимися островками, буферные слои подвергались химико-механическому поSi Si заключенными между -Si-слоями. d1 и d2 Ч толщина -Siлированию (ХМП) [10]. По данным атомно-силовой слоя под и над островками соответственно. b Ч рассчитанная микроскопии (АСМ), среднеквадратичная шероховазонная диаграмма (вдоль пунктирной линии на рис. 1, a) тость поверхности релаксированных Si1-x Gex /Si(001)структуры с Ge(Si)-самоформирующимися островками, заклюбуферных слоев с максимальной долей Ge x = 20-30% ченными между -Si-слоями. Точечными линиями обозначены после проведения ХМП была меньше 0.5 нм, что всего в положения уровней размерного квантования электронов в 2-3 раза больше шероховатости поверхности исходных -Si-слоях и тяжелых дырок в Ge(Si)-островке. Стрелками Si(001)-подложек. Плотность прорастающих дислока- показан непрямой в реальном пространстве оптический переход. Цифрами на рисунках обозначены: 1 Ч SiGe-буферный ций, определенная с помощью селективного травления, слой, 2 Ч -Si-слои под и над островками, 3 Ч Ge(Si)для Si1-xGex-буферных слоев с x = 20-30% составляла самоформирующиеся островки, 4 Ч покровный SiGe-слой, 3 104 cм-2.

5 Чзащитный слой Si.

Исследованные структуры с Ge(Si)-самоформирующимися островками были выращены методом молекулярнопучковой эпитаксии. Структуры состояли из ненапряженного SiGe-слоя с содержанием Ge, соответствующим BOMEM DA3.36 с охлаждаемыми Ge и InSb детексодержанию Ge в верхнем слое релаксированного SiGeторами. Для возбуждения сигнала ФЛ использовался буферного слоя (позиция 1 на рис. 1), напряженного ультрафиолетовый ( = 325 нм) HeCd-лазер. Благодаря Si -Si-слоя толщиной d1 = 1-3нм (позиция 2 на рис. 1), большому коэффициенту поглощения ( 106 см-2) изна котором формировались Ge(Si)-островки (позиция лучение этого лазера в Ge/Si-структурах поглощается в на рис. 1). Островки были получены осаждением слоя тонком приповерхностном слое толщиной 10 нм. Это Ge с эквивалентной толщиной dGe = 7-12 монослоев позволяет избежать присутствия в исследуемых спек(МС) (1MC 0.14 нм). В структурах для исследования трах пиков дислокационной ФЛ от дефектных областей спектров ФЛ Ge(Si)-островки имели покровный слой, релаксированных SiGe-буферных слоев [9,11].

состоящий из еще одного напряженного Si-слоя толSi щиной d2 = 1-3нм (позиция 2 на рис. 1), ненапряженного SiGe-слоя (позиция 4 на рис. 1) и тонко- 3. Результаты и их обсуждение го (2нм) защитного слоя Si (позиция 5 на рис. 1).

АСМ исследования структур с Ge(Si)-самоформируюАСМ исследования морфологии поверхности выращенных структур были проведены на атомно-силовом ми- щимися островками, выращенными на -Si-слое (далее Ge(Si)/ -Si-островки), показали [9,12], что рост кроскопе Solver PRO с использованием бесконтактной моды. Рентгенодифракционные исследования выполнены Ge(Si)/ -Si-островков качественно совпадает с ростом на двухкристальном дифрактометре ДРОН-4. Для ре- Ge(Si)-островков на ненапряженных Si(001)-подложгистрации спектров ФЛ применялся фурье-спектрометр ках (далее Ge(Si)/Si-островки). При температурах роФизика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 174 М.В. Шалеев, А.В. Новиков, А.Н. Яблонский, О.А. Кузнецов, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник указывает на то, что носители заряда, фотоиндуцированные излучением HeCd-лазера в тонком приповерхностном слое структуры, эффективно захватываются Ge(Si)/ -Si-островками и рекомбинируют в них.

На рис. 3 представлены спектры ФЛ структур с Ge(Si)/ -Si-островками, различающимися только толщинами -Si-слоев над и под островками. Предполагается, что сами Ge(Si)-островки, заключенные между -Si-слоями, во всех структурах имели близкие параметры, так как были сформированы при одинаковых условиях роста (температура роста и скорость осаждения Ge). Из рис. 3 видно, что при уменьшении толщин Si Si -Si-слоев над и под островками от d1 = d2 = 3нм Si Si до d1 = d2 = 1 нм положение пика ФЛ от Ge(Si)/ -Siостровков смещается в область больших энергий. Обнаруженное смещение связано с тем, что при уменьшеРис. 2. АСМ снимок поверхности структуры с Ge(Si)нии толщин -Si-слоев в результате квантово-размерных самоформирующимися островками, выращенными на -Siэффектов происходит выталкивание первого энергетиSi слое (d1 = 2нм) при температуре осаждения Ge T = 650C ческого уровня электронов в -Si-слоях ко дну зоны (dGe = 11 MC). Размер снимка 1 1мкм.

