Полупроводниковые гетероструктуры с Ge/Si квантовыми точками для излучающих приборов на основе кремния
Диссертация
Таким образом, проведено комплексное исследование процессов гетероэпитаксии Ge на поверхности Si в присутствии Sb. Исследования однослойных структур Ge (Sb)/Si позволили выявить закономерности, возникающие при росте многослойных структур Ge/Si с добавлением Sb. Исследование структурных и оптических свойств многослойных гетероструктур Ge (Sb)/Si позволило оптимизировать технологию их роста, что… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. Обзор литературы
- 1. 1. Электролюминесценция монокристаллического кремния
- 1. 2. АЗВ5 соединения на подложке кремния
- 1. 3. Легирование кремния атомами редкоземельных элементов
- 1. 4. Нанокристаллиты кремния
- 1. 5. Гетероструктуры SiGe
- ГЛАВА 2. Экспериментальные методики
- 2. 1. Технология молекулярно-пучковой эпитаксии кремния
- 2. 2. Установка МПЭ Riber Siva
- 2. 3. Химическая предростовая подготовка поверхности кремниевых подложек
- 2. 4. Условия проведения ростовых экспериментов
- 2. 5. Установка атомно-силовой микроскопии и методика проведения эксперимента
- 2. 6. Установка магнетронного напыления
- 2. 7. Фото- и электролюминесцентные измерения
- ГЛАВА 3. Влияние Sb на свойства массива Ge островков на поверхности
- Si (100)
- 3. 1. Формирование островков в гетероэпитаксиальной системе Si/Ge
- 3. 2. Формирование островков в системе Ge (Sb)/S
- 3. 3. Влияние температуры подложки на свойства массива Ge островков, выращенных с добавлением Sb
- 3. 4. Влияние величины потока Sb на свойства массива Ge островков
- 3. 5. Кинетика формирования Ge островков на поверхности Si (100) в присутствии Sb
- ГЛАВА 4. Многослойные Ge/Si гетероструктуры с квантовыми точками
- 4. 1. Исследуемые структуры
- 4. 2. Структурные свойства многослойных Ge/Si гетероструктур
- 4. 3. Фотолюминесцентные исследования многослойных гетероструктур Ge/S
- 4. 3. 1. Особенности спектра фотолюминесценции многослойных гетероструктур Ge/S
- 4. 3. 2. Влияние ростовых параметров на оптические свойства многослойных гетероструктур Ge/S
- 4. 3. 3. Модель зонной структуры
- 4. 4. Оптические свойства Ge/Si многослойных гетероструктур
- 4. 4. 1. Зависимость интегральной интенсивности спектральной полосы Ge/Si гетероструктур от количества периодов структуры N
- 4. 4. 2. Зависимость положения максимума спектральной полосы Ge/Si гетероструктур от плотности мощности возбуждения
- 4. 4. 3. Фотолюминесценция с временным разрешением
- 4. 4. 4. Фотолюминесценция многослойных гетероструктур Ge/Si, выращенных на разных типах подложек
- 4. 4. 5. Модель электронной минизоны (Уточненная модель)
- 4. 5. Электролюминесцентные свойства многослойных гетеростурктур Ge/Si, помещенных в р-n переход
Список литературы
- Zhores I. Alferov, «Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology» Review of Modern Physics, 73, 767−782 (2001).
- Ж.И.Алферов, «История и будущее полупроводниковых гетероструктур» ФТП 32(1)3−18,(1998)
- V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, A.Yu.Egorov, N.A.Maleev «Quantum dot lasers» Oxford university press 2003.
- Л.В.Асрян, Р. А. Сурис «Теория пороговых характеристик полупроводниковых лазеров на квантовых точках. Обзор» ФТП, 38(1), 3−25, (2004).
- J.Wan, G.L.Jin, Z. MJiang, Y.H.Luo, J.L.Liu and Kang L. Wang «Band alignments and photon-induced carrier transfer from wetting layers to Ge islands grown on Si (001)» Appl.Phys.Lett. 78(12), 1763, (2001).
- Г. Э.Цырлин, P. Werner, G. G6sele, Б. В. Воловик, В. М. Устинов, Н. Н. Леденцов «Оптические свойства субмонослойных включений германия в кремниевую матрицу, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии» Письма в ЖТФ 27(1), 31−38, (2001).
- H.Presting, H. Kibbel, M. Jaros, R.M.Turton, U. Menczigar, G. Abstreiter and H.G.Grimmeiss «Ultrathin SimGen strained layer superlattices a step towards Si optoelectronics» Semic.Sci.Tech. 7(9), 1127−1148, (1992).
- М.С.Бреслер, О. Б. Гусев, Б. П. Захарченя, И. Н. Яссиевич «Эффективность электролюминесценции кремниевых диодов», ФТП 46(1), 10−14 (2004).
- M.A.Green, J. Zhao, A. Wang and T. Trupke «High efficiency silicon light emitting diodes», Proc. of NATO Advanced Research Workshop on Towards the First Silicon Laser 2002, Kluwer Academic Publishers, NATO Science Series 11/93, p. 1−10.
- M.A.Green, J. Zhao, A. Wang, P.J.Reece, M. Gal, «Efficient silicon light-emitting diodes» Nature 412, 805 (2001)).
- K.K.binder, J. Phillips, O. Qasaimeh, X.F.Liu, S. Krishna, and P. Bhattacharya «Self-organized Ino.4Gao.6As quantum-dot lasers grown on Si substrates», Appl.Phys.Lett. 74(10), 1355−1357(1999).
- И. Т. М. Бурбаев, И. П. Казаков, В. А. Курбатов, М. М. Рзаев, В. А. Цветков, В. И. Цехош, «Фотолюминесценция (^,=1.3р.т) при комнатной температуре квантовых точек InGaAs на подложке Si (100)» ФТП 36(5), 565−568 (2002).
- Г. Э.Цырлин, В. Н. Петров, В. Г. Дубровский, Ю. Б. Самсоненко, Н. К. Поляков,
- А.М.Емельянов, Ю. А. Николаев, Н. А. Соболев «Природа краевого пика электролюминесценции в режиме пробоя 81:(Ег, 0)-диодов», ФТП 36(4), 453−456 (2002).
- В.Ф.Мастеров, Ф. С. Насрединов, П. П. Серегин, Е. И. Теруков, М. М. Мездрогина, «Примесные атомы эрбия в кремнии» ФТП 32(6), 708−711 (1998).
- С.В.Гастев, А. М. Емельянов, Н. А. Соболев, Б. А. Андреев, З. Ф. Красильник,
- B.Б.Шмагин, «Эффективное сечение возбуждения фотолюминесценции и время жизни в возбужденном состоянии ионов Ег 3+ в многослойных селективно легированных Si: Er-CTpyKiypax», ФТП 37(9), 1123−1126 (2003).
- Е.И.Теруков, О. Б. Гусев, О. И. Коньков, Ю. К. Ундалов, M. Stutzmann, A. Janotta, H. Mell, J.P.Kleider «Электролюминесценция эрбия в p-i-n структурах на основе аморфного гидрогенизированного кремния» ФТП 36(11), 1323−1326 (2002).
- A.Polman, B. Min, J. Kalkman, T.J.Kippenberg and K.J.Vahala «Ultralow-threshold erbium-implanted toroidal microlaser on silicon» Appl.Phys.Lett. 84(7), 1037−1039 (2004).
- L.X.Yi, J. Heitmann, R. Scholz, and M. Zacharias «Si rings, Si clusters, and Si nanocrystals different states of ultrathin SiOx layers» Appl.Phys.Lett. 81(22), 42 484 250 (2002).
- M.Zacharias, J. Heitmann, R. Scholz, U. Kahler, M. Schmidt and J. Biasing «Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A Si0/Si02 superlattice approach» Appl.Phys.Lett. 80(4), 661−663. (2002).
- Yu.B.Bolkhovityanov, O.P.Pchelyakov, S.I.Chikichev «Silicon germanium epilayers: physical fundamentals of growing strained and fully relaxed heterostructures» Physics — Uspekhi 44(7) 655−680 (2001).
- H.Sigg, G. Dehlinger, L. Diehl, U. Gennser, S. Stutz, J. Faist, D. Grutzmacher, K. Ensslin, E. Muller «Valence band intersubband electroluminescence from Si/SiGe quantum cascade structures» Physica E 11, 240 -244 (2001).
- G.Dehlinger, L. Diehl, U. Gennser, H. Sigg, J. Faist, K. Ensslin, D. Grutzmacher, E. Muller «Intersubband Electroluminescence from Silicon-Based Quantum Cascade Structures» Science 290,2277−2280 (2000).
- Н.В.Востоков, З. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский «Фотолюминесценция GeSi/Si (001) самоорганизующихся наноостровков различной формы» ФТТ 46(1), 63−66 (2004).
- S.Fukatsu, H. Sunamura, Y. Shiraki, S. Komiyama «Phononless radiative recombination of indirect excitons in a Si/Ge type-II quantum dot» Appl.Phys.Lett. 71(2), 258−260 (1997).
- V.Yam, V.L.Thanh, Y. Zheng, P. Boucaud, D. Bouchier «Photoluminescence study of a bimodal size distribution of Ge/Si (001) quantum dots» Phys.Rev.B 63, 33 313 (2001).
- O.G.Schmidt, C. Lange, K. Eberl «Photoluminescence study of the initial stages of island formation for Ge pyramids/domes and hut clusters on Si (001)» Appl.Phys.Lett. 75(13), 1905−1907 (1999).
- M.W.Dashiell, U. Denker, C. Muller, G. Costantini, C. Manzano, K. Kern, O.G.Schmidt «Photoluminescence of ultrasmall Ge quantum dots grown by molecular-beam epitaxy at low temperatures» Appl.Phys.Lett. 80(7), 1279−1281 (2002).
- J.Weber, M.I.Alonso «Near-band-gap photoluminescence of Si-Ge alloys» Phys.Rev.B 40(8), 5683−5693 (1989).
- V.V.Kveder, E.A.Steinman, S.A.Shevchenko, H.G.Grimmeiss «Dislocation-related electroluminescence at room temperature in plastically deformed silicon» Phys.Rev.B 51(16), 10 520−10526(1995).
- K.Shum, P.M.Mooney, J.O.Chu «Dislocation-related photoluminescence peak shift due to atomic interdiffusion in SiGe/Si» Appl.Phys.Lett. 71(8), 1074−1076 (1997).
- V.Kveder, M. Badylevich, E. Steinman, A. Izotov, M. Seibt and W. Schroter «Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence» Appl.Phys.Lett. 84(12), 2106−2108 (2004).
- H.Sunamura, S. Fukatsu, N. Usami, Y. Shiraki «Photoluminescence investigation on growth mode changeover of Ge on Si (100)» J.Cryst.Growth 157, 265−269 (1995).
- А.В.Двуреченский, А. И. Якимов «Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si» ФТП, 35(9), 1143−1153 (2001).
- O.G.Schmidt, U. Denker, K. Eberl, O. Kienzle and F. Ernst «Effect of overgrowth temperature on the photoluminescence of Ge/Si islands» Appl.Phys.Lett. 77(16), 25 092 511 (2000).
- M. Stoffel, U. Denker, O.G.Schmidt «Electroluminescence of self-assembled Ge hut clusters» Appl.Phys.Lett. 82(19) 3236−3238 (2003).
- H.Presting, T. Zinke, O. Brux, M. Gail, G. Abstreiter, H. Kibbel, M. Jaros, «Room-temperature luminescence from Si/Ge single quantum well diodes grown by molecular beam epitaxy» J.Crys.Gr. 157, 15−20 (1995).
- W.-H.Chang, A.T.Chou, W.Y.Chen, H.S.Chang, T.M.Hsu, Z. Pei, P. S.Chen, S.W.Lee, L.S.Lai, S.C.Lu, M.-J.Tsai «Room-temperature electroluminescence at 1.3 and 1.5цш from Ge/Si self-assembled quantum dots» Appl.Phys.Lett. 83(14), 29 582 960 (2003).
- John C. Bean, Journal of crystal growth 81(1987) 411−420.
- A. Ishizaki, K. Nakagawa and Y. Shiraki// Proc. conf. on MBE and Clean Surface Techniques (Japanese Society of Applied Physics, Tokio, 1982, p. 182).
- Vinh Le Thanh et.al., Thin Solid films 321 (1998) 98−105.
- V.Cimalla and K. Zekentes «Temperature dependence of the transition from two-dimensional to three-dimensional growth of Ge on (001)Si studied by reflection high-energy electron diffraction» Appl.Phys.Lett. 77(10), 1452−1454 (2000).
- О.П.Пчеляков, Ю. Б. Болховитянов, А. В. Двуреченский, Л. В. Соколов, А. И. Никифоров, А. И. Якимов, Б. Фойхтлендер «Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства. Обзор» ФТП 34(11), 1281−1299 (2000).
- V.Yam, V.L.Thanh, Y. Zheng, P. Boucaud and D. Bouchier «Photoluminescence study of a bimodal size distribution of Ge/Si (001) quantum dots» Phys.Rev.B, 63, 33 313 (2001).
- Н.В.Востоков, З. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский «Фотолюминесценция GeSi/Si (001) самоорганизующихся наноостровков различной формы» ФТТ 46(1), 63−66 (2004).
- Такие размеры наблюдались у «hut''-островков в наших экспериментах при осаждении Ge на Si (100) при температурах подложки 500 °C.
- V.G.Dubrovskii, G.E.Cirlin, V.M.Ustinov «Kinetics of the initial stage of coherent island formation in heteroepitaxial systems» Phys.Rev.B 68, 75 409 (2003).
- A.A.Tonkikh, V.G.Dubrovskii, G.E.Cirlin, V.A.Egorov, V.M.Ustinov and P.Werner. «Temperature dependence of the quantum dot lateral size in the Ge/Si (100) system». Phys. Stat. Sol (b) 236, No. 1, R1-R3 (2003)
- А.А.Тонких, Г. Э. Цырлин, В. Г. Дубровский, В. М. Устинов, P. Werner «О возможностях подавления формирования dome-кластеров при молекулярно-пучковой эпитаксии Ge на Si (100)» ФТП 38(10), 1239−1244 (2004).
- S.A.Barnett, H.F.Winters, J.E.Green. Surf. Sci., 165, 303 (1986).
- Г. Э.Цырлин, В. Г. Дубровский, А. А. Тонких, Н. В. Сибирев, В. М. Устинов, P. Werner «Пороговый характер формирования наноразмерных островков в системе Ge/Si (100) в присутствии сурьмы» ФТП 39(5), 577−581 (2005).
- F.M.Kuni, The Kinetics of Condensation under the Dynamical Conditions. Preprint No 84−178.E (Kiev, ITP, 1984).
- G.S.Solomon, J.A.Trezza, A.F.Marshall, J.S.Harris, Jr. «Vertically Aligned and Electronically Coupled Growth Induced InAs Islands in GaAs» Phys.Rev.Lett. 76(6), 952−955 (1996).
- A.A.Darhuber, P. Schittenhelm, V. Holy, J. Stangl, G. Bauer, G. Abstreiter «High-resolution x-ray diffraction from multilayered self-assembled Ge dots» Phys. Rev. В 55(23), 15 652−15 663 (1997)
- V.A.Shchukin, D. Bimberg, V.G.Malyshkin, N.N.Ledentsov «Vertical correlations and anticorrelations in multisheet arrays of two-dimensional islands» Phys. Rev. В 57(19). 12 262−12 274 (1998).
- O.G.Schmidt and K. Eberl «Multiple layers of self-asssembled Ge/Si islands: Photoluminescence, strain fields, material interdiffusion, and island formation» Phys.Rev.B 61(20), 13 721−13 729 (2000).
- А.А.Тонких, В. Г. Талалаев, Н. Д. Захаров, Г. Э. Цырлин, В. М. Устинов, P. Werner «Влияние послеростового отжига на структурные и оптические свойства многослойных гетероструктур Ge/Si» Письма в ЖТФ, 29(17) 78−85 (2003).
- V.G.Talalaev, J.W.Tomm, N.D.Zakharov, P. Werner, B.V.Novikov, A.A.Tonkikh «Transient spectroscopy of InAs quantum dot molecules» Appl.Phys.Lett. 85(2) 284 286, (2004).
- O.G.Schmidt, C. Lange, K. Eberl «Photoluminescence study of the initial stages of island formation for Ge pyramids/domes and hut clusters on Si (001)» Appl. Phys. Lett. 75(13) 1905−1907 (1999). (halle 2003)
- Т.М.Бурбаев, Т. Н. Заварицкая, В. А. Курбатов, H.H.Мельник, В. А. Цветков, К. С. Журавлев, В. А. Марков, А. И. Никифоров «Оптические свойства монослоев германия на кремнии» ФТП 35(8) 979−984 (2001).
- М. Larsson., A. Elfving, Р.-О. Holtz, G.V. Hansson, W.-X. Ni «Luminescence study of Si/Ge quantum dots» Physica E 16 476 480 (2003).
- A.I. Yakimov, N.P. Stepina, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov, and A.V. Nenashev. Semicond. Sci. Technol. 15,1125 (2000).
- B.Ilahi, L. Sfaxi, F. Hassen, L. Bouzaiene, H. Maaref, B. Salem, G. Bremond, and O. Marty «Spacer layer thickness effects on the photoluminescence properties of InAs/GaAs quantum dot superlattices» phys. stat. sol. (a) 199(3), 457−463 (2003).
- В.А.Егоров, Г. Э. Цырлин, А. А. Тонких, В. Г. Талалаев, А. Г. Макаров, Н. Н. Леденцов, В. М. Устинов, N.D.Zakharov, P. Werner «Si/Ge наноструктуры для применений в оптоэлектронике» ФТТ 46(1) 53−59 (2004)
- J. Wan, G.L. Jin, Z.M. Jiang, Y.H. Luo, J.L. Liu, and K.L. Wang. «Band alignments and photon-induced carrier transfer from wetting layers to Ge islands grown on Si (001)» Appl. Phys. Lett., 78(12), 1763−1765 (2001).
- J. Wan, Y.H. Luo, Z.M. Jiang, G. Jin, J.L. Liu, K.L. Wang, X.Z. Liao, and J. Zou. Effect of interdiffusion on the band alignment of GeSi dots. Appl. Phys. Lett., 79(13), 1980−1982 (2001).
- G. Bremond, M. Serpentini, A. Souifi, G. Guillot, B. Jacquier, M. Abdallah, I. Berbezier, and B. Joyce. Optical study of germanium nanostructures grown on a Si (l 18) vicinal substrate. Microelectron. J., 30, 357−362 (1999).
- В.Л.Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников «Физика полупроводников» с. 297, М. «Наука», 1977.
- М. Grundmann, О. Stier, and D. Bimberg. Phys. Rev. «InAs pyramidal quantum dots: strain distribution, optical phonons, and electronic structure» В 52 (16), 11 969 (1995).
- Г. Э.Цырлин, А. А. Тонких, В. Э. Птицын, В. Г. Дубровский, С. А. Масалов, В. П. Евтихиев, Д. В. Денисов, В. М. Устинов, P. Werner «Влияние сурьмы на морфологию и свойства массива Ge/Si (100)-KBaHTOBbix точек» ФТТ 47(1), 58−62 (2005).