CC BY
35
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 538.911
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РОСТА И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ ОСТРОВКОВ 0681/81(001), ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ В СРЕДЕ 0еН4
© 2010 г. М.А. Исаков 1, Д.О. Филатов 1, М.О. Марычев 2,
В.Г. Шенгуров 1, В.Ю. Чалков 1, С.А. Денисов 1
1 Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
filatov@phys.unn.ru
Поступила в редакцию 17.08.2010
Проанализирована зависимость морфологии самоформирующихся островков Се8^8^001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде ОеИ4, от условий роста. Показано, что рост островков происходит по механизму Лифшица - Слёзова - Вагнера. На основе анализа зависимости спектров фотолюминесценции островков от мощности накачки, с учётом неоднородности состава и заполнения островков фотовозбуждёнными носителями, предложена модель рекомбинационных переходов в островках.
Ключевые слова: самоформирующиеся островки Се8^8^001), сублимационная молекулярнолучевая эпитаксия в среде ОеИ4, оствальдовское созревание, механизм Лифшица - Слёзова - Вагнера, фотолюминесценция.
Введение
Гетероструктуры (ГС) с самоформирующи-мися наноостровками GeSi/Si(001) являлись в последние 15 лет объектами интенсивных исследований в связи с потенциальными возможностями создания на их основе различных приборов кремниевой оптоэлектроники, в частности светодиодов и инжекционных лазеров [1]. В последнее время усилился интерес к фотоэлектрическим свойствам ГС с наноостровками GeSi/Si(001) в связи с проблемой расширения рабочего спектрального диапазона фотодетекторов на базе Si в инфракрасную область (в так называемый коммуникативный диапазон длин волн X = 1.3 + 1.55 мкм) [2].
В большинстве опубликованных работ, посвящённых изучению процессов роста и свойств самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), исследовались ГС, выращенные методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или, реже, газофазной эпитаксии (ГФЭ). Предметом исследования в настоящей работе являются механизмы роста и фотолюминесцен-
ции (ФЛ) ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), выращенными методом сублимационной МЛЭ (СМЛЭ) в среде GeH4 [3]. Данный метод был впервые предложен и разработан в Научно-исследовательском физикотехническом институте Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ). В этом методе слои Si осаждаются из сублимационного источника в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ), а для осаждения Ge в ростовую камеру напускается GeH4. Типичные значения парциального давления GeH4 рё в ростовой камере составляют ~ 10-1 + 10-2 Торр. Рост пленки Ge происходит за счёт пиролиза GeH4 на нагретой подложке. Таким образом, данный метод является комбинацией МЛЭ с сублимационным источником Si и ГФЭ при низком давлении.
Необходимым условием практического применения метода СМЛЭ в среде GeH4 для выращивания приборных ГС GeSi/Si(001) с само-формирующимися островками с необходимыми параметрами является установление зависимости морфологии, электронных и оптических
свойств островков, выращиваемых данным методом, от условий роста. В литературе широко представлены исследования процессов зарождения и роста самоформирующихся наноостровков Се8і/8і(001), выращенных методом МЛЭ, и менее широко — методом ГФЭ [1, 4, 5]. В то же время ГС с самоформирующимися островками Се8і/8і(001), выращенные методом СМЛЭ в среде ОеИ4, вплоть до недавнего времени оставались неизученными. В [6, 7] исследовались зависимости морфологии и спектров ФЛ самоформирующихся островков Се8і/8і(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеИ4 в диапазоне температур подложки
= 700 + 800°С, от условий роста (рг, время напуска ОеИ4 в ростовую камеру tg). Было отмечено, что морфология массивов поверхностных островков Се8і/8і(001), полученных методом СМЛЭ в среде ОеИ4, существенно отличается от морфологии островков, выращенных методом МЛЭ в эквивалентных условиях. Было высказано предположение, что при росте методом СМЛЭ в среде ОеИ4 существенное влияние на морфологию островков оказывают процессы коалесценции по механизму, подобному механизму Лифшица - Слёзова [8]. Однако выводы работ [6, 7] носили в основном качественный характер.
В настоящей работе проведён количественный анализ зависимостей параметров морфологии самоформирующихся островков Се8і/8і(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеИ4, от условий роста. Показано, что хотя зарождение островков происходит, как и в процессе МЛЭ, по механизму Странски - Крастанова, при дальнейшем росте определяющее влияние на морфологию островков оказывают процессы остваль-довского созревания по механизму Лифшица -Слёзова - Вагнера [9]. Также приводятся результаты исследования зависимости спектров ФЛ островков от интенсивности фотовозбуждения. Предложена модель, объясняющая особенности спектров ФЛ в ГС с островками Се8і/8і(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеИ4, с учётом неоднородности распределения Ое по объёму островков, а также заполнения островков фотовозбуждёнными носителями заряда.
Экспериментальная часть
Исследованные ГС с самоформирующимися островками Се8і/8і(001) были выращены при помощи оригинальной установки для СМЛЭ в среде ОеИ4, спроектированной и построенной в НИФТИ ННГУ. Буферные и покровные слои 8і выращивались при давлении остаточных газов в
ростовой камере ~ 10"8 Торр из сублимационного источника марки КДБ-15. Перед этим подложка отжигалась при температуре 1250°С в течение 30 мин. По окончании отжига температура подложки снижалась до 1000°С и проводилось осаждение буферного слоя Si толщиной = = 400 ± 50 нм. Скорость роста слоев Si составляла « 2 мкм/час. После осаждения буферного слоя сублимационный источник Si отключался, температура подложки уменьшалась до = = 700 + 800 °С, после чего в ростовую камеру напускался GeH4. Номинальная толщина осаждённого слоя Ge <$ое при фиксированных значениях Тг и рё определялась значением Значения рё варьировались в пределах 5 х 10-4 + 1.3 х х 10-3 Торр, ^ — в пределах 0.25 + 5.0 мин. Время установления заданного значения рё составляло « 10 с. После окончания процесса осаждения Ge клапан-натекатель закрывался и GeH4 откачивался из ростовой камеры с помощью диффузионного насоса. Время восстановления давления остаточных газов в ростовой камере до уровня ~ 10"6 Торр составляло « 1 мин. При выращивании структур, предназначенных для спектроскопии ФЛ, после откачки GeH4 до указанного выше давления, вновь включался сублимационный источник Si, и проводилось осаждение покровного слоя Si толщиной = 40 ± 5 нм при температуре подложки « 600°С.
Номинальная толщина осаждённого слоя Ge при определённых значениях Тё, рё и tg определялась методом обратного резерфордовско-го рассеяния (ОРР) в Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИ ЯФ) Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ) П.С. Черных. В диапазоне = 1 + 5 мин была пропорциональна В области < 1 мин зависимость ^0е(^) отклонялась от линейной, что было связано с переходными процессами установления давления при напуске и откачке GeH4.
Исследования зависимости морфологии массивов поверхностных островков GeSi/Si(001) от условий роста проводились методом атомносиловой микроскопии (АСМ) в атмосферных условиях с помощью АСМ Зо1уегРго производства компании NT-MDT (Зеленоград, Россия) в полуконтактном режиме. АСМ-измерения были выполнены в Научно-образовательном центре «Физика твердотельных наноструктур» (НОЦ ФТНС) ННГУ С.В. Сипровой. Использовались Si 1-образные кантилеверы NT-MDT NSG-11 с радиусом кривизны острия Яр < 10 нм (согласно паспортным данным). Неопределённость измерения положения острия зонда на поверхности
образца составляла: в плоскости поверхности (координаты х, у) - ± 10 нм; высоты (координата z) - ± 1 нм. Для обеспечения указанной точности проводились калибровка АСМ по координатам х, у и z, а также контроль значений Rp с помощью тестовых структур NT-MDT TGZ-3 и TGT-1, соответственно.
Морфология массивов поверхностных островков GeSi/Si характеризовалась следующими параметрами:
- средняя высота островков <H>;
- средний латеральный размер островков по основанию (на уровне смачивающего слоя) <D>;
- поверхностная плотность островков Ns.
Для выделения островков на АСМ-изобра-
жении использовался стандартный метод идентификации островков по пороговому значению высоты z.
Спектры ФЛ гетероструктур с заращенными покровным слоем Si островками GeSi измерялись при 77 К при помощи решеточного монохроматора Spectra Pro-558 производства компании Acton Research Corp. (США). Образцы помещались в молибденитовый сосуд Дьюара с жидким азотом. Возбуждение ФЛ осуществлялось многомодовым Ar-лазером непрерывного излучения. Спектр излучения лазера состоял из четырёх линий, длины волн которых Хе находились в спектральном диапазоне 488 г 514 нм. Максимальная мощность излучения лазера составляла « 1.0 Вт. Измерения с помощью измерителя мощности лазерного излучения ИМО-2 показали, что « 3/4 мощности лазерного излучения терялось на отражение на элементах оптической схемы (фокусирующие линзы, светофильтры, сосуд Дьюара и др.), так что эффективная мощность фотовозбуждения Ре составляла « 250 мВт.
