автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Гетероструктуры с Ge(Si) самоформирующимися наноостровками и квантовыми точками на Si(001) подложках и релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях: особенности роста и фотолюминесценции

На правах рукописи

Шалеев Михаил Владимирович

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С Сс($0 САМОФОРМИРУЮЩИМИСЯ НАНООСТРОВКАМИ И КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ НА 81(001) ПОДЛОЖКАХ И РЕЛАКСИРОВАННЫХ 81Се/81(001) БУФЕРНЫХ СЛОЯХ: ОСОБЕННОСТИ РОСТА И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

05.27.01 — твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 2006

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

А.В.Новиков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Д.И.Тетельбаум

кандидат физико-математических наук, доцент А.И.Никифоров

Ведущая организация: Научно-образовательный комплекс

"Санкт-Петербургский физико-технический научно-образовательный центр РАН", Санкт-Петербург

Защита состоится 02 ноября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики мик роструктур РАН.

Автореферат разослан 2 октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^—-—~у

доктор физико-математических ^^А

наук, профессор

К.П.Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из активно развивающихся направлений современной физики и технологии полупроводников является направление, связанное с получением и исследованием полупроводниковых самоформирующихся нанообъек-тов, К настоящему времени найдены возможности создания широкого класса таких объектов: самоформирующихся наноостровков, квантовых точек, проволок, субмонослойных включений одного полупроводникового материала в матрицу другого. За счет пространственного ограничения движения носителей заряда их энергетический спектр в формируемых полупроводниковых структурах пониженной размерности принципиально отличается от спектра носителей заряда в объемных полупроводниках. Предельным случаем локализации носителей заряда является их локализация во всех трех пространственных направлениях. Такой тип локализации реализуется в трехмерных самоформирующихся объектах - островках - одного полупроводника, заключенного в матрицу другого, более широкозонного полупроводника.

Наиболее исследованными на сегодняшний день являются самоформирующиеся нанообъекты в полупроводниковых гетероструктурах на основе соединений А3В5. Преимуществом полупроводников данного семейства является возможность широкого выбора материалов с различными ширинами запрещенных зон и параметрами кристаллических решеток [1]. Итогом исследований стало создание новых приборов на основе структур А3В5 с самоформирующимися объектами.

Однако основой современной микро- и наноэлектроники остается кремниевая технология. В этой связи реализация на ее основе новых полупроводниковых приборных решений на основе гетероструктур является очень привлекательной и перспективной. Германий является единственным химическим элементом, который позволяет получать гетероструктур ы на кремниевых подложках в широком диапазоне состава и толщин слоев. Особенностью для гетеропары Ge/Si является рассогласование кристаллических решеток кремния и германия. Наличие упругих напряжений в гетероструктурах Ge/Si накладывает ограничения на толщину роста псевдоморф-ных слоев. Для определенных условий формирования структур и их компонентного состава накопленные упругие напряжения могут приводить к формированию трехмерных самоформирующихся объектов — Ge(Si) наноостровков и квантовых точек. В достаточно узком интервале ростовых параметров удается сформировать массив бездефектных Ge(Si) островков. Структуры с Ge(Si) самоформирующимися островками представляются привлекательными как для исследования фундаментальных научных про-

з

блем, так и с точки зрения создания на их основе оптоэлектронных приборов.

Практический интерес к структурам с Ge(Si) островками во многом связан с наблюдаемым в спектрах электро- и фотолюминесценции (ФЛ) этих структур сигнала в области длин волн 1,3 — 1,55 мкм, соответствующей минимуму потерь оптоволоконных линий связи. Ранее проведенные исследования роста Ge(SÍ) островков выявили существенную зависимость формы образующихся островков от условий роста. Однако к моменту начала работ над диссертацией в литературе не были представлены результаты исследований особенностей ФЛ островков с различной формой. Одной из задач настоящей диссертационной работы являлось установление зависимости сигнала ФЛ от типа Ge(Si) островков.

Важной задачей, на решение которой направлены исследования структур с Ge(S¡) островками, является увеличение эффективности излучательной рекомбинации носителей заряда в этих структурах. Полагается, что слабая локализация электронов в структурах с Ge(Si) островками, выращенными на Si(OOl) подложках, является одной из причин, препятствующих эффективной излучательной рекомбинации носителей заряда. В литературе было предложено несколько путей решения данной проблемы: использование субмонослойных покрытий углерода, рост многослойных структур с тонкими барьерными слоями Si и т.д. Однако известно [2], что эффективная яма для электронов в GeSi гетероструктурах может быть реализована в напряженных слоях Si, выращенных на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях. Совмещение локализации электронов в таких напряженных Si (e-Si) слоях, сформированных рядом с Ge(Si) островками, и дырок в островках может дать ряд преимуществ, одним из которых может являться увеличение интенсивности сигнала ФЛ в структурах такого типа. Поэтапная реализация (от формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных SiGe буферных слоев до исследования фотолюминесцентных свойств полученных структур) идеи встраивания Ge(Si) островков между e-Si слоями представлена в данной диссертационной работе.

Необходимо отметить, что получение высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой концентрацией дефектов является отдельной важной задачей. В настоящее время релаксированные SiGe буферные слои активно используются для формирования быстродействующих полевых транзисторов, для исследования возможности создания на основе SiGe структур каскадного лазера терагерцового диапазона и т.д. Для формирования SiGe буферных слоев используется большое количество различных методов (рост градиентных слоев, низкотемпературный рост, использование поверхностно активных примесей («сульфактантов»), селективное окисление SiGe слоев и т.д.) В данной диссертационной работе представлены результаты отработки лабораторной технологии формирования высококачественных градиентных релаксированных SiGe слоев с использованием метода газофазной эпитак-

сии и химико-механического полирования поверхности выращенных SiGe

слоев.

Основные цели работы состояли в следующем:

1. Установление зависимости положения и ширины сигнала фотолюминесценции в структурах с Ge(Si) самоформирующимися островками от параметров островков (формы, размеров, состава), определяемых условиями роста (температурой, скоростью осаждения, типом подложки).

2. Отработка технологии формирования «искусственных подложек» на основе высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой плотностью прорастающих дислокаций.

3. Исследование возможности увеличения интенсивности сигнала фотолюминесценции в ближнем инфракрасном диапазоне от структур с Ge(Si) островками за счет их встраивания в напряженный Si слой, сформированный на релаксированном SiGe/Si(001) буферном слое.

Научная новизна

1. Впервые обнаружено, что изменение типа Ge(Si) островков, доминирующих на поверхности, с куполообразных наноостровков на пирамидальные квантовые точки, происходящее при понижении температуры роста, приводит к смещению пика ФЛ от островков в область больших энергий. Наблюдаемое смещение пика ФЛ связано резким уменьшением средней высоты островков, происходящим при смене их типа, которое приводит к выталкиванию уровня размерного квантования дырок в пирамидальных островках к потолку валентной зоны Si, и, как следствие, к увеличению энергии оптического перехода в островках.

2. Впервые выявлены особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на релаксированных GeSi/Si(001) буферных слоях с малой шероховатостью поверхности и на напряженных Si слоях. Обнаружено, что изменение морфологии поверхности (смена типа островков, доминирующих на поверхности с dome на hut) при понижении температуры роста, в случае роста островков на напряженных Si слоях происходит при более высокой температуре (в интервале температур роста 630 °С — 600 °С), чем в случае роста островков на Si(001) подложках (600 °С — 550 °С).

3. Впервые обнаружен сигнал фотолюминесценции от Ge(Si) островков, заключенных между слоями напряженного Si. Показано, что обнаруженный сигнал ФЛ связан с непрямой в реальном пространстве излучатель-ной рекомбинацией дырок, находящихся в Ge(Si) островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях над и под островками. Продемонстрирована возможность эффективного управления положени-

ем пика ФЛ от Се(5») островков, встроенных в напряженный слой, за счет изменения толщин слоев над и под островками, 4. Обнаружено существенное (более чем на порядок) увеличение интенсивности сигнала ФЛ при 77 К от островков, встроенных в напряженный Б! слой, по сравнению с островками, выращенными на 51(001) подложках. Увеличение интенсивности связывается с лучшей локализацией электронов в напряженных слоях над и под островками.

Научная н практическая значимость работы

Отработана технология получения высококачественных релаксирован-ных 810е буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой плотностью прорастающих дислокаций. Продемонстрирована возможность их использования в качестве «искусственных подложек» для формирования на них методом молекулярно-пучковой эпитаксии широкого класса СеБ! гетероструктур.

Найдены режимы роста для формирования на напряженных Б! слоях массива куполообразных Ое(50 островков с малым (~ 10 %) разбросом по размерам.

Подтверждена возможность увеличения интенсивности сигнала ФЛ от структур с Се(Б0 самоформирующимися островками, за счет встраивания массива островков в напряженный Б» слой, сформированный на релаксиро-ванном 51Се буферном слое.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Положение максимума сигнала ФЛ от Ое(Б1) самоформирующихся островков зависит от их типа. Изменение типа Ое(30 островков, выращенных на 81(001) подложках и на релаксированных ¿¡Се/51(001) буферных слоях, происходящее при понижении температуры роста и сопровождаемое резким уменьшением средней высоты островков, обуславливает смещение положения пика ФЛ от островков в область больших энергий. Данное смещение связано с выталкиванием уровня размерного квантования дырок в островках малой высоты к потолку валентной зоны что приводит к увеличению энергии оптического перехода, связанного с островками.

2. Впервые обнаруженный сигнал ФЛ от Ое(3») самоформирующихся островков, заключенных между слоями напряженного связан с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинацией дырок, находящихся в Ое(81) островках, и электронов, локализованных в напряженных Б! слоях над и под островками.

3. Встраивание Ое(51) самоформирующихся островков между напряженными Б! слоями позволяет более чем на порядок увеличить интенсивность сигнала ФЛ от островков при 77 К по сравнению с интенсивностью сигнала ФЛ от Ое(81) островков, сформированных на 51(001) подложках.

4. Изменение толщин напряженных Б! слоев над и под островками позволяет эффективно управлять положением пика ФЛ от структур с Се(30 островками, заключенными между напряженными 51 слоями. Смещение положения пика ФЛ при изменении толщин напряженных слоев связано с изменением положения уровня размерного квантования электронов в квантово-размерных напряженных Б! слоях на гетерогранице с островком.

Личный вклад автора в получение результатов

* Основной вклад в рост Се(31)/81(001) структур с самоформирующимися островками при различных температурах и скоростях роста [А1-АЗ, А6, А10-А17] (совместно с А.В.Новиковым, Д.Н.Лобановым).

• Основной вклад в интерпретацию спектров ФЛ Ое(5|)/Б1(001) структур с самоформирующимися островками, выращенными при низких температурах и различных скоростях осаждения Ое [А1—АЗ, А6, А10-А17] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, Д.Н.Лобановым, А.В.Новиковым, А.Н.Яблонским).

♦ Равноценный вклад в отработку технологии формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных 8Юе/81(001) буферных слоев [А4, А5, А18-А20, А22, А26] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, О.А.Кузнецовым, В.А,Перевощиковым, А.В.Новиковым, А.Н.Яблонским).

• Определяющий вклад в рост и АСМ исследования структур с Се(51) самоформирующимися островками, выращенными на релаксированных ЗЮе/Б1(001) буферных слоях [А7-А9, А21, А23-А27] (совместно с Д.Н.Лобановым, А.В.Новиковым).

* Основной вклад в интерпретацию спектров ФЛ структур с Ое(51) самоформирующимися островками, выращенными на релаксированных 8Юе/51(001) буферных слоях [А7-А9, А21, А23—А27] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, А.В.Новиковым, А.Н.Яблонским).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на VI и VII Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 27-31 октября, 2003; Москва, 18-23 сентября, 2005), Всероссийских совещаниях «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 17-20 марта, 2003; 2-6 мая, 2004), 4-ом и 5-ом ежегодных международных симпозиумах «Электронные приборы и материалы» (Эрлагол, Алтай, 1—4 июля, 2003; 1—5 июля, 2004), Совещании по росту кристаллов, плёнок и дефектам структуры кремния «Кремний-2004» (Иркутск, 5 — 9 июля, 2004), Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 25 — 29 марта, 2005; 13 —17 марта, 2006), Пятом международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника» (Санкт-Петебург, 17—19 июня, 2004), Симпозиуме «Нано и гига задачи в микроэлектронике»

(Краков, Польша, 13-17 сентября, 2004), Международной конференции по материаловедению (Ницца, Франция, 29 мая - 2 июня, 2006), 5-ом Международном совещании по моделированию, росту, свойствам и приборам на поверхностях с оригинальным индексом (Штутгарт, Германия, 13 — 15 октября, 2003), Третьей международной конференции по кремний-германиевым технологиям и приборам (Принстон, США, 15 - 17 мая, 2006), Международном совещании по квантовым точкам (Крит, Греция, 20 - 24 июня, 2003), а также на семинарах ИФМ РАН и НИОЦ СЗМ при ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 27 работ, включая 9 статей в реферируемых журналах и 18 публикаций в материалах конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 66 рисунков. Список цитированной литературы включает 151 наименование, список работ автора по теме диссертации — 27 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а также приведены положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 проведен обзор работ, посвященных исследованию роста и свойств самоформирующихся объектов на поверхности полупроводниковых гетероструктур. Приведено краткое описание физических причин, приводящих к формированию трехмерных нанообъектов на поверхности напряженных полупроводниковых гетероструктур. Особое внимание уделено исследованиям изменений морфологии поверхности при осаждении Ge на SÍ(001). Проанализировано состояние работ, посвященных изучению образования, роста, а также оптических и электрических свойств Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся наноостровков. На основе литературных данных показаны возможности формирования Ge/Sí гетероструктур с заданным дизайном зонной диаграммы как за счет варьирования компонентного состава осаждаемых слоев, так и за счет управления упругими напряжениями в формируемой гетероструктуре. Кратко представлены современные достижения по формированию SiGe/SÍ(001) релаксированных буферных слоев и использованию их в качестве «искусственных подложек» для роста на них Si Ge гетероструктур.

Глава 2 посвящена исследованию зависимости роста и фотолюминесценции структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками от температуры и скорости осаждения Ge. В первом параграфе приведена мо-

s

тивация исследований роста Ge(Si) островков при низких температурах (< 600 °С), обоснована необходимость установления связи сигнала ФЛ от Ge(Si) островков с их формой. Во втором параграфе описана высоковакуумная установка "BALZERS", модернизированная для роста гетерострук-тур GeSi методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Приведено описание метода подготовки подложек к росту структур и представлено описание методик исследования структур с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгенодифракционного анализа (РД), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ).

В третьем параграфе Главы 2 представлены результаты исследований зависимости параметров Ge(Si) островков от температуры осаждения Ge. Показано, что при понижении температуры формирования островков в интервале 600-550 °С происходит ранее описанное в литературе [3] изменение морфологии островков - переход от куполообразных (dome) наноостровков к вытянутым пирамидальным (hut) островкам. Проведен подробный анализ АСМ данных, полученных для островков различной формы. Показано, что при смене типа островков с dome на hut скачкообразно уменьшается (в 4 -5 раз) средняя высота островков (рис. 1а). Приведены возможные причины смены типа островков при изменении температуры роста в достаточно узком интервале 50 °С). При низких температурах роста 460 °С) сформированы массивы hut островков - квантовых точек со средней высотой < 1 нм (рис. 1а) и поверхностной плотностью ~ 2,5-10й см"2,

В четвертом параграфе Главы 2 приведены результаты исследования зависимости сигнала ФЛ, связанного с Ge(Si) островками, от температуры осаждения Ge. В спектрах ФЛ исследованных структур наблюдался сигнал ФЛ в области энергий 0,6 — 0,9 эВ, который связывался с оптической рекомбинацией носителей заряда в островках (рис. 16). Обнаружено, что при понижении температуры формирования островков в интервале 600 — 550 °С положение максимума пика ФЛ смещается в область больших энергий (рис. 16, в). Данное смещение связывается с тем, что при уменьшении температуры формирования островков в рассматриваемом интервале (как было показано в параграфе 3 Главы 2) происходит переход от dome к hut островкам, сопровождаемый резким уменьшением средней высоты островков (рис. 1а). Как было показано ранее [4], при понижении температуры роста островков в интервале температур 750 - 600 °С положение пика ФЛ, связанного с островками, смещается в область меньших энергий из-за увеличения среднего содержания Ge в dome островках. При дальнейшем понижении температуры среднее содержание Ge в островках увеличивается [5], но из-за малой высоты hut островков (< 2 нм) положение уровня размерного квантования дырок в них выталкивается к потолку валентной зоны Si (рис. 1г, д), что приводит к увеличению энергии непрямого в реальном пространстве оптического перехода в островках.

(б)

InSb детектор 700 X

650 'С

600 "С

550 *С

500'С

450 500 550 600 650 700 Температура осаждения Ge, вС

0.5

0.80

СО

-.0,3

го 0.76

X

с £

X

0.74 0.72

§ 0.70 С

0.68

(В) hut 1

1 J

0,6 0.7 0.8 0,9 Энергия фотона, эВ

hr

(д>

Si

/w

SI

hh

dome островок

hut островок

450 500 550 600 650 700 Температура осаждения Ge, вС

Рис. 1. (а) Зависимость средней высоты островков от температуры осаждения Ge. Пунктирная линия разделяет области существования островков различного типа.

(б) Спектры ФЛ структур с островками, выращенных при различных температурах осаждения Ge. Спектры ФЛ записаны при 4 К.

(в) Положение максимума пика ФЛ от островков в зависимости от температуры осаждения Ge. Пунктирные линии разделяют области существования hut и dome островков и соответствуют интервалу 550 — 600 °С.

(г) и (д) Схематическое изображение модели непрямого в реальном пространстве оптического перехода для dome (г) и hut (д) островков. На рисунке показано положение потолка валентной зоны Ev для тяжелых дырок и дна зоны проводимости для электронов в 2Д долинах в островках и их окрестностях. Стрелками показан непрямой оптический переход.

В пятом параграфе Главы 2 представлены результаты исследований влияния скорости осаждения Ge на рост и ФЛ Ge(Si) островков, сформированных при 600 °С. Выявлен интервал скоростей роста, в котором происходит наиболее сильное изменение параметров островков. Показано, что с ростом скорости осаждения Ge с 0,1 А/с до 0,75 А/с поверхностная плотность островков увеличивается - в 5 раз. Обнаружена зависимость положе-

ния пика ФЛ, связанного с Ge(Si) самоформирующимися островками, от скорости осаждения Ge. Показано, что положение пика ФЛ смещается в низкоэнергетическую область спектра при увеличении скорости роста, что связывается с увеличением содержания Ge в островках при увеличении скорости роста и, соответственно, уменьшении времени формирования островков (времени, в течение которого может происходить диффузия Si в островки в процессе их формирования).

Глава 3 посвящена отработки технологии изготовления «искусственных подложек» на основе высококачественных релаксированных градиентных Sii_*GeySi(001) (х*50 %) буферных слоев.

В первом параграфе Главы 3 представлено описание методики формирования высококачественных релаксиро ванных SiGe/Si(001) буферных слоев. Описана технология роста градиентных SiGe/Si(001) буферных слоев методом гидридной газофазной эпитаксии (ГФЭ) при атмосферном давлении и методика химико-механического полирования (ХМП) поверхности выращенных релаксированных SiGe буферных слоев.

Во втором параграфе Главы 3 представлены результаты исследований сформированных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев различными методами. РД исследования выращенных структур показали наличие в РД спектрах пиков, соответствующие отдельным слоям градиентного SiGe буфера. Показано, что степень релаксации упругих напряжений во всех сформированных структурах близка к 100 %. Представлены результаты АСМ исследований сформированных структур до и после ХМП. Показано, что первоначально на поверхности структур присутствует характерная «cross-hatch» картина неровностей, обусловленная наличием сетки дислокаций несоответствия и возникающая вследствие высоких температур роста, используемых в методе ГФЭ. АСМ исследования поверхности SiGe буферных слоев после ХМП показали, что использование ХМП позволяет удалить с поверхности вышеописанную картину неровностей и получить «искусственные SiGe подложки», шероховатость поверхности которых лишь незначительно превосходит шероховатость поверхности исходных Si(001) подложек. Плотность прорастающих дислокаций в сформированных SiGe буферных слоях, определенная методом селективного травления, не превышала значения 5-Ю4 см-2 для буферных слоев с содержанием Ge в верхнем слое 20 - 35 %.

В третьем параграфе Главы 3 представлены результаты исследований возможности использования полученных SiGe/Si(001) буферных слоев в качестве «искусственных подложек» для роста различных SiGe гетерост-руктур методом МПЭ. Представлены результаты исследований сформированных методом МПЭ тестовых структур, в которых показано высокое структурное качество формируемых слоев и возможность эп итак спального роста на релаксированных SiGe буферных слоях без развития шероховатости поверхности.

Глава 4 посвящена исследованию особенностей роста и фотолюминесценции нового класса Ge/Si гетероструктур — Ge(SÍ) самоформирующихся островков, выращенных на «искусственных подложках» на основе гладких релаксированных SiGe буферных слоев.

В первом параграфе изложена мотивация формирования структур с Ge(SÍ) островками на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях. Указано на то, что одной из причин низкой эффективной излучательной рекомбинации в структурах с Ge(SÍ)/SÍ(001) островками является слабая локализация электронов в Si вблизи с островком (рис, 1г). Эта проблема может быть решена в случае роста островков на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях за счет встраивания Ge(Si) островков между напряженными Si (e-Si) слоями, которые будут являться эффективными потенциальными ямами для локализации электронов (рис. 2а).

Во втором параграфе Главы 4 изложены результаты исследований особенностей роста Ge(Si) самоформирующихся островков на гладких релаксированных SiGe/Si(00I) буферных слоях с предосажденным e-Si слоем (Ge(Si)/e-S¡ островков). Впервые обнаружено, что в случае формирования Ge(Si) островков на релаксированных SiGe буферных слоях температура, при которой происходит переход от роста dome к росту hut островков, повышается по сравнению с ростом Ge(Si) островков на Si(OOl) подложках. Данное изменение связывается как с меньшим рассогласованием кристаллических решеток Ge(Si)/e-Si островка и релаксированного буферного слоя, так и с несколько большей поверхностной плотностью островков в случае их роста на релаксированных Sij_*Ge* буферных слоях. Выявлены параметры роста, необходимые для формирования массива куполообразных dome Ge(Si)/е-Si островков с малым (~ 10 %) разбросом по размерам. Приведены результаты исследований зависимости параметров Ge(Si) островков от толщины e-Si слоя под островками. Показано, что наиболее существенные изменения параметров островков происходят в интервале толщин напряженного Si под островками 0-0,55 нм, а в интервале толщин 1 - 3 нм параметры островков слабо зависят от толщины e-Si слоя.

Третий параграф Главы 4 посвящен исследованиям ФЛ структур с Ge(Si) островками, заключенными между e-Si слоями. В спектрах ФЛ структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, заключенными между слоями напряженного Si, впервые обнаружен сигнал ФЛ, который связывается с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинации дырок, локализованных в островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях над и под островками (рис. 2а). Обнаружено увеличение на порядок интенсивности сигнала ФЛ при 77 К от Ge(Si)/e-Si островков по сравнению с интенсивностью сигнала ФЛ от Ge(Si) островков, выращенных на Si(001) подложках (рис. 26). Увеличение интенсивности сигнала ФЛ связывается с эффективной локализацией электронов в напряженных Si слоях над и под островками (рис. 2а). Продемонстрирована возможность эффек-

2

0.7 0.8 0.9 1.0

Энергия фотона, эВ

1.1

Рис. 2. (а) Схематическое изображение зонной диаграммы для структуры с Ge(Si) островками, заключенными между слоями напряженного SÍ. (б) Спектры ФЛ (Т= 77 К, Ge детектор) структур с Ge(Si)/e-Si островками (спектр 1) и Ge(Si) островками, выращенными на Si(OOl) (спектр 2).

тивного управления положением пика ФЛ от структур с Ge(Si) островками, заключенными между e-Si слоев за счет изменения толщин e-Si слоев над и под островками. Показано, что при уменьшении толщин e-Si слоев над и под островками положение пика ФЛ от островков смещается в область больших энергий, что связано с выталкиванием уровней размерного квантования электронов из ям, образованных e-Si слоями, к дну зону проводимости SiGe слоев (рис. 2а). Данное смещение электронных уровней приводит к увеличению энергии непрямого в реальном пространстве оптического перехода. Представлены расчеты положения энергетических уровней электронов в e-Si слоях и дырок в островках с учетом экспериментально определенных параметров островков. Рассчитанные энергии непрямого в реальном пространстве оптического перехода для структур с различной толщиной e-Si слоев хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемыми положениями пика ФЛ, Исследована зависимость спектров ФЛ Ge(SÍ)/e-Si самоформирующихся островков от температуры их роста. Обнаруженное для интервала температур роста 630 — 700 °С смещение пика ФЛ от Ge(Si)/e-Si островков в область меньших энергий при уменьшении температуры роста связывается с увеличением содержания Ge в островках. Обнаружено, что при уменьшении температуры формирования островков с 630 °С до 600 °С наблюдается смещение положения пика ФЛ от островков в область больших энергий. Как и в случае роста островков на SÍ(001) подложках обнаруженное смещение связывается со сменой типа островков с dome на hut, происходящей в данном интервале температур и сопровождаемой резким уменьшением средней высоты островков. Данное обстоятельство приводит к выталкиванию уровня размерного квантования дырок в островках к потолку валентной зоны SiGe и, как следствие, увеличению энергии непрямого в реальном пространстве оптического перехода.

Заключение содержит основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы

1. Проведены исследования роста и фотолюминесценции Ge(Si)/Si(00I) самоформирующихся островков, выращенных при низких температурах (<600 °С). Обнаруженное смещение пика ФЛ от Ge(Si) островков в сторону больших энергий при понижении температуры роста островков с 600 °С до 550 °С связывается с изменением морфологии островков, происходящим в этом диапазоне температур роста и сопровождающимся резким уменьшением средней высоты островков. При уменьшении высоты островков происходит выталкивание уровня размерного квантования дырок в островках к потолку валентной зоны Si и, как следствие, увеличиваются энергии оптических переходов, связанных с островками.

2. Для температуры роста 600 °С исследовано влияние скорости осаждения Ge на параметры (размеры, форму, поверхностную плотность) Ge(Si) островков и положение сигнала ФЛ, связанного с островками. Показано, что положение пика ФЛ от островков смещается в низкоэнергетическую область спектра при увеличении скорости осаждения Ge, что связывается с ростом доли Ge в островках при увеличении скорости роста и, соответственно, уменьшении времени формирования островков.

3. Отработана технология формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев, сочетающая в себе рост градиентных SiGe буферных слоев методом гидридной газофазной эпитаксии и последующую химико-механическую полировку их поверхности. Получены высококачественные Si]_xGe*/Si(001) (х — 20% — 30%) буферные слои с плотностью прорастающих дислокаций < 5-Ю4 см"2 и шероховатостью поверхности <0,5 нм.

4. Впервые исследованы особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях с малой шероховатостью поверхности. Обнаружено, что резкое изменение морфологии островков, происходящее при понижении температуры роста (переход от куполообразных наноостровков к пирамидальным квантовым точкам), в случае роста Ge(Si) островков на SiGe буферных слоях происходит при более высоких температурах роста (630 °С - 600 °С) по сравнению с ростом островков на Si(001) подложках (600 °С - 550 °С).

5. Впервые обнаружен сигнал фотолюминесценции от Ge(Si) островков, сформированных на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях и заключенных между слоями напряженного Si. Смещение сигнала ФЛ от Ge(Si) островков, заключенных между напряженными Si слоями, в сторону меньших энергий при увеличении толщин Si слоев подтверждает связь обнаруженного сигнала ФЛ с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинации дырок, находящихся в островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях на гетерогранице с островком.

6. Продемонстрировано увеличение на порядок интенсивности сигнала ФЛ при 77 К от Ge(Si) островков, заключенных между напряженными Si слоями, по сравнению с сигналом ФЛ от Ge(Si) островков, сформированных на Si(OOl) подложках. Увеличение интенсивности сигнала ФЛ связывается с эффективной локализацией электронов в напряженных Si слоях на гетерогранице с островком.

Список цитированной литературы

[1] Ашкрофт, Н. Физика твердого тела / Н. Ашкрофт, Н. Мермин // М.: Мир, 1979.-Т. 1.-С. 93.

[2] Schaffler, F. High-mobility Si and Ge structures / F. Schaffler // Semiconductor Science and Technology. - 1997. - V. 12.-P. 1515-1550.

[3] Mo, Y.-W. Kinetic pathway in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(001) / Y.-W. Mo, D, E. Savage, B. S. Swartzentruber, M. G. Lagally // Physical Review Letters. - 1990, - V. 65. - P. 1020-1023.

[4] Востоков, H. В. Низкоэнергетическая фотолюминесценция структур с GeSi/Si(001) самоорганизующимися наноостровками / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, А. Н. Яблонский // Письма в ЖЭТФ. - 2002. - Т. 76. Вып. 6. - С. 425-429.

[5] Milekhin, A.G. Phonons in Ge/Si Quantum Dot Structures: influence of growth temperature / A. G. Milekhin, A. I. Nikiforov, M. Yu. Ladanov, O. P. Pchelyakov, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, Z. F. Krasil'nik, S. Schulze, D. R. T. Zahn // Physica E. - 2004. - V. 21. - P. 464-168.

Список работ автора по теме диссертации

[А1] Востоков, Н. В. Фотолюминесценция GeSi/Si(001) самоорганизующихся наноостровков различной формы / Н. В. Востоков, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // ФТТ. — 2004. - Т. 46. Вып. 1. - С. 63-66.

[А2] Novikov, А. V. Photo luminescence of GeSi/Si(001) self-assembled islands with dome and hut shape / A. V. Novikov, M. V. Shaleev, D. N. Lobanov, A. N. Yablonsky, N. V. Vostokov, Z. F. Krasilnik // Physica E. -2004.-V. 23.-P. 416-420.

[A3] Востоков, H. В. Влияние скорости осаждения Ge на рост и фотолюминесценцию Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков / Н. В. Востоков, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // ФТТ. -2005. - Т. 47. Вып. 1. - С. 41-43. [А4] Востоков, Н. В. Релаксированные Sii_jcGe^/Si(001) буферные слои, выращенные методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, О. А. Кузнецов, 3. Ф. Красильник, А. В. Новиков, В. А. Перевозщиков, М. В, Шалеев // ФТТ. - 2005. - Т. 47. Вып. 1.-С. 44-46.

[А5] Востоков, Н. В. Получение релаксированных Si[_*GeySi(001) буферных слоев с малой шероховатостью поверхности / Н. В, Востоков,

Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, О. А. Кузнецов, А. В. Новиков, В. А. Перевощиков, М. В. Шалеев // Микроэлектроника. - 2005, - Т. 34. Вып. 1.-С. 1-8.

[А6] Vostokov, N. V. GeSi/Si(00I) structures with self-assembled islands: growth and optical properties, in «Quantum Dots: Fundamentals, Applications, and Frontiers» / N, V. Vostokov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, M. V. Shaleev, A. N. Yablonskii, 2. F. Krasilnik, A. N. Ankudinov, M. S. Dunaevskii, A. N. Titkov, P. Lytvyn, V. U. Yukhymchuk, M. Ya. Valakh // NATO Science Series II. - 2005, - V. 190 -P. 333-351.

[A7] Shaleev, M. V. Ge self-assembled islands grown on SiGe/Si(001) relaxed buffer layers / M. V. Shaleev, A. V. Novikov, O. A. Kuznetsov, A. N. Yablonsky, N. V. Vostokov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, Z, F. Krasilnik // Materials Science and Engineering B. - 2005. - V. 124-125C. - P. 466-469.

[A8] Shaleev, M. V. Photoluminescence of Ge(Si) self-assembled islands embedded in a tensile-strained Si layer / M. V. Shaleev, A. V. Novikov, A. N. Yablonskiy, Y. N. Drozdov, D. N, Lobanov, Z, F. Krasilnik, O. A. Kuznetsov // Applied Physics Letters. - 2006. - V. 88. - P. 011914. [A9] Востоков, H. В. Особенности формирования Ge(Si) островков на релаксированных Si|_xGex/Si(001) буферных слоях / Н. В. Востоков, Ю. Н, Дроздов, 3. Ф. Красильник, О, А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев // ФТП. - 2006. - Т. 40. Вып. 2. - С, 235-239. [А10] Востоков, Н. В. Фотолюминесценция GeSi/Si(001) самоорганизующихся наноостровков, имеющих различную форму / Н. В. Востоков, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А, Н. Яблонский // Нанофотоника: Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, Россия, 17-20 марта 2003. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2003. - Т. 1. - С. 33-36.

[All] Vostokov,N. V. GeSi/Si(001) structures with self-assembled islands: growth and optical properties / N. V. Vostokov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, M. V. Shaleev, A. N. Yablonskii, Z. F. Krasilnik, A. N. Ankudinov, M. S. Dunaevskii, A. N. Titkov, P. Lytvyn, V. U. Yukhymchuk, M. Ya. Valakh // NATO Advanced Research Workshop «Quantum Dots: Fundamentals, Applications, Frontiers»: Abstracts, Crete, Greece, June 20-24,2003. - P. 20.

[A12] Shaleev, M. V. Photoluminescence of GeSi/Si(001) self-assembled islands with dome and hut shape / M. V. Shaleev, Z. F. Krasilnik, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, N. V. Vostokov, A. N. Yablonsky // 4th Siberian Russian workshop and tutorials EDM'2003: Proceedings, Erlagol, Altay, Russia, Yuly 1— 4,2003.-P. 27-30.

[A13] Krasilnik, Z, F. Photoluminescence of GeSi/Si(001) self-assembled islands with different shape / Z. F. Krasilnik, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, M. V. Shaleev, N. V. Vostokov, A. N. Yablonsky // 5th International Workshop

on "Epitaxial Semiconductors on Patterned Substrates and Novel Index Surface" (ESPS-NIS): Workshop Program & Abstract booklet, Stuttgart, Germany, October 13-15,2003, - P. 61.

[A14] Востоков, H. В, Зависимость формы GeSi/Si(001) самоорганизующихся островков от температуры осаждения Ge / Н. В. Востоков, 3. Ф. Краснльннк, Д. Н. Лобанов, А, В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // VI Российская конференция по физике полупроводников: Тезисы докладов, Санкт-Петербург, Россия, 27-31 октября 2003. - СПб: ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, 2003. - С. 145. [А15] Shaleev, М. V. Dome to hut Ge(Si)/Si(001) islands shape transition / M. V. Shaleev, Z. F. Krasilnik, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, N. V. Vostokov, A. N. Yablonsky // Nano and Giga Challenges in Microelectronics: Book of Abstracts, Cracow, Poland, September 13-17,2004. - P. 227. [A16] Востоков, H. В. Влияние скорости осаждения Ge на рост и фотолюминесценцию Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков / Н. В. Востоков, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // Нанофотоника: Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, Россия, 2-6 мая 2004, — Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. - С. 322-325.

[А17] Shaleev, М. V. Effect of Ge deposition rate on growth and optical properties of Ge(Si)/Si(001) self-assembled islands / M. V. Shaleev, Z. F. Krasilnik, D. N. Lobanov, A. V. Novikov, N. V, Vostokov, A. N. Yablonsky // 5th Annual International Siberian Workshop on Electronic Devices and Materials: Proceedings, Erlagol, Altay, Russia, July 1—5, 2004. -P. 24-27.

[A18] Востоков, H. В. Релаксированные Si|-xGe^/Si(001) буферные слои, выращенные методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, О, А, Кузнецов,

A. В. Новиков, В. А. Перевощиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // Нанофотоника: Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, Россия, 2-6 мая 2004. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. - С. 125-128. [А 19] Новиков, А. В. Релаксированные Si^Ge^/S^OOl) буферные слои с малой шероховатостью поверхности / А. В. Новиков, О. А. Кузнецов, Ю. Н. Дроздов, В. А. Перевощиков, М, В. Шалеев, Н, В. Востоков, 3. Ф. Красильник // Пятый международный российско-украинский семинар «Нанофизика и наноэлектроника»: Тезисы докладов, Санкт-Петербург, Россия, 17-19 июня 2004. -С. 24.

[А20] Новиков, А. В, Рост GeSi/Si(001) гетероструктур на релаксированных SiGe буферных слоях, выращенных методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении / А, В. Новиков, О. А. Кузнецов, Ю, Н. Дроздов,

B. А. Перевощиков, Н. В. Востоков, М. В. Шалеев, 3. Ф. Красильник // Совещание «КремниЙ-2004»: Сборник тезисов докладов, Иркутск, Россия, 5-9 июля 2004. - С. 147.

[А21] Шалеев, М. В. Ge(Si) самоформирующиеся островки на релаксиро-ванных Sii^Ge* буферных слоях / М. В. Шалеев, Н, В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф, Красильник, О. А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков // Нанофизика и наноэлектроника: Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 25-29 марта 2005. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2005. - С, 226-227.

[А22] Востоков, Н. В. Искусственные подложки на основе релаксированных Si^Ge* буферных слоев / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, О. А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев // VII Российская конференция по физике полупроводников: Тезисы докладов, Звенигород, Россия, 18-23 сентября 2005, - М.: ФИАН, 2005.-С. 155.

[А23] Дроздов, Ю. Н. Фотолюминесценция Ge(Si) самоформирующихся островков, встроенных в напряженный Si слой / Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, О. А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // VII Российская конференция по физике полупроводников: Тезисы докладов, Звенигород, Россия, 18-23 сентября

2005. - М.: ФИАН, 2005. - С. 169.

[А24] Дроздов, Ю. Н. Интенсивная фотолюминесценция Ge(Si) самоформирующихся островков, заключенных между слоями напряженного Si / Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, О. А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский // Нанофизика и наноэлектроника: Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 13-17 марта 2006. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2006. -С. 98-101.

[А25] Novikov, А. V. Intense photoluminescence from Ge(Si) self-assembled islands embedded in a tensile-strained Si layer / A. V. Novikov, M. V. Shaleev, A. N. Yablonskiy, O. A, Kuznetsov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, Z. F. Krasilnik // Third International Silicon Germanium Technology and device Meeting (ISTDM 2006): Conference Digest, Princeton, NJ, USA, May 15-17,

2006.-P. 186-187,

[A26] Krasilnik, Z. F. Smooth relaxed SiGe/Si(001) buffer layer as an «artificial» substrate for growth of structures with Ge(Si) self-assembled islands / Z. F. Krasilnik, M. V. Shaleev, A. V, Novikov, A. N. Yablonsky, O. A. Kuznetsov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov // 6th International Workshop on Epitaxial Semiconductors on Patterned Substrates and Novel Index Surfaces: Workshop Program & Abstract Booklet, University of Nottingham, UK, April 3-5,2006.-P. 62,

[A27] Shaleev, M. V. Effect of tensile-strained Si layer on photoluminescence of Ge(Si) self-assembled islands grown on relaxed SiGe/Si(001) buffer layer / M. V. Shaleev, A. V. Novikov, A. N. Yablonskiy, O. A. Kuznetsov, Yu. N. Drozdov, D. N. Lobanov, Z. F. Krasilnik // Nanostructures: Physics and Technology: Proc. 14th International Symposium, St. Petersburg, Russia, June 26-30,2006. - St. Petersburg: Ioffe Institute, 2006. - P. 359-360.

Михаил Владимирович Шалеев

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С Се(5|) САМОФОРМИРУЮЩИМИСЯ НАНООСТРОВКАМИ И КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ НА 81(001) ПОДЛОЖКАХ И РЕЛАКСИРОВАННЫХ 51Се/5|(001) БУФЕРНЫХ СЛОЯХ: ОСОБЕННОСТИ РОСТА И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Автореферат

Подписано к печати 26 сентября 2006 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе Института физики микроструктур РАН, 603950, г. Н. Новгород, ГСП-105

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

ГЛАВА 2.

ГЛАВА 3.

ГЛАВА 4.

Рост и оптоэлектронные свойства Si/Ge гетероструктур. (Литературный обзор)

1.1. Введение.

1.2. Рост Ge/Si гетероструктур на Si(OOl).

1.3. Оптические свойства структур с Ge(Si)/Si(001) островками.

1.4. Ge/Si гетероструктуры на релаксированных SiGe буферных слоях.

Влияние температуры и скорости осаждения Ge на рост и фотолюминесценцию Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков.

2.1. Введение.

2.2. Методика эксперимента.

2.3. Анализ морфологии поверхности структур с Ge(Si)/Si(001) самоформирующимися островками и квантовыми точками, выращенных при температурах роста <600 °С.

2.4. Фотолюминесценция структур с GeSi/Si(001) самоформирующимися островками, имеющими различную форму.

2.5. Влияние скорости осаждения Ge на рост и ФЛ GeSi/Si(001) островков, сформированных при 600 °С. Формирование высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев.

3.1. Технология получения высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев.

3.2. Отработка методики использования полученных SiGe/Si(001) буферных слоев в качестве «искусственных» подложек для роста структур методом МПЭ.

Исследования роста и фотолюминесценции Ge(Si) самоформирующихся островков, выращенных на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях.

стр. 4 13

13 19 29

32 37

37 40 47

54

63

72

73 85

94

4.2 Исследование особенностей роста Ge(Si) 97 самоформирующихся островков на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях с малой шероховатостью поверхности.

4.3 Фотолюминесценция Ge(Si) островков, заключенных 113 между слоями напряженного Si.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133

Список цитированной литературы 13 5

Список работ автора по теме диссертации 149 Ф

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одним из активно развивающихся направлений современной физики и технологии полупроводников является направление, связанное с получением и исследованием полупроводниковых самоформирующихся нанообъектов. К настоящему времени найдены возможности создания широкого класса таких объектов: самоформирующихся наноостровков, квантовых точек, проволок, субмонослойных включений одного полупроводникового материала в матрицу другого. За счет пространственного ограничения движения носителей заряда их энергетический спектр в формируемых полупроводниковых структурах пониженной размерности принципиально отличается от спектра носителей заряда в объемных полупроводниках. Предельным случаем локализации носителей заряда является их локализация во всех трех пространственных направлениях. Такой тип локализации реализуется в трехмерных самоформирующихся объектах - островках - одного полупроводника, заключенного в матрицу другого, более широкозонного полупроводника.

Наиболее исследованными на сегодняшний день являются само формирующиеся нанообъекты в полупроводниковых гетероструктурах на основе соединений А3В5. Преимуществом полупроводников данного семейства является возможность широкого выбора материалов с различными ширинами запрещенных зон и параметрами кристаллических решеток [1]. Итогом исследований стало создание новых приборов на основе структур А3В5 с само формирующимися объектами [2].

Однако основой современной микро- и наноэлектроники остается кремниевая технология. В этой связи реализация на ее основе новых полупроводниковых приборных решений на основе гетероструктур является очень привлекательной и перспективной. Германий является единственным химическим элементом, который позволяет получать гетероструктуры на кремниевых подложках в широком диапазоне состава и толщин слоев. Особенностью для гетеропары Ge/Si является рассогласование кристаллических решеток кремния и германия. Наличие упругих напряжений в гетероструктурах Ge/Si накладывает ограничения на толщину роста псевдоморфных слоев. Для определенных условий формирования структур и их компонентного состава накопленные упругие напряжения могут приводить к формированию трехмерных самоформирующихся объектов - Ge(Si) наноостровков и квантовых точек. В достаточно узком интервале ростовых параметров удается сформировать массив бездефектных Ge(Si) островков. Структуры с Ge(Si) самоформирующимися островками представляются привлекательными как для исследования фундаментальных научных проблем, так и с точки зрения создания на их основе оптоэлектронных приборов.

Практический интерес к структурам с Ge(Si) островками во многом связан с наблюдаемым в спектрах электро- и фотолюминесценции (ФЛ) этих структур сигнала в области длин волн 1.3-1.55 мкм [3-5], соответствующей минимуму потерь оптоволоконных линий связи. Ранее проведенные исследования роста Ge(Si) островков выявили существенную зависимость формы образующихся островков от условий роста. Однако к моменту начала работ над диссертацией в литературе не были представлены результаты исследований особенностей ФЛ островков с различной формой. Одной из задач настоящей диссертационной работы являлось установление зависимости сигнала ФЛ от типа Ge(Si) островков.

Важной задачей, на решение которой направлены исследования структур с Ge(Si) островками, является увеличение эффективности излучательной рекомбинации носителей заряда в этих структурах. Полагается, что слабая локализация электронов в структурах с Ge(Si) островками, выращенными на Si(OOl) подложках, является одной из причин, препятствующих эффективной излучательной рекомбинации носителей заряда. В литературе было предложено несколько путей решения данной проблемы: использование субмонослойных покрытий углерода [6], рост многослойных структур с тонкими барьерными слоями Si [7] и т.д. Однако известно [8], что эффективная яма для электронов в GeSi гетероструктурах может быть реализована в напряженных слоях Si, выращенных на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях. Совмещение локализации электронов в таких напряженных Si (e-Si) слоях, сформированных рядом с Ge(Si) островками, и дырок в островках может дать ряд преимуществ, одним из которых может являться увеличение интенсивности сигнала ФЛ в структурах такого типа. Поэтапная реализация (от формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных SiGe буферных слоев до исследования фотолюминесцентных свойств полученных структур) идеи встраивания Ge(Si) островков между e-Si слоями представлена в данной диссертационной работе.

Необходимо отметить, что получение высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой концентрацией дефектов является отдельной важной задачей. В настоящее время релаксированные SiGe буферные слои активно используются для формирования быстродействующих полевых транзисторов, для исследования возможности создания на основе SiGe структур каскадного лазера терагерцового диапазона и т.д. Для формирования SiGe буферных слоев используется большое количество различных методов (рост градиентных слоев, низкотемпературный рост, использование поверхностно активных примесей («сульфактантов»), селективное окисление SiGe слоев и т.д.) В данной диссертационной работе представлены результаты отработки лабораторной технологии формирования высококачественных градиентных релаксированных SiGe слоев с использованием метода газофазной эпитаксии и химико-механического полирования поверхности выращенных SiGe слоев.

Основные цели работы состояли в следующем:

1. Установление зависимости положения и ширины сигнала фотолюминесценции в структурах с Ge(Si) самоформирующимися островками от параметров островков (формы, размеров, состава), определяемых условиями роста (температурой, скоростью осаждения, типом подложки).

2. Отработка технологии формирования «искусственных подложек» на основе высококачественных релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой плотностью прорастающих дислокаций.

3. Исследование возможности увеличения интенсивности сигнала фотолюминесценции в ближнем инфракрасном диапазоне от структур с Ge(Si) островками за счет их встраивания в напряженный Si слой, сформированный на релаксированном SiGe/Si(001) буферном слое.

Научная новизна работы

1. Впервые обнаружено, что изменение типа Ge(Si) островков, доминирующих на поверхности, с куполообразных наноостровков на пирамидальные квантовые точки, происходящее при понижении температуры роста, приводит к смещению пика ФЛ от островков в область больших энергий. Наблюдаемое смещение пика ФЛ связано резким уменьшением средней высоты островков, происходящим при смене их типа, которое f приводит к выталкиванию уровня размерного квантования дырок в пирамидальных островках к потолку валентной зоны Si, и, как следствие, к увеличению энергии оптического перехода в островках.

2. Впервые выявлены особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на релаксированных GeSi/Si(001) буферных слоях с малой шероховатостью поверхности и на напряженных Si слоях. Обнаружено, что изменение морфологии поверхности (смена типа островков, доминирующих на поверхности с dome на hut) при понижении температуры роста, в случае роста островков на напряженных Si слоях происходит при более высокой температуре (в интервале температур роста 630 °С - 600 °С), чем в случае роста островков на Si(001) подложках (600 °С - 550 °С).

3. Впервые обнаружен сигнал фотолюминесценции от Ge(Si) островков, заключенных между слоями напряженного Si. Показано, что обнаруженный сигнал ФЛ связан с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинацией дырок, находящихся в Ge(Si) островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях над и под островками. Продемонстрирована возможность эффективного управления положением пика ФЛ от Ge(Si) островков, встроенных в напряженный Si слой, за счет изменения толщин Si слоев над и под островками.

4. Обнаружено существенное (более чем на порядок) увеличение интенсивности сигнала ФЛ при 77 К от островков, встроенных в напряженный Si слой, по сравнению с островками, выращенными на Si(001) подложках. Увеличение интенсивности связывается с лучшей локализацией электронов в напряженных Si слоях над и под островками.

Научная и практическая значимость работы

Отработана технология получения высококачественных релаксированных SiGe буферных слоев с малой шероховатостью поверхности и низкой плотностью прорастающих дислокаций. Продемонстрирована возможность их использования в качестве «искусственных подложек» для формирования на них методом молекулярно-пучковой эпитаксии широкого класса GeSi гетероструктур.

Найдены режимы роста для формирования на напряженных Si слоях массива куполообразных Ge(Si) островков с малым (~ 10 %) разбросом по размерам.

Подтверждена возможность увеличения интенсивности сигнала ФЛ от структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, за счет встраивания массива островков в напряженный Si слой, сформированный на релаксированном SiGe буферном слое.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Положение максимума сигнала ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков зависит от их типа. Изменение типа Ge(Si) островков, выращенных на Si(OOl) подложках и на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях, происходящее при понижении температуры роста и сопровождаемое резким уменьшением средней высоты островков, обуславливает смещение положения пика ФЛ от островков в область больших энергий. Данное смещение связано с выталкиванием уровня размерного квантования дырок в островках малой высоты к потожу валентной зоны Si, что приводит к увеличению энергии оптического перехода, связанного с островками.

2. Впервые обнаруженный сигнал ФЛ от Ge(Si) самоформирующихся островков, заключенных между слоями напряженного Si, связан с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинацией дырок, находящихся в Ge(Si) островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях над и под островками.

3. Встраивание Ge(Si) самоформирующихся островков между напряженными Si слоями позволяет более чем на порядок увеличить интенсивность сигнала ФЛ от островков при 77 К по сравнению с интенсивностью сигнала ФЛ от Ge(Si) островков, сформированных на Si(OOl) подложках.

4. Изменение толщин напряженных Si слоев над и под островками позволяет эффективно управлять положением пика ФЛ от структур с Ge(Si) островками, заключенными между напряженными Si слоями. Смещение положения пика ФЛ при изменении толщин напряженных Si слоев связано с изменением положения уровня размерного квантования электронов в квантово-размерных напряженных Si слоях на гетерогранице с островком.

Личный вклад автора в получение результатов

Основной вклад в рост Ge(Si)/Si(001) структур с самоформирующимися островками при различных температурах и скоростях роста [А1-АЗ, А6, А10-А17] (совместно с

А.В.Новиковым, Д.Н.Лобановым).

Основной вклад в интерпретацию спектров ФЛ Ge(Si)/Si(001) структур с самоформирующимися островками, выращенными при низких температурах и различных скоростях осаждения Ge [А1-АЗ, А6, А10-А17] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, Д.Н.Лобановым, А.В.Новиковым, А.Н.Яблонским).

• Равнозначный вклад в отработку технологии формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев [А4, А5, А18-А20, А22, А26] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, О.А.Кузнецовым, В.А.Перевощиковым, А.В.Новиковым, А.Н.Яблонским).

• Определяющий вклад в рост и АСМ исследования структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, выращенными на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях [А7-А9, А21, А23-А27] (совместно с Д.Н.Лобановым, А.В.Новиковым).

• Основной вклад в интерпретацию спектров ФЛ структур с Ge(Si) самоформирующимися островками, выращенными на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях [А7-А9, А21, А23-А27] (совместно с Ю.Н.Дроздовым, А.В.Новиковым, А.НЛблонским).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на VI и VII Российских конференциях по физике полупроводников (Санкт-Петебург, 27 - 31 октября, <ф 2003; Москва, 18-23 сентября, 2005), Всероссийских совещаниях «Нанофотоника»

Нижний Новгород, 17-20 марта, 2003; 2-6 мая, 2004), 4-ом и 5-ом ежегодных международных симпозиумах «Электронные приборы и материалы» (Эрлагол, Алтай, 1 -4 июля, 2003; 1-5 июля, 2004), Совещании по росту кристаллов, плёнок и дефектам структуры кремния «Кремний-2004» (Иркутск, 5-9 июля, 2004), Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 25-29 марта, 2005; 13 - 17 марта, 2006), Пятом международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника» (Санкт-Петебург, 17-19 июня, 2004), Симпозиуме «Нано и гига задачи в микроэлектронике» (Краков, Польша, 13 - 17 сентября, 2004), Международной конференции по материаловедению (Ницца, Франция, 29 мая - 2 июня, 2006), 5-ом Международном совещании по моделированию, росту, свойствам и приборам на поверхностях с оригинальным индексом (Штутгарт, Германия, 13-15 октября, 2003), Третьей международной конференции по кремний-германиевым технологиям и приборам (Принстон, США, 15-17 мая, 2006), Международном совещании по квантовым точкам

Крит, Греция, 20 - 24 июня, 2003), а также на семинарах ИФМ РАН и НИОЦ СЗМ при ННГУ им.Н.И.Лобачевского.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 27 работ, включая 9 статей в реферируемых журналах и 18 публикаций в материалах конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 66 рисунков. Список цитированной литературы включает 151 наименование, список работ автора по теме диссертации - 27 наименований.

Основные результаты исследований роста и фотолюминесценции Ge(Si) самоформирующихся наноостровков и квантовых точек, представленные в диссертационной работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведены исследования роста и фотолюминесценции Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков, выращенных при низких температурах (<600 °С). Обнаруженное смещение пика ФЛ от Ge(Si) островков в сторону больших энергий при понижении температуры роста островков с 600 °С до 550 °С связывается с изменением морфологии островков, происходящим в этом диапазоне температур роста и сопровождающимся резким уменьшением средней высоты островков. При уменьшении высоты островков происходит выталкивание уровня размерного квантования дырок в островках к потожу валентной зоны Si и, как следствие, увеличиваются энергии оптических переходов, связанных с островками.

2. Для температуры роста 600 °С исследовано влияние скорости осаждения Ge на параметры (размеры, форму, поверхностную плотность) Ge(Si) островков и положение сигнала ФЛ, связанного с островками. Показано, что положение пика ФЛ от островков смещается в низкоэнергетическую область спектра при увеличении скорости осаждения Ge, что связывается с ростом доли Ge в островках при увеличении скорости роста и, соответственно, уменьшении времени формирования островков.

3. Отработана технология формирования «искусственных подложек» на основе релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоев, сочетающая в себе рост градиентных SiGe буферных слоев методом гидридной газофазной эпитаксии и последующую химико-механическую полировку их поверхности. Получены высококачественные SiixGex/Si(001) (х = 20 % - 30 %) буферные слои с плотностью прорастающих дислокаций < 5-Ю4 см-2 и шероховатостью поверхности < 0.5 нм.

4. Впервые исследованы особенности роста Ge(Si) самоформирующихся островков на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях с малой шероховатостью поверхности. Обнаружено, что резкое изменение морфологии островков, происходящее при понижении температуры роста (переход от куполообразных наноостровков к пирамидальным квантовым точкам), в случае роста Ge(Si) островков на SiGe буферных слоях происходит при более высоких температурах роста (630 °С - 600 °С) по сравнению с ростом островков на Si(001) подложках (600 °С - 550 °С).

5. Впервые обнаружен сигнал фотолюминесценции от Ge(Si) островков, сформированных на релаксированных SiGe/Si(001) буферных слоях и заключенных между слоями напряженного Si. Смещение сигнала ФЛ от Ge(Si) островков, заключенных между напряженными Si слоями, в сторону меньших энергий при увеличении толщин Si слоев подтверждает связь обнаруженного сигнала ФЛ с непрямой в реальном пространстве излучательной рекомбинации дырок, находящихся в островках, и электронов, локализованных в напряженных Si слоях на гетерогранице с островком.

6. Продемонстрировано увеличение на порядок интенсивности сигнала ФЛ при 77 К от Ge(Si) островков, заключенных между напряженными Si слоями, по сравнению с сигналом ФЛ от Ge(Si) островков, сформированных на Si(OOl) подложках. Увеличение интенсивности сигнала ФЛ связывается с эффективной локализацией электронов в напряженных Si слоях на гетерогранице с островком.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить благодарность моим научным руководителям Алексею Витальевичу Новикову и Захарию Фишелевичу Красильнику за внимание, чуткое руководство и интересные научные дискуссии при выполнении данной работы. Также хочу выразить глубокую признательность большому коллективу сотрудников ИФМ РАН (Владимиру Яковлевичу Алешкину, Николаю Владимировичу Востокову, Борису Александровичу Грибкову, Юрию Николаевичу Дроздову, Виктору Леонидовичу Миронову, Дмитрию Николаевичу Лобанову, Ирине Юрьевне Шулешовой, Артёму Николаевичу Яблонскому), старшему научному сотруднику НИФТИ ННГУ Олегу Александровичу Кузнецову, старшему научному сотруднику ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН Илье Петровичу Сошникову за неоценимую помощь в выполнении данной работы.

Заключение

1. Ашкрофт, Н. Физика твердого тела / Н. Ашкрофт, Н. Мермин // М.: Мир. 1979. - Т. 1. -С. 93.

2. Леденцов, Н. Н. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры / Н. Н. Леденцов, В. М. Устинов, В. А. Щукин, П. С. Копьев, Ж. И. Алферов, Д. Бимберг // ФТП. 1998. - Т. 32. Вып. 4. - С. 385^110.

3. Apertz, R. Photoluminescence and electroluminescence of SiGe dots fabricated by island growth / R. Apertz, L. Vescan, A. Hartmann, C. Dieker, H. Luth // Applied Physics Letters. -1995.-V. 66.-P. 445-447.

4. Sunamura, H. Island formation during growth of Ge on Si(100): A study using photoluminescence spectroscopy / H. Sunamura, N. Usami, Y. Shiraki, S. Fukatsu // Applied Physics Letters. 1995. - V. 66. - P. 3024-3026.

5. Schittenhelm, P. Photoluminescence study of the crossover from two-dimensional to three-dimensional growth for Ge on Si(100) / P. Schittenhelm, M.Gail, J. Brunner, J. F. Nutzel,

6. G. Abstreiter // Applied Physics Letters. 1995. - V. 67. - P. 1292-1294.

7. Eberl, K. Preparation and optical properties of Ge and C-induced Ge quantum dots on Si / K. Eberl, 0. G. Schmidt, O. Kienzle, F. Ernst // Thin Solid Films. 2000. - V. 373. - P. 164169.

8. Schmidt, O. G. Strain and band-edge alignment in single and multiple layers of self-assembled Ge/Si and GeSi/Si islands / O. G. Schmidt, K. Eberl, Y. Rau // Physical Review B. -2000.-V. 62-P. 16715-16720.

9. Schaffler, F. High-mobility Si and Ge structures / F. Schaffler // Semiconductor Science and Technology.-1997.-V. 12-P. 1515-1549.

10. Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices / S. M. Sze // New York, Wiley Interscience Publication. 1981. - P. 848-849.

11. Kasper, E. A one-dimensional SiGe superlattice grown by UHV epitaxy / E. Kasper,

12. H. J. Herzog, H. Kibbel // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 1975. - V. 8. -P.199-205.

13. Eaglesham, D. J. Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(001) / D. J. Eaglesham, M. Cerullo // Physical Review Letters. 1990. - V. 64. - P. 1943-1946.

14. Teichert, С. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy /

15. C. Teichert // Physics Reports. 2002. - V. 365. - P. 335-432.

16. Zinke-Allmang, M. Phase separation on solid surfaces: nucleation, coarsening and coalescence kinetics / M. Zinke-Allmang // Thin Solid Films. 1999. - V. 346. - P. 1-68.

17. Osipov, A. V. Stress-driven nucleation of coherent islands: theory and experiment / A. V. Osipov, F. Schmitt, S. A. Kukushkin // Applied Surface Science. 2002. - V.188. - P. 156-162.

18. LeGoues, F. K. Measurement of the activation barrier to nucleation of dislocation in thin films / F. K. LeGoues, P. M. Mooney, J. Tersoff// Physical Review Letters. 1993. - V. 71. - P. 396-399.

19. Copel, M. Influence of surfactants in Ge and Si epitaxy on Si(001) / M. Copel, M. C. Reuter, M. Horn von Hoegen, R. M. Tromp // Physical Review B. 1990. - V. 42. - P. 11682-11689.

20. Mo, Y.-W. Kinetic pathway in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(001) / Y.-W. Mo,

21. D. E. Savage, B. S. Swartzentruber, M. G. Lagally // Physical Review Letters. 1990. - V. 65. -P. 1020-1023.

22. Tersoff, J. Competing relaxation mechanisms in strained layers / J. Tersoff, F. K. LeGoues // Physical Review Letters. 1994. - V. 72. - P. 3570-3573.

23. Moison, J. M. Self-organized growth of regular nanometer-scale InAs dots on GaAs / J. M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, L. Leprince, E. Andre, O. Vatel // Applied Physics Letters. 1994. -V. 64.-P. 196-198.

24. Lagally, M. G. Atom motion on surfaces / M. G. Lagally // Physics Today. 1993. - V. 11. -P. 24-31.

25. Ашкрофт, H. Физика твердого тела / H. Ашкрофт, Н. Мермин // М.: Мир. 1979. - Т. 1.-С. 88.

26. Chen, X. Vacancy-Vacancy Interaction on Ge-Covered Si(001) / X. Chen, F. Wu, Z. Zhang, M. G. Lagally // Physical Review Letters. 1994. - V. 73. - P. 850-853.

27. Voigtlander, В. Fundamental processes in Si/Si and Ge/Si epitaxy studied by scanning tunneling microscopy during growth / B. Voigtlander // Surface Science Reports. 2001. - V. 43.-P. 127-254.

28. Dorsch, W. Strain-induced island scaling during Si^Ge* heteroepitaxy / W. Dorsch, H. P. Strunk, H. Wawra, G. Wagner, J. Groenen, R. Carles // Applied Physics Letters. 1998. -V. 72.-P. 179-181.

29. Liu, F. Self-organized nanoscale structures in Si/Ge films / F. Liu, M. G. Lagally // Surface Science. 1997. -V. 386. - P. 169-181.

30. Tersoff, J. Step-Bunching Instability of Vicinal Surfaces under Stress / J. Tersoff, Y. H. Phang, Z. Zhang, M. G. Lagally // Physical Review Letters. 1995. - V. 75. - P. 27302733.

31. Liu, F. Self-organization of steps in growth of strained films on vicinal substrates / F. Liu, J. Tersoff, M. G. Lagally // Physical Review Letters. 1998. - V. 80. - P. 1268-1271.

32. Zhu, J.-H. Two-dimensional ordering of self-assembled Ge islands on vicinal Si(001) surfaces with regular ripples / J.-H. Zhu, K. Brunner, G. Abstreiter // Applied Physics Letters. -1998.-V. 73.-P. 620-622.

33. Jesson, D. E. Morphological Evolution of Strained Films by Cooperative Nucleation / D. E. Jesson, К. M. Chen, S. J. Pennycook, T. Thandat, R. J. Warmack // Physical Review Letters. 1996. -V. 77. - P. 1330-1333.

34. Abstreiter, G. Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si / G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel, E. Silveira, A. Zrenner, D. Meertens, W. Jager // Semiconductor Science and Technolology. 1996. -V. 11. -P. 1521-1528.

35. Floro, J. A. SiGe islands shape transitions induced by elastic repulsion / J. A. Floro,

36. G. A. Lucadamo, E. Chason, L. B. Freund, M. Sinclair, R. D. Twesten, R. Q. Hwang // Physical Review Letters. 1998. -V. 80. - P. 4717-4720.

37. Tomitori, M. STM study of the Ge growth mode on Si(001) substrates / M. Tomitori, K. Watanabe, M. Kobayashi, O. Nishikawa // Applied Surface Science. 1994. - V. 76-77. - P. 322-328.

38. Rastelli, A. Island formation and faceting in the SiGe/Si(001) system / A. Rastelli,

39. H. von Kanel // Surface Science. 1997. - V. 532-535. - P. 769-773.

40. Tersoff, J. Barrierless Formation and Faceting of SiGe Islands on Si(OOl) / J. Tersoff,

41. B. J. Spenser, A. Rastelli, H. von Kanel // Physical Review Letters. 2002. - V. 89. - P. 196104-196107.

42. Raiteri, P. Critical Role of the Surface Reconstruction in the Thermodynamic Stability of {105} Ge Pyramids on Si(001) / P. Raiteri, D. B. Migas, L. Miglio, A. Rastelli, H. von Kanel // Physical Review Letters. 2002. - V. 88. - P. 256103.

43. Kamins, T. I. Deposition of three-dimensional Ge islands on Si(001) by chemical vapor deposition at atmospheric and reduced pressures / Т. I. Kamins, E. C. Carr, R. S. Williams, S. J. Rosner // Journal of Applied Physics. 1997. - V. 81. - P. 211-219.

44. Medeiros-Ribeiro, G. M. Shape transition of Germanium nanocrystals on a Silicon (001) surface from pyramids to domes / G. M. Medeiros-Ribeiro, A. M. Bratkovski, T. I. Kamins, D. A. A. Ohlberg, R. S. Williams // Science 1998. -V. 279. - P. 353-355.

45. Montalenti, F. Atomic-Scale Pathway of the Pyramid-to-Dome Transition during Ge Growth on Si(001) / F. Montalenti, P. Raiteri, D. B. Migas, H. von Kanel, A. Rastelli,

46. C. Manzano, G. Constantini, U. Denker, O. G. Schmidt, K. Kern, L. Miglio // Physical Review Letters. 2004. - V. 93. - P. 216102-216105.

47. Vostokov, N. V. The relation between composition and sizes of GeSi/Si(001) islands grown at different temperatures / N. V. Vostokov, S. A. Gusev, Yu. N. Drozdov, Z. F. Krasil'nik,

48. D. N. Lobanov, N. Mesters, M. Miura, L. D. Moldavskaya, A. V. Novikov, J. Pascual, V. V. Postnikov, Y. Shiraki, V. A. Yakhimchuk, N. Usami, M. Ya. Valakh // Physics of Low-Dimensional Structures. 2001. - V. 3/4. - P. 295-302.

49. Валах, M. Я. Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию GeSi/Si(001) самоорганизующихся наностровков / М. Я. Валах, Н. В. Востоков,

50. C. А. Гусев, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, Л. Д. Молдавская, А. В. Новиков, В. В. Постников, М. В. Степихова, Н. Усами, Ю. Шираки, В. А. Юхимчук // Известия Академии наук. Серия физическая. 2002. - Т. 66. Вып. 2. - С. 160-163.

51. Ross, F. М. Coarsening of Self-Assembled Ge Quantum Dots on Si(001) / F. M. Ross, J. Tersoff, R. M. Tromp // Physical Review Letters. 1998. - V. 80. - P. 984-987.

52. Floro, J. A. SiGe coherent islanding and stress relaxation in the high mobility regime / J. A. Floro, E. Chason, R. D. Twesten, R. Q. Hwang, L. B. Freund // Physical Review Letters. -1997.-V. 79.-P. 3946-3949.

53. Daruka, I. Shape transition in growth of strained islands / I. Daruka, J. Tersoff, A.-L. Barabasi // Physical Review Letters. 1999. - V. 82. - P. 2753-2756.

54. Tersoff, J. Shape transition in growth of strained islands: spontaneous formation of quantum wires / J. Tersoff, R. M. Tromp // Physical Review Letters. 1993. - V. 70. - P. 2782-2785.

55. Krasil'nik, Z. F. The elastic strain and composition of self-assembled GeSi islands on Si(001) / Z. F. Krasil'nik, I. V. Dolgov, Yu. N. Drozdov, D.O.Filatov, S. A. Gusev,

56. D. N. Lobanov, L. D. Moldavskaya, A. V. Novikov, V. V. Postnikov, N. V. Vostokov // Thin Solid Films. 2000. - V. 367. - P. 171-175.

57. Дубровский, В. Г. Температурная зависимость морфологии ансамблей нанокластеров в системе Ge/Si(100) / В.Г.Дубровский, В.М.Устинов, А. А. Тонких, В.А.Егоров, Г. Э. Цырлин, P. Werner // Письма в ЖТФ. 2003. - Т. 29. Вып. 17. - С. 41-48.

58. Pchelyakov, О. P. Surface processes and phase diagrams in MBE growth of Si/Ge heterostuctures / O. P. Pchelyakov, V. A. Markov, A. I. Nikiforov, L. V. Sokolov // Thin Solid Films. 1997. - V. 306. - P. 299-306.

59. Якимов, А. И. Фотодиоды Ge/Si со встроенными слоями квантовых точек Ge для ближней инфракрасной области (1.3-1.5 мкм) / А. И. Якимов, А. В. Двуреченский, А. И. Никифоров, С. В. Чайковский, С. А. Тийс // ФТП. 2003. - Т. 37. Вып. 11. - С. 13831388.

60. Tong, S. Normal-incidence Ge quantum-dot photodetectors at 1.5 pm based on Si substrate / S. Tong, J. L. Liu, J. Wan, Kang L. Wang // Applied Physics Letters. 2002. - V. 80. - P. 1189-1191.

61. Eberl, К. Self-assembling quantum dots for optoelectronic devices on Si and GaAs / K. Eberl, M. O. Lipinski, Y. M. Manz, W. Winter, N. Y. Jin-Phillipp, O. G. Schmidt // Physica E. -2001. V. 9(1).-P. 164-174.

62. Matthews, J. W. Defects in epitaxial multilayers: I. Misfit dislocations / J. W. Matthews, A. E. Blakeslee // Journal of Crystal Growth. 1974. - V. 27. - P. 118-125.

63. Fukatsu, S. Suppression of phonon replica in the radiative recombination of an MBE-grown type-II Ge/Si quantum dot / S. Fukatsu, H. Sunamura, Y. Shiraki, S. Komiyama // Thin Solid Films. 1998. - V. 321. - P. 65-69.

64. Sunamura, H. Growth mode transition and photoluminescence properties of Si^Ge^/Si quantum well structures with high Ge composition / H. Sunamura, Y. Shiraki, S. Fukatsu // Applied Physics Letters. 1995. - V. 66. - P. 953-955.

65. Vescan, L. Size distribution and electroluminescence of self-assembled Ge dots / L. Vescan, T. Stoica, O. Chretien, M. Goryll, E. Mateeva, A. Muck // Journal of Applied Physics. 2000. -V. 87. - P. 7275-7282.

66. Yakimov, A. I. Conductance oscillations in Ge/Si heterostructures containing quantum dots / A. I. Yakimov, V. A. Markov, A. V. Dvurechenskii, O. P. Pchelyakov // Journal Physics: Condenced Matter. 1994. - V. 6. - P. 2573-2575.

67. Якимов, А. И. Формирование нуль-мерных дырочных состояний при молекулярно-лучевой эпитаксии Ge на Si (100) / А. И. Якимов, А. В. Двуреченский, А. И. Никифоров, О. П. Пчеляков // Письма в ЖЭТФ. 1998. - Т. 68. Вып. 2. - С. 125-131.

68. Miesner, С. Intra-valence band photocurrent measurements on Ge quantum dots in Si /

69. C. Miesner, K. Brunner, G. Abstreiter // Thin Solid Films. 2000. - V. 380. - P. 180-182.

70. Dashiell, M. W. Photoluminescence investigation of phononless radiative recombination and thermal-stability of germanium hut clusters on silicon(OOl) / M. W. Dashiell, U. Denker, O. G. Schmidt//Applied Physics Letters.-2001.-V. 79.-P. 2261-2263.

71. Denker, U. Ge hut cluster luminescence below bulk Ge band gap / U. Denker, M. Stoffel, O. G. Schmidt, H. Sigg // Applied Physics Letters. 2003. - V. 82. - P. 454-456.

72. Yakimov, A. I. Excitons in charged Ge/Si type-II quantum dots / A. I. Yakimov, N. P. Stepina, A. V. Dvurechenskii, A. I. Nikiforov, A. V. Nenashev // Semiconductor Science and Technology.-2000.-V. 15.-P. 1125-1130.

73. Paul, D. J. Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits /

74. D. J. Paul // Semiconductor Science and Technology. 2004. - V. 19. - P. R75-R108.

75. Grimmeiss, H. G. Silicon-germanium a promise into the future? / H. G. Grimmeiss // ФТП. - 1999. - T. 33. Вып. 9. - С. 1032-1034.

76. Hull, R. A phenomenological description of strain relaxation in Ge^Sii^/Si(100) heterostructures / R. Hull, J. C. Bean, C. Buescher // Journal of Applied Physics. 1989. - V. 66. -P. 5837-5843.

77. Kvam, E. P. Variation of dislocation morphology with strain in GexSii^ epilayers on (100)Si / E. P. Kvam, D. M. Maher, C. J. Humphreys // Journal of Materials Research. 1990. -V.5.-P. 1900-1907.

78. Vdovin, V. I. Misfit Dislocations in Epitaxial Heterostructures: Mechanisms of Generation and Multiplication / V. I. Vdovin // Physica Status Solidi (a). 1999. - V. 171. - P. 239-250.

79. Mooney, P. M. Nucleation of dislocations in SiGe layers grown on (001)Si / P. M. Mooney, F. K. LeGoues, J. Tersoff, J. O. Chu // Journal of Applied Physics. 1994. - V. 75. - P. 39683977.

80. Li, J. H. Relaxed Sio.7Geo.3 layers grown on low-temperature Si buffers with low threading dislocation density / J. H. Li, C. S. Peng, Y. Wu, D. Y. Dai, J. M. Zhou, Z. H. Mai // Applied Physics Letters. 1997. -V. 71. - P. 3132-3134.

81. Gaiduk, P. I. Strain-relaxed SiGe/Si heteroepitaxial structures of low threading-dislocation density / P. I. Gaiduk, A. N. Larsen, J. L. Hansen // Thin Solid Films. 2000. - V. 367. - P. 120-125.

82. Samavedam, S. B. Novel dislocation structure and surface morphology effects in relaxed Ge/Si-Ge(graded)/Si structures / S. B. Samavedam, E. A. Fitzgerald // Journal of Applied Physics. 1997.-V. 81.-P. 3108-3116.

83. Sawano, K. Surface smoothing of SiGe strain-relaxed buffer layers by chemical mechanical polishing / K. Sawano, K. Kawaguchi, T. Ueno, S. Koh, K. Nakagawa, Y. Shiraki // Materials Science and Engineering B. 2002. - V. 89. - P. 406^109.

84. Liu, L. Band discontinuities of Si/Ge heterostructures / L. Liu, G. S. Lee, A. H. Marshak // Solid-State Electronics. 1994. - V. 37. - P. 421^125.

85. Usami, N. Enhancement of radiative recombination in Si-based quantum wells with neighboring confinement structure / N. Usami, F. Issiki, D. K. Nayak, Y. Shiraki, S. Fukatsu // Applied Physics Letters. 1995. - V. 67. - P. 524-526.

86. Востоков, H. В. Низкоэнергетическая фотолюминесценция структур с GeSi/Si(001) самоорганизующимися наноостровками / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов,

87. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, А. Н. Яблонский // Письма в ЖЭТФ. -2002. Т. 76. Вып. 6. - С. 425-429.

88. Boscherini, F. Ge-Si intermixing in Ge quantum dots on Si(001) and Si(lll) / F. Boscherini, G. Capellini, L. Di Gaspare, F. Rosei, N. Motta, S. Mobilio // Applied Physics Letters. 2000. - V. 76. - P. 682-684.

89. Capellini, G. SiGe intermixing in Ge/Si(100) islands / G. Capellini, M. De Seta, F. Evangelisti // Applied Physics Letters. 2001. - V. 78. - P. 303-305.

90. Schmidt, O. G. Effect of overgrowth temperature on the photoluminescence of Ge/Si islands / O. G. Schmidt, U. Denker, K. Eberl, O. Kienzle, F. Ernst // Applied Physics Letters. 2000. -V. 77.-P. 2509-2511.

91. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Оптика / Д. В. Сивухин // М.: Мир. 1980. - Т. 4.

92. Ishizara, A. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE / A. Ishizara, Y. Shiraki // Electrochemical science and technology. 1986. - V. 133. - P. 666671.

93. Востоков, H. В. Фотолюминесценция структур с GeSi/Si(001) самоорганизующимися наноостровками / Н. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник, Д. Н. Лобанов,

94. A. В. Новиков, А. Н. Яблонский // Известия Академии наук. Серия физическая. 2003. -Т. 67. Вып. 2.-С. 159-162.

95. Дроздов, Ю. Н. Моделирование неоднородных твердых растворов ковалентных кристаллов и анализ деформационных эффектов в их свойствах / Ю. Н. Дроздов,

96. B. М. Данильцев, Л. Д. Молдавская, А. В. Новиков, В. И. Шашкин // Поверхность. 2006. -Вып. 5.-С. 30-37.

97. Hesse, A. Effect of overgrowth on shape, composition, and strain of SiGe islands on Si(001) / A. Hesse, J. Stangl, V. Holy, T. Roch, G. Bauer, O. G. Schmidt, U. Denker, B. Struth // Physical Review B. 2002. - V. 66. - P. 085321.

98. Schmidt, 0. G. Photoluminescence Study of the 2D-3D Growth Mode Changeover for Different Ge/Si Island Phases / 0. G. Schmidt, C. Lange, K. Eberl // Physica Status Solidi (b). -1999.-V. 215.-P. 319-324.

99. Milekhin, A. G. Phonons in Ge/Si quantum dot structures: influence of growth temperature / A. G. Milekhin, A. I. Nikiforov, M. Yu. Ladanov, 0. P. Pchelyakov, D. N. Lobanov,

100. A. V. Novikov, Z. F. Krasil'nik, S. Schulze, D. R. T. Zahn // Physica E. 2004. - V. 21. - P. 464-468.

101. Schmidt, 0. G. Composition of self-assembled Ge/Si islands in single and multiple layers /

102. G. Schmidt, U. Denker, S. Christiansen, F. Ernst // Applied Physics Letters. 2002. - V. 81. -P. 2614-2616.

103. Kamins, Т. I. Evolution of Ge islands on Si(OOl) during annealing / Т. I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D. A. A. Ohlberg, R. S. Williams // Journal of Applied Physics. 1999. -V. 85.-P. 1159-1171.

104. Wachter, M. Photoluminescence of high-quality SiGe quantum wells grown by molecular beam epitaxy / M. Wachter, F. Schaffler, H.-J. Herzog, K. Thonke, R. Sauer // Applied Physics Letters. 1993. - V. 63. - P. 376-378.

105. Sutter, P. Low-energy electron microscopy of nanoscale three-dimensional SiGe islands on Si(100) / P. Sutter, E. Mateeva, J. S. Sullivan, M. G. Lagally // Thin Solid Films. 1998. - V. 336.-P. 262-270.

106. Rastelli, A. Shape preservation of Ge/Si(001) islands during Si capping / A. Rastelli, E. Miiller, H. von Kanel // Applied Physics Letters. 2002. - V. 80. - P. 1438-1440.

107. Cho, B. Effect of growth rate on the spatial distributions of dome-shaped Ge islands on Si(001) / B. Cho, T. Schwarz-Selinger, K. Ohmori, D. G. Cahill, J. E. Greene // Physical Review

108. B.-2002.- V. 66.-P. 195407.

109. Paul, D. J. Silicon germanium heterostructures in electronics: the present and the future / D. J. Paul // Thin Solid Films. 1998. - V. 321. - P. 172-180.

110. Altukhov, I. V. Towards Si^Ge* quantum-well resonant-state terahertz laser /

111. V. Altukhov, E. G. Chirkova, V. P. Sinis, M. S. Kagan, Yu.P. Gousev, S.G.Thomas,

112. К. L. Wang, M. A. Odnoblyudov, I. N. Yassievich // Applied Physics Letters. 2001. - V. 79. -P. 3909-3911.

113. Kissinger, G. Stepwise equilibrated graded GexSiix buffer with very low threading dislocation density on Si(001) / G. Kissinger, T. Morgenstern, G. Morgenstern, H. Richter // Applied Physics Letters. 1995. -V. 66. - P. 2083-2085.

114. Liu, J. L. High-quality Ge films on Si substrates using Sb surfactant-mediated graded SiGe buffers / J. L. Liu, S. Tong, Y. H. Luo, J. Wan, K. L. Wang // Applied Physics Letters. 2001. -V. 79.-P. 3431-3433.

115. Кузнецов, О. А. Сверхрешетки Ge-Gei^Si^, полученные гидридным методом / О. А. Кузнецов, JI. К. Орлов, Ю. Н. Дроздов, В. М. Воротынцев, М. Г. Мильвидский,

116. B. И. Вдовин, Р. Карлес, Г. Ланда // ФТП. 1993. - Т. 27. - С. 1591-1598.

117. Lee, Н. Luminescence from dislocations in silicon-germanium layer grown on silicon substrate / H. Lee, S.-H. Choi // Journal of Applied Physics. 1999. - V. 85. - P. 1771-1774.

118. Перевощиков, В. А. Особенности абразивной и химической обработки поверхности полупроводников / В. А. Перевощиков, В. Д. Скупов // Монография. г.Н.Новгород: издательство ННГУ. 1992. - С. 198.

119. Luan, Н.-С. High-quality Ge epilayers on Si with low threading-dislocation densities / H.

120. C. Luan, D. R. Lim, K.K.Lee, K.M.Chen, J. G. Sandland, K. Wada, L. C. Kimerling // Applied Physics Letters. 1999. - V. 75. - P. 2909-2911.

121. Болховитянов, Ю. Б. Искусственные подложки GeSi для гетероэпитаксии -достижения и проблемы. Обзор / Ю. Б. Болховитянов, О. П. Пчеляков, Л. В. Соколов, С. И. Чикичев // ФТП. 2003. - Т. 37. - С. 513-538.

122. Fitzgerald, Е. A. Dislocations in Relaxed SiGe/Si Heterostructures / E. A. Fitzgerald, M. T. Currie, S. B. Samavedam, T. A. Langdo, G. Taraschi, V. Yang, C. W. Leitz, M. T. Bulsara // Physica Status Solidi (a). 1999. - V. 171. - P. 227-238.

123. Болховитянов, Ю. Б. Кремний-германиевые эпитаксиальные пленки: физические основы получения напряженных и полностью релаксированных гетероструктур /

124. Ю. Б. Болховитянов, О. П. Пчеляков, С. И. Чикичев // УФН. 2001. - Т. 171. Вып. 7. - С. 689-715.

125. Cams, Т. К. Chemical Etching of Si^Ge* in HF:H202:CH3C00H / Т. K. Cams, M. 0. Tanner, K. L. Wang // Journal of The Electrochemical Society. 1995. - V. 142. - P. 1260-1266.

126. Koyama, K. Etching characteristics of Si^Ge* alloy in ammoniac wet cleaning / K. Koyama, M. Hiroi, T. Tatsumi, H. Hirayama // Applied Physics Letters. 1990. - V. 57. - P. 2202-2204.

127. Paul, D. J. Electrical properties of two-dimensional electron gases grown on cleaned SiGe virtual substrates / D. J. Paul, A. Ahmed, N. Griffin, M. Pepper, A. C. Churchill, D. J. Robbins, D. J. Wallis // Thin Solid Films. 1998. - V. 321. - P. 181-185.

128. Jain, S. C. Structure, properties and applications of GexSiix strained layers and superlattices / S. C. Jain, W. Hayes // Semiconductor Science and Technology. 1991. - V. 6. -P.547-576.

129. Schaffler, F. High-electron-mobility Si/SiGe heterostructures: influence of the relaxed SiGe buffer layer / F. Schaffler, D. Tobben, H.-J. Herzog, G. Abstreiter, B. Hollander // Semiconductor Science and Technology. 1992. -V. 7. - P. 260-266.

130. Brunner, K. Si/Ge nanostructures / K. Brunner // Reports on Progress in Physics. 2002. -V. 65.-P. 27-72.

131. Stangl, J. Structural properties of self-organized semiconductor nanostructures / J. Stangl, V. Holy, G. Bauer // Reviews of Modern Physics. 2004. - V. 76. - P. 725-783.

132. Lutz, M. A. Influence of misfit dislocations on the surface morphology of Si^xGex films / M. A. Lutz, R. M. Feenstra, F. K. LeGoues, P. M. Mooney, J. O. Chu // Applied Physics Letters. 1995. -V. 66.-P. 724-726.

133. Kawaguchi, K. Optical properties of strain-balanced SiGe planar microcavities with Ge dots on Si substrates / K. Kawaguchi, M. Morooka, K. Konishi, S. Koh, Y. Shiraki // Applied Physics Letters. -2002. -V. 81. P. 817-819.

134. Liao, X. Z. Annealing effects on the microstructure of Ge/Si(001) quantum dots / X. Z. Liao, J. Zou, D. J. H. Cockayne, J. Wan, Z. M. Jiang, G. Jin, K. L. Wang // Applied Physics Letters. 2001. - V. 79. - P. 1258-1260.

135. Davies, G. The optical properties of luminescence centres in silicon / G. Davies // Physics Reports.-1989.-V. 176.-P. 83-188.

136. Beyer, A. Germanium islands embedded in strained silicon quantum wells grown on patterned substrates / A. Beyer, E. Miiller, H. Sigg, S. Stutz, C. David, K. Ensslin, D. Griitzmacher // Microelectronics Journal. 2002. - V. 33. - P. 525-529.

137. Medeiros-Ribeiro, G. Annealing of Ge nanocrystals on Si(001) at 550 °C: Metastability of huts and the stability of pyramids and domes / G. Medeiros-Ribeiro, Т. I. Kamins,

138. D. A. A. Ohlberg, R. S. Williams // Physical Review B. 1998. -V. 58. - P. 3533-3536.

139. Goryll, M. Bimodal distribution of Ge islands on Si(001) grown by LPCVD / M. Goryll, L. Vescan, H. Luth // Materials Science and Engineering B. 2000. - V. 69-70 - P. 251-256.

140. Kastner, M. Kinetically Self-Limiting Growth of Ge Islands on Si(001) / M. Kastner,

141. B. Voigtlander // Physical Review Letters. 1999. - V. 82. - P. 2745-2748.

142. Venables, J. A. Nucleation and growth of thin films / J. A. Venables, G. D. T. Spiller, M. Hanbucken // Reports on Progress in Physics. 1984. - V. 47. - P. 399-459.

143. Meyer, Т. Surface electronic structure modifications due to buried quantum dots / T. Meyer, M. Klemenc, H. von Kanel // Physical Review B. 1999. - V. 60. - P. R8493-R8496.

144. Xie, Y. H. Semiconductor Surface Roughness: Dependence on Sign and Magnitude of Bulk Strain / Y. H. Xie, G. H. Gilmer, C. Roland, P. J. Silverman, S. K. Buratto, J. Y. Cheng,

145. E. A. Fitzgerald, A. R. Kortan, S. Schuppler, M. A. Marcus, P. H. Citrin // Physical Review Letters. 1994. - V. 73. - P. 3006-3009.

146. Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. Л. Бонч-Бруевич,

147. C. Г. Калашников // М.: Мир. 1977. - С. 126.

148. Sutter, P. Embedding of Nanoscale 3D SiGe Islands in a Si Matrix / P. Sutter, M. G. Lagally // Physical Review Letters. 1998. - V. 81. - P. 3471-3474.

149. Usami, N. Intense photoluminescence from Si-based quantum well structures with neighboring confinement structure / N. Usami, Y. Shiraki, S. Fukatsu // Journal of Crystal Growth. 1995. - V. 157. - P. 27-30.

150. Список работ автора по теме диссертации

151. A8. Shaleev, M. V. Photoluminescence of Ge(Si) self-assembled islands embedded in a ^ tensile-strained Si layer / M. V. Shaleev, A. V. Novikov, A. N. Yablonskiy, Y. N. Drozdov,

152. D. N. Lobanov, Z. F. Krasilnik, O. A. Kuznetsov // Applied Physics Letters. 2006. - V. 88. -P. 011914.

153. A9. Востоков, H. В. Особенности формирования Ge(Si) островков на релаксированных Sii-jcGe^/Si(001) буферных слоях / H. В. Востоков, Ю. Н. Дроздов, 3. Ф. Красильник,

154. О. А. Кузнецов, Д. Н. Лобанов, А. В. Новиков, М. В. Шалеев // ФТП. 2006. - Т. 40. Вып. 2. - С. 235-239.

155. А17. Shaleev, М. V. Effect of Ge deposition rate on growth and optical properties of Ge(Si)/Si(001) self-assembled islands / M. V. Shaleev, Z. F. Krasilnik, D.N. Lobanov,

156. A. V. Novikov, N. V. Vostokov, A. N. Yablonsky // 5th Annual International Siberian Workshop on Electronic Devices and Materials: Proceedings, Erlagol, Altay, Russia, July 1-5, 2004. -P.24-27.

157. А19. Новиков, А. В. Релаксированные SiiJ;Gex/Si(001) буферные слои с малой шероховатостью поверхности / А. В. Новиков, О. А. Кузнецов, Ю. Н. Дроздов,

158. B. А. Перевощиков, М. В. Шалеев, Н. В. Востоков, 3. Ф. Красильник // Пятый международный российско-украинский семинар «Нанофизика и наноэлектроника»: Тезисы докладов, Санкт-Петербург, Россия, 17-19 июня 2004. С. 24.