проводимости SiGe-слоя (см. рис. 1, b). Выталкивание электронного уровня приводит к увеличению энергии непрямого в реальном пространстве оптического переста T 630C и толщине осажденнoго слоя Ge хода и наблюдаемому смещению положения пика ФЛ dGe = 7-8 МС на поверхности наблюдаются пирамиот Ge(Si)/ -Si-островков в область больших энергий.

дальные и куполообразные Ge(Si)/ -Si-островки [9,12].

Увеличение толщин -Si-слоев над и под островками в Как и в случае роста островков на Si(001)-подложках, Si Si Si Si 3 раза (от d1 = d2 = 1нм до d1 = d2 = 3нм) позволяет при увеличении количества осажденного Ge на посдвинуть пик ФЛ в область меньших энергий на 0.125 эВ верхности происходит уменьшение доли пирамидальных (рис. 3). Таким образом, меняя толщину -Si-слоев над и и рост доли куполообразных Ge(Si)/ -Si-островков [9].

под островками, можно управлять энергетическим полоВ диапазоне температур осаждения Ge T = 630-700C жением пика ФЛ в структурах с Ge(Si)/ -Si-островками.

при эквивалентной толщине слоя Ge dGe = 11-12 MC В спектре ФЛ структуры с Ge(Si)/ -Si-самоформируюбыли получены массивы куполообразных Ge(Si)/ -Siщимися островками, заключенными между -Si-слоями островков с разбросом по размерам меньше 10% Si Si различной толщины (d1 = 3нм, d2 = 2нм), наблюда(рис. 2). В данной работе для исследования спектров ется пик ФЛ, ширина которого значительно больше, ФЛ использовались структуры, в которых однородный чем ширина пика ФЛ от структур с симметричными массив куполообразных Ge(Si)/ -Si-островков был об -Si-слоями над и под островками (рис. 3). Увеличение разован осаждением при T = 650C слоя Ge с эквивалентной толщиной dGe = 11 MC (рис. 2). По данным АСМ, куполообразные Ge(Si)/ -Si-островки, выращенные при T = 650C, имели средний размер в плоскости роста 110 нм, среднюю высоту 20 нм и поверхностную плотность 5 109 см-2. Средняя доля Ge в таких Ge(Si)/ -Si-островках, определенная методом рентгенодифракционного анализа в приближении упругонапряженного слоя, составляла около 75% [9,12], что на 10-15% больше, чем в Ge(Si)/Si-островках, выращенных при той же температуре [13].

В спектрах ФЛ структур с Ge(Si)/ -Si-островками, измеренных при 77 K, наблюдается один пик ФЛ в области 0.6-0.8 эВ, положение которого зависит от толщины -Si-слоев в структуре (рис. 3). Данный пик ФЛ связывается с непрямым в реальном пространстве оптическим переходом между дырками, заключенными в Ge(Si)-островках, и электронами, локализованными в Рис. 3. Спектры ФЛ (T = 77 K, InSb-детектор) струк -Si-слоях над и под островками (рис. 1, b) [9]. Отсуттур с Ge(Si)/ -Si-островками, сформированными при 650C ствие в спектрах ФЛ структур с Ge(Si)/ -Si-островками (dGe = 11 MC). Толщины -Si-слоев над и под островками Si Si Si Si сигнала ФЛ от прорастающих дислокаций и дислокаций составляют: 1 Ч d1 = d2 = 1нм, 2 Ч d1 = d2 = 2нм, Si Si Si Si несоответствия от релаксированного буферного слоя 3 Ч d1 = d2 = 3нм, 4 Ч d1 = 3нм, d2 = 2нм.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Влияние напряженного Si-слоя на фотолюминесценцию Ge(Si) самоформирующихся островков... ширины пика ФЛ в структурах с несимметричными -Si-слоями обусловлено наличием в сигнале ФЛ двух пиков, соответствующих рекомбинации носителей заряда в областях над и под островками. Данные пики разнесены по энергии из-за различающихся толщин -Siслоев, а следовательно, и различных положений уровней электронов в -Si-слоях над и под островками (рис. 1, b).

Разложение широкого пика ФЛ в структуре с различной толщиной -Si-слоев над и под островками на два пика, аппроксимированных гауссианами, показало примерно одинаковую интенсивность этих пиков, что позволяет говорить о примерно одинаковой вероятности излучательной рекомбинации носителей заряда в областях на Рис. 4. Спектры ФЛ (T = 77 K, Ge-детектор) структур с верхней и нижней гетерогранице Ge(Si)/ -Si-островков.

1 ЧGe(Si)/ -Si- и 2 ЧGe(Si)/Si-островками.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам