автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Люминесцентные свойства гетероструктур Si/SiGe, легированных примесью эрбия

На правах рукописи

Красильникова Людмила Владимировна

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР в^ве, ЛЕГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЬЮ ЭРБИЯ

05.27 01 —твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003174199

Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель. доктор физико-математических наук,

профессор Красильник Захарий Фишелевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Теруков Евгений Иванович

кандидат физико-математических наук, доцент Филатов Дмитрий Олегович

Ведущая организация Казанский государственный университет,

физический факультет

Защита состоится 1 ноября 2007 г в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098 01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, г Нижний Новгород, ГСП-105)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН

Автореферат разослан 1 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

К. П. Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Создание эффективного источника излучения на кремнии является одной из приоритетных задач оптоэлектроники Интенсивные исследования, проводимые в последнее время в этой области, открывают новые возможности и решения в создании светоизлучающих структур на кремнии Особый интерес здесь представляют структуры кремния, легированного редкоземельной примесью эрбия Излу-чательный переход 4113/2—>4115/2 иона Ег3+ на длине волны 1,54 мкм совпадает с окном прозрачности кварцевого волокна, что позволяет говорить о перспективах использования структур на основе 81 Ег в системах волоконно-оптической связи К настоящему времени на основе кремния, легированного эрбием, разработан целый ряд приборных структур, работающих в диапазоне температур от 4,2 до 300 К [1] Кроме того, как показывают результаты теоретического анализа [А1], коэффициент усиления в структурах БгЕг с выделенным типом оптически активных центров может достигать значительной величины, порядка 30 см"1, что позволяет говорить о перспективах создания лазера

Одним из необходимых условий для создания лазерных структур на основе Ег является эффективная локализация излучения в активном слое Возможным вариантом реализации этого условия может быть использование гетероструюур 81/811.хОех Ег/81 с активным волноведущим каналом 81]_хОех, легированным эрбием Показатель преломления слоев 81!_хСех зависит от содержания германия (х) и составляет п3,1-хОех > 3,53 при х > 10% [2], обеспечивая, таким образом, необходимый для формирования эффективного волновода скачок показателя преломления

К моменту проведения исследований, результаты которых приведены в данной диссертации, было известно лишь незначительное число работ, посвященных изучению люминесцентных свойств легированных эрбием структур с гетерос-лоями 811_хСех В частности, авторы работы [3], исследовавшие возможность совмещения люминесцентных свойств иона эрбия и волноводных свойств слоев 811_хОех на кремнии, показали, что в многослойных структурах З^^Ое*/ при легировании ионами Ег3+ слоев 811_хОех интенсивность эрбиевой фотолюминесценции значительно выше, чем при легировании ионами Ег3+ слоев В литературе обсуждалось также влияние упругих напряжений, возникающих в структурах Ег/811.хОех и 81].хОех Ег/81 на интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия [4, 5] и увеличение эффективности электролюминесценции в содержащих слой 811_хОех светоизлучающих диодных и транзисторных структурах с активным слоем Ег [6, 7] Содержание германия во всех исследовавшихся слоях 811_хОех не превышало 16,5% Отсутствовали систематические исследования люминесцентных свойств легированных эрбием слоев 811_хОех, в том числе, с достаточной

3

для волноводного распространения излучения толщиной слоя и содержанием германия в нем

В данной диссертационной работе изучены люминесцентные свойства структур с легированными эрбием гетерослоями 811_хОех толщиной до 2,3 мкм и содержанием германия до 30% Исследованы процессы формирования оптически активных центров иона Ег3+, вносящих преимущественный вклад в сигнал фотолюминесценции В исследованных гетероструктурах проведен теоретический и экспериментальный анализ таких важных с точки зрения оптоэлектронных приложений характеристик, как волноводное распространение излучения, квантовая эффективность фотолюминесценции и условия достижения инверсной населенности энергетических состояний иона Ег3+

Цели работы

1 Изучение люминесцентных свойств гетероэпитаксиальных структур 81/811_хСгех Ег/81 Экспериментальное исследование эффективности эрбиевой фотолюминесценции (ФЛ) и особенностей ФЛ ионов Ег3+ в слоях 811_хОех Ег в зависимости от их структурных параметров

2 Изучение оптически активных центров иона Ег3+, преобладающих в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции структур 81/811_хОех Ег/81 Определение условий их формирования и температурной зависимости интенсивности ф отолюминесценции

3 Проведение теоретического анализа и экспериментальных исследований вол-новедущих свойств гетероструктур 81/811_хОех Ег/81 на длине волны 1,54 мкм

4 Поиск условий достижения инверсной населенности энергетических уровней иона Ег3+ при оптическом возбуждении

Научная новизна

1 Проведено исследование люминесцентных свойств гетероструктур 81/811_хОех Ег с содержанием германия до 30%, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа

2 Определена внешняя и внутренняя квантовая эффективность фотолюминесценции в структурах 81/811.хОех.Ег/81 при температурах Т = 4,2 К и Т = 11 К

3 В структурах 81/81].хОех Ег/81 обнаружен новый оптически активный центр иона Ег3+ - центр Ег-Ое1 Определены условия формирования данного центра в зависимости от состава твердого раствора 81,.хОех

4 Экспериментально показано наличие волноводного характера распространения излучения на длине волны 1,54 мкм в структурах 81/811_хОех Ег/81

5 Показана возможность достижения инверсной населенности уровней ионов Ег3+ в структурах 81/81].хСех Ег/81 Проведены детальные исследования зави-

симости концентрации оптически активных центров иона эрбия, находящихся в возбужденном состоянии, от плотности мощности оптического возбуждения

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость полученных результатов заключается в определении основных закономерностей люминесценции эрбиевой примеси в гетероструктурах Si/Sii.xGex Er/Si с содержанием германия до 30%, выявлении условий формирования оптически активных центров редкоземельной примеси в этих материалах, их взаимодействия с другими примесями и дефектами структуры Установлено, что при х > 25% в спектре фотолюминесценции структур Si/Sii.xGex Er/Si доминирует германий-содержащий оптически активный эрбиевый центр Er-Gel, не характерный для легированных эрбием слоев кремния Определена внутренняя квантовая эффективность ФЛ ионов Ег3+ в структурах Si/Sii_xGex.Er/Si, значение которой достигает 15% при Т= 4,2 К

Практическая значимость работы заключается в обнаружении таких важных с точки зрения приборных применений свойств, как достижение инверсной заселенности уровней иона Ег3+ и волноводное распространение излучения с длиной волны 1,54 мкм в структурах Si/Sii_xGex Er/Si

Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания фундаментальных свойств легированных эрбием кремний-германиевых структур, так и для изучения физических основ их возможных оптоэлектронных приложений

Основные положения, выносимые на защиту

1 В слоях Si/Sii_xGex Ег, выращенных методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа, формируются оптически активные центры иона Ег3+, свойства которых зависят от молевого состава твердого раствора и содержания кислорода в нем

2 Внутренняя квантовая эффективность ФЛ центров иона Ег3+ в структурах Si/Sii.xGex Ег при Т = 4,2 К достигает значений, сравнимых с аналогичной величиной для структур Si/Si Ег

3 В эпитаксиальных слоях Si^Ge^Er с содержанием германия > 25% формируется оптически активный центр иона Ег3+, центр Er-Gel, с линиями люминесценции 6508,1 см'1, 6481,6 см"1, 6468,1 см"1, 6443,5 см"1, 6423,8 см"1, 6333 см"1, 6303 см"1, не характерный для легированных эрбием слоев кремния

4 Степень релаксации гетерослоя Sii_xGex Ег оказывает незначительное влияние на интенсивность люминесценции примеси Ег в условиях оптического возбуждения

5 При высоких уровнях оптического возбуждения (Ртзб > 0,05 Вт/см2) в структурах Si/Si]_xGex Ег достигается инверсная заселенность энергетических уровней иона Ег3+

6 Структуры Si/Sii.xGex Er/Si с толщиной слоя твердого раствора ~ 1 мкм обеспечивают волноводный характер распространения излучения на длине волны 1,54 мкм

Личный вклад автора в получение результатов

- определяющий в исследование люминесцентных свойств эпитаксиальных гетерослоев Si,.xGex и Sii.xGex Ег, полученных методом сублимационной МЛЭ, в изучение люминесцентных особенностей примеси Ег в гетерострук-турах Si/Sii_xGex Er/Si в зависимости от их структурных параметров, условий возбуждения и температуры измерений (совместно с М В Степиховой, В Г Шенгуровым, В Ю. Чалковым [Al, А2, А7, А9 - А15, А18, А20 - А24, А26]),

- основной в проведение экспериментальных исследований и теоретических оценок квантовой эффективности фотолюминесценции гетероструктур Si/Sii_xGex Er/Si (совместно с Б А Андреевым [А7, А20, А21, А26]),

- основной в обнаружение и анализ энергетической структуры оптически активного центра иона Ег3+, центра Er-Gel, в определение условий его формирования в эпитаксиальных слоях Sii.xGex Ег (совместно с М В Степиховой и Н А Байдаковой [А25]),

- равноценный в исследование люминесцентных свойств гетероструктур Si/Sii_xGex Er/Si в условиях сильного оптического возбуждении и определение условий достижения инверсной населенности энергетических уровней иона Ег3+ в этих материалах (совместно с Д М Жигуновым, В Ю Тимошенко и М В Степиховой [A3, А4, А6 - А8, А16, Al8, А20, А21, А26]),

- основной в проведение теоретического анализа, и равноценный - в подготовку и проведение экспериментальных исследований волноведущих свойств гетероструктур Si/Sii.xGex Er/Si в диапазоне длин волн 1,54 мкм (совместно с А А Дубиновым, В В Ивановым и С С Уставщиковым [А4 - А8, А18, А19, А26])

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях в реферируемых научных журналах и сборниках, и докладывались на 15 международных, национальных и всероссийских конференциях и совещаниях международном совещании НАТО по передовым направлениям исследований в области создания лазера на кремнии (NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser", Тренто, Италия, 2002г), 32-ой международной школе по физике полупроводниковых соединений (XXXII International School on the Physics of Semiconductmg Compounds "Jaszowiec 2003", Яшовец, Польша, 2003г), 12 меж-

дународном Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных редкоземельными ионами и ионами переходных металлов (XII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals activated by rare-earth and transitional metal ions, Екатеринбург, Россия, 2004г), 11 национальной конференции по росту кристаллов "НКРК-2004" (Москва, Россия, 2004г), 5-ой международной конференции по фотонике, приборам и системам (The 5th International Conference on Photonics, Devices and Systems "PHOTONICS PRAGUE 2005", Прага, Чехия, 2005г ), 3-й международной конференции по материалам для передовых технологий и 9-ой международной конференции по передовым материалам (3rd Int Conference on Materials for Advanced Technologies ICMAT-2005 & 9th Int Conference on Advanced Materials ICAM-2005, Сингапур, 2005), международных конференциях Европейского материаловедческого сообщества (E-MRS Spring Meeting, Страсбург, Франция 2004г , 2005г, 2007г, Ницца, Франция, 2006г), 7-ой Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, Россия, 2005г ), всероссийском совещании "Нанофотоника 2004" (Н Новгород 2004г ), всероссийских симпозиумах "Нанофизика и наноэлектроника" (Н Новгород 2005г, 2006г, 2007г) Результаты работы были представлены на VIII и IX Нижегородской сессиях молодых ученых, а так же обсуждались на семинарах ИФМ РАН и ННГУ

Публикации

По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 9 статей в реферируемых научных журналах и сборниках и 17 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, симпозиумов и совещаний

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 58 рисунков и 2 таблицы Список цитируемой литературы включает 158 наименований, список публикаций автора по теме диссертации - 26 наименований

Основное содержание работы

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

В Главе 1 обсуждается состояние проблемы, которой посвящена диссертационная работа Глава представляет собой обзор литературы В первом параграфе обсуждаются имеющиеся в литературе сведения о методах получения и люминесцентных свойствах структур кремния, легированных эрбием. Рассмотрены известные типы оптически активных центров иона эрбия, формирующихся в структурах Si Ег, полученных различными методами. Приводятся данные о меха-

7

низмах и процессах возбуждения и девозбуждения ионов Ег3+ в кремниевых матрицах Освещаются вопросы приборных применений структур на основе 81 Ег, как реализованных к настоящему моменту, так и ожидаемых в перспективе

Во втором параграфе приводится обзор существующих типов волноведущих структур с волноводными слоями на основе кремния, в том числе и с гетерослоя-ми 811_хОех Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований волноводных свойств данных структур, а именно - модового состава, условий одномодовости и величины потерь Обсуждаются механизмы, вносящие основной вклад в значение величины потерь Рассмотрены основные структурные и оптические характеристики материала 811_хСех

В третьем параграфе обсуждаются известные из литературы результаты исследований люминесцентных свойств легированных эрбием структур с гетерос-лоями 81].хОех

В последующих главах представлены оригинальные результаты В Главе 2 дается описание структурных параметров исследованных образцов и способа их получения, приводятся методики анализа элементного состава, структурных свойств и свойств поверхности изучаемых структур В первом параграфе данной главы изложен метод роста исследуемых в работе легированных и нелегированных примесью эрбия гетероэпитаксиальных структур 81/81].хСех/81 Структуры выращивались методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа Дано подробное описание используемой методики и возможных режимов роста

Во втором параграфе приведено описание методик исследования примесного состава и структурных параметров легированных и нелегированных эрбием образцов 81/81!_хОех/81 В работе для этих целей использованы методы вторичной ионной масс-спектрометрии и рентгеновской дифракции Кратко изложен метод атомно-силовой микроскопии, использовавшийся для исследования морфологии поверхности выращенных структур

В третьем параграфе обсуждаются результаты проведенных в работе исследований зависимости содержания германия и концентрации редкоземельной примеси эрбия в слое 811_хОех от условий роста Рассматриваются процессы релаксации гетерослоев 811_хОех, в частности, их зависимость от температуры роста Приводятся условия роста исследуемых в настоящей работе легированных эрбием структур 81/811_хОех/81, а также результаты исследований элементного состава и структурных параметров выращенных слоев

Глава 3 посвящена исследованию люминесцентных свойств волноводных гетероэпитаксиальных структур 81/811_хОех Ег/81, выращенных методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа Основное внимание уделяется изучению спектров ФЛ, влиянию струк-

турных особенностей и примесного состава слоев на фотолюминесцентный отклик, изучению типов оптически активных центров иона Ег +, формирующихся в гетерослоях 811.хСех:Ег. В первом параграфе описана методика люминесцентных исследований.

Во втором параграфе представлены результаты исследований люминесцентных особенностей структур 81/811_хОех:Ег/81. Показано влияние молевого состава твердого раствора и содержания кислорода в нем на тип формирующихся оптически активных центров иона Ег3+ (рис. 1а, б). Рассмотрено влияние структурных параметров образцов Б1/811.хСех:Ег/81, в частности, толщины и степени релаксации гетерослоя на интенсивность фотолюминесценции редкоземельной примеси. В структурах с содержанием германия > 25% обнаружена серия линий фотолюминесценции (рис.1 б), не характерная для структур кремния, легированного эрбием.

Волновое число (см-1) Волновое число (см'1)

Рис. 1. Спектры ФЛ структур 81/811.хОех:Ег/31 с различным содержанием примеси кислорода (а) и молевым составом твердого раствора (б).

В третьем параграфе представлены результаты исследований обнаруженной серии линий ФЛ, проведенных с целью выяснения их принадлежности конкретному типу оптически активных центров иона эрбия. По результатам анализа зависимости интенсивности линий ФЛ от мощности возбуждающего излучения и

9

температуры измерений делается вывод о том, что в слоях 811_хОех:Ег, выращенных методом сублимационной МЛЭ, происходит формирование нового, германий содержащего центра иона Ег3+, центра Ег-Ое1, представленного серией линий 6508,1 см"', 6481,6 см"1, 6468,1 см"1, 6443,5 см"1, 6423,8 см"1, 6333 см"1, 6303 см"1 (рис. 2). Формирование центра Ег-Се1 происходит при содержании германия в слоях 8и_хОех:Ег большем, или равным 25%.

центр Ег-Ос!

6508,1

— J£> ?

6250 6300 6350 6400 6450 Волновое число (см"')

6500 6550

Il 5/2

205,2 175,4

84,3 64,6 40 26,5

0

Рис. 2. Серия линий фотолюминесценции центра Er-Gel, наблюдаемая в структуре Si/Sii_xGex:Er/Si с содержанием германия 28% и толщиной слоя Sii_xGex:Er, равной 0,75 мкм. На вставке подробно показана длинноволновая часть спектра, измеренная для образцов Si/Sii_xGex:Er/Si с х > 25%. Справа приведена энергетическая диаграмма центра Er-Gel (переходы с первого уровня мультиплета 41]3/2 на уровни мультиплета 4Ii5/2), полученная из данных ФЛ.

В четвертом параграфе представлены результаты оценки квантовой эффективности ФЛ исследуемых структур. Показано, что внешняя квантовая эффективность ФЛ структур Si/Sii.xGex:Er/Si достигает 0,28% при температуре 4,2 К и мощности возбуждающего излучения ~4 мВт. Полученная величина сравнима с внешней квантовой эффективностью ФЛ структур Si/Si:Er. Согласно проведенным расчетам, внутренняя квантовая эффективность ФЛ структур Si/Si1.xGex:Kr/Si при тех же условиях измерений может достигать ~ 15%.

В пятом параграфе обсуждаются результаты исследований температурных зависимостей фотолюминесценции. Рассмотрены вопросы, связанные с температурным гашением ФЛ в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si, где основная роль отводится процессам термической деактивации связанных на примеси эрбия экситонов и Оже-девозбуждению ионов Ег3+ на свободных носителях заряда.

В Главе 4 представлены результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований волноводных свойств гетероструктур 81/81,.хОех:Ег/81 на длине волны 1,54 мкм. В первом параграфе приведено описание методов расчета и результаты теоретического анализа планарных и гребенчатых волноводов 81/8Ь.хОех:Ег/8г Показана зависимость модового состава и степени локализации мод в слое 8Ь_хОех:Ег от параметров волноведущего и покровного слоев (содержания ве в слое 811_хОех:Ег, толщины слоев 81 и 511.хСех:Ег). Результаты расчетов приведены для структур с толщиной гетерослоя 81,.хСе>::Ег до 1,5 мкм и содержанием германия в нем от 10 до 60%. Показано, что максимальные значения коэффициента оптического ограничения (Г) в исследуемых волноводных структурах достигаются при значительных толщинах слоев 811_хОех:Ег с высоким содержанием германия в них (рис. 3). Например, значения Г > 0,8 могут быть реализованы в волноводных структурах с содержанием германия 10 - 60% при толщинах волноводного слоя, больших 1,2 - 0,4 мкм, соответственно.

Рис. 3. Зависимость коэффициента оптического ограничения для ТЕ мод в планарных волноводных структурах 81/511_хОех:Ег/81 от толщины активного слоя ¿эм-хОех Ег и содержания в нем германия х.

Во втором параграфе данной главы приводятся результаты исследований вол-новедущих свойств планарных структур 81/81]_хОех:Ег/81 на длине волны 1,54 мкм, проведенных методом низкокогерентной интерферометрии. Экспериментально продемонстрировано наличие волноводного характера распространения света с длиной волны 1,54 мкм в выращенных гетероэпитаксиальных структурах 81/81,_хаех:Ег/81.

Глава 5 посвящена исследованию люминесцентных свойств структур Э^/Б)(.хСех:Ег/81 при высоких уровнях оптического возбуждения, приводятся результаты исследований кинетики ФЛ структур при Рвоз6 > 0,05 Вт/см2. Определено условие, соответствующее порогу инверсной населенности энергетических уровней иона эрбия, и экспериментально продемонстрирована возможность достижения инверсной населенности состояний редкоземельных ионов Ег3+ в структурах Б ¡/в; 1. хОех: Е г/Б 1. В первом параграфе главы показано, что по результатам анализа кинетики ФЛ можно сделать вывод о соотношении концентраций ионов Ег3+, находящихся в основном и возбужденном состояниях (ТУ /Л^>). Величина N /ЫЕг определяется по соотношению времен нарастания (тнараст) и спада (тспада) сигнала ФЛ: N/ЫЕг = 1 - ттраст. / хспада, где условие N /ЫЕг = 0,5 соответствует пороговому условию инверсии населенностей.

Во втором параграфе описана методика экспериментальных исследований кинетики ФЛ и приведены характеристики структур 81/811_хОех:Ег/81, выбранных для данного типа исследований, и являющихся наиболее эффективными с точки зрения их люминесцентных свойств.

В третьем параграфе представлены результаты кинетических исследований ФЛ гетероструктур 81/81]_хОех:Ег/81 в условиях сильного оптического возбуждения. Исследования кинетики ФЛ были проведены для структур с разным типом оптически активных центров иона Ег3+. Показана зависимость времен нарастания и спада сигнала ФЛ от уровня оптического возбуждения при импульсном характере возбуждающего излучения (рис. 4а).

з.о

2.5

1" 2.0 К 1 с

г 1.5 а) а. ш 1.0

45 •

/ч

т

2 нараст.

2 спада

(а)

• ••

0.5 0.0

А А А

т

1 нараст. 0.01

/

1 спада

¿-'АМА-А

¿Лй-Д-Дй-Д

0.1

Плотность мощности возбуждения (Вт/см!) Плотность мощности возбуждения (Вт/см2)

Рис. 4. Зависимости времен нарастания и спада быстрой (г;) и медленной (т2) компонент сигнала ФЛ структуры 81/8Ь_хОех:Ег/81 на длине волны 1,537 мкм от плотности мощности оптического возбуждения (а). Величина N /МЕг в зависимости от плотности мощности возбуждающего излучения для структуры 81/81].хОех:Ег/81 (пунктир соответствует значению N/ЫЕг = 0,5) (б). Параметры структуры 81/811_хОех:Ег/81: х = 26%, ^п-хОехЕг= 1 мкм.

