Кремний германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства Обзо р

Скачать 432.7 Kb.

Название	Кремний германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства Обзо р
страница	4/5
Тип	Документы

1 2 3 4 5

4.1.4. Спектроскопия проводимости. Измерения комплексной проводимости (адмиттанса) кремниевых барьеров Шоттки с захороненным слоем КТ Ge позволили получить дополнительную информацию о структуре энергетического спектра КТ и параметрах дырочных состояний [¹¹²]. Отклик от КТ в данном случае представляется как отклик от конденсатора с потерями [¹¹³] и характеризуется постоянной времени

. При увеличении обратного смещения обедненная область проникает вглубь Si, приводя к опустошению дырочных уровней в КТ. На рис. 16 показаны зависимости активной части проводимости, нормированной на частоту переменного сигнала, от напряжения смещения для структуры с КТ (образец с 10 ML Ge) и структуры, содержащей только смачивающий слой (6 ML Ge). В последнем случае наблюдаются два пика при 0.1 В и 0.6 В. Амплитуда этих пиков не зависит от частоты в диапазоне 10-100 кГц и, по-видимому, пики связаны с перезарядкой смачивающего слоя. В образце с КТ наблюдаются четыре дополнительных пика, обозначенные на рис. 4 как

. Температурные зависимости времен эмиссии позволили определить энергии активации (глубину залегания уровней, мэВ)

, а также сечения захвата (рис. 17). Сечения захвата носителей на квантовые точки увеличиваются с ростом глубины залегания уровней (рис. 17) и на много порядков превышают известные величины для глубоких уровней в Si.
4. 2. Оптические свойства.
Интерес к исследованию оптических свойств КТ обусловлен ярко выраженной практической направленностью и рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми долинами. Особенностью КТ является, во-первых, возможность управления спектральной полосой фотоотклика путем предварительного заселения дискретных состояний с требуемой энергией переходов; во-вторых, наличие латерального квантования в нульмерных системах снимает запрет на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотоприемника, а значит, предоставляет возможность осуществить поглощение света при нормальном падении фотонов; в третьих, в КТ ожидается сильное увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей вследствие так называемого эффекта «узкого фононного горла» (phonon bottleneck effect [¹¹⁴]).

4.2.1. ИК поглощение. Поглощение фотонов ИК спектрального диапазона в многослойных гетероструктурах Ge/Si с самоорганизующихся КТ изучалось в работах [¹¹⁵,¹¹⁶]. Размеры островков в обоих случаях составляли  40-50 нм в основании и 2-4 нм высотой. Плотность островков  10⁸ см^-2. Авторы [Error: Reference source not found] использовали подлегирование островков Ge бором с тем, чтобы заселить основное состояние КТ дырками. В спектрах поглощения в области длин волн 5-6 мкм наблюдалась широкая (100 мэВ) линия, амплитуда которой сильно уменьшалась при переходе к поляризации света, перпендикулярной плоскости слоев, и была объяснена переходами между двумя низшими уровнями поперечного квантования тяжелых дырок в КТ.

В работе [Error: Reference source not found] для активизации оптических переходов внутри нелегированной КТ использовалась дополнительная световая накачка. Фотоиндуцированное поглощение, поляризованное параллельно плоскости слоев, имело асимметричный максимум в районе 4.2 мкм и связывалось с переходом дырок из основного состояния КТ в распространенные состояния валентной зоны. Необычайно высоким оказалось определенное авторами [Error: Reference source not found] значение сечения поглощения (210^-13 см²), что превышает по крайней мере на порядок известные сечения фотоионизации для локальных центров в Si [¹¹⁷] и на три порядка превышает аналогичную величину для КТ InAs/GaAs [¹¹⁸]. Эти данные свидетельствуют о перспективности системы Ge/Si для ИК-детекторов.

