Исследования особенностей роста и фотолюминесценции Ge(Si) самоформирующихся островков, выращенных на Si(001) подложках и напряжённых Si1-xGex слоях

• Автор: Лобанов, Дмитрий Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 159 с. : ил.

ГЛАВА 1. Рост и оптоэлектронные свойства гетероструктур с

8Юе/8і(001) самоформирующимися островками (Литературный обзор)

ГЛАВА 2. Фотолюминесценция одно и многослойных 8іСе/5і(001)

структур с самоформирующимися островками

2.1. Методика эксперимента

2.2. Методы подготовки подложек и характеризации

структур

2.3. Зависимость спектров ФЛ однослойных ве8і структур с

самоформирующимися островками от температуры роста

2.4. Рост и ФЛ многослойных структур с Се(8і)/8і(001)

самоформирующимися островками

2.5. ФЛ структур с Се(8ї)/8і(001) самоформирующимися
островками при комнатной температуре
ГЛАВА 3. Сравнительный анализ ФЛ островков и дефектов
кристаллической решётки
3.1. Фотолюминесценция Ое8і/8і(001) структур с дефектами
кристаллической решетки
3.2. Зависимость сигнала ФЛ Ое(8і) островков и дислокаций
от мощности оптической накачки и температуры измерения
ГЛАВА 4. Рост и фотолюминесценция Ое(8і) островков,
сформированных на напряжённом Сех8іі-х слое
4.1 Методика эксперимента
4.2 Особенности роста Се(8і) самоформирующихся
островков на напряжённом 8іі-хСехслое
4.3 ФЛ структур с Ое(8і) самоформирующимися островками,
выращенными на напряжённом 8іі_хОех слое
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список цитированной литературы
Список работ автора по теме диссертации

Актуальность темы
В настоящее время активно развивается физика низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур. Интерес к подобным исследованиям связан как с изучением фундаментальных физических явлений, проявляющихся в низкоразмерных системах, так и с возможностью применения таких структур в полупроводниковых приборах. Несмотря на то, что наибольшие успехи в области практического использования гетероструктур к настоящему времени достигнуты для полупроводников группы А3В5 [1], значительный интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения представляют исследования низкоразмерных гетероструктур на основе кремния.
Германий является наиболее интересной гетеропарой для кремния, позволяя получать эпитаксиальные гетероструктуры на кремневых подложках в широком диапазоне состава и толщин слоев твердого раствора БіСе. В настоящее время ведутся активные исследования особенностей роста и свойств 8іОе/8і(001) гетероструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками [2, 3]. Данная диссертация посвящена изучению особенностей формирования и фотолюминесценции одного из типов низкоразмерных систем на Бі подложках - Сс(8і) самоформирующимся островкам.
Актуальность исследования Ое/Бі структур связана с выявлением на примере данной гетеропары общих для напряженных полупроводниковых гетеро структур механизмов зарождения и роста само формирующихся нанообъектов.
Электрические и оптические свойства полупроводниковых гетероструктур с самоформирующимися Ое(8і) наноостровками зависят от энергетического спектра носителей заряда в островках. Последний существенно зависит от таких параметров островков как их размеры, состав, форма и упругие напряжения. В связи с этим, важно уметь получать структуры с самоформирующимися островками, имеющими определённые параметры. К моменту начала работ над диссертацией процессы зарождения и роста Ое(8і) самоформирующихся островков на 8і(001) подложках были достаточно подробно исследованы. Для структур без верхнего покровного слоя была получена экспериментальная зависимость состава Ое(8і)/8і(001) самоформирующихся островков от температуры роста [3, 4]. В то же время имелись лишь единичные исследования параметров Ое(8і) островков с покровным слоем в одно и многослойных структурах.
Наряду с исследованием особенностей роста Ое(81) самоформирующихся островков важным является установление однозначной связи между параметрами (размерами, составом, формой и упругими напряжениями) островков и энергией оптических переходов в них. К моменту начала работы над диссертацией такая однозначная количественная связь не была установлена. Хотя в литературе имелись отдельные сообщения о наблюдении сигнала электро- и фотолюминесценции (ФЛ) в структурах с Оеф) островками вплоть до комнатной температуры [5], не были определены условия получения Ое/81 структур для повышения интенсивности сигнала люминесценции от островков при комнатной температуре. Существовали противоречивые объяснения различий в спектрах ФЛ одно- и многослойных структур с Ое(81) островками. В литературе отсутствовали однозначные результаты по исследованию особенностей фотолюминесценции Се(81) островков, имеющих различную форму.
Одной из трудностей интерпретации результатов исследований ФЛ структур с Ое(81)/81(001) самоформирующимися островками является ФЛ от дефектов кристаллической решетки в Э:, которая наблюдается в той же области длин волн ( >1,3 |тм), в которой наблюдается сигнал ФЛ от островков. В этой связи важным становится установление критериев, позволяющих однозначно отделить сигнал ФЛ от Ое(81) самоформирующихся островков от сигнала ФЛ, связанного с оптической рекомбинацией на дефектах кристаллической решетки.
Основные цели работы состояли в следующем:
1. Установление количественной связи между параметрами (размером, составом, упругими напряжениями и формой) Се(Я1)/81(001) самоформирующихся островков в одно-и многослойных структурах и их спектрами фотолюминесценции. Определение условий получения структур с Ое81/81(001) самоформирующимися островками, имеющих высокую интенсивность сигнала фотолюминесценции от островков в области длин волн 1,3-1,55 мкм при комнатной температуре.
2. Проведение сравнительного анализа спектров фотолюминесценции Ое81/81(001) гетероструктур с самоформирующимися наноостровками и структур с дефектами кристаллической решетки с целью установления критериев, позволяющих определить происхождение сигнала ФЛ от Ое81 гетероструктр в области длин волн 1,3-2 мкм.
3. Модификация роста Се81/81(001) самоформирующихся островков за счет предосаждения напряжённых 8ц.хСех слоев.
роста
Рис. 2.7. Схематичное представление зонной диаграммы структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками, hh - энергетический уровень тяжелых дырок в островке, е — энергетический уровень электронов на гетерогранице кремний - островок. Стрелками показаны прямой и непрямой в реальном пространстве оптические переходы.
Следует отметить, что энергия прямого оптического перехода в островках так же уменьшается с увеличением содержания Ge в островке, однако, согласно расчетам зонной диаграммы островков, её уменьшение в ~ 2 раза меньше уменьшения энергии непрямого оптического перехода. Из спектров ФЛ, снятых с помощью Ge детектора (рис. 2.6а), видно, что низкоэнергетический край сигнала ФЛ от островков, выращенных при Тр= 600°С и Тр= 650°С, определяется границей спектральной характеристики данного детектора. Спектры ФЛ, измеренные при 4,2 К с помощью InSb приемника (рис. 2.66), показали, что значительная часть сигнала ФЛ от островков, выращенных при Тр= 600°С, расположена в области энергий меньших ширины запрещенной зоны объемного Ge (Eg= 0,74 эВ при 4,2 К). Пик ФЛ от островков, выращенных при Тр= 600°С, лежит в области энергий меньших ширины запрещенной зоны напряженного GexSii.x сплава с х = 60% и RES = 80% (Eg= 0,8 эВ при 4,2 К), что соответствует параметрам, найденным с помощью РД анализа для островков, выращенных при этой температуре. Следует отметить, что чувствительность InSb приёмника более чем на 2 порядка уступает чувствительности Ge приёмника, поэтому регистрация сигнала от островков, выращенных при Тр= 600°С -700°С, с помощью InSb приёмника говорит о хорошем качестве структур, выращенных в этом интервале температур.
Рассчитанная энергия непрямого перехода для островков, выращенных при Тр= 600°С, с учётом экспериментально полученных значений состава, упругих напряжений островка и эффектов размерного квантования (учитывалось квантование дырок в