12

В четвертом параграфе на основе анализа соотношения времен нарастания и спада сигнала эрбиевой ФЛ делается вывод о возможности достижения инверсной населенности энергетических состояний иона Ег3+ в структурах Si/Sii_xGex Er/Si Сравниваются условия наблюдения инверсной населённости для разных типов оптически активных центров иона Ег3+ Показано, что при плотности мощности возбуждающего излучения ~2 Вт/см2 значение инверсии в исследованных структурах может достигать 4, что соответствует условию, когда 80% всех оптически активных ионов эрбия в Si/Si].xGex Er/Si находится в возбужденном состоянии (рис 46)

В пятом параграфе представлены результаты анализа исследованных зависимостей нарастания и спада сигнала ФЛ, полученных в образцах Si/Sii_xGex Er/Si с разными структурными параметрами Показана зависимость условий экспериментального обнаружения инверсной населенности энергетических уровней иона Ег3+ от эффективности возбуждения редкоземельной примеси, которая в свою очередь определяется степенью совершенства гетероэпитаксиальных структур В Заключении сформулированы основные результаты работы

Основные результаты работы

1 Исследованы люминесцентные свойства гетероэпитаксиальных структур Si/Si] _xGex Er/Si, выращенных методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа при Т = 500°С Интенсивность сигнала эрбиевой фотолюминесценции в структурах Si/Sii_xGex Er/Si растет с толщиной активного гетерослоя Si].xGex Ег Степень релаксации гетерослоя незначительно влияет на интенсивность сигнала ФЛ редкоземельной примеси

2 Проведена оценка квантовой эффективности фотолюминесценции исследованных структур Показано, что внешняя квантовая эффективность ФЛ гетерост-руктур Si/Sii_xGex Er/Si достигает 0,28% при Т = 4,2 К и мощности возбуждающего излучения ~ 4 мВт Полученная величина сравнима с внешней квантовой эффективностью ФЛ структур Si/Si Ег Внутренняя квантовая эффективность ФЛ структур Si/Sii.xGex Er/Si при Т = 4,2 К и мощности возбуждающего излучения ~ 4 мВт достигает величины -15%

3 В слоях Sii.xGex Ег обнаружен и идентифицирован оптически активный центр иона Ег3+, центр Er-Gel, представленный 7 линиями в спектрах ФЛ с максимумами, соответствующими волновым числам 6508,1 см"1, 6481,6 см"1, 6468,1 см"1, 6443,5 см"1, 6423,8 см"1, 6333 см"1, 6303 см"1 Формирование данного центра происходит при содержании германия в слоях более 25%

4 Проведен теоретический анализ волноведущих свойств планарных структур Si/Si,.xGex Er/Si Показано, что приемлемые значения коэффициента оптического ограничения в данных волноводах достигаются при значительных толщинах слоев Sii.xGex Ег с высоким содержанием германия в них Так, например, значения Г,

13

больше 0,8 для ТЕ мод реализуются в волноводных структурах с содержанием германия 10 - 60% при толщинах волноводного слоя, превышающих 1,2 - 0,4 мкм, соответственно Одномодовый режим в рассмотренных структурах для ТЕ мод реализуется при толщине волноводного слоя меньше 1,93 мкм, при содержании германия х = 10%, для структур с содержанием германия 60% соответствующая толщина активного слоя составляет 0,57 мкм Влияние толщины покровного слоя кремния на локализацию мод в волноводном слое существенным образом сказывается в структурах с малым содержанием германия (х ~ 10%)

5 Методом низкокогерентной интерферометрии показан волноводный характер распространения света с длиной волны 1,54 мкм в гетероэпитаксиальных структурах Si/Sii_xGex.Er/Si

6 Исследована кинетика фотолюминесценции структур Si/Sii_xGex Er/Si при высоких уровнях оптического возбуждения Показано, что при импульсном характере возбуждающего излучения времена нарастания и спада сигнала ФЛ зависят от уровня накачки На основании соотношения этих времен делается вывод о возможности достижения инверсной населённости энергетических состояний иона Ег3+ в структурах Si/Sii.xGex Er/Si При плотности мощности возбуждающего излучения ~2 Вт/см2 около 80% оптически активных ионов эрбия в структуре находится в возбужденном состоянии, что соответствует значению инверсии, равному 4

Список цитированной литературы

[1] Coffa, S Silicon-Based Optoelectronics / S Coffa, L Tsybeskov//MRS Bulletin -1998 -V 23, №4 -P 16-19

[2] Humhcek, J Properties of Strained and Relaxed Silicon Germanium // ed by E Kasper, INSPEC, the Institution of Electrical Engineers, London, UK- 1995 -P 121-131

[3] Neufeld, E Luminescence from erbium- and oxygen-doped SiGe grown by molecular beam epitaxy / E Neufeld, A Sticht, К Brunner, G Abstreiter, H Bay, Ch Buchal, H Holzbrecher//Thin Solid Films - 1998 -V 321, iss 1-2 -P 219-222

[4] Ishiyama, T Enhancing effect of tensile strain on photoluminescence of Er in Si on a SiGe layer / T Ishiyama, M Yoshida, Y Yamashita, Y Kamiura, T Date, T Hase-gawa, К Inoue, К Okuno // Physica В -2003 -V 340-342 -P 818-822

[5] Ishiyama, T Enhancement of photoluminescence at 1 54 (im from Er in strained Si and SiGe / T Ishiyama, S Yoneyama, Y Yamashita, Y Kamiura, T Date, T Hase-gawa, К Inoue, К Okuno//Physica В -2006 -V 376-377 -P 122-125

[6] Ni, Wei-Xin Light emitting SiGe/i-Si/Si Er О tunneling diodes prepared by molecular beam epitaxy / Wei-Xin Ni, Chun-Xia Du, Fabrice Duteil, Galia Pozina, Goran V Hansson//Thin Solid Films -2000 -V 369, iss 1-2 -P 414-418

[7] Du, Chun-Xia Efficient 1 54 |xm light emission from Si/SiGe/Si Er О transistors prepared by differential MBE / Chun-Xia Du, Fabrice Duteil, Goran V Hansson, Wei-Xin Ni//Materials Science and Engineering В -2001 -V 81,iss 1-3 -P 105-108

Список публикаций автора по теме диссертации

[Al] Krasilnik, Z F SMBE grown uniformly and selectively doped Si Er structures for LEDs and lasers / Z F Krasilnik, V Ya Aleshkin, В A Andreev, О В Gusev, W Jantsch, LV Krasilnikova, DI Kryzhkov, VP Kuznetsov, VG Shengurov, VB Shmagm, N A Sobolev, M V Stepikhova, A N Yablonsky // in "Towards the First Silicon Laser" Eds L Pavesi, S Gaponenko, L Dal Negro NATO Science Series Kluwer Academic Publishers -2003 -P 445-454

[A2] Красильникова, JIВ Анализ коэффициента усиления и исследование люминесцентных свойств гетероструктур Si/Si].xGex Er/Si, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в газовой фазе / Л В Красильникова, М В Степихова, Ю Н Дроздов, М Н Дроздов, 3 Ф Красильник, В Г Шен-гуров, В Ю Чалков, С П Светлов, О Б Гусев // ФТТ - 2005 - Т 47, вып 1 -С 90-94

[A3] Степихова, М В Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия / М В Степихова, Д М Жигунов, В Г Шенгуров, В Ю Тимошенко, Л В Красильникова, В Ю Чалков, С П Светлов, О А Шалыгина, П К Кашкаров, 3 Ф Красильник // Письма в ЖЭТФ - 2005 - Т 81, вып 10 - С 614617

[А4] Krasilnik, Z F Erbium doped silicon single- and multilayer structures for LED and laser applications / Z F Krasilnik, В A Andreev, T Gregorkiewicz, W Jantsch, MA J Klik, DI Kryzhkov, LV Krasil'mkova, VP Kuznetsov, H Przybylinska, D Yu Remizov, V G Shengurov, V В Shmagin, M V Stepikhova, V Yu Timoshenko, N Q Vmh, A N Yablonskiy, D M Zhigunov // m "Rare-Earth Doping for Optoelectronic Applications", Eds T Gregorkiewicz, Y Fujiwara, M Lipson, J M Zavada, Mat Res Soc Proc. - 2005. - V 866 - P 13-24

[A5] Stepikhova, M.V Observation of the population inversion of erbium ion states in Si/Sii_xGex Er/Si structures under optical excitation / M V Stepikhova, L V. Krasil'mkova, Z F Krasil'nik, V G Shengurov, V Yu Chalkov, D M Zhigunov, О A Shalygina, V Yu Timoshenko//Journal of Optical Materials -2006 -V 28, iss 6-7 -P 893-896

[A6] Krasilnik, Z F Single- and multilayer Si Er structures for LED and laser applications grown with sublimation MBE technique / Z F Krasilnik, В A Andreev, T Gregorkievicz, L V Krasil'mkova, V P Kuznetsov, H Przybylinska, D Yu Remizov, V В Shmagm, V G Shengurov, M V Stepikhova, V Yu Timoshenko, D M Zhigunov // in "Photonics, Devices, and Systems III", Eds Pavel Tomanek, Miroslav Hrabovsky, Mi-

roslav Miler, Dagmar Senderakova, Proc ofSPIE -2006 -V 6180 -P 61800L1-61800L8

[A7] Stepikhova, M Si/SiGe Ег/Si Structures for Laser Realization Theoretical Analysis and Luminescent Studies / M Stepikhova, L Krasil'nikova, Z Krasil'nik, V Shen-gurov, V Chalkov, S Svetlov, D Zhigunov, V Timoshenko, О Shalygma, P Kashkarov//Journal of Crystal Growth -2006 -V 288, iss 1 -P 65-69 [A8] Krasilnik, Z F Erbium doped silicon single- and multilayer structures for LED and laser applications / Z F Krasilnik, В A Andreev, T Gregorkievicz, W Jantsch, DI Kryzhkov, L V Krasilnikova, V P Kuznetsov, H Przybylinska, D Yu Remizov, V В Shmagin, M V Stepikhova, V Yu Timoshenko, N Q Vinh, A N Yablonskiy, DM Zhigunov//Journal of Materials Research -2006 -V 21, №3 -P 574-583 [A9] Светлов, СП Гетероструктуры Si/Si!.xGexEr/Si(100), выращенные методом сублимации кремния в среде германа /СП Светлов, В Ю Чалков, В Г Шенгу-ров, В Н Шабанов, С А Денисов, 3 Ф Красильник, JIВ Красильникова, М В Степихова, Д В Шенгуров, Ю Н Дроздов // Изв РАН Сер физическая - 2007 -Т 71, № 1 - С 118-120

[А 10] Krasilnik, Z F Sublimation molecular beam epitaxy grown uniformly and selectively doped Si Er structures for LEDs and lasers / Z F Krasilnik, V Y Aleshkin, В A Andreev, О В Gusev, W Jantsch, L V Krasilnikova, DI Krizhkov, V P Kuznetsov, E N Morozova, V G Shengurov, У В Shmagin, N A Sobolev, M V. Stepikhova, AN Yablonsky // NATO Advanced research workshop "Towards the first silicon laser"- Book of abstracts, Trento, Italy, September 21-26,2002 - Trento, ASIS, 2002 -P 46

[All] Krasil'nikova, L 3D growth and luminescent properties of SiGe nanostructures produced by the method of sublimation MBE in gas atmosphere / L Krasil'nikova, M Stepikhova, Yu Drozdov, V Shengurov, S Svetlov, V Chalkov, D Pavlov, P Shilyaev and Z Krasil'nik // XXXII International School on the Physics of Semiconducting Compounds "Jaszowiec 2003" Book of abstracts, Jaszowiec, Poland, May 30 -June 6, 2003 - Warsaw, Polish Academy of Sciences, Institute of physics, 2003 - P 146

[A 12] Красильникова, JIB Анализ коэффициента усиления и исследование люминесцентных свойств гетероструктур Si/Sii_xGex Er, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в газовой фазе / Л В. Красильникова, М В Степихова, Ю Н Дроздов, М Н Дроздов, 3 Ф Красильник, В Г Шенгуров, С П Светлов, В Ю Чалков // Нанофотоника Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, Россия, 2-6 мая 2004 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2004 - С 271-274

[А13] Krasil'nikova, L Gain analysis and luminescent studies of Si/Sii_xGex Er het-erostructures produced by the method of sublimation MBE in gas atmosphere / L Kra-

sil'nikova, M Stepikhova, Yu Drozdov, V Shmagin, Z Krasil'nik, V Shengurov, S. Svetlov, V Chalkov // E-MRS Spring Meeting Scientific programme, Strasbourg, France, May 24 - 28, 2004 - Strasbourg, 2004 - Al-PII 40

[A14] Krasil'mkova, L V Luminescent properties of Si/Si, _xGex Er/Si heterostructures produced by the method of sublimation MBE in gas atmosphere / L V Krasil'mkova, MV Stepikhova, YuN Drozdov, ZF Krasil'nik, VG Shengurov, SP Svetlov, V Yu Chalkov // Xll-th Feofilov symposium on spectroscopy of crystals activated by rare-earth and transitional metal ions Abstracts and program, Ekaterinburg, Russia, September 22-25,2004 - Ekaterinburg, Ural state technical umversity-UPI, 2004 - P 101

[A15] Чалков, В Ю Выращивание светоизлучающих структур Sii_xGex/Si методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / В Ю Чалков, В Г Шенгуров, С П Светлов, 3 Ф Красильник, Л В Красильникова, М В Сте-пихова // XI Национальная конференция по росту кристаллов "НКРК-2004" Сб трудов, Москва, Россия, 13-17 декабря, 2004 - М ИК РАН, 2004 - С 390 [А16] Stepikhova, М V Observation of the Population Inversion of Erbium Ion States in Si/Sii„xGex Er/Si Structures Under Optical Excitation / M V Stepikhova, L V Krasil'mkova, Z F Krasil'nik, V G Shengurov, V Yu Chalkov, D,M Zhigunov, О A Shalygina, V Yu Timoshenko // E-MRS Spring Meeting Scientific programme, Strasbourg, France, May 31 - June 3,2005 - Strasbourg, 2005 - C/PII 24 [A17] Krasilmk, Z F Smgle- and multilayer Si Er structures for LED and laser applications grown with sublimation MBE technique / ZF Krasilmk, В A Andreev, T Gregorkievicz, L V Krasil'mkova, V P Kuznetsov, H Przybylinska, D Yu Remizov, V В Shmagin,VG Shengurov,MV Stepikhova,VYu Timoshenko,DM Zhigunov//The 5th International Conference on Photonics, Devices and Systems "PHOTONICS PRAGUE 2005" Book of abstracts, Prague, Czech Republic, June 8 - 11, 2005 - Prague, SPIE, 2005 -P 69-70

[A18] Stepikhova, M Si/SiGeEr/Si Structures for Laser Realization Theoretical Analysis and Luminescent Studies / M Stepikhova, L Krasil'mkova, Z Krasil'nik, V Shengurov, V Chalkov, S Svetlov, D Zhigunov, V Timoshenko, О Shalygina, P Kashkarov // The 3rd Int Conference on Materials for Advanced Technologies ICMAT-2005 & 9th Int Conference on Advanced Materials ICAM-2005 Book of abstracts, Singapore, Singapore, July 3-8,2005 - Singapore, 2005 -P 23 [A19] Красильникова, Л В Волноводные структуры Si/Sii_xGex Er/Si для создания лазера на Si Er теоретический анализ / Л В Красильникова, М В Степихова, А А Дубинов, 3 Ф Красильник // Нанофизика и наноэлектроника Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 25—29 марта 2005 -Нижний Новгород ИФМ РАН, 2005 -С 437-438

[А20] Красильникова, Л В Волноводные структуры Si/Si!.xGex Er/Si для создания лазера на кремнии теоретический анализ и люминесцентные свойства / Л В Красильникова, M В Степихова, А А Дубинов, 3 Ф Красильник, В Г Шенгуров, В Ю Чалков, Д M Жигунов, В Ю Тимошенко // VII Российская конференция по физике полупроводников Тезисы докладов, Звенигород, Россия, 18-23 сентября

2005 -М ФИАН,2005 -С 104

[А21] Красильникова, Л В Люминесцентные свойства легированных эрбием структур на основе кремния в условиях сильного оптического возбуждения / Л В Красильникова, Д M Жигунов, О А Шалыгина, В Ю Тимошенко, M В Степихова, В Г Шенгуров, 3 Ф Красильник // Нанофизика и наноэлектроника Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 13—17 марта 2006 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2006 - С 332-333

[А22] Светлов, С.П Гетероструктуры Si/Si!_xGex Er/Si(100), выращенные методом сублимации кремния в среде германа /СП Светлов, В Ю Чалков, В Г Шенгуров, В H Шабанов, С А Денисов, 3 Ф Красильник, Л В Красильникова, M В Степихова, Д В Шенгуров, Ю H Дроздов // Нанофизика и наноэлектроника Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 13-17 марта

2006 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2006 -С 301-302

[А23] Андреев, Б А Люминесцентные свойства редкоземельных элементов в кремнии / Б А Андреев, 3 Ф Красильник, Л В Красильникова, Д И Крыжков, В П Кузнецов, Д Ю Ремизов, M В Степихова, В Ю Чалков, В Г Шенгуров, В Б Шмагин, А H Яблонский // Нанофизика и наноэлектроника Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 13-17 марта 2006 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2006 - С. 55

[А24] Izeddin, I Optical properties of Er doped SiGe / I Izeddin, В A Andreev, L V Krasilnikova, V G Shengurov and T Gregorkiewicz // E-MRS Spring Meeting Scientific programme, Nice, France, May 29 - June 2, 2006 - Nice, 2006 - T12 06 [A25] Спиваков, А Г Люминесцентные и электрофизические свойства диодных гетероструктур Si/SiGe Er/Si / А Г Спиваков, Л В Красильникова, M В Степихова, 3 Ф Красильник, В Ю Чалков, В Г Шенгуров // Нанофизика и наноэлектроника- Материалы всероссийского симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 1014 марта2007 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2007 -С 430-431 [А26] Stepikhova, M Waveguiding and luminescent properties of Si/Si!_xGex Er/Si structures produced by the subliomation MBE technique / M Stepikhova, A Spivakov, L Krasilnikova, V Ivanov, Z Krasilnik, V Shengurov // E-MRS Spring Meeting Scientific programme, Strasbourg, France, May 28 - June 1, 2007 - Strasbourg, 2007 -C-ll 3

Красильникова Людмила Владимировна

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР в^Юе, ЛЕГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЬЮ ЭРБИЯ

Автореферат

Подписано к печати 13 09 2007 г Тираж 100 экз Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

1.1. 1.2. 1.3.

ГЛАВА 2.

ГЛАВА 3.

ГЛАВА 4.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ, ОПТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Si:Er, SiGe и SiGe:Er (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Люминесценция ионов Ег^ в кремниевых матрицах Оптические свойства гетероструктур Si/SiGe Люминесценция ионов Ег3+ в структурах с гетерослоями SiGe ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР Si/Sii.xGex:Er/Si Метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в атмосфере германа

Условия роста и параметры гетероструктур Si/Sii-xGex:Er/Si Структурный и элементный анализ гетероструктур Si/Sii.xGex:Er/Si Выводы к Главе

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР Si/Sii.xGex:Er/Si, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ В АТМОСФЕРЕ ГЕРМАНА Методика эксперимента

Люминесцентные свойства структур Si/Sii-xGex:Er/Si, выращенных в различных условиях Оптически активные центры иона Ег3+ в гетероструктурах Si/Sii.xGex:Er/Si

Квантовая эффективность люминесценции гетероструктур Si/Si 1 -xG^x:Er/Si в условиях оптического возбуждения Температурная зависимость фотолюминесценции Выводы к Главе

ВОЛНОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ Si/Sii-xGex:Er/Si Теоретический анализ планарных и гребенчатых волноводов на основе гетероструктур Si/Sii.xGex:Er/Si Исследование волноводных свойств структур Si/Sii.xGex:Er/Si

ГЛАВА

Актуальность темы

Создание эффективного источника излучения на кремнии является одной из приоритетных задач оптоэлектроники. Интенсивные исследования, проводимые в последнее время в этой области, открывают новые возможности и решения в создании светоизлучающих структур на кремнии. Особый интерес здесь представляют структуры кремния, легированного редкоземельной примесью эрбия. Излучательный переход 4Ii3/2->4Ii5/2 иона Ег3+ на длине волны 1.54 мкм совпадает с окном прозрачности кварцевого волокна, что позволяет говорить о перспективах использования структур на основе Si:Er в системах волоконно-оптической связи. К настоящему времени на основе кремния, легированного эрбием, разработан целый ряд приборных структур, работающих в диапазоне температур от 4.2 до 300 К [1]. Кроме того, как показывают результаты теоретического анализа [А1], коэффициент усиления в структурах Si:Er с выделенным типом оптически активных центров может достигать значительной величины, порядка 30 см'1, что позволяет говорить о перспективах создания лазера.

Одним из необходимых условий для создания лазерных структур на основе Si:Er является эффективная локализация излучения в активном слое. Возможным вариантом реализации этого условия может быть использование гетероструктур Si/Sii-xGex:Er/Si с активным волноведущим каналом Sii-xGex, легированным эрбием. Показатель преломления слоев Sii-xGex зависит от содержания германия (X) и составляет nsn-xGex > 3.53 при X > 10% [2], обеспечивая, таким образом, необходимый для формирования эффективного волновода скачок показателя преломления.

К моменту проведения исследований, результаты которых приведены в данной диссертации, было известно лишь незначительное число работ, посвященных изучению люминесцентных свойств легированных эрбием структур с гетерослоями Sii-xGex- В частности, авторы работы [3] показали, что интенсивность эрбиевой фотолюминесценции многослойных, периодических структур Si/Sii-xGex/. значительно возрастает в случае легирования ионами Ег3"1" слоев Sii-xGex. В литературе обсуждалось влияние упругих напряжений, возникающих в структурах Si:Er/Sii-xGex и Sii.xGex:Er/Si на интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия [4, 5] и увеличение эффективности электролюминесценции в содержащих слой Si].xGex светоизлучающих диодных и транзисторных структурах с активным слоем Si:Er [6, 7]. Содержание германия во всех исследовавшихся слоях Sii-xGex не превышало 16.5%. Отсутствовали систематические исследования люминесцентных свойств легированных эрбием слоев Sij.xGex, в том числе с достаточной для волноводного распространения излучения толщиной слоя и содержанием германия в нем.

В данной диссертационной работе изучены люминесцентные свойства структур с легированными эрбием гетерослоями Sii-xGex толщиной до 2.3 мкм и содержанием германия до 30%. Исследованы процессы формирования оптически активных центров иона еЛ вносящих преимущественный вклад в сигнал фотолюминесценции. В исследованных гетероструктурах проведен теоретический и экспериментальный анализ таких важных, с точки зрения оптоэлектронных приложений, характеристик, как волноводное распространение излучения, квантовая эффективность фотолюминесценции и условия достижения инверсной населённости энергетических состояний иона Ег34".

Цели работы:

1. Изучение люминесцентных свойств гетероэпитаксиальных структур Si/Sii-xGex:Er/Si. Экспериментальное исследование эффективности эрбиевой фотолюминесценции (ФЛ) и особенностей ФЛ ионов Ег3"1" в слоях Sii-xGex:Er в зависимости от их структурных параметров.

2. Изучение оптически активных центров иона Ег3"1", преобладающих в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции структур Si/Sii-xGex:Er/Si. Определение условий их формирования и температурной зависимости интенсивности фотолюминесценции.

3. Проведение теоретического анализа и экспериментальных исследований волноведущих свойств гетероструктур Si/Sii-xGex:Er/Si на длине волны 1.54 мкм.

4. Поиск условий достижения инверсной населенности энергетических уровней иона Ег3"1" при оптическом возбуждении.

Научная новизна работы

1. Проведено исследование люминесцентных свойств гетероструктур Si/Sii-xGex:Er с содержанием германия до 30%, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа.

2. Определена внешняя и внутренняя квантовая эффективность фотолюминесценции в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si при температурах Т = 4.2 К и Т= 77 К.

3. В структурах Si/Sii-xGex'.Er/Si обнаружен новый оптически активный центр иона Ег3"1" -центр Er-Gel. Определены условия формирования данного центра в зависимости от состава твердого раствора Sii-xGex.

4. Экспериментально показано наличие волноводного характера распространения излучения на длине волны 1.54 мкм в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si.

5. Показана возможность достижения инверсной населённости уровней ионов Ег3+ в структурах Si/Sij-xGex:Er/Si. Проведены детальные исследования зависимости концентрации оптически активных центров иона эрбия, находящихся в возбужденном состоянии, от плотности мощности оптического возбуждения.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость полученных результатов заключается в определении основных закономерностей люминесценции эрбиевой примеси в гетероструктурах Si/Sii-xGex:Er/Si с содержанием германия до 30%, выявлении условий формирования оптически активных центров редкоземельной примеси в этих материалах, их взаимодействия с другими примесями и дефектами структуры. Установлено, что при X > 25% в спектре фотолюминесценции структур Si/Sii.xGex:Er/Si доминирует германий-содержащий оптически активный эрбиевый центр Er-Gel, не характерный для легированных эрбием слоев кремния. Определена внутренняя квантовая эффективность ФЛ ионов Ег3+ в структурах Si/Sii-xGex:Er/Si, значение которой достигает 15% при Т= 4.2 К.

Практическая значимость работы заключается в обнаружении таких важных, с точки зрения приборных применений, свойств, как достижение инверсной заселенности уровней иона Ег3+ и волноводное распространение излучения с длиной волны 1.54 мкм в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si.

Полученные в работе новые результаты являются важными, как для понимания фундаментальных свойств легированных эрбием кремний-германиевых структур, так и для изучения физических основ их возможных оптоэлектронных приложений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В слоях Si/Sii-xGex:Er, выращенных методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа, формируются оптически активные центры иона Ег3+, свойства которых зависят от молевого состава твердого раствора и содержания кислорода в нем.

2. Внутренняя квантовая эффективность ФЛ центров иона Ег3"1" в структурах Si/Sii-xGex'.Er при Т = 4.2 К достигает значений, сравнимых с аналогичной величиной для структур Si/Si:Er.

3. В эпитаксиальных слоях Sii-xGex:Er с содержанием германия > 25% формируется оптически активный центр иона Ег3"1", центр Er-Gel, с линиями люминесценции

6508.1 см"1, 6481.6 см1, 6468.1 см"1, 6443.5 см"1, 6423.8 см"1, 6333 см"1, 6303 см"1, не характерный для легированных эрбием слоев кремния.

4. Степень релаксации гетерослоя Sii.xGex:Er оказывает незначительное влияние на интенсивность люминесценции примеси Ег в условиях оптического возбуждения.

5. При высоких уровнях оптического возбуждения (Рв0Эб > 0.05 Вт/см) в структурах Si/Sii.xGex:Er достигается инверсная заселенность энергетических уровней иона Ег3*.

6. Структуры Si/Sii.xGex:Er/Si с толщиной слоя твердого раствора ~ 1 мкм обеспечивают волноводный характер распространения излучения на длине волны 1.54 мкм.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях в реферируемых научных журналах и сборниках, и докладывались на 15 международных, национальных и всероссийских конференциях и совещаниях: международном совещании НАТО по передовым направлениям исследований в области создания лазера на кремнии (NATO Advanced Research Workshop 'Towards the first silicon laser", Тренто, Италия, 2002г.); 32-ой международной школе по физике полупроводниковых соединений (XXXII International School on the Physics of Semiconducting Compounds "Jaszowiec 2003", Яшовец, Польша, 2003г.); 12 международном Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных редкоземельными ионами и ионами переходных металлов (XII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals activated by rare-earth and transitional metal ions, Екатеринбург, Россия, 2004г.); 11 национальной конференции по росту кристаллов "НКРК-2004" (Москва, Россия, 2004г.); 5-ой международной конференции по фотонике, приборам и системам (The 5th International Conference on Photonics, Devices and Systems "PHOTONICS PRAGUE 2005", Прага, Чехия, 2005г.); 3-й международной конференции по материалам для передовых технологий и 9-ой международной конференции по передовым материалам (3rd Int. Conference on Materials for Advanced Technologies ICMAT-2005 & 9th Int. Conference on Advanced Materials ICAM-2005, Сингапур, 2005); международных конференциях Европейского материаловедческого сообщества (E-MRS Spring Meeting, Страсбург, Франция 2004г., 2005г., 2007г., Ницца, Франция, 2006г.); 7-ой Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, Россия, 2005г.); всероссийском совещании "Нанофотоника 2004" (Н. Новгород 2004г.); всероссийских симпозиумах "Нанофизика и наноэлектроника" (Н. Новгород 2005г., 2006г., 2007г.). Результаты работы были представлены на VIII и IX Нижегородской сессиях молодых ученых, а так же обсуждались на семинарах ИФМ РАН и ННГУ.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [А1-А26]. Полный список опубликованных работ по теме диссертации включает 9 статей в реферируемых научных журналах и сборниках и 17 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, симпозиумов и совещаний. Список работ приводится в заключительном разделе диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы, содержащего 158 наименований. Объем диссертации составляет 145 страниц, включая 58 рисунков и 2 таблицы.

5.6. Выводы к Главе 5

Проведены исследования кинетики фотолюминесценции структур Si/Si[.xGex:Er/Si при высоких уровнях оптического возбуждения. Показано, что по результатам исследований и анализа кинетики ФЛ можно судить о соотношении концентраций ионов Ег3*, находящихся в основном и возбужденном состояниях. Экспериментально продемонстрирована возможность достижения инверсной населённости энергетических состоянии иона Ег3* в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si. Показано, что при плотности мощности возбуждающего излучения ~2 Вт/см2 значение инверсии в исследованных структурах может достигать 4, что соответствует условию нахождения -80% оптически активных ионов эрбия в возбужденном состоянии. Особое внимание было уделено исследованию кинетик ФЛ для различных типов оптически активных центров иона Ег3*, а также изучению зависимостей нарастания и спада сигнала ФЛ центров одного типа, формирующихся в образцах с разными структурными характеристиками. Продемонстрирована зависимость условий экспериментального наблюдения инверсной населенности от типа оптически активных центров иона эрбия и степени совершенства гетероэпитаксиальных структур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований люминесцентных и волноводных свойств гетероструктур Si/Si i -xGex:Ег/Si получены следующие основные результаты:

1. Исследованы люминесцентные свойства гетероэпитаксиальных структур Si/SiuxGex:Er/Si, выращенных методом сублимационной МЛЭ кремния и эрбия из поликристаллических источников в атмосфере германа при Т = 500°С. Интенсивность сигнала эрбиевой фотолюминесценции в структурах Si/Sii.xGex:Er/Si растет с толщиной активного гетерослоя Sii-xGex:Er. Степень релаксации гетерослоя незначительно влияет на интенсивность сигнала ФЛ редкоземельной примеси.

2. Проведена оценка квантовой эффективности фотолюминсценции исследованных структур. Показано, что внешняя квантовая эффективность ФЛ гетероструктур Si/Sii.xGex:Er/Si достигает 0.28% при Т = 4.2 К и мощности возбуждающего излучения ~ 4 мВт. Полученная величина сравнима с внешней квантовой эффективностью структур Si/Si:Er. Внутренняя квантовая эффективность ФЛ структур Si/Sii-xGex:Er/Si при Т= 4.2 К и мощности возбуждающего излучения ~ 4 мВт достигает величины ~ 15%.

3. В слоях Sii-xGex:Er обнаружен и идентифицирован оптически активный центр иона Ег3+, центр Er-Gel, представленный 7 линиями в спектрах ФЛ с максимумами, соответствующими волновым числам 6508.1 см*1, 6481.6 см"1, 6468.1 см"1, 6443.5 см"1, 6423.8 см"1, 6333 см'1, 6303 см'1. Формирование данного центра происходит при содержании германия в слоях более 25%.

4. Проведен теоретический анализ волноведущих свойств планарных структур Si/Sii-xGex:Er/Si. Показано, что приемлемые значения коэффициента оптического ограничения в данных волноводах достигаются при значительных толщинах слоев Sii-xGex:Er с высоким содержанием германия в них. Так, например, значения Г > 0.8 для ТЕ мод реализуются в волноводных структурах с содержанием германия 10 - 60% при толщинах волноводного слоя > 1.2 - 0.4 мкм, соответственно. Одномодовый режим в рассмотренных структурах для ТЕ мод реализуется при толщине волноводного слоя < 1.93 мкм, при содержании германия X = 10%, для структур с содержанием германия 60% соответствующая толщина активного слоя составляет 0.57 мкм. Влияние толщины покровного слоя кремния на локализацию мод в волноводном слое существенным образом сказывается в структурах с малым содержанием германия (X ~ 10%).

5. Методом низкокогерентной интерферометрии показан волноводный характер распространения света с длиной волны 1.54 мкм в гетероэпитаксиальных структурах Si/Si,.xGex:Er/Si.

6. Исследована кинетика фотолюминесценции структур Si/Sii.xGex:Er/Si при высоких уровнях оптического возбуждения. Показано, что при импульсном характере возбуждающего излучения времена нарастания и спада сигнала ФЛ зависят от уровня накачки. На основании соотношения этих времен делается вывод о возможности достижения инверсной населённости энергетических состояний иона Ег3* в структурах Si/Si 1 -xGex:Er/Si. При плотности мощности возбуждающего излучения ~2 Вт/см2 около 80% оптически активных ионов эрбия в структуре находится в возбужденном состоянии, что соответствует значению инверсии, равному 4. * *

В заключение автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю, профессору З.Ф. Красильнику и М.В. Степиховой за интересную тему, постоянное внимание к работе и всестороннюю поддержку, оказанные при подготовке диссертационной работы. Автор благодарит В.Г. Шенгурова, В.Ю. Чалкова и других сотрудников группы эпитаксиальных технологий НИФТИ ННГУ за предоставленные для исследований образцы и сотрудничество в разработке структур Si/Sii-xGex:Er/Si, выращиваемых методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии из поликристаллических источников в атмосфере гармана; Ю. Н. Дроздова за проведение рентгенодифракционных измерений, Б. Я. Бера за проведение ВИМС-анализа структур Si/Sii.xGex:Er/Si; П.А. Шиляева и М.В. Шалеева за АСМ исследования морфологии поверхности изученных в работе гетероструктур. Автор благодарен сотрудникам отдела 120 ИФМ РАН В.В. Иванову и С.С. Уставщикову, а также профессору МГУ В.Ю. Тимошенко и коллективу кафедры общей физики и молекулярной электроники МГУ за плодотворные совместные исследования и обсуждение полученных результатов. Автор выражает признательность сотрудникам отдела 110 ИФМ РАН за плодотворные дискуссии, ценные советы и доброжелательную поддержку в процессе написания диссертационной работы.

1. Список публикаций автора по теме диссертации

2. Shengurov, M.V. Stepikhova, V.Yu. Timoshenko, D.M. Zhigunov // in "Photonics, Devices, and Systems III", Eds. Pavel Tomanek, Miroslav Hrabovsky, Miroslav Miler, Dagmar Senderakova, Proc. of SPIE. 2006. - V. 6180. - P. 61800L1-61800L8.

3. Публикации в сборниках трудов конференций, симпозиумов и совещаний:

4. A12. Красильникова, JI.B. Анализ коэффициента усиления и исследование люминесцентных свойств гетероструктур Si/Sii-xGex:Er, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в газовой фазе / JI.B.

5. Список цитируемой литературы

6. Coffa, S. Silicon-Based Optoelectronics / S. Coffa, L. Tsybeskov // MRS Bulletin. 1998. -V. 23, №4.-P. 16-19.

7. Humlicek, J. Properties of Strained and Relaxed Silicon Germanium // ed. by E. Kasper, INSPEC, the Institution of Electrical Engineers, London, U.K. -1995. P. 121-131.

8. Neufeld, E. Luminescence from erbium- and oxygen-doped SiGe grown by molecular beam epitaxy / E. Neufeld, A. Sticht, K. Brunner, G. Abstreiter, H. Bay, Ch. Buchal, H. Holzbrecher //Thin Solid Films. 1998.- V. 321, iss. 1-2. - P. 219-222.

9. Ishiyama, T. Enhancing effect of tensile strain on photoluminescence of Er in Si on a SiGe layer / T. Ishiyama, M. Yoshida, Y. Yamashita, Y. Kamiura, T. Date, T. Hasegawa, K. Inoue, K. Okuno // Physica B. 2003. - V. 340-342. - P. 818-822.

10. Ishiyama, T. Enhancement of photoluminescence at 1.54 цт from Er in strained Si and SiGe / T. Ishiyama, S. Yoneyama, Y. Yamashita, Y. Kamiura, T. Date, T. Hasegawa, K. Inoue, K. Okuno // Physica B. 2006. - V. 376-377. - P. 122-125.

11. Ni, Wei-Xin. Light emitting SiGe/i-Si/Si:Er:0 tunneling diodes prepared by molecular beam epitaxy / Wei-Xin Ni, Chun-Xia Du, Fabrice Duteil, Galia Pozina, Goran V. Hansson //Thin Solid Films. 2000. - V. 369, iss. 1-2. - P. 414-418.

12. Du, Chun-Xia. Efficient 1.54 pm light emission from Si/SiGe/Si:Er:0 transistors prepared by differential MBE / Chun-Xia Du, Fabrice Duteil, Goran V. Hansson, Wei-Xin Ni // Materials Science and Engineering B. 2001. - V. 81, iss. 1-3. - P. 105-108.

13. Ennen, H. 1.54-pm luminescence of erbium-implanted III-V semiconductors and silicon / H. Ennen, J. Schneider, G. Pomrenke, A. Axmann // Appl. Phys. Lett. 1983. - V. 43. - P. 943-945.

14. Берсукер, И. Б. Электронное строение и свойства координационных соединений / И. Б. Берсукер. // Л.: Химия, 1976. 348 с.

15. Lea, К. R. The raising of angular momentum degeneracy of f-electron terms by cubic crystal fields / K. R. Lea, M. J. M. Leask and W. P. Wolf// J. Phys. Chem. Solids. 1962. -V. 23.-P. 1381-1405.

16. Coffa, S. Direct evidence of impact excitation and spatial profiling of excited Er in light emitting Si diodes / S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo, A. Pacelli, A. Lacaita // Appl. Phys. Lett.- 1998.-V. 73.-P. 93-95.

17. Palm, J. Electroluminescence of erbium-doped silicon / J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L. C. Kimmerling // Physical Review B. 1996. - V. 54. - P. 17603-17615.

18. Rogers, J. L. Erbium-doped silicon films grown by plasma-enhanced chemical-vapor deposition / J. L. Rogers, P. S. Andry, W. J. Varhue, E. Adams, M. Lavoie, P.B. Klein // J. Appl. Phys. 1995. - V. 78, № 2. - P. 6241-6248.

19. Andry, P. S. Low-temperature growth of Si:Er by electron cyclotron resonance PECVD using metal organics / P. S. Andry, W. J. Varhue, E. Adams, R. Lavoie, P. B. Klein, R. Hengehold, J. Hunter // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. - V. 422. - P. 57.

20. Markman, M. Excitation efficiency of electrons and holes in forward and reverse biased epitaxially grown Er-doped Si diodes / M. Markman, E. Neufeld, A. Sticht, K. Brunner, G. Abstreiter // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 78. - P. 210-212.

21. Markman, M. Enchancement of erbium photoluminescence by substitutional С alloying of Si / M. Markman, E. Neufeld, A. Sticht, K. Brunner, G. Abstreiter, Ch. Buchal // Appl. Phys. Lett. 1999. - V. 75. - P. 2584-2586.

22. Eaglesham D. J. Microstructure of erbium-implanted Si / D. J. Eaglesham, J. Michel, E. A. Fitzgerald, D. C. Jacobson, J. M. Poate, J. L. Benton, A. Polman, Y.-H. Xie, L. C. Kimerling // Appl. Phys. Lett. -1991. V. 58, № 24. - P. 2797-2799.

23. Polman, A. Incorporation of high concentrations of erbium in crystal silicon / A. Polman, J. S. Custer, E. Snoeks, G. N. van den Hoven // Appl. Phys. Lett. 1993. - V. 62. - P. 507509.

24. Serna, R. Segregation and trapping of erbium during silicon molecular beam epitaxy / R. Serna, M. Lohmeier, P. M. Zagwijn, E. Vlieg, A. Polman // Appl. Phys. Lett. 1995. - V. 66, iss. 11.-P. 1385-1387.

25. Serna, R. Incorporation and optical activation of erbium in silicon using molecular beam epitaxy / R. Serna, J. H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman // J. Appl. Phys. 1996. -V. 79, iss. 5. - P. 2658-2662.

26. Favennec, P. N. Optical activation of Er3+ implanted in silicon by oxygen impurities / P. N. Favennec, H. L. Haridon, D. Moutonnet, M. Salvi, M. Gauneau // Jap. J. Appl. Phys. -1990. V. 29, № 4. - P. L524-L526.

27. Adler, D. L. Local structure of 1.54-pm-luminescence Er3+ implanted in Si / D. L. Adler, D. C. Jacobson, D. J. Eaglesham, M. A. Marcus, J. L. Benton, J. M. Poate, P. H. Citrin // Appl. Phys. Lett. -1992. V. 61. - P. 2181-2183.

28. Polman, A. Erbium in crystal silicon: optical activation, excitation, and concentration limits / A. Polman, G. N. van den Hoven, J. S. Custer, J. H. Shin, R. Serna, P. F. A. Alkemade // J. Appl. Phys. 1995. - V. 77. - P. 1256-1262.

29. Coffa, S. Temperature dependence and quenching processes of the intra-4f luminescence of Er in crystalline Si / S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo, A. Polman, R. Serna // Phys. Rev. B. -1994.-V. 49. P. 16313-16320.

30. Кузнецов, В. П. Слои кремния, полученные сублимацией в вакууме при температурах 600-1000°С из источников, легированных Р, As, Sb / В. П. Кузнецов, Р. А. Рубцова, Т. Н. Сергиевская, В. В. Постников // Кристаллография. 1971. - Т. 16. -С. 432-436.

31. Кузнецов, В. П. Получение высоколегированных эпитаксиальных слоев кремния при низких температурах / В. П. Кузнецов, А. Ю. Андреев, Н. А. Алябина // Электрон, пром-сть. 1990. - Т. 9. - С. 57-60.

32. Przybylinska, Н. Optically active erbium centers in silicon / H. Przybylinska, W. Jantsch, Yu. Suprun-Belevitch, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, G. Hendorfer, A. Kozanecki, R. J. Wilson, B. J. Sealy // Phys. Rev. B. 1996. - V. 54. - P. 2532-2547.

33. Jantsch, W. Erbium related centers in CZ-silicon / W. Jantsch, H. Przybylinska, Yu. Suprun-Belevich, M. Stepikhova, G. Hendorfer, L. Palmetshofer // Materials Science Forum. -1995. V. 196-201. - P. 609-614.

34. Jantsch, W. Different Er centers in Si and their use for electroluminescence devices / W. Jantsch, S. Lanzerstorfer, L. Palmetshofer, M. Stepikhova, H. Preier // Journal of Luminescence. 1999. - V. 80. - P. 9-17.

35. Степихова, M. В. Оптически активные центры ионов эрбия в кремниевых матрицах : дис. канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 : защищена 07.12.06 : утв. 11.05.07 / Степихова Маргарита Владимировна. Н. Новгород, 2006. - 144 с.

36. Wortman, D. Е. Optical spectra and analysis of Er3+ in silicon witn С, О and N impurities / D. E. Wortman, C. A. Morrison, J. L. Bradshaw // J. Appl. Phys. 1997. - V. 82, iss. 5. -P. 2580-2583.

37. Vinh, N. Q. Observation of Zeeman effect in photoluminescence of Er3+ ion imbedded in crystalline silicon / N. Q. Vinh, H. Przybylinska, Z. F. Krasil'nik, B. A. Andreev, T. Gregorkiewicz // Physica B: Condensed Matter. 2001. - V. 308-310. - P. 340-343.

38. Vinh, N. Q. Microscopic structure of Er-related optically active centers in crystalline silicon / N. Q. Vinh, H. Przybylinska, Z. F. Krasil'nik, T. Gregorkiewicz // Phys. Rev. Lett. 2003. - V. 90. - P. 0664011-0664014.

39. Vinh, N. Q. Optical properties of isoelectronic centers in crystalline silicon : PhD Thesis / Nguyen Quang Vinh. Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam, The Netherlands, 2004.-113 p.

40. Gusev, О. B. Excitation cross section of erbium in semiconductor matrices under optical pumping / О. B. Gusev, M. S. Bresler, P. E. Рак, I. N. Yassievich, M. Forcales, N. Q. Vinh, T. Gregorkiewicz//Phys. Rev. B. 2001. - V. 64. - P. 0753021-0753027.

41. Бреслер, M. С. Экситонный механизм возбуждения ионов эрбия в кремнии / М. С. Бреслер, О. Б. Гусев, Б. П. Захарченя, И. Н. Яссиевич // ФТТ. 1996. - Т. 38. - С. 14741482.

42. Ammerlaan, С. A. J. Photoluminescence of erbium-doped silicon: excitation power dependence / C. A. J. Ammerlaan, D. Т. X. Thao, T. Gregorkiewicz, N. A. Sobolev // ФТП. 1999. - T. 33, вып 6. - C. 644-648.

43. Davies, G. The optical properties of luminescence centres in silicon / G. Davies // Physics Reports. 1989. - V. 176, № 3-4. - P. 83-188.

44. Yassievich, I. N. The mechanisms of electronic excitation of rare earth impurities in semiconductors /1. N. Yassievich, L. C. Kimerling // Semicond. Sci. Technol. 1993. - V. 8, №5.-P. 718-727.

45. Dean, P. J. New Radiative Recombination Processes Involving Neutral Donors and Acceptors in Silicon and Germanium / P. J. Dean, J. R. Haynes, W. F. Flood // Phys. Rev. -1967.-V. 161, iss. 3.-P. 711-729.

46. Coffa, S. High efficiency and fast modulation of Er-doped light emitting Si diodes / S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo // Appl. Phys. Lett. 1996. - V. 69, iss. 14. - P. 2077-2079.

47. Franzo, G. Mechanism and performance of forward and reverse bias electroluminescence at 1.54 цт from Er-doped Si diodes / G. Franzo, S. Coffa, F. Priolo, C. Spinella // J. Appl. Phys. 1997. - V. 81. - P. 2784-2793.

48. Priolo, F. Excitation and nonradiative deexcitation processes of Er3+ in crystalline Si / F. Priolo, G. Franzo, S. Coffa and A. Camera // Phys. Rev. B. 1998. - V. 57, № 8. - P. 44434455.

49. Chen, T. D. The temperature dependence of radiative and nonradiative processes at Er-0 centers in Si / T. D. Chen, M. Platero, M. Opher-Lipson, J. Palm, J. Michel, L. C. Kimerling // Physica B. 1999. - V. 273-274. - P. 322-325.

50. Lanzerstorfer, S. Photo- and electroluminescence of erbium-doped silicon / S. Lanzerstorfer, M. Stepikhova, J. Hartung, C. Skierbiszewski, W. Jantsch // ICDS 19, Aveiro, July 1997, Mater. Sci. Forum. 1997. - V. 258-263. - P. 1509-1514.

51. Thao, D. Т. X. Photoluminescence of erbium-doped silicon: Excitation power and temperature dependence / D. Т. X. Thao, C. A. J. Ammerlaan, T. Gregorkiewicz // J. Appl. Phys. 2000. - V. 88, № 3. - P. 1443-1455.

52. Franzo, G. Room-temperature electroluminescence from Er-doped crystalline Si / G. Franzo, F. Priolo, S. Coffa, A. Polman, A. Camera // Appl. Phys. Lett. 1994. - V 64, iss. 17. - P. 2235-2237.

53. Шмагин, В.Б.Электролюминесценция ионов ЕгЗ+ в режиме пробоя диодной структуры p+-Si/n-Si:Er/n+-Si / В.Б. Шмагин, Д.Ю. Ремизов, С.В. Оболенский, Д.И. Крыжков, М.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник // ФТТ. 2005. - Т. 47, вып. 1. - С. 120123.

54. Du, Chun-Xia. Room temperature 1.54 pm light emission of erbium doped Si Schottky diodes prepared by molecular beam epitaxy / Chun-Xia Du, Wei-Xin Ni, Kenneth B. Joelsson, G6ran V. Hansson // Appl. Phys. Lett. 1997. - V. 71, iss. 8. - P. 1023-1025.

55. Du, С.-Х. Si/SiGe/Si:Er:0 light emitting transistors prepared by differential molecular-beam epitaxy / С.-Х. Du, F. Duteil, G. V. Hansson, W.-X. Ni // Appl. Phys. Lett. 2001. -V.78.-P. 1697-1699.

56. Vinh, N.Q. Spectroscopic characterization of Er-1 center in selectively doped silicon / N. Q. Vinh, M. Klik, B. A. Andreev, T. Gregorkiewicz // Materials Science and Engineering B.-2003.-V. 105.-P. 150-152.

57. Przybylinska, H. Microscopic Structure of Er-Related Optically Active Centers in Si / H. Przybylinska, N. Q. Vinh, B. A. Andreev, Z. F. Krasilnik and T. Gregorkiewicz. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2003. - V. 770. - P. 1711-1717.

58. Dargys, A. Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP / A. Dargys, J. Kundrotas. Vilnius : Science and Encyclopedia Publishers, 1994. - 264 p.

59. Физика полупроводниковых лазеров / Ред. X. Такумы. Москва: Мир, 1989. - 310 с.

60. Pogossian, S. P. Analysis of high-confinement SiGe/Si waveguides for silicon-based optoelectronics / S. P. Pogossian, L. Vescan, and A. Vonsovici // J. Opt. Soc. Am. A. -1999.-V. 16.-P. 591-595.

61. Адаме, М. Введение в теорию оптических волноводов / М. Адаме, редакция д.ф-м.н. И.Н. Сисакяна. Москва: Мир, 1984. - 512 е.

62. Namavar, F. Optical waveguiding in Si/Si 1-XGeX/Si heterostructures / F. Namavar, R. A. Soref// J. Appl. Phys. -1991. V. 70. - P. 3370-3372.

63. Temkin, H. Ge0.6Si0.4 rib waveguide avalanche photodetectors for 1.3 pm operation / H. Temkin, A. Antreasyan, N. A. Olsson, T. P. Pearsall, J. C. Bean // Appl. Phys. Lett. 1986. -V. 49.-P. 809-811.

64. Temkin, H. GeXSil-X strained-layer superlattice waveguide photodetectors operating near 1.3 pm / H. Temkin, T. P. Pearsall, J. C. Bean, R.A. Logan and S. Luryi // Appl. Phys. Lett. 1986. -V. 48.-P. 963-965.

65. Yang, Z. Effect of Ge concentration on the propagation characteristics of SiGe/Si heterojunction waveguides / Z. Yang, B. L. Weiss, G. Shao, F. Namavar // J. Appl. Phys. -1995.-V. 77. P. 2254-2257.

66. Pogossian, S. P. High-confinement SiGe low-loss waveguides for Si-based optoelectronics / S. P. Pogossian, L. Vescan, A. Vonsovici // Appl. Phys. Lett. 1999. - V. 75. - P. 14401442.

67. Rickman, A. G. Silicon-on-insulator optical rib waveguide loss and mode characteristics / A. G. Rickman, G. T. Reed, F. Namavar // J. Lightwave Technol. 1994. - V. 12. - P. 1771-1776.

68. Lee, К. K. Effect of size and roughness on light transmission in a Si/Si02 waveguide: experiments and model / К. K. Lee, D. R. Lim, H.-C. Luan, A. Agarwal, J. Foresi, L. C. Kimerling//Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 77. - P. 1617-1619.

69. Liu, Y. M. Deeply-etched singlemode GeSi rib waveguides for silicon-based optoelectronic integration / Y. M. Liu, P. R. Prucnal // Electron. Lett. 1992. - V. 28. - P. 1434-1435.

70. Schuppert, B. Integrated optics in silicon and SiGe-heterostructures / B. Schuppert, J. Schmidchen, A. Splett, U. Fischer, T. Zinke, R. Moosburger, K. Peterman // J. Lightwave Technol. 1996. - V. 14. - P. 2311-2323.

71. Lea, E. Characteristics of photoelastic waveguides in SiGe/Si heterostructures / E. Lea, B. L. Weiss // Electron. Lett. 1997. - V. 33. - P. 292-293.

72. Soref, R. A. Optical waveguiding in a single-crystal layer of germanium silicon grown on silicon / R. A. Soref, F. Namavar, J. P. Lorenzo // Opt. Lett. 1990. - V. 15. - P. 270-272.

73. Splett, A. Low loss optical rigde waveguides in a strained GeSi epitaxial layer grown on silicon / A. Splett, J. Schmidtchen, B. Schuppert, K. Petermann, E. Kasper, H. Kibbel // Electron. Lett. 1990. - V. 26. - P. 1035-1037.

74. Pesarcik, S. F. Silicon germanium optical waveguides with 0.5 dB/cm losses for singlemode fibre optic systems / S. F. Pesarcik, G. V. Treyz, S. S. Iyer, J. M. Halbout // Electron. Lett. 1992. - V. 28. - P. 159-160.

75. Lareau, R. D. Waveguided electro-optical intensity modulation in a Si/GeXSil-X/Si heterojunction bipolar transistor / R. D. Lareau, L. Friedman, R. A. Soref // Electron. Lett. -1990.-V. 26.-P. 1653-1655.

76. Stoica, T. Misfit dislocations in finite lateral size Sii-xGex films grown by selective epitaxy/T. Stoica, L. Vescan//J. Cryst. Growth, iss. 1-2. 1993. - V. 131. - P. 32-40.

77. Soref, R. A. Large single-mode rib waveguides in GeSi-Si and Si-on-Si02 / R. A. Soref, J. Schmidtchen, K. Petermann // J. Quantum Electron. -1991. V. 27. - P. 1971-1974.

78. Rickman, A. Low-loss planar optical waveguides fabricated in SIMOX material / A. Rickman, G. T. Reed, B. L. Weiss, F. Namavar // Photon. Technol. Lett. 1992. - V. 4. - P. 633-635.

79. Schmidtchen, J. Low-loss singlemode optical waveguides with large cross section in silicon-on-insulator / J. Schmidtchen, A. Splett, B. Schuppert, K. Petermann, G. Burbach // Electron. Lett. -1991. V. 27, iss. 16. - P. 1486-1488.

80. Gad, M. A. Loss measurements of Er-doped silicon-on-insulator waveguides / M. A. Gad, J. H. Evans-Freeman, N. Cinosi, J. Sarma // Materials Science and Engineering B. 2003. -V. 105.-P. 79-82.

81. Dismukes, J. P. Lattice parameter and density in silicon-germanium alloys / J. P. Dismukes, L. Ekstrom, R. J. Paff//J. Phys. Chem. 1964. - V. 68. - P. 3021-3027.

82. Braunstein, R. Intrinsic optical absorption in germanium-silicon alloys / R. Braunstein, A. R. Moore, F. Herman // Phys.Rev. 1958. - V. 109. - P. 695-710.

83. Weber, J. Near-band-gap photoluminescence of Si-Ge alloys / J. Weber, M. I. Alonso // Phys. Rev. B. 1989. - V. 40. - P. 5683-5693.

