CC BY
47
УДК 535.37:546.65
JLB. Красильникова, М.В. Степихова, Н.В. Юрасова, З.Ф. Красильник,
. . , . .
СТРУКТУРЫ SI/SI1-XGEX:ER/SI ДЛЯ КРЕМНИЕВОЙ НАНОФОТОНИКИ*
Рассмотрены перспективы создания на базе структур Si/Si1-xGex:Er/Si приборов и устройств кремниевой нанофотоники, в частности, источников излучения и лазеров с диапазоном длин волн 1,54 мкм, совместимых по технологии изготовления с современными
.
Si/Si1-xGex:Er/Si и их взаимосвязь с параметрами гетерослоя Si1-xGex:Er. Рассмотрены возможные варианты волноводов и резонаторов, разрабатываемых на базе структур Si/Si1-xGex:Er/Si, , -
Si/Si1-xGex:Er/Si,
Si1-xGex:Er. -
Si/Si1-xGex:Er/Si
типа инверсной населенности энергетических уровней редкоземельной примеси при опти-.
Ионы E^+; гетероструктуры Si/SiGe; компоненты нанофотоники; фотолюминес-.
L.V. Krasilnikova, M.V. Stepikhova, N.V. Yurasova, Z.F. Krasilnik,
V.G. Shengurov, .S. Kolomiytsev
SI/SI1-XGEX:ER/SI STRUCTURES FOR SILICON Nanophotonics
In this work, we discuss the prospects for the realization of silicon nanophotonic device structures on Si/Si1-xGex:Er/Si basis. In particular, the light emitters and lasers for the wavelength range of 1.54 ^m being compatible with the modern VLSI technology are considered. The results of the analysis carried out to demonstrate the waveguiding properties of Si/Si1-xGex:Er/Si structures and their correlation with the parameters of Si1-xGex:Er heterolayers are presented. The possible variants of the waveguides and resonators being developed on the basis of Si/Si1-xGex:Er/Si structures as well the ways for their practical realization are discussed. The special attention is devoted to the luminescent properties of Si/Si1-xGex:Er/Si structures and the problem of Si1-xGex:Er layer relaxation. Finally, the estimation for the luminescence quantum efficiency of Si/Si1-xGex:Er/Si structures is given, and the ability to achieve the population inversion of Er ion states in such structures under optical pumping was demonstrated.
Er3+ ions; Si/SiGe heterostructures; nanophotonic components; photoluminescence.
Создание эффективных источников излучения на кремнии является одной из приоритетных задач нанофотоники - области исследований, интенсивно развивающейся в последнее время [1].
Особый интерес здесь представляют структуры на основе кремния, легированного примесью эрбия, являющегося редкоземельным элементом. Излучатель-ный переход 4I13/2 ^ 4I15/2 иона Бг3+ на длине волны 1,54 мкм совпадает с окном прозрачности кварцевого волокна, что позволяет говорить о перспективах использования структур на основе Si:Er в системах волоконно-оптической связи. Более того, как показывают результаты теоретического анализа [2], коэффициент усиления в структурах Si:Er с выделенным типом оптически активных центров редкоземельной примеси может достигать значительной величины, порядка 30 см"1, что позволяет говорить о перспективах создания лазера.
* Работа поддержана РФФИ (проект № 11-02-00963-а) и программами фундаментальных исследований ОФН РАН.