4.2.2. Фотопроводимость. Впервые о регистрации фототока, генерированного фотонами с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны кремния, в гетероструктурах Ge/Si с КТ сообщалось в работах [Error: Reference source not found, ¹¹⁹]. Возможность реализации фотоприемника с КТ, перестраиваемого под ближний и средний ИК диапазоны, была продемонстрирована в работе [Error: Reference source not found]. Фотоприемник представлял собой кремниевый pin диод, в базу которого был введен двумерный массив нанокластеров Ge. Средний латеральный размер КТ составлял 15 нм, высота 1.5 нм. Спектры фототока при различном обратном смещении показаны на рис. 18. В образце со сплошной пленкой Ge (6ML) фотоотклик отсутствовал. В структуре с КТ при энергиях, меньших края собственного поглощения в кремнии ( 1.12 эВ), наблюдались два максимума на длинах волн 1.7 мкм и 2.9 мкм. Интенсивность обоих максимумов сильно зависела от величины обратного смещения, причем эти зависимости коррелировали между собой. А именно, при увеличении смещения до величины 1.4 В происходило исчезновение отклика в среднем ИК диапазоне (при 2.9 мкм, линия Т₁), и появлялся сигнал в ближней ИК области спектра (при 1.7 мкм, линия Т₂). Значение энергии в максимуме Т₁ (430 мэВ) соответствует энергии залегания основного состояния дырки в КТ [¹²⁰]. Поэтому процесс Т₁ был идентифицирован как переход дырки из основного состояния, локализованного в Ge КТ, в распространенные состояния валентной зоны. По мере увеличения обратного смещения дырочные уровни в КТ заполняются электронами. В области напряжений около 1.4 В происходит полная разрядка КТ дырками, и переход Т₁ становится «запрещенным». Начиная с этого момента, возникает возможность межзонных переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости (процесс Т₂). Поскольку исследуемая система относится к гетероструктурам второго рода, дырки локализуются областях Ge, в то время как для электронов области Ge представляют собой потенциальный барьер [¹²¹], то такой оптический переход является непрямым в координатном пространстве и сопровождается перебросом электрона из Ge в Si. Энергия перехода должна определяться разницей между шириной запрещенной зоны Si (1.12 эВ) и энергией дырочного состояния в Ge КТ (0.43 эВ), т.е. равняться 700 мэВ, что согласуется с экспериментальным положением линии Т₂ ( 730 мэВ).

4.2.3. Фотолюминесценция. Традиционно для контроля формирования слоев самоорганизующихся КТ используют измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ), позволяющие определить энергии основного и возбужденных состояний в КТ. Для гетеросистемы InAs/GaAs обобщающий анализ данных ФЛ был сделан в работе [¹²²], в которой, в частности, было показано, что энергия свечения КТ определяется эффективной толщиной осажденного слоя InAs, и, следовательно, размером КТ. Во многих работах, посвященных эпитаксии структур Ge/Si, также приводятся результаты измерения ФЛ в качестве иллюстрации «рождения» и эволюции КТ. С формированием островков Ge связывают появление в спектрах ФЛ полосы в районе 800-900 мэВ [Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, ¹²³, ¹²⁴, ¹²⁵, ¹²⁶, ¹²⁷, ¹²⁸, ¹²⁹]. Ширина этой полосы составляет десятки мэВ, и лишь в работе [Error: Reference source not found] наблюдались узкие ( 2-10 мэВ) линии ФЛ, наблюдение которых объяснялось образованием массива однородных по размеру ( 3%) КТ. Тем не менее интерпретация спектров ФЛ для структур Ge/Si, на наш взгляд, не лишена противоречий. На рис.19 приведено положение пика ФЛ, отнесенного авторами к островкам Ge, как функция латерального размера нанокластеров. Здесь мы использовали данные работ [Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, ¹³⁰, ¹³¹, ¹³², ¹³³, ¹³⁴, ¹³⁵, ¹³⁶]. В отличие от системы InAs/GaAs в данном случае не наблюдается явной зависимости энергии излучающих переходов от размера КТ, тогда как разумно было ожидать, что с увеличением размеров максимум ФЛ будет сдвигаться в низкоэнергетическую область спектра вследствие уменьшения энергии размерного квантования в островках. Кроме того, удивительными кажутся данные работы [Error: Reference source not found], в которой наблюдалось свечение с энергией, большей ширины запрещенной зоны кремния (крайняя левая точка на рис. 19). Все эти обстоятельства не имеют сложившегося в настоящий момент удовлетворительного объяснения и стимулируют проведение детальных дальнейших исследований механизмов фотолюминесценции структур Ge/Si.
5. Заключение
В работе проведен анализ публикаций в мировой научной печати и отмечено возрастание интереса ученых и технологов к проблемам получения и использования наноструктур на основе кремния и германия, состоящих из Ge кластеров нанометровых размеров (квантовых точек), «встроенных» в матрицу Si. Упругие деформации в эпитаксиальных пленках и трехмерных островках Ge на Si являются ключевым фактором, обусловливающим не только морфологический переход планарная пленка - островковая пленка (механизм Странского-Крастанова), но и влияют на последующие этапы эволюции островков, включая их форму, размер и пространственное распределение. Во многих случаях этот фактор существенно модифицирует классические стадии механизмов фазообразования и их последовательность вплоть до квазиравновесного сосуществования трехмерных наноостровков Ge на поверхности Si подложки. В рассмотренных системах нанокластеров выделены различные типы упорядочения: упорядочение по форме кластера, по его размерам, по расстояниям между островками и по их взаимному расположению, а также упорядочение по вертикали - в последовательно создаваемых многослойных гетероструктурах с квантовыми точками. Обсуждаются пути улучшения степени упорядочения наноструктур с ансамблями квантовых точек и достижения предельно малых размеров и большой плотности их распределения по площади.

