Морфология и фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 2 (2), с. 28-33

УДК 538.950

МОРФОЛОГИЯ И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ НАНООСТРОВКОВ GeSi/Si(001), ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ГОРЯЧЕЙ ПРОВОЛОКИ

© 2013 г. В.Г. Шенгуров/ В.Ю. Чалков,1 С.А. Денисов/ Д.О. Филатов/ А.В. Круглов,2

М.В. Степихова,3Д.Е. Спирин4

'Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского ^Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 3Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород 4Воронежский госуниверситет

shengurov@phys .unn.ru

Поступила в редакцию 04.04.2013

Впервые исследованы морфология и спектры фотолюминесценции (ФЛ) самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки. Полученные зависимости размеров и плотности наноостровков от температуры подложки и количества осаждённого Ge соответствуют установленным ранее для наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Однако во всём исследованном диапазоне температур роста (500 ^ 700°С) наблюдалась тенденция к коалесценции островков, связанная с наличием в ростовой камере GeH во время осаждения Ge, что увеличивает скорость поверхностной диффузии адатомов Ge и тем самым способствует коалесценции островков. В спектрах ФЛ (77 К) доминируют линии, связанные с дислокациями несоответствия в коалесцированных островках.

Ключевые слова: самоформирующиеся наноостровки GeSi, молекулярно-лучевая эпитаксия, метод горячей проволоки, морфология, фотолюминесценция.

Введение

Одним из приоритетных направлений развития современной физики полупроводников и оптоэлектроники в последнее десятилетие являлась так называемая кремниевая оптоэлектроника [1]. Главной задачей указанной области науки и техники является создание на основе Si светоизлучающих устройств (светодиодов, ин-жекционных и др. лазеров). Основной проблемой, которую необходимо решить для достижения указанной цели, является непрямозонность Si, в связи с чем вероятность безызлучательной рекомбинации в нём значительно больше, чем излучательной. В качестве одного из путей повышения эффективности электролюминесценции (ЭЛ) в Si рассматривается использование гетероструктур (ГС) с наноостровками GeSi, формирующимися в процессе гетероэпитаксии Ge на Si по так называемому механизму Странски-Крастанова [2]. Ожидается, что, благодаря эффекту размерного квантования, удастся повысить вероятность квазипрямых межзон-ных оптических переходов в кремниевых НС и повысить эффективность ЭЛ в них до значений, позволяющих говорить о приборном применении [3]. Уже в первых работах наблюдалась интенсивная фотолюминесценция (ФЛ) в ГС с само-

формирующимися наноостровками Ge/Si(001) в практически важном для оптоволоконной связи диапазоне длин волн X = 1.3 1.55 мкм (так на-

зываемом коммуникативном диапазоне) [4]. С тех пор был проделан большой объём работ по изучению процессов роста и свойств наноостровков GeSi/Si с целью поиска путей повышения выхода ФЛ и ЭЛ в них (см., например, обзоры [2, 5, 6]). Хотя на этом пути были достигнуты значительные успехи, тем не менее получить лазерную генерацию в ГС с наноостровками Ge/Si пока не удалось. Одна из причин тому

- весьма сложные (в отличие, например, от КТ InAs/GaAs(001) [7]) закономерности трансформации формы и состава наноостровков Ge/Si(001) в процессе роста, до сих пор ещё до конца не изученные. Это затрудняет получение ГС с необходимыми для оптоэлектронных применений параметрами (ключевыми параметрами являются поверхностная плотность наноостровков Ns, их однородность по размерам, энергии основных межзонных переходов E0).

Настоящая работа посвящена изучению морфологии и оптических свойств ГС GeSi/Si(001) с самоформирующимися островками, выращенных методом горячей проволоки [8]. Слои Si осаждались из сублимационных источников в условиях сверхвысокого вакуума

(СВВ), а для осаждения Ge в ростовую камеру напускался GeH4 при парциальном давлении pg ~ 10-4 10-3 Торр, который разлагался на по-

верхности Ta-проволоки, расположенной параллельно подложке на расстоянии нескольких сантиметров и нагреваемой пропусканием через неё электрического тока, создавая таким образом поток атомов Ge, падающий на подложку. Для практического применения данного метода для выращивания ГС с наноостровками GeSi/Si(001) для приборного применения необходимо установить зависимость морфологии, электронных и оптических свойств островков, выращиваемых данным методом, от условий роста. К настоящему времени процессы зарождения и роста островков GeSi/Si(001) исследованы достаточно подробно для структур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), и менее подробно — методом газофазной эпитаксии (ГФЭ). В [9, 10] исследованы морфология и оптические свойства наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) в среде GeH4 [11]. В этом методе слои Si осаждаются из сублимационных источников в СВВ, а для осаждения Ge в ростовую камеру напускался GeH4 (pg ~ 10-4 10-3 Торр), кото-

рый разлагается на поверхности нагретой подложки. Данный метод представляет собой гибрид МЛЭ с сублимационным источником Si и ГФЭ при низком давлении.

В [8, 12] изучены особенности роста однородных эпитаксиальных слоёв (ЭС) SixGei_x методом горячей проволоки из SiH4 и GeH4. В то же время исследований самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки, до настоящего времени не проводилось. Целью настоящей работы являлось изучение особенностей морфологии и оптических свойств самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки, по сравнению с островками, выращенными методами МЛЭ, ГФЭ и СМЛЭ в среде GeH4.

Методика эксперимента

Объектами исследования являлись ГС с само-формирующимися наноостровками GeSi/Si(001), выращенные методом горячей проволоки при помощи СВВ МЛЭ установки, спроектированной и построенной в Научно-исследовательском физико-техническом институте (НИФТИ) Нижегородского государственного университета (ННГУ) им. Н.И. Лобачевского. Для изучения связи между условиями роста, морфологией и оптическими свойствами самоформирующихся

островков GeSi/Si(001) применялся стандартный подход, обычно используемый для решения подобных задач. Выращивались образцы двух типов: 1) на подложках Si(001) КДБ-0,002 с поверхностными островками для исследования морфологии методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), 2) на подложках Si(001) КДБ-12 с наноостровками, выращенными в тех же условиях и заращенными покровным слоем Si толщиной ~ 40 нм, - для исследования оптических свойств ГС методом спектроскопии ФЛ.

Буферные и покровные слои Si выращивались при давлении остаточных газов в ростовой камере ~ 10-8 Торр из сублимационного источника Si и имели тот же тип проводимости и концентрацию легирующей примеси, что и подложка. Перед ростом подложка отжигалась при температуре 1250°С в течение 30 минут. По окончании отжига температура подложки снижалась до 1000°С и проводилось осаждение буферного слоя Si толщиной db ~ 400 ± 50 нм. Скорость роста слоев Si составляла « 1 мкм/час.

Условия роста островков GeSi определялись следующими параметрами ростового процесса: температура подложки во время осаждения Ge Tg, давление GeH4 в ростовой камере pg и время осаждения Ge tg. После осаждения буферного слоя сублимационный источник Si отключался, температура подложки уменьшалась до Tg = = 500 + 700°С, после чего в ростовую камеру проводили напуск моногермана (GeH4) и пропускание электрического тока через Ta-полоску, расположенную параллельно подложке на расстоянии «40 мм. Рост пленки Ge происходит путем пиролиза GeH4 на нагретой до температуры Ts « 1200°С Ta-полоске. Номинальная толщина осаждённого слоя Ge dGe при заданной Ts задавалась путем варьирования парциального давления GeH4 в ростовой камере pg и временем напуска GeH4 в ростовую камеру tg. Значения pg варьировались в пределах (4 9)-10-4 Торр, tg - в пределах 0.5 2.0 мин. Время

установления pg составляло « 10 с. После окончания процесса осаждения Ge ток через Ta-полоску выключался и GeH4 откачивался из ростовой камеры с помощью диффузионного насоса. Время установления pg до уровня < 10-6 Торр составляло « 1 мин.

В структурах, предназначенных для спектроскопии ФЛ, наноостровки заращивались покровным слоем Si из источника Si p-типа с удельным сопротивлением « 15 Ом-см.

Исследования зависимости морфологии массивов поверхностных островков GeSi/Si(001) от условий роста проводились методом АСМ с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Pro производства компании NT-MDT

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности ГС с поверхностными наноостровками GeSi/Si(001), выращенных при рё = 9• 10-4 Торр, ^ = 2 мин и различных температурах подложки Тё, °С: а - 600; б - 700

(Зеленоград, Россия). АСМ-исследования проводились в атмосферных условиях в контактном режиме. Использовались Si I-образные кан-тилеверы NT-MDT CSG-01 с радиусом кривизны острия Rp < 10 нм (согласно паспортным данным). Аспектное отношение зондов AR составляло 10 : 1, жесткость 1 ^ 2 Н/м. Неопреде-лённость измерения положения острия зонда на поверхности образца составляла: в плоскости поверхности (координаты x, у) - ± 10 нм; высота (координата z) - ± 0.1 нм. Для обеспечения указанной точности результатов АСМ-измере-ний регулярно проводилась калибровка АСМ по координатам x, у и z с помощью тестовых структур NT-MDT TGZ-3 и TGT-1. Обработка результатов АСМ-исследований производилась с помощью специализированного программного обеспечения для обработки и анализа данных СЗМ NT-MDT Nova Image Analysis 2.1.2.

Морфология массивов поверхностных островков GeSi/Si(001) характеризовалась следующими параметрами:

— средняя высота островков <H>;

— средний латеральный размер островков по основанию (на уровне 0.1<H> над плоскостью смачивающего слоя Ge) <D>;

— поверхностная плотность островков Ns.

Для определения вышеуказанных параметров морфологии массивов поверхностных островков GeSi/Si(001) из данных АСМ-измерений использовался блок анализа частиц (Particle Analysis) программного обеспечения NT-MDT Nova Image Analysis 2.1.2. Для выделения островков на АСМ-изображении применялся стандартный подход к идентификации островков по пороговому значению высоты z, которое выбиралось на уровне 0.1<H> над плоскостью смачивающего слоя Ge.

Спектры ФЛ структур с заращенными массивами островков измерялись при помощи фу-рье-спектрометра Вотет DA3. Возбуждение ФЛ осуществлялось многомодовым А-лазером непрерывного излучения (длина волны излучения 514 нм, мощность излучения 200 мВт). Регистрация сигнала ФЛ проводилась охлаждаемым Ge-фотодетектором фирмы Northcoast.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 приведены АСМ-изображения поверхности ГС GeSi/Si(001) с поверхностными наноостровками, выращенных при рг = 9 • 10-4 Торр, = 2 мин и различных значениях Тг. Увеличение Т8 с 600 до 700°С привело к уменьшению поверхностной плотности островков GeSi N,1 и к увеличению их средних размеров ^> и высоты <Н> (табл.). В то же время возросло относительное число слившихся между собой (коалесцировавших) островков (рис. 1). При уменьшении Тг до 500°С поверхностная плотность островков увеличивается, а размеры островков уменьшаются (рис. 2а). На поверхности образца присутствуют как пирамидальные, так и куполообразные островки, а также некоторое количество коалесцировавших кластеров. Уменьшение времени роста (и, соответственно, номинальной толщины осаждённого слоя Ge dGe) вдвое не приводит к существенному уменьшению поверхностной плотности островков (рис. 2б), однако плотность коалесцировав-ших кластеров уменьшается.

Уменьшение давления GeH4 в ростовой камере р8 до 4 • 10-4 Торр (что также приводит, при прочих равных условиях, к уменьшению номинальной толщины осаждённого слоя Ge dGe вследствие уменьшения скорости крекинга

Таблица

Параметры морфологии массивов самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001)

№ образца T 1 g-> °С Pg> Торр tg > мин <D>, нм <H>, нм Ns, см 2

10-634 700 910-4 2 351+201 35 + 21 3.1-108

10-595 600 — // — — // — 275 + 78 20 + 9.5 4.3-108

10-635 500 — // — — // — 176 + 39 18 + 7 4.2-109

10-638 — // — — // — 1 98 + 90 10.8 + 10.4 3.2-109

10-639 — // — — // — 0.5 78 + 20 7.4 + 6.2 6.1109

10-641 — // — 4-10-4 — // — 78 + 59 7.3 + 6.6 4.4-109

Рис. 2. АСМ-изображения поверхности структур с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001), выращенных при Tg = 500°C, pg = 9-10-4 Торр и различных значениях tg, мин: а - 2; б - 1

fj т

5, □ ;1

4,0 Л 3,04

г,о4

IjO-il

oJl

1,0

г'о

з,'о

“ 5,0“

30- 4,0т

20- пт 3,0т ум : 2,0т

* i,°T

°- 1 Oj

“

зо:

20 :

ю-

0J J

пт

4,0 5,0

2,0

4,0

б

Рис. 3. АСМ-изображение поверхности структур с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001), выращенных при Tg = 500°C, tg = 0.5 мин и различных значениях pg, 10-4 Торр: а - 9; б - 4

GeH4 на поверхности горячей проволоки и, соответственно, уменьшения потока атомов Ge на подложку) приводит к почти полному исчезновению слившихся островков, а также к уменьшению количества куполообразных островков по сравнению с количеством пирамидальных (рис. 3).

Таким образом, установленные в данной работе зависимости размеров и плотности наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки, от температуры подложки Tg и количества осаждённого Ge, в целом, соответствуют полученным ранее для наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методами МЛЭ, опубликованным в литературе. Однако во всём исследованном диапазоне Tg наблюдалась тен-

денция к коалесценции островков, в отличие от случая роста островков методом МЛЭ. Отмеченное различие может быть обусловлено наличием в ростовой камере GeH4 во время осаждения Ge, что может приводить к попаданию на поверхность подложки не до конца расщеплённых радикалов (^еН3, =GeH2 и ^еН), а также атомарного водорода, которые могут пассивировать оборванные связи на поверхности растущего слоя, что, в свою очередь, увеличивает скорость поверхностной диффузии адатомов Ge и тем самым способствует коалесценции островков.

На рис. 4 представлен спектр ФЛ (77 К) ГС с наноостровками GeSi/Si(001), выращенными

а

Рис. 4. Спектр ФЛ (77 К) структуры с заращенными наноостровками Ge8i/8i(001), выращенной при Tg = 500оС, pg = 9-10 4 Торр и tg = 2 мин

В

.Q

I—

О

О

X

0

I-

X

D1 у 0.81 эВ

- T =500oC, t =0.5 мин

g ’ g

- T =600oC, t =2 мин

g ’ g

T =700oC, t =2 мин

0.6

0.8 0.9 1.0

Энергия фотонов, эВ

Рис. 5. Спектр ФЛ (77 К) структуры с заращенными наноостровками Ge8i/8i(001), выращенных при pg = 9-104 Торр и различных значениях tg и Tg

при 1ё = 5000С, pg = 9-10-4 Торр и ^ = 2 мин и заращенными слоем 81. В спектре ФЛ, кроме пика с энергией максимума hvm « 1.10 эВ, связанного с краевой ФЛ 81 с участием ТО-фонона, наблюдаются линии с энергиями максимумов ^т « 0.81 эВ, « 0.93 эВ и « 0.98 эВ, спектральные положения которых соответствуют положению пиков дислокационной ФЛ в Ое81 Э1, Э2, Э3, соответственно [13]. Таким образом, наблюдаемые в спектрах ФЛ данной структуры линии могут быть связаны с дислокационной ФЛ в релаксированных островках Ое81. Заметим, что на поверхности образца с поверхностными островками, выращенными в тех же условиях (рис. 2а), наблюдается значительное количество коалесцированных кластеров, которые заведомо содержат дислокации несоответствия.

На рис. 5 приведены спектры ФЛ (77 К) трёх образцов с наноостровками Се81/81(001), выращенными при различных температурах. Во всех трёх спектрах доминирует линия с ^т « 0.81 эВ. Также в спектрах ФЛ различаются линии с ^т « 0.93 эВ и « 0.98 эВ. Независимость поло-

жения основного пика ФЛ от Tg свидетельствует, что данный пик (равно как и другие пики, наблюдающиеся в спектрах ФЛ) обусловлен дислокациями несоответствия в релаксирован-ных островках Ое81. Линии ФЛ, обусловленные межзонными излучательными переходами в островках Ое81, по-видимому, не различаются на фоне дислокационной ФЛ.