Возбуждающее излучение фокусировалось на поверхности образца в пятно диаметром De « 500 мкм. Регистрация ФЛ проводилась охлаждаемым фотодетектором Acton Research ID-441 С на базе InGaAs/InP-фотодиода (рабочий диапазон длин волн 0.75 г 1.6 мкм) на модулированном сигнале методом синхронного детектирования при помощи цифрового синхронного детектора Stanford Research Systems (США) SR-810.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 приведены зависимости средней высоты <H>, среднего латерального размера <D> и поверхностной плотности Ns островков GeSi/Si(001), выращенных при различных значениях Tg и pg, от tg. АСМ-изображения остров-
ков приведены в [7, 10]. Зависимости параметров морфологии островков от могут быть аппроксимированы степенными функциями вида у(х) = Ах . Это указывает, что определяющее влияние на морфологию массивов поверхностных островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, оказывают процессы оствальдовского созревания [11].
В настоящее время для описания процессов оствальдовского созревания поверхностей общепринятой является модель Лифшица - Слё-зова - Вагнера (ЛСВ) [9], в рамках которой оригинальная модель Лифшица - Слёзова [8, 12] распространяется на случай системы зародышей на поверхности подложки, которые могут обмениваться между собой адатомами посредством поверхностной диффузии. В модели ЛСВ поздняя стадия эволюции системы зародышей на поверхности подложек определяется эффектом Гиббса - Томсона [13, 14], в силу которого вероятность встраивания адатома в островок зависит от радиуса кривизны границы островка с подложкой. Атомы отделяются с большей вероятностью от меньших островков и остаются с большей вероятностью на больших островках.
В настоящее время модель ЛСВ находит широкое применение для описания процессов эволюции систем самоформирующихся наноостровков на поверхности подложки как в процессе осаждения, так и в процессе послеросто-вых термообработок. В частности, в [15] модель ЛСВ применяется для описания эволюции массива островков GeSi/Si(001) в процессе после-ростового отжига. Приведённые на рис. 1 зависимости <Н>, <0> и N от показывают, что в процессе СМЛЭ в среде GeH4 оствальдовское созревание происходит непосредственно в процессе роста островков, хотя, как было установлено в [6, 7], зарождение островков GeSi/Si(001) происходит по механизму Странски - Краста-нова. При этом, пока и поскольку островки остаются упруго-напряжёнными, упругое взаимодействие островков с подложкой препятствует коалесценции [16]. Однако по мере того как всё больше островков становятся релаксированны-ми, упругое взаимодействие с подложкой оказывает всё меньшее влияние на рост островков, и дальнейшая эволюция ансамбля островков происходит по механизму ЛСВ.
Количественно зависимость радиуса островка г от времени t в модели ЛСВ определяется уравнением
dr
dt
1
1 1
r V 'c
r
r
где гс — критический радиус устойчивости зародыша. Островки с г < гс растворяются, в то время как островки с г > гс растут.
Характерными признаками оствальдовского созревания являются увеличение среднего размера и уменьшение плотности островков с те-
чением времени по степенному закону [11]. В модели ЛСВ <г>(0 х t 1/2, N0 х t -3/2 [9]. Для зависимостей <В>^^) и <Н>^) на рис. 1а и б 0.32 < Ь < 1.02, при этом Ь уменьшается с ростом и р%. Возможность обмена атомами Ое между островками посредством поверхностной
£
V
л
О
V
а
б
в
Рис. 1. Зависимости средней высоты <Н> (а), среднего размера <Б> (б) и поверхностной плотности островков 0с81/81(001) N (в) от времени напуска ОеН4 в ростовую камеру Те, °С: 1, 2 - 700, 3 - 800; ре, 10 4Торр: 1 - 5.0, 2, 3 - 9.0
диффузии является необходимым условием для реализации механизма ЛСВ. Увеличение скорости поверхностной диффузии адатомов Ge, а также не до конца расщеплённых радикалов -GeH3, =GeH2 и =GeH стимулируется повышением Tg, а также пассивацией оборванных связей на поверхности роста атомами водорода, отщеплёнными от молекул GeH4 в процессе пиролиза. Пассивация оборванных связей на растущей поверхности приводит также к уменьшению вероятности появления новых центров роста, что, в свою очередь, приводит к уменьшению изначальной поверхностной плотности островков.
Подобные установленным в настоящей работе закономерности эволюции морфологии самоформирующихся островков с увеличением количества осажденного материала наблюдались также при выращивании самоформирую-щихся островков GeSi/Si(001) методом ГФЭ при низком давлении [17], а также квантовых точек (КТ) 1пА8^аАв(001) методом МОС-гидридной эпитаксии при пониженном давлении [18]: количество и размеры дислоцированных кластеров 1^аАв увеличивались при повышении давления газа-носителя (водорода). По-видимому, для процессов ГФЭ характерны сходные закономерности зависимости морфологии самоформирующихся наноостровков от условий роста, связанные с процессами ост-вальдовского созревания, независимо от осаждаемого вещества.
С другой стороны, в модели ЛСВ не учитываются многие важные детали механизма роста самоформирующихся островков: кинетика реакции пиролиза GeH4 на поверхности смачивающего слоя и островков, трансформация формы островков в процессе роста, приводящая к бимодальному распределению островков по размерам [1, 5], диффузия Si из подложки в объём островков [19] и т. д. Так, зависимости ^(^), приведённые на рис. 1в, качественно согласуются с предсказываемыми моделью ЛСВ, однако N убывает с увеличением ^ медленнее, чем ожидалось в соответствии с теорией (-0.39 < Ь < -0.27). Теория ЛСВ базируется на предположении постоянства количества вещества, составляющего островки. В процессе эпитаксии это, очевидно, не имеет места, поскольку на поверхность подложки постоянно поступает Ge. Кроме того, в объём островков активно диффундирует Si из подложки [19]. В результате суммарный объём островков не остается постоянным, а растет со временем. Как следствие, размеры островков растут в процессе роста быстрее, а плотность падает медленнее, чем предсказывает модель ЛСВ.
Другим фактором, влияющим на процесс оствальдовского созревания, является формирование разрывов смачивающего слоя вокруг островков GeSi [6, 10]. Подобные разрывы наблюдались ранее на структурах, выращенных методом МЛЭ [20]. Граница разрыва и смачивающего слоя представляет собой потенциальный барьер для диффузии адатомов Ge, поэтому образование разрывов ограничивает приток ад-атомов к островку. В модели ЛСВ предполагается, что скорость массообмена между островками лимитируется скоростью отрыва адатомов от границы островок - подложка. Как показывают результаты настоящей работы, именно этот режим реализуется в процессе роста островков GeSi/Si(001) методом СМЛЭ в среде GeH4. Наряду с повышенной скоростью поверхностной диффузии, этому способствует также и наличие разрывов смачивающего слоя вокруг островков. Альтернативный случай, когда скорость массообмена между островками лимитируется скоростью поверхностной диффузии, описан Чакраверти [21].
На рис. 2 приведены спектры ФЛ гетероструктуры GeSi/Si(001) с самоформирующими-ся островками, выращенными при pg = 9 х 10"4 Торр, ^ = 700°С и ^ = 1.0 мин (^0е « 10.3 МС), измеренные при различных значениях мощности фотовозбуждения Ре. Помимо линий краевой ФЛ в Si с участием ТО-фонона ^-ТО), в спектрах наблюдаются линии, связанные с из-лучательными межзонными оптическими переходами в островках GeSi [6, 7]. Эти линии могут быть разложены на две гауссовы компоненты NCl и NC2 (на рис. 2 показано такое разложение для трёх спектров). Расщепление линий ФЛ не может быть связано с наличием в островках фо-нонных и бесфононных переходов, поскольку разность энергий между максимумами была различна в спектрах ФЛ, измеренных на образцах, выращенных в различных условиях (27 + 52 мэВ), что не соответствует энергиям фононов ни в Si, ни в твёрдом растворе GexSi1-x с соответствующим значением х (0.2 + 0.3) [6, 7].
Тонкую структуру линий ФЛ в островках GeSi можно объяснить, принимая во внимание неоднородность пространственного распределения Ge по объему островков. В [22, 23] методом растровой Оже-микроскопии (РОМ) было установлено наличие тонкого (толщиной ~ 1 нм) обогащённого Ge приповерхностного слоя вблизи вершины островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4. По данным РОМ, в этом слое х достигает 0.9, тогда как в объёме островков x = 0.25 + 0.35, в зависимости от Гg и других условий роста, и рас-
пределение Ge по глубине островка более однородно. Такое распределение Ge по объёму островка энергетически выгодно, поскольку вершина островка является концентратором упругих напряжений растяжения, следовательно, концентрация Ge в вершине островка понижает его упругую энергию.