Одним из необходимых условий для создания лазерных структур на основе 8кБг является эффективная локализация излучения в активном слое. Для реализации этого условия могут быть использованы гетероструктуры 81/811-хОех:Бг/81 с активным волноведущим каналом 811-хОех, легированным эрбием. Показатель преломления слоев 811-хОех зависит от содержания германия (х) и может варьироваться в широких пределах [3], обеспечивая, таким образом, необходимый для формирования эффективного волновода скачок показателя преломления. На рис. 1 приведены ре-
( ), -
вающего степень локализации электромагнитной волны в активной области, проведенного для ТЕ-мод в планарных структурах 81/811-хОех:Бг/81 с разным содержанием германия (х) и толщиной волноводного слоя 811-хОех:Бг (й5а_хоех:Ег). Толщина покровного слоя кремния для всех моделируемых структур составляла 0,2 мкм. В силу того, что в анализируемых структурах 81/811-хОех:Бг/81 коэффициенты оптического ограничения для ТЕ-мод превышают значения Г для ТМ-мод, результаты расчетов последних не приводятся. Как видно из рис. 1, максимальные значения коэффициента Г в структурах этого типа достигаются при значительных толщинах гетерослоя 811-хОех:Бг (более 0,5 мкм) и высоком содержании германия в нем (х > 30-40 %). При таких параметрах гетерослоя величина Г может достигать значений ~ 0,98, что соответствует локализации моды в активном волноводном слое ~ 98 %, однако в данном случае в волноводе будут распространяться не только основная (ТЕ0), но и возбужденные (ТБ1, ТБ2, ...) моды [4, 5].
Рис. 1. Зависимость коэффициента оптического ограничения для ТЕ-мод в планарных волноводных структурах 81/811-хОех:Ег/81 от толщины активного слоя Л5и-хвех:Ег и содержания германия в нем (х)
Более эффективными по сравнению с планарными волноводными структурами являются симметризованные полосковые волноводы 81/811-хОех:Бг/81. На рис. 2 показано рассчитанное методом эффективного показателя преломления [6] распределение поперечных электрических мод в симметризованном полосковом волноводе 81/811-хОех:Бг/81 с содержанием германия 30 % и толщиной активного гетерослоя йш-хСех:Ег = 1 мкм, толщина покровного слоя кремния в структуре составляла = 0,2 мкм, ширина полоска Ш = 50 мкм.
Для волноводов такого типа в качестве резонаторов могут быть использованы резонаторы Фабри-Перо, зеркалами которых служат торцы (сколы) структуры либо резонатор Фабри-Перо с Брэгговскими зеркалами типа 81/воздух/81//воздух/81/.. ./81.
Формирование последних требует высокого качества торцов и прецизионной точно,
( ).
б
Рис. 2. Схематическое представление симметризованного полоскового волновода 81/811-хОех:Ег/81 (а) и распределение поперечных электрических мод в нем (б). Градиент цвета соответствует распределению интенсивности волны в
волноводе
Другим вариантом резонаторов, перспективным с точки зрения создания приборных структур кремниевой нанофотоникии, являются активно разрабатываемые в настоящее время кольцевые и дисковые микрорезонаторы. Существенное преимущество резонаторов этого типа заключается в высоком значении добротности, достигающей р ~ 108 [7]. В качестве примера на рис. 3,а приведены результаты расчета поля в системе, состоящей из кремниевого микрорезонатора в виде диска с радиусом г = 2,5 мкм, высотой Н = 1,7 мкм и полоскового волновода с шириной Ш = 0,3 мкм, расположенного на расстоянии й = 0,2 мкм от диска. Волновод в данном случае выполняет функцию сопряжения с резонатором, обеспечивая ввод (и вывод) излучения. Как видно из результатов расчета распределения г-компоненты напряженности электрического поля (в цилиндрической системе координат), на частоте / = 59180 ГГц внутри микрорезонатора реализуется собственная мода шепчущей галереи с азимутальным индексом п = 7 (рис. 3,а). При этом условия сопряжения полоскового волновода существенным образом сказываются как на добротности, так и на условиях функционирования системы. Расчет электромагнитного поля в системе выполнялся методом конечно-р^ностных элементов во временной области.
Можно продемонстрировать возможность практической реализации микро-дисковых резонаторов на базе структур 81/811.хОех:Бт/81 (рис. 3,б,в). Для формирования микродисков в данной работе использовался метод высокопрецизионного . - -
риалов ионами галлия, при размерах ионного пучка ~ 10-15 нм [8]. Формирование микродисковых резонаторов производилось на электронном микроскопе с системой ФИП Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды). Для определения оптимальных режимов формирования микрорезонаторов параметры ионно-лучевого травления варьировались в широких пределах: ток ионного пучка - от 1 до 20 нА, время воздействия пучка в каждой точке - от 400 не до 1 мке, величина ускоряющего напряжения составляла 30 кэВ. При разных режимах травления ФИП был сформирован ряд микродисковых резонаторов диаметром 54 мкм (рис. 3,6). В качестве исходных подложек в работе использовались структуры Si/Si1-xGex:Er/Si, выращенные методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в атмосфере германа [9]. Толщина активного гетерослоя в процессируемых структурах составляла ~ 1,1 мкм, содержание германия х = 23 ± 1 %. Дисковые резонаторы с наименьшей шероховатостью граней и минимальным отклонением грани от вер-
(~ 0,3 ) -
лировки поверхности фокусированным ионным пучком. Наименьшее отклонение граней микрорезонатора от вертикали в данном случае составило ~ 5,6°, шероховатость граней ~ 0,7 % диаметра диска.
V/* 1.3/г+00<'
В
Рис. 3. Распределение электрического поля (Ег) в системе, состоящей из микродискового резонатора и полоскового волновода (а); РЭМ-изображение микродискового резонатора диаметром 54 мкм (б); поперечное сечение , ( в процессе травления - 3 нА, время воздействия пучка в каждой точке -1 мке) после дополнительной низкотоковой полировки поверхности (в)
Рассматривая люминесцентные свойства структур 81/811.хОех:Бг/81, особое внимание следует уделить проблеме релаксации упругих напряжений в гетерослое 811_хОех:Бг [10]. Как было показано выше, высокая степень локализации оптиче-
ских мод в волноводных структурах Si/Sii_xGex:Er/Si имеет место при высоком содержании германия и большой толщине активного слоя, что на практике реализуется только в релаксированных структурах Si/Si1-xGex:Er/Si. Ниже приводятся результаты люминесцентных исследований структур Si/Si1-xGex:Er/Si, рассмотрена взаимосвязь излучающих свойств этих материалов с параметрами гетерослоя. Все исследованные структуры были выращены методом сублимационной МЛЭ в атмосфере германа (GeH4) [9]. Как и в случае стандартной методики сублимацион-, Er -
Si, . -
GeH4
разогреваемой током поверхности роста. Образцы выращивались на подложках c-Si марки КЭФ-4.5 (100) при температуре роста 480-500 °С, давление газа германа в камере роста ~ (4-5)-10-4 Topp. Процессу роста слоев Si1-xGex:Er предшествовало формирование буферного слоя c-Si толщиной ~ 0,2 мкм. Толщина покровного слоя кремния, осаждаемого поверх активных гетерослоев, составляла 0,1-0,2 мкм. Толщина активного волноведущего слоя варьировалась изменением времени роста. Содержание Ge в выращенных гетерослоях Si1-xGex:Er изменялось от 20 до 30 %, толщина слоев варьировалась от 11 до 1000 нм, величина остаточных упругих напряжений (RES), характеризующая степень релаксации слоя, - 100 ^ 20 %.
Экспериментально было показано, что преобладающий вклад в люминесцентный отклик структур Si/Si1-xGex:Er/Si с напряженными (RES = 100 %) и релак-сированными слоями Si1-xGex:Er достаточной толщины (dSi1_xGex:Er > 200 нм) вносят ,
иона Er3+ (рис. 4). Тип и структура оптически активных центров редкоземельного иона, формирующихся в гетероэпитаксиальных слоях Si1-xGex:Er, непосредственно зависят от примесного состава и содержания германия в слое (рис. 5). В слоях с содержанием германия, превышающим 25 %, наблюдается характерная серия ли-
( ) Er3+,
Er-Ge1. В структурах Si/Si1-xGex:Er/Si с х = 20-25 % и достаточно высокой концентрацией кислорода доминирующий вклад в люминесцентный отклик вносят линии изолированного, кислородсодержащего центра редкоземельного иона (центр Er-O1), наблюдающегося, в том числе, и в структурах Si/Si:Er [11].
Примечательно что в структурах Si/Si1-xGex:Er/Si со значительными толщинами гетерослоя (dSi1-xGex:Er > 400 нм) наличие релаксации и, как следствие, структурных дефектов в гетерослое фактически не сказывается на процессах спонтанного излучения редкоземельной примеси. Сигнал эрбиевой ФЛ в этих структурах характеризуется типичными для редкоземельной примеси временами затухания т ~ 0,7 мс (T = 77 K). Вклад дефектов проявляется лишь в кинетике спада сигнала
1,54 ,
с характерными временами затухания т < 10 мке объясняется присутствием в структурах Si/Si1-xGex:Er/Si дефектов и дефектно-примесных комплексов. По интенсивности сигнала ФЛ отклик «дефектной» природы на несколько порядков меньше величины люминесцентного отклика, связываемого с присутствием в структурах оптически активных центров иона Er3+ [12].
Полученное значение внешней квантовой эффективности ФЛ выращенных структур Si/Si1-xGex:Er/Si составляет ~ 6.3Т0-5 при T = 77 K (дайна волны возбуж-
- 532 , - 84 ), -
шими результатами, достигаемыми в материалах Si/Si:Er [2].
6000 6200 6400 6600 6800 7000
Волновое число, см"1
а
СГ
ф
т
I—
о
0
о
о
т
ш
S
о
т
ф
X 0 10 20 30 400 500 600 700 800
Толщина слоя, нм
б
Рис. 4. Низкотемпературные (Т = 77 К) спектры ФЛ структур Si/Si1-xGex:Er/Si с варьируемой толщиной гетерослоя (dSi1-xGex:Er = 11-700 нм), с содержанием германия х = 27-30 % (а). (Приведенный на рисунке фактор RES отражает изменение степени релаксации гетерослоя Si1-xGex:Er.) Зависимость интенсивности сигнала эрбиевой ФЛ структур Si/Si1-xGex:Er/Si от толщины ( ) (
,
дефектной (дислокационной) природы [13].)
Волновое число, см'1
Рис. 5. Спектры ФЛ высокого разрешения структур 81/811_хОвх:Ег/81 с х = 27-30 % (1) и х = 20-25 % (2) (Стрелками на рисунке показано положение линий ФЛ оптически активных центров иона Е/+, преобладающих в люминесцентном .
ФЛ, измеренная для нескольких образцов с содержанием германия х = 27-30 % и отражающая воспроизводимость линий ФЛ в серии линий оптически активного
центра Ег-Ов1.)
Необходимым условием создания лазера является возможность реализации в этих материалах инверсной населенностей энергетических уровней иона Бг3+, в частности, при оптической накачке. Последнее может быть проанализировано по результатам исследований кинетики ФЛ. Решая систему кинетических уравнений,
,
(уравнения для электронов и дырок, свободных экситонов и ионов эрбия), можно показать, что в квазистационарном состоянии, при фиксированных условиях, относительная концентрация ионов эрбия в возбужденном состоянии будет определяться временами нарастания и спада сигнала ФЛ. Условием достижения инверсной населенности энергетических уровней иона Бг3+ будет соотношение М*ЖЕг > 0,5, где N - число ионов эрбия, находящихся в возбужденном состоянии, а №Ег - полная концентрация оптически активной примеси эрбия. Таким образом, изучение кине-тик эрбиевой ФЛ в структурах 81/811-хОех:Бг/81, типичный вид которых представлен на рис. 6,а, позволяет провести анализ наличия инверсной населенности. Как было показано экспериментально, инверсия населенностей энергетических уровней иона Бг3+ в структурах 81/811-хОех:Бг/81 наблюдается при плотностях мощности возбуждающего излучения ~ 0,1-0,2 Вт/см2 (рис. 6,6.) Максимальное значение инверсии, полученное в этих материалах, составляет ~ 4, что соответствует 80 % оптически активных ионов эрбия в возбужденном состоянии [14].