В работе приводятся литературные данные по поглощению света в многослойных системах Ge/Si, свидетельствующие об аномально большом сечении внутризонного поглощения, что делает представляемый класс наноструктур перспективными для создания фотоприемников ИК-диапазона. С помощью методов туннельной и емкостной спектроскопии, спектроскопии проводимости, а также эффекта поля на транзисторных структурах, содержащих не менее 10⁹ Ge нанокластеров, были выявлены хорошо разрешаемые пики, связанные с одноэлектронным захватом каждой квантовой точкой до шести дырок. Основными факторами, определяющими спектр состояний, служат размерное квантование и кулоновское взаимодействие носителей. Новым фактором, возникающим в массиве КТ и отличающим его от ситуации одиночной КТ, является кулоновская корреляция между островками.

Проведенные исследования электрических и оптических характеристик массивов островков Ge в Si позволяют сделать вывод о формировании массивов искусственных «атомов», обладающих дискретным энергетическим спектром, который проявляется вплоть до комнатной температуры.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Грант 99-02-17019), а также программы Миннауки «Физика твердотельных наноструктур» (Проект № 97-2025) и «перспективные технологии и устройства микро и наноэлектроники» (Проект № 02.04.1.1.16.E.1).

1. R.A. Mezger. Semicond. Comp., 1, 21 (1995).

2. U. Konig. Physica Scripta, T68, 90 (1996).

3. R.A. Soref. Thin Solid Films, 294, 325 (1997).

4. T. Tashiro, T. Tatsumi, M. Sugiyama, T. Hashimoto, T. Morikawa. IEEE Trans. on Electron

Devices, 44, 545 (1997).