Предположим, что компонента NC1 связана с межзонными переходами из состояний зоны проводимости покровного слоя Si вблизи его границы с обогащённым Ge приповерхностным слоем островка (переход 1 на рис. 3) на размерно-квантованные дырочные состояния в обогащенном Ge слое (такие переходы являются непрямыми в реальном пространстве), а компонента NC2 - с прямыми в реальном пространстве переходами из электронных состояний в зоне проводимости в неквантованные дырочные состояния в валентной зоне внутри островка GeSi (переход 2 на рис. 3). Сделаем оценки толщины прослойки Ge а исходя из энергии максимума компоненты NC1. Для этого используем упрощенную одномерную модель зонной структуры островка GeSi/Si(001) в приближении плоских зон (рис. 3а). Поскольку, по данным РОМ, эффективная толщина прослойки Ge составляет ~ 1 нм, а, с другой стороны, радиус кривизны поверхности островка, по данным АСМ, ~ 10 мкм, можно рассматривать прослойку Ge на вершине островка как квантовую яму (КЯ). Предположим, что Ge распределён в материале островка однородно. На рис. 3а представлен расчётный профиль зон вдоль вертикальной оси островка при 77 К для х = 0.3, рассчитанный с использованием модели [24]. Прослойка GexSi1-x считалась псевдоморфной, её толщина h принималась равной типичной средней высоте островков <Н> « 20 нм.
Одномерное уравнение Шрёдингера для тяжёлых дырок в потенциале рис. 3а в приближении эффективной массы с граничными условиями Бастарда (непрерывность у и m-1dу/dz, где m и у ^) - эффективная масса и огибающие волновых функций размерно-квантованных состояний тяжёлых дырок, соответственно, на границах слоёв структуры [25]) решалось стандартным методом [26]. Первый корень характеристического уравнения, соответствующий основному состоянию тяжёлых дырок, локализованному в слое Ge Ehh1, находился численно методом Ньютона. Рассматривая Ehh1 как функцию а, находили значения а, при которых энергия непрямого в реальном пространстве перехода NC1 Ehh1 = 0.86 эВ. Для фононного перехода было найдено а ~ 0.51 нм, для бесфононного -а ~ 0.45 нм. Оба значения по порядку величины согласуются с данными РОМ.
На рис. 3а показаны также огибающие волновых функций основного состояния тяжёлых дырок в двойной КЯ уш^) для случаев фонон-ных и бесфононных переходов. Огибающие не локализованы полностью в прослойке Ge, а достаточно глубоко проникают как в покровный слой Si, так и в слой GeSi. Как следствие, перекрытие огибающих данных состояний с огибающими волновых функций электронов в зоне проводимости существенно как для электронных состояний в островке GeSi, так и для состояний в зоне проводимости в покровном слое Si. Таким образом, в рамках приближения плоских зон нельзя определить, с какими именно переходами связана компонента NC1 - переходами типа 1 или типа 3 (рис. 3а).
Рассмотрим влияние заряда фотовозбуж-дённых носителей на зонную структуру островков в условиях измерения ФЛ, т. е. в условиях сильного фотовозбуждения. Коэффициент собственного оптического поглощения Si на длине волны фотовозбуждения а « 2 х х 10-4 см-1 [27]. Оценим концентрацию избыточных носителей в окрестности островков Дп. Одномерное уравнение непрерывности для полубесконечного полупроводника, освещаемого излучением с энергией кванта ^е, в стационарном состоянии [28]
* = а+ о
Ж Т„
Ж 2п
п л 2 dz
= 0,
где
О = 4аРе 21 - *) ехр(- а)
(2)
(3)
- скорость фотогенерации избыточных носителей, тг - рекомбинационное время жизни носителей, R - коэффициент оптического отражения на поверхности полупроводника, Б„ - коэффициент диффузии электронов. Из решения (2) с граничными условиями
dАn
А, —— = Ап, z = 0
(4)
dz
Ап = 0, z ^ да , где Sn - скорость поверхностной рекомбинации,
имеем:
Ап(о) =
и
О
1 + аЬп п + ип
Т.