Заметим, что наибольшая интенсивность пика ФЛ с ^т « 0.81 эВ наблюдалась на образце, выращенном при Tg = 6000С и tg = 2 мин. На поверхности образца с поверхностными островками, выращенными в тех же условиях (рис. 1а), наблюдается наибольшая плотность коалесцированных кластеров. Подобные кластеры наблюдаются и на поверхности образца, выращенного при Tg = 7000С, однако при данной температуре роста, согласно литературным данным, преимущественным механизмом релаксации упругих напряжений в островках является не формирование дислокаций несоответствия, а диффузия 81 из подложки в объём островка [14].

5

4

3

2

1

Заключение

Результаты настоящей работы показывают, что установленные в ней зависимости размеров и плотности самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом горячей проволоки, от температуры подложки и количества осаждённого Ge, в целом, соответствуют полученным ранее для наноостровков GeSi/Si(001), выращенных методом МЛЭ, опубликованным в литературе. Однако во всём исследованном диапазоне температур роста (500 700оС) наблюдалась тенденция к коалесценции островков, в отличие от случая роста островков методом МЛЭ. Отмеченное различие может быть обусловлено наличием в ростовой камере GeH4 во время осаждения Ge, что увеличивает скорость поверхностной диффузии адатомов Ge и тем самым способствует коалесценции островков. В спектрах ФЛ (77 К) исследованных образцов доминируют линии, связанные с дислокациями несоответствия в коалесцированных островках. Для нахождения режимов роста, обеспечивающих получение методом горячей проволоки массивов островков GeSi/Si(001), демонстрирующих высокую эффективность фотолюминесценции в островках, необходимы дополнительные исследования.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Список литературы

1. Pavesi L. // J. Phys.: Cond. Matter. 2003. V. 15. № 26. Р. R1169- R1196.

2. Shiraki Y., Sakai A. // Surf. Sci. R. 2005. V. 59. № 7-8. P. 153-207.

3. Красильник З.Ф., Новиков А.В. // УФН. 2000. Т. 170. № 3. С. 338-341.

4. Abstreiter G., Schittenhelm P., Engel C. et al. // Semicond. Sci. Technol. 1996. V. 11. № 11S. P. 1521-1528.

5. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуречен-ский А.В. и др. // ФТП. 2000. Т. 34. № 11. С. 1281-1299.

6. Berbezier I., Ronda A. // Surf. Sci. R. 2009. V. 64. № 1. P. 47-98.

7. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А. и др. // ФТП. 1998. Т. 32. № 4. С. 385-410.

8. Mukherjee C., Seitz H., Schroder B. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. № 22. Р. 3457-3459.

9. Филатов Д.О., Круглова М.В., Исаков М.А. и др. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2008. Т. 72. № 2. С. 267-270.

10. Филатов Д.О., Круглова М.В., Исаков М.А. и др. // ФТП. 2008. Т. 42. № 11. С. 1116-1121.

11. Светлов С.П., Шенгуров В.Г., Чалков В.Ю. и др. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2001. Т. 65. № 2. С. 204-207.

12. Орлов Л.К., Потапов А.В., Ивин С.В. // ЖТФ. 2000. Т. 70. № 6. С. 102-107.

13. Kveder V., Badylevich M., Steinman E. et al. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. № 12. P. 2106-2108.

14. Liao X.Z., Zou J., Cockayne D.J.H. // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. № 23. P. 15605-15608.

MORPHOLOGY AND PHOTOLUMINESCENCE OF SELF-ASSEMBLED GeSi/Si(001) NANOISLANDS

GROWN BY HOT WIRE METHOD

V. G. Shengurov, V. Yu. Chalkov, S.A Denisov, D. О. Filatov, A V. Ouglov,

М. V. Stepikhova, D.E. Spirin

The morphology and PL spectra of self-assembled GeSi/Si(001) nanoislands grown by the hot wire method have been studied for the first time. Nanoisland size and density dependencies on the substrate temperature and the deposited amount of Ge have been found to correspond to those found earlier for the nanoislands grown by MBE. However, the nanoislands tended to coalesce in the whole growth temperature range (500 ^ 700°C). This was related to the presence of GeH4 inside the growth chamber, which enhances the surface diffusion of Ge adatoms and, therefore, promotes the islands coalescence. The PL (77K) spectra show dominant lines related to misfit dislocations in the coalesced islands.

Keywords: self-assembled GeSi nanoislands, molecular beam epitaxy (MBE), hot wire method, morphology, photoluminescence (PL).