5. D.J. Paul. Thin Solid Films, 321, 172 (1998).

6. A.I. Yakimov, V.A. Markov, A.V. Dvurechenskii, O.P. Pchelyakov. Phil. Mag., B 65, 701 (1992).

7. D. Leonard, M. Krishnamurthy, C.M. Reaves, et al.. Appl. Phys. Lett., 63, 3203 (1993).;

D. Leonard, K. Pond, and P.M. Petroff. Phys. Rev., B 50, 11687 (1994).

8. J.-M. Marzin, J.-M. Gerard, A. Izrael, and D. Barrier. Phys. Rev. Lett., 73, 716 (1994).

9. L.N. Aleksandrov, R.N. Lovyagin, O.P. Pchelyakov and S.I. Stenin. J. Cryst. Growth, 24/25, 298 (1974).

10. D.J. Eaglesham and M. Cerullo. Phys. Rev. Lett., 64, 1943 (1990).

11. S. Guha, A. Madhukar, and K.C. Rajkumar. Appl. Phys. Lett., 57, 2110 (1990).

12. R. Nötzel. Semicond. Sci. Technol., 11, 1365 (1996).

13. F. Liu and M.G. Lagally. Surf. Sci., 386, 169 (1997).

14. Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алферов, Д. Бимберг. ФТП, 32, 385 (1998).

15. P. Müller and R. Kern. J. Cryst. Growth, 193, 257 (1998).

16. А.А. Чернов, Е.И. Гиваргизов, Х.С. Багдасаров и др. Современная кристаллография, т. 3. М.: Наука, 1980, 407 стр.

17. F. Liu and M.G. Lagally. Phys. Rev. Lett., 76, 3156 (1996).

18. R.J. Asaro and W.A. Tiller. Metall. Trans., 3, 789 (1972).

19. М. А. Гринфельд. ДАН СССР, 290, 1358 (1986).

20 W. Dorsch, H.P. Strunk, H. Wawra et al.. Appl. Phys. Lett., 72, 179 (1998).

21 Yu.B. Bolkhovityanov, V.I. Yudaev and A.K. Gutakovsky. Thin Solid Films, 137, 111 (1986).

22. С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. УФН, 168, 1083 (1998).

23. I.M. Lifshitz and V.V. Slyozov. J. Phys. Chem. Solids, 19, 35 (1961).

24. B.K. Chakraverty. J. Phys. Chem. Solids, 28, 2401 (1967).

25. M.C. Bartelt and J.W. Evans. Phys. Rev., B 46, 12675 (1992).

26. N.C. Bartelt, W. Theis and R.M. Tromp. Phys. Rev., B 54, 11741 (1996).

27. I. Goldfarb, P.T. Hayden, J.H.G. Owen and G.A.D. Briggs. Phys. Rev. Lett., 78, 3959 (1997); Phys. Rev. B 56, 10459 (1997).

28. B.A. Joyce, D.D. Vvedensky, A.R. Avery. et al.. Appl. Surface Sci., 130-132, 357 (1998).

29. T.I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D.A.A. Ohlberg and R. Stanley Williams. J Appl. Phys., 85, 1159 (1999).

30. A.R. Avery, H.T. Dobbs, D.M. Holmes, et al.. Phys. Rev. Lett., 79, 3938 (1997).

31. J. Drucker. Phys. Rev., B 48, 18203 (1993).

32. Y. Chen and J. Washburn. Phys. Rev. Lett.,

1 2 3 4 5

	Конкурсная документация на проведение открытого одноэтапного конкурса... Оао «Янтарьэнерго» «Западные электрические сети» и «Городские электрические сети» на 2013 год		Филиала ОАО «сетевая компания» Казанские электрические сети Закировым Рафаилем Фатыховичем (именуемым далее «Работодатель») и коллективом филиала ОАО «Сетевая компания» Казанские электрические...
	Методическая разработка занятия «Углерод и кремний» по дисциплине «Химия» ...		Памятка для автопутешественника с детьми Карта Европы висит в моей комнате (чёрными точками отмечены города, в которых побывал)
	Высшего профессионального образования санкт-петербургский государственный... Ii социально-экономические механизмы функционирования ресторанов премиум класса		Обзо р По рассмотрению гражданских дел в апелляционном (кассационном) порядке за 1 полугодие 2012 года
	Механизмы социальной перцепции глянцевых журналов Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский...		Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... Формы и механизмы французской внешней культурно-лингвистической политики в их взаимосвязи. 27
	Рабочая программа учебной дисциплины Охрана труда разработана в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования...		Умк «Перспективная начальная школа» Формирование ууд при обучении... Механизмы формирования ууд у обучающихся на ступени начального общего образования

Кремний германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства Обзо р

Похожие: