Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Гетеронаноструктуры (ГНС) с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si в последние годы были объектами интенсивных исследований и разработок. Интерес к ним возник в связи с потенциальной возможностью создания интегральных оптоэлектронных устройств на базе традиционной кремниевой технологии (т. наз. кремниевой оптоэлектроники) : светодиодов и инжекционных лазеров, излучающих в практически важном для оптоволоконной связи диапазоне длин волн X = 1,3 -+ 1,6 (їм. В последнее время усилился интерес к фотоэлектрическим свойствам ГНС GeSi/Si в области энергий световых квантов hv, меньших ширины запрещенной зоны Si Egsi, связанный с расширением спектрального диапазона фотоприемников на базе Si в инфракрасную область. В связи с тем, что контакт Ge/Si является гетеропереходом II рода, в ГНС GeSi возможны межзонные оптические переходы с энергиями Eq < Egsi, EgGe- Теоретическое минимальное значение Eq при Т=300К составляет « 0,35 эВ, что соответствует Xq ~ 3,54 (їм.
Обычно для исследования энергетического спектра ГНС используются оптические методы, среди которых наиболее развита спектроскопия фотолюминесценции (ФЛ). Однако для ГНС GeSi/Si применение этого метода наталкивается на определенные трудности, связанные с непрямозонностью Ge и Si. Вероятность безызлучательной рекомбинации в них, как правило, много больше излучательной, поэтому для измерения ФЛ необходимы низкие температуры, мощные лазеры, охлаждаемые фото детекторы. Фотоэлектрическая спектроскопия (фотопроводимости, фотоЭДС и фототока в р—п переходах и барьерах Шоттки и т. п.) имеет ряд преимуществ в области диагностики ГНС по сравнению со спектроскопией ФЛ: возможность исследований при 300К, отсутствие необходимости в сильном фотовозбуждении и в специальных фотодетекторах, которая в ряде случаев существенно усложняет исследования.
В настоящей работе для исследования энергетического спектра ГНС GeSi/Si использован метод спектроскопии фотоЭДС на барьере полупроводник/электролит (ФПЭ). Ранее этот метод успешно применялся к гетероструктурам InGaP/GaAs с квантовыми ямами (КЯу и InAs/GaAs с квантовыми точками (КТ). Метод ФПЭ также широко применялся для определения длины диффузии неосновных носителей в массивных Si и Ge (метод постоянного фотоотклика ). В настоящей работе впервые применен метод спектроскопии ФПЭ для исследования ГНС GeSi/Si.
Для исследования фотоэлектрических свойств ГНС обычно выращивают p-i-n структуры с КЯ (КТ и т.п.), встроенными в /-область, на основе которой делают фотодиоды. Это — дорогой и сложный процесс, включающий многоступенчатую литографию, нанесение омических контактов и т.п. Метод ФПЭ отличается простотой и экс-прессностью: для создания барьера Шоттки достаточно поместить образец в электролит.
Silicon Photonics - Eds. L.Pavesi, DJ.Lockwood I Berlin: Springer, 2004. - 397 p.
2А.В.Двуреченский, А.И. Якимов II ФТП. -2001. - T.35, №9. - С. 1143-1153.
3 Х.Не, M.Raseghi II . - 1993. -V.62, №6 - P. 618-620.
4I.A.Karpovich, S.B.Levichev, S.V.Morozov et al. II Nanotechnology - 2002. - V. 13, №3 - P.445-450.
5AM.Goodman//J. Appl. Phys. - 1961. - V.32, №10. -P. 2550 - 2561.
Однако к моменту начала работы над диссертацией многие методические аспекты спектроскопии ФПЭ ГНС GeSi/Si ещё не были разработаны, прежде всего — методика определения энергий межзонных переходов в ГНС GeSi/Si. Последние относятся ко II типу (прослойка GeSi в Si образует потенциальную яму для дырок и потенциальный барьер — для электронов). В связи с этим, спектр ФПЭ в них имеет полосовую структуру (независимо от природы состояний в GeSi/Si).
Цели диссертационной работы:
Экспериментальное исследование зависимости спектров ФПЭ ГНС GeSi/Si от размеров, формы и состава островков, однородности по размерам и составу, дефектности
Разработка методик анализа спектров ФПЭ ГНС GeSi/Si, идентификации в них полос ФЧ, соответствующих различным межзонным оптическим переходам в островках GeSi, определения энергетического положения края полос ФЧ, связанных с этими переходами, определения типа переходов в обратном пространстве (прямые, непрямые);
Развитие теории ФПЭ ГНС GeSi/Si;
Развитие методик измерения спектров ФПЭ ГНС GeSi/Si;
Исследование возможности получения методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) в среде GeH4 p—i—n структур с самоформирующимися наноо-стровками GeSi/Si для кремниевой оптоэлектроники.