, -дания на базе структур 81/811_хОех:Бг/81 эффективных источников излучения диапа-
1,54 , , -
ния с современными СБИС.
о. 0 0 о
10 20 25 30
Время, МС а
б
Рис. 6. Временные зависимости сигнала ФЛ на волне длиной 1,54 мкм, измеренные для структуры 81/811-хОвх:Ег/81 с х = 26 % и й&1_хСех:Ег = 1 мкм при двух разных интенсивностях возбуждения, Т = 10 К (а) (На вставке к рисунку показана кинетика спада сигнала ФЛ и ее аппроксимация.) Рассчитанные зависимости N /ИЕг от плотности .мощности возбуждающего излучения для структуры 81/811-хОвх:Ег/81 с х = 26 % и й&1_хСех:Ег = 1 мкм (б) (Пунктирная линия на рисунке соответствует пороговому значению N ЖЕг = 0,5, при котором наблюдается инверсия населенностей энергетических уровней оптически активной примеси Ег.)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Silicon Nanophotonics: Basic Principles, Present Status and Perspectives / ed. by L. Khriacht-chev - World Scientific, 2008. - 400 p.
2. Krasilnik Z.F., Aleshkin V.Ya., Andreev B.A. et al. SMBE grown uniformly and selectively doped Si:Er structures for LEDs and lasers // in “Towards the First Silicon Laser” Eds. L. Pa-vesi, S. Gaponenko, L. Dal Negro. NATO Science Series. Kluwer Academic Publishers.
- 2003. - P. 445-454.
3. Humlicek, J. Properties of Strained and Relaxed Silicon Germanium // ed. by E. Kasper, INSPEC, the Institution of Electrical Engineers, London, U.K. - 1995. - P. 121-131.
4. Stepikhova M., Krasil’nikova L., Krasil’nik Z et al. Si/SiGe:Er/Si Structures for Laser Realization: Theoretical Analysis and Luminescent Studies // Journal of Crystal Growth. - 2006.
- Vol. 288, № 1. - P. 65-69.
5. Krasilnik Z.F., Andreev B.A., Gregorkievicz T. et al. Erbium doped silicon single- and multilayer structures for light-emitting device and laser applications // Journal of Materials Research. - 2006. - Vol. 21, № 3. - P. 574-583.
6. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. - М.: Мир, 1984. - 512 с.
7. Armani D.K., Kippenberg T.J., Spillane S.M. et al. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip // Nature. - 2003. - Vol. 421. - P. 925-928.
8. : , , / . . . , . . -рова. - М.: Физматлит, 2006. - 552 с.
9. Светлов С.П., Шенгуров ВТ., Чалков В.Ю. и др. Гетероэпитаксиальные структуры Si1-xGex/Si(100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH4 // Изв. РАН, сер. физическая. - 2001. - Т. 65, № 2. - С. 203-206.
10. Paul D.J. Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits // Semiconductor Science and Technology. - 2004. - Vol. 19. - P. R75-R108.
11. . ., . ., . . .
гетероструктурах Si/Si1-xGex:Er, связанные с ионами Er3+ // ФТП. - 2009. - Т. 43. - Вып. 7.
- С. 909-916."
12. Krasilnikova L., Stepikhova M., Drozdov Y. et al. On the role of heterolayer relaxation in luminescence response of Si/SiGe:Er structures // Physica Status Solidi C. - 2011. - Vol. 8, №. 3.
- P. 1044-1048.
0
5
35
13. Степихова М.В., Красильникова Л.В., Дроздов ЮМ. и др. Излучающие свойства гетероструктур Si/Si1-xGex:Er // Труды XV Международного симпозиума “Нанофизика и наноэлектроника”. - Нижний Новгород, 2011. - Т. 2. - С. 527-528.