(5)
где Ln — длина диффузии электронов. Принимая дляp-S'i сp0 = 2 х 1015 см-3 при 77 К тг = 4 х х 10-5 с, Ln = 50 мкм и Sn = 102 см/с [27] и принимая во внимание, что dc << Ln, а-1, имеем Дn(dc) « Дп(0) « 1.5 х 1018 см-3. Положения
<ъ
ас
£
о
Лу, эВ
Рис. 2. Зависимость спектров ФЛ (77 К) гетероструктуры с самоформирующимися островками 0е8^(001) от мощности фотовозбуждения Ре, мВт: 1 - 250; 2 - 210; 3 - 150; 4 - 90; 5 - 40; 6 - 15; 7 - 5
а
б
Рис. 3. Зонная диаграмма (77 К) островка Оео.зй^.у с тонким приповерхностным слоем Ое на вершине в приближении плоских зон (а) и с учётом зарядки островка избыточными носителями в условиях сильного фотовозбуждения (б). Показаны уровни энергии и огибающие волновых функций основного состояния тяжёлых дырок в островке, рассчитанные для случаев бесфононного (-) и фононного (—) переходов
квазиуровней Ферми для электронов и дырок (Еп и Ер, соответственно) относительно краёв зон в Si находились из уравнений
Ап = N с Е1/2
Ар = Еу 2
( Е - Ес Л к ВТ
( Еу - Ер Л
к вТ
(6)
где Мс и N - значения эффективной плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне Si, соответственно, Е1/2 - интеграл Ферми порядка 1/2. Корни уравнений (6) находились численно методом Ньютона. Были получены значения Ес - Еп к 18 мэВ и Ер - Еу к 12 мэВ.
Предположим, что в стационарном состоянии имеет место квазиравновесие между носителями в Si и в островках GeSi. В данном приближении уравнение Пуассона для потенциала электронов ф^) может быть записано как
є„є
(
Nс Еу 2
- NV Е1/2
Е {()- Ер квТ
квТ
Ро
(7)
где
ЕсМ = < “'г > “ - (8)
[еф(г)+АЕс0е'0 < г < а
вф(г) - Е, 2 < 0,2 > а + к
еФ(г) - ^ + АЕуОє ,0 < 2 < а вф() - Eg5i + АЕуЄє8і , а < 2 < а + к,
бесфононные) [1, 5]. В силу отмеченных выше причин островки, выращенные методом МЛЭ, как правило, характеризуются меньшими размерами и большими значениями х, чем выращенные методом СМЛЭ в среде GeH4 в эквивалентных условиях (Гг, dGe). В связи с этим заряд дырок, локализованных в островках, выращенных методом МЛЭ, экранируется, в основном, электронами, локализованными на границах островок - Si.
Заметим, что межзонные оптические переходы между трехмерными состояниями в зоне проводимости GeSi в двумерные дырочные состояния в КЯ Ge на поверхности островка (переходы типа 3 на рис. 3) являются запрещёнными [29]. В связи с этим компонента NC1, наиболее вероятно, связана с переходами из двумерных состояний в треугольной КЯ для электронов, образованной изгибом зон вблизи границы покровного слоя Si с обогащённым Ge слоем, в двумерные дырочные состояния в последнем (переходы типа 1 на рис. 3). Оценка туннельной прозрачности для электронов слоя Ge толщиной
0.5 нм в квазиклассическом приближении составляет ~ 0.1, так что электронные состояния в треугольной КЯ являются квазилокализован-ными. На рис. 4а представлены зависимости интегральной интенсивности линий ФЛ 1Р1 от Ре для компонент NC1 и NC2. Зависимость /Р^(Ре) для компоненты NC2 может быть аппроксими-
рована
степенной
функцией
вида
(9)
где - ширина запрещенной зоны Si.
Граничные условия для уравнения Пуассона: ф(г) ^ 0, г ^ ±да . (10)
Уравнение (7) с граничными условиями (10) решалось численно методом прогонки.
На рис. 3б представлена расчётная зонная диаграмма островка Ge0.3Si07/Si(001) с прослойкой Ge на поверхности в условиях сильного фотовозбуждения. Заполнение островка избыточными носителями приводит к изгибу зон на границах островка с окружающим материалом ^). При достаточно малых значениях х, фактически, гетероструктура GeSi/Si является гетероструктурой I типа. Рассмотренный эффект приводит к доминированию в островках прямых в реальном пространстве переходов (компонента NC2 на рис. 2). Напротив, в спектрах ФЛ структур с островками GeSi/Si(001), выращенных методом МЛЭ, доминируют непрямые в реальном пространстве переходы типа 1 (фононные и
1р1 х (Ре) с показателем степени Ь к 1.1, т. е. практически линейной, что соответствует случаю линейной рекомбинации в островках. Интенсивность компоненты NC1 при низких уровнях фотовозбуждения также растёт с увеличением Ре почти линейно. Однако при Ре > 40 мВт зависимость 1рь(Ре) выходит на насыщение и даже несколько убывает, что может быть связано с заполнением основного состояния в треугольной КЯ вблизи границы обогащённого Ge слоя на поверхности островка с покровным слоем Si. В случае когда состояния электронов и дырок вблизи дна двумерных подзон заполнены, скорость межзонной излучательной рекомбинации между соответствующими состояниями в КЯ также испытывает насыщение [29].