Научная новизна работы
Метод спектроскопии ФПЭ впервые применен для исследования ГНС GeSi/Si. С помощью этого метода установлены особенности энергетического спектра и оптических переходов в островках, выращенных различными методами (молекулярно-лучевой эпитаксии, МЛЭ и СМЛЭ в среде СеНД
Впервые проведён теоретический анализ формы края спектра фоточувствительности ГНС GeSi/Si, связанной с межзонным оптическим поглощением в островках GeSi/Si, включая влияние дисперсии островков по размерам и/или составу на форму спектров.
Впервые исследована зависимость спектров ФПЭ ГНС GeSi/Si от параметров структур: номинальной толщины осажденного слоя Ge dce, состава материала островков, их размеров и формы, в том числе в области перехода от слоевого роста к трехмерному и трансформации пирамидальных островков в куполообразные и далее — к образованию дислокаций несоответствия в ГНС с релаксированными островками.
Впервые получены фотодиоды на основе p—i—n структур с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, исследованы спектры электролюминесценции (ЭЛ) и ФЧ, связанные с межзонными оптическими переходами в островках GeSi.
Научная и практическая значимость работы
1. Разработана методика диагностики ГНС GeSi/Si методом спектроскопии ФПЭ: определения энергий межзонных оптических переходов в островках GeSi, природы переходов (фононные, бесфононные). Указанные методики могут быть использованы для диагностики ГНС GeSi/Si (в т.ч. для экспресс диагностики) как в научно-исследовательских целях, так и в промышленном производстве.
Проанализирована форма края спектров ФЧ ГНС с наноостровками GeSi/Si и влияние на неё разброса островков по размерам и/или составу. Полученные результаты позволяют установить соответствие между средними значениями энергий основных межзонных переходов в островках GeSi/Si, полученными из спектров ФЧ, и спектральным положением линий ФЛ, связанных с межзонными излучательными переходами в островках.
Развита теория эмиссии фотовозбуждённых носителей заряда из КЯ и островков GeSi/Si, встроенных в барьер полупроводник/электролит (р—п переход, барьер Шоттки), позволяющая связать зависимость межзонной ФЧ слоев GeSi от температуры и приложенного к барьеру напряжения с параметрами структур.
Показана возможность выращивания методом СМЛЭ в среде GeH4 приборных структур с самоформирующимися наноостровками CeSi для светоизлучающих и фотоприёмных устройств на базе Si.
На защиту выносятся следующие положения:
Полосы в области энергии квантов hv = 0,6 -г- 1,0 эВ (300К) в спектрах фоточувствительности гетероструктур GeSi/Si(001) с номинальной толщиной слоя Ge <^Ge=5-^-10 МС обусловлены межзонными оптическими переходами в наноостровках GeSi.
Спектр межзонной фоточувствительности гетероструктур GeSi/Si пропорционален спектрам межзонного оптического поглощения в слоях GeSi, в отличие от фоточувствительности массивных Ge и Si.
Форма края спектра межзонной фоточувствительности (300К) структур с наноостровками GeSi/Si описывается квадратичной зависимостью от hv, что связано с доминированием в спектрах непрямых переходов с участием фононов.
Полосы с энергией края « 0,85 эВ (300К) в спектрах фоточувствительности гетероструктур GeSi/Si с сіое>10 МС обусловлены наличием в структурах дислокаций несоответствия, возникающих вследствие релаксации упругих напряжений в островках.
Личный вклад автора в получение результатов работы
Основной вклад в разработку методики измерения спектров ФПЭ ГНС GeSi/Si [А2, A3] (совместно с М.А. Исаковым)
Равноценный вклад в исследование морфологии ГНС GeSi/Si с поверхностными наноостровками [А1-А6] (совместно с М.А.Исаковым, С.В.Сипровой)
Определяющий вклад в разработку методики анализа спектров фоточувствительности ГНС GeSi/Si [А1-АЗ]
Равноценный вклад в развитие теории эмиссии фотовозбуждённых носителей из КЯ и наноостровков GeSi/Si [А6] (совместно с М.А.Исаковым).
Равноценный вклад в исследование спектров фоточувствительности и электролюминесценции p-i-n диодов с наноостровками GeSi [А1] (совместно с С.В.Морозовым, Д.Ю.Ремизовым).
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийском совещании «Нанофотоника-2004» (Н.Новгород); Всероссийских симпозиумах «Нанофизика
и наноэлектроника» (Н.Новгород) 2005, 2006; 2007, 2008; VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007); III и V Межрегиональных научных школах студентов и аспирантов (Саранск); IX и XII Нижегородской сессии молодых ученых, VI и VIII молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2004, 2006); XV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (РЭМ-2007) (Черноголовка); XV International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Novosibirsk, Russia, 2007), XXVI International Conference on the Physics of Semiconductors (Flagstaff, AZ, 2004), а также на семинарах Института физики микроструктур РАН, Научно-образовательного центра "Физика твердотельных наноструктур" (НОЦ ФТНС) ННГУ и Кафедры физики твёрдого тела и наноструктур Воронежского государственного университета.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 работ, включая 6 статей в ведущих научных журналах и 13 публикаций в материалах научных конференций.
Структура и объем диссертации