14. Степихова М.В., Жигунов ДМ., Шенгуров ВТ. и др. Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 81. - Вып. 10.
- С. 614-617.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор О А. Агеев.
Красильникова Людмила Владимировна
Институт физики микроструктур РАН.
E-mail: [email protected].
603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.
.: 88314385037.
Научный сотрудник отдела физики полупроводников.
Степихова Маргарита Владимировна E-mail: [email protected].
Научный сотрудник отдела физики полупроводников.
Юрасова Надежда Валерьевна E-mail: [email protected].
Младший научный сотрудник отдела физики полупроводников.
Краеильник Захарий Фишелевич
E-mail: [email protected].
.: 88314385555.
.
Шенгуров Владимир Геннадьевич
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.
E-mail: [email protected].
603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23/3.
Тел.: 88314656914.
Заведующий лабораторией электроники твердого тела.
Коломийцев Алексей Сергеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, . , . , 2.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Krasilnikova Lyudmila Vladimirovna
Institute for Physics of Microstructures RAS.
E-mail: [email protected].
46, Ul'yanova Street, Nizhny Novgorod, 603950, Russia.
Phone: +78314385037.
Researcher of Semiconductors Department.
Stepikhova Margarita Vladimirovna
E-mail: [email protected].
Researcher of Semiconductors Department.
Yurasova Nadezhda Valer'evna
E-mail: [email protected].
Junior Researcher of Semiconductors Department.
Krasilnik Zakharii Fishelevich
E-mail: [email protected].
Phone: +78314385555.
Director.
Shengurov Vladimir Gennad’evich
Physico-Technical Research Institute of University of Nizhny Novgorod.
E-mail: [email protected].
23/3, Gagarin Ave., Nizhny Novgorod, 603950, Russia.
Phone: +78314656914.
Head of Solid State Electronics Laboratory.
Kolomiytsev Alexey Sergeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
УДК 539.2;537.531
А .А. Лаврентьев, Б.В. Г абрельян, П.Н. Шкумат, И.Я. Никифоров,
И.Ю. Завалий, А.В. Извеков, О.Ю. Хижун
ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА TÎ4Fe2O ПО ДАННЫМ ЗОННОГО РАСЧЕТА “ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ” И РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Получены экспериментальные ультрамягкие рентгеновские эмиссионные TiLx-, FeLx-и ОКа-полосы. Модифицированным методом присоединенных плоских волн рассчитаны плотности электронных состояний всех составных атомов указанного оксида. Данные расчета, а также совмещение в единой энергетической шкале РЭС-полос, свидетельствуют о том, что О2р-состояния в этом оксиде локализованы преимущественно у дна валентной зоны, а основной вклад у потолка валентной зоны осуществляют Fe3d- и ТИй-состояния. Основной вклад в дно зоны проводимости вносят Fe3d*- и Ti3d*-cocmoянuя.
Электронная структура; плотность электронных состояний; рентгеновские спектры эмиссии; оксиды.
A.A. Lavrent’ev, B.V. Gabrel’yan, P.N. Shkumat, I.Ya. Nikiforov, I.Yu. Zavalij,
A.V. Izvekov, O.Yu. Xizhun
THE ELECTRONIC STRUCTURE OF Ti4Fe2O BY THE AB INITIO BAND CALCULATION AND X-RAY INVESTIGATIONS
Experimental soft X-ray emission TiLx-, FeLa- and OKa-bands have been recorded. The modified ab initio augmented plane wave (APW) method has been used to calculate densities of states for the constituent atoms of the oxide. Data of the APW calculations of Ti4Fe2O, as well as a comparison on a common energy scale of the soft X-ray emission bands, reveal that the O2p-like states are located mainly at the bottom, whilst the Ti3d- and Fe3d-like states are the main contributions at the top of the valence band. The APW data reveal that the Fe3d*- and Ti3d*-like states are the principal contributions into the bottom of the conduction band.
Electronic structure; density of the electronic states; X-ray emission spectra; oxides.