На рис. 4б представлены зависимости энергии максимумов компонент NC1 и NC2 линии ФЛ в островках ^т от Ре. В области Ре < 40 мВт ^т для обеих компонент возрастает с ростом Ре. Сходная зависимость наблюдалась в [30], где она была связана с увеличением заполнения дырочных состояний в островках с ростом Ре. При Ре > 40 мВт Ьмт для компоненты NC2 практически не зависит от Ре, тогда как для компо-
ю
аз
£
о
а
Р , мВт
2
1
Р , мВт
е ’
Рис. 4. Зависимость интегральной интенсивности 1РЬ (а) и энергии максимумов Ь\т (б) компонент линий ФЛ (77 К) в островках Ое8^, приведённых на рис. 2, от мощности фотовозбуждения Ре: 1 - N01; 2 - ЫС2
ненты N01 кут уменьшается с ростом Ре. Указанный эффект может быть объяснён тем, что с увеличением Ре увеличиваются концентрации избыточных носителей заряда Ап и Ар как в островках, так и в окружающем материале (81). Это, в свою очередь, приводит к увеличению напряжённости электрического поля на границах островков с матрицей 81, в том числе — как в КЯ для дырок, связанной с обогащённой Ое прослойкой на поверхности островка, так и в КЯ для электронов, связанной с изгибом зон вблизи границы указанной прослойки с покровным слоем 81 (рис. 3б). Наблюдаемое уменьшение кут с ростом Ре для компоненты NC1 можно рассматривать как проявление квантово-размерного эффекта Ванье - Штарка.
Заключение
Анализ зависимости морфологии самофор-мирующихся островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеН4, от условий роста показывает, что в диапазоне температуры роста 700 ^ 800°С и давления ОеН4 в ростовой
камере 5 х 10-1 ^ 1.5 х-10_3 Торр определяющее влияние на морфологию островков оказывают процессы оствальдовского созревания по механизму Лифшица - Слёзова - Вагнера. Анализ зависимости спектров фотолюминесценции от интенсивности фотовозбуждения показывает, что длинноволновая компонента линии фотолюминесценции, связанной с островками Ое81, обусловлена межзонными излучательными рекомбинационными переходами электронов, локализованных в треугольной квантовой яме на границе покровного слоя 81 и островка, на двумерные дырочные состояния в прослойке на поверхности островка, обогащённой Ое (непрямыми в реальном пространстве). Коротковолновая компонента линии фотолюминесценции в островках обусловлена переходами из состояний зоны проводимости в состояния валентной зоны внутри островка (прямыми в реальном пространстве). Показано, что заполнение островков 0е81/81(001) избыточными носителями заряда в условиях сильного фотовозбуждения может приводить к тому, что начиная с некоторого значения интенсивности фотовозбуждения
б
островки достаточно больших размеров с достаточно низкой концентрацией Ge в их материале становятся гетероструктурами I типа. Как следствие, в спектрах фотолюминесценции таких островков доминируют линии, связанные с прямыми в реальном пространстве переходами внутри островков.
Авторы выражают благодарность С.В. Сипро-вой (физический факультет ННГУ) и П.С. Черных (НИИ ЯФ МГУ) за АСМ- и ОРР-измерения соответственно.
Работа выполнена при поддержке Фонда гражданских исследований и разработок США (US Civilian Research and Development Foundation, CRDF) BRHE RUX-O-OOI-NN-O6/BPIMOI и Федерального агентства по образованию РФ (РНП.2,1,1,3615 и 2.1.1.4737).
Список литературы
1. Berbezier I., Ronda A. // Surf. Sci. R. 2009. V. 64. P. 47-98.
2. Якимов А.И., Двуреченский А.В., Кириенко В.В. и др. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 37-40.
3. Светлов С.П., Шенгуров В.Г., Чалков В.Ю. и др. // Изв. РАН. Сер. Физ. 2001. Т. 65. С. 204-207.
4. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В. и др. // ФТП. 2000. Т. 34. С. 1281-1299.
5. Shiraki Y., Sakai A. // Surf. Sci. R. 2005. V. 59. P. 153-207.
6. Филатов Д.О., Круглова М.В., Исаков М.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2008. Т. 72. С. 267-270.
7. Филатов Д.О., Круглова М.В., Исаков М.А. и др. // ФТП. 2008. Т. 42. С. 1116-1121.
8. Лифшиц И.М., Слёзов В.В.// ЖЭТФ. 1958. Т. 35. С. 479-487.
9. Wagner C.Z. // Zeitschr. Elektrochem. 1961. B. 65. S. 581-591.
10. Филатов Д.О., Круглова М.В., Исаков М.А. и др. // Неорг. мат. 2008. Т. 44. С. 1287-1292.
11. Ostwald W.Z. // Zeitschr. Phys. Chem. 1900.
В. 34. S. 495-503.
12. Lifshitz I.M., Slyozov V.V. // J. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 19. P. 35-50.
13. Thomson W. (Lord Kelvin) // Phil. Mag. 1871. V. 43. P. 448-452.
14. Gibbs J.W. // Trans. Connect. Acad. 1876. V. 3. P. 108-248.
15. Kamins T.I., Medeiros-Ribeiro G., Ohlberg D.A.A. et al. // J. Appl. Phys. 1999. V. 85. P. 1159-1162.
16. Shchukin V.A., Ledentsov N.N., Kop'ev P.S. et al. // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 2968-2970.
17. Goryll M., Vescan L., Luth H. // Mat. Sci. Eng.
B. 2000. V. 69-70. P. 251-256.
18. Tang X.-H., Du A.-Y., Zhao J.-H. et al. // Trans. Nonferr. Metals Soc. China. 2006. V. 16. P. S25-S28.
19. Liao X.Z., Zou J., Cockayne D.J.H. et al. // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. P. 15605-15608.
20. Chaparro S.A., Zhang Y., Drucker J. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76. Р. 3534-3536.
21. Chakraverty B.K. // J. Phys. Chem. Solids. 1967. V. 28. P. 2413-2421.
22. Максимов Г.А., Красильник З.Ф., Филатов Д.О. и др. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 26-29.
23. Maximov G.A., Krasil’nik Z.F., Novikov A.V. et al. Composition Analysis of Single GeSi/Si Nanoclusters by Scanning Auger Microscopy // In: Nanophysics, Nanoclusters, and Nanodevices / Ed. Kimberly S. Gehar. NY: Nova Science, 2006. P. 87-123.
24. Алешкин В.Я., Бекин Н.А. // ФТП. 1997. Т. 31.
C. 171-178.
25. Weissbuch C., Vinter B. Quantum Semiconductor Structures: Fundamentals and Applications. NY: Acadеmic Press, 1991. 292 p.
26. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т. T. 3. Квантовая механика: нерелятивистская теория. M.: Наука, 1989. 412 c.
27. New semiconductor materials. characteristics and properties. Electronic archive / ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе. СПб. [Электронный ресурс]. URL: http://www. ioffe.ru/SVA/NSM/ (дата обращения 16.12.2009).
28. Moss T.S. // J. Electron. Control. 1955. V. 1. Р. 126-135.
29. Vasko F.T., Kuznetsov A.V. Electronic States and Optical Transitions in Semiconductor Heterostructures. B.: Springer, 1999. 426 p.
30. Tsybeskov L., Lee E.-K., Chang H.-Y. et al. // Adv. Opt. Tech. 2008. № 21. Р. 8032-8035.
PECULIARITIES OF THE GROWTH AND PHOTOLUMINESCENCE OF SELF-ASSEMBLED GeSi/Si(001) NANOISLANDS GROWN BY SUBLIMATION MOLECULAR BEAM EPITAXY IN GeH4 AMBIENT
М.А. Isakov, D.О. Filаtоv, Маrychеv, V.G. Shengumv, V.Yu. Chаlkоv, S^. Denisоv
The dependence of the morphology of the self-assembled GeSi/Si(001) nanoislands grown by sublimation molecular beam epitaxy in a GeH4 ambient on the growth conditions has been analyzed. The islands have been shown to grow by Lifschitz - Slyozov - Wagner mechanism. A model for the recombination transitions in the islands taking into account the nonuniformity of the islands' composition and their charging by the photoexcited carriers based on the analysis of the dependence of the photoluminescence spectra on the excitation intensity has been proposed.
Keywords: self-assembled GeSi/Si(001) nanoislands, sublimation molecular beam epitaxy in a GeH4 ambient, Ostwald ripening, Lifschitz - Slyozov - Wagner mechanism, photoluminescence.