84. Krishnamurthy, S. Generalized Brooks' formula and the electron mobility in SiXGel-X alloys / S. Krishnamurthy, A. Sher, A.-B. Chen // Appl. Phys. Lett. 1985. - V. 47. - P. 160-162;

85. Krishnamurthy, S. Band structures of SixGel-x alloys / S. Krishnamurthy, A. Sher, A.-B. Chen // Phys. Rev. B. 1986. - V. 33. - P. 1026-1035.

86. Kasper, E. Group IV Compounds / E. Kasper, F. Schaffler // In Semiconductors and Semimetals. Academic Press, Boston, ed. by P.Pearsell. -1991. V. 33. - P. 233-307.

87. Paul, D. J. Si/SiGe heterostructures: from material and physics to devices and circuits / D. J. Paul // Semicond. Sci. Technol. 2004. - V. 19. - P. R75-R108.

88. Matthews, J. W. Defects in epitaxial multilayers. Preparation of almost perfect multilayers / J. W. Matthews, A. E. Blakeslee // J. Cryst. Growth. 1976. - V. 32. - P. 265 -273.

89. People, R. Indirect band gap of coherently strained GexSil-x bulk alloys on <001) silicon substrates / R. People // Phys. Rev. B. 1985. - V. 32. - P. 1405-1408;

90. People, R. Indirect band gap and band alignment for coherently strained SixGel-x bulk alloys on germanium (001) substrates / R. People // Phys. Rev. B. 1986. - V. 34. - P. 2508-2510.

91. Van de Walle, C. G. Theoretical calculations of heterojunction discontinuities in the Si/Ge system / C. G. Van de Walle, R. M. Martin // Phys. Rev. B. 1986. - V. 34. - P. 5621-5634.

92. Lang, D. V. Measurement of the band gap of GexSil-x/Si strained-layer heterostructures / D. V. Lang, R. People, J. C. Bean, A. M. Sergent // Appl. Phys. Lett. 1985. - V. 47. - P. 1333-1335.

93. Dutartre, D. Excitonic photoluminescence from Si-capped strained Sii-xGex layers / D. Dutartre, G. Bremond, A. Souifi, T. Benyattou // Phys. Rev. B. -1991. V. 44. - P. 1152511527.

94. Shiraki, Y. Fabrication technology of SiGe hetero-structures and their properties / Y. Shiraki, A. Sakai // Surface Science Reports. 2005. - V. 59. - P. 153-207.

95. Handbook of optical constants of solids / E. D. Palik ed. Orlando : Academic Press, 1985. - 119c

96. Neufeld, E. Photo- and electroluminescence characterization of erbium doped SiGe / E. Neufeld, A. Sticht, K. Brunner, H. Riedl, G. Abstreiter, H. Holzbrecher, H. Bay // J. Vac. Sci. Technol. B. -1998.- V. 16. P. 2615-2618.

97. Duteil, F. Er/O doped Sil-XGeX alloy layers grown by MBE / F. Duteil, С.-Х. Du, K. Jarrendahl, W.-X. Ni, G. V. Hansson // Optical Materials. 2001. - V. 17. - P. 131-134.

98. Ishiyama, T. Photoluminescence of Er in strained Si on SiGe layer / T. Ishiyama, S. Nawae, T. Komai, Y. Yamashita, Y. Kamiura, T. Hasegawa, K. Inoue, K. Okuno // J. Appl. Phys. 2002. - V. 92, № 7. - P. 3615-3619.

99. Tolomasov, V. A. Heteroepitaxy of Sii-xGex layers on Si(100) substrates from atomic Si and molecular GeH4 beams / V. A. Tolomasov, L. K. Orlov, S. P. Svetlov, R. A. Rubtsova,

100. A. D. Gudkova, A. V. Komaukhov, A. V. Potapov, Y. N. Drozdov // Crystallography Reports. 1998. - V. 43, №. 3. - P. 493-498.

101. Svetlov, S. P. A Sublimation Silicon Molecular-Beam Epitaxy System / S. P. Svetlov, V. G. Shengurov, V. A. Tolomasov, G. N. Gorshenin, V. Yu. Chalkov // Instruments and Experimental Techniques. 2001. - V. 44, № 5. - P. 700-703.

102. Несмеянов, А. Н. Давление паров химических элементов / А. Н. Несмеянов. Москва : АН СССР, 1961.-396 с.

103. Svetlov, S. P. A Device for Sublimation Molecular Beam Deposition of Erbium-Doped Silicon Films / S. P. Svetlov, V. Yu. Chalkov, V. G. Shengurov // Instruments and Experimental Techniques. 2000. - V. 43, № 4. - P. 564-566.

104. Wilson, R. G. Secondary ion mass spectrometry: a practical handbook for depth profiling and bulk impurity analysis / R. G. Wilson, F. A. Stevie, C. W. Magee.- New York, John Wiley and Sons, 1989. 300 p.

105. Fuster, P. F. X-Ray scattering from semiconductors / P. F. Fuster. London : Imperial College Press, 2000. - 287 p.

106. Боуэн, Д.К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография / Д. К. Боуэн, Б. К. Таннер. СПб.: Наука, 2002. - 274 с.

107. Дроздов, Ю. Н. Рентгеновская дифрактометрия эпитаксиальных гетероструктур с большим рассогласованием периодов решеток / Ю. Н. Дроздов // Известия РАН, сер. физическая. 2005. - Т. 69, № 2. С. 264-268.

108. Shengurov, V. G. Erbium Vaporization from Silicon in Vacuum / V. G. Shengurov, S. P. Svetlov, V. Yu. Chalkov, A. G. Meshkov // Inorganic Materials. 2003. - V. 39, № 2. - P. 93-95.

109. Chen, L. P. Boron incorporation in Sii-xGex films grown by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition using Si2H6 and GeH4 / L. P. Chen, С. T. Chou, G. W. Huahg, W. C. Tsai, C. Y. Chang // Appl. Phys. Lett. 1995. - V. 67. iss. 20. p. 3001-3003.

110. Ohtani, N. Surface hydrogen effects on Ge surface segregation during silicon gas source Molecular Beam Epitaxy / N. Ohtani, S. Mokler, M. H. Xie, J. Zhang, B. A. Joyce // Jpn. J. Appl. Phys. 1994. - V. 33, № 4. - P. 2311-2316.

111. Sakai, A. Ge growth on Si using atomic hydrogen as a surfactant / A. Sakai, T. Tatsumi // Appl. Phys. Lett. 1994. - V. 64, iss. 1. P. 52-54.

112. Weber, J. Near-band-gap photoluminescence of Si-Ge alloys / J. Weber, M. I. Alonso // Phys. Rev. B. 1989. - V. 40. - P. 5683-5693.

113. Fukatsu, S. Time-resolved D-band luminescence in strain-relieved SiGe/Si / S. Fukatsu, Y. Mera, M. Inoue, K. Maeda, H. Akiyama, H. Sakaki // Appl. Phys. Lett. 1996. - V. 68. - P. 1889-1891.

114. Kveder, V. V. Photoluminescence studies of relaxation processes in strained Sil-xGex/Si epilayers / V. V. Kveder, E. A. Steinman, H. G. Grimmeiss // J. Appl. Phys. 1995. - V. 78. - P. 446-450.

115. Tilly, L. P. Near band-edge photoluminescence in relaxed Sil xGex layers / L. P. Tilly, P. M. Mooney, J. O. Chu, F. K. LeGoues // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 67. - P. 24882490.

116. Souifi, A. Effect of rapid thermal annealing on the photoluminescence properties of SiGe/Si heterostructures / A. Souifi, T. Benyattou, G. Guillot, G. Bremond D. Dutartre, P. Warren // J. Appl. Phys. 1995. - V. 78. - P. 4039-4045.

117. Bremond, G. Photoluminescence and electrical characterization of SiGe/Si heterostructures grown by rapid thermal chemical vapour deposition / G. Bremond, A. Souifi, T. Benyattou, D. Dutartre // Thin Solid Films. 1992. - V. 222. - P. 60-68.

118. Tanaka, K. Photoluminescence spectra of deformed Si-Ge alloy / К. Tanaka, M. Suezawa, I. Yonenaga// J. Appl. Phys. 1996. - V. 80. - P. 6991-6996.

119. Shum, K. Dislocation-related photoluminescence peak shift due to atomic interdiffusion in SiGe/Si / K. Shum, P. M. Mooney, J. O. Chu // Appl. Phys. Lett. 1997. - V. 71. - P. 10741076.

120. Binetti, S. Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon / S. Binetti, S. Pizzini, E. Leoni, R. Somaschini, A. Castaldini, A. Cavallini // J. Appl. Phys. 2002. -V. 92. - P. 2437-2445.

121. King, 0. Impurity-related photoluminescence from silicon at room temperature / O. King, D. G. Hall // Phys. Rev. B. 1994. - V. 50. - P. 10661-10665.

122. Mooney, P. M. Strain relaxation and dislocations in SiGe/Si structures / P. M. Mooney // Mat. Sci. Eng. -1996. V. R17. - P. 105-146.

123. Kohler, R. SiGe/Si layers early stages of plastic relaxation / R. Kohler, H. Raidt, W. Neumann, J-U. Pfeiffer, H. Schafer, U. Richter // Journal of Phys. D: Appl. Phys. - 2005. -V. 38.-P. 319-327.

124. Haynes, J. R. Experimental observation of the excitonic molecule / J. R. Haynes // Phys. Rev. Lett. 1966. - V. 17, iss. 16. - P. 860-862.

125. Vouk, M. A. An investigation of the recombination radiation from the electron-hole condensate in intrinsic silicon / M. A. Vouk, E. C. Lightowlers // J. Phys. C: Solid State Phys. -1975. V. 8. - P. 3695-3702.

126. Hammond, R. B. Temperature dependence of the electron-hole-liquid luminescence in Si / R. B. Hammond, Т. C. McGill, J. W. Mayer // Phys. Rev. B. 1976. - V. 13, iss. 8. - P. 3566-3575.

127. Properties of Silicon. EMIS Datareviews Series 4. London: IEE, 1988. - P. 72-79.

128. Абрагам А. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов / А. Абрагам, Б. Блини. М.: Мир, 1973. - Т. 1,2. - 651,349 с.

129. Демиховский, В. Я. Физика квантовых низкоразмерных структур / В. Я. Демиховский, Г. А. Вугальтер. М.: Логос, 2000. - 248 с.

130. Адаме, М. Введение в теорию оптических волноводов / М. Адаме. М.: Мир, 1984. -512 с.

131. Serna, R. Incorporation and optical activation of erbium in silicon using molecular beam epitaxy / R. Serna, J. H. Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, P. F. A. Alkemade // J. Appl. Phys. 1996. - V. 79, iss. 5. - P. 2658-2662.

132. Polman, A. Erbium implanted thin film photonic materials / A. Polman // J. Appl. Phys. -1997.-V. 82, iss. l.-P. 1-39.

133. Takahei, K. Energy transfer in rare-earth-doped III-V semiconductors / K. Takahei, A. Taguchi // Mater. Sci. Forum. -1992. V. 83-87. - P. 641-652.

134. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

135. АСМ атомно-силовая микроскопия,

136. ВИМС метод масс-спектрометрии вторичных ионов,

137. ИФМ институт физики микроструктур Российской академии наук,1. РАН

138. МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия,

139. НИФТИ Нижегородский исследовательский физико-технический институт при

140. ННГУ Нижегородском государственном университете,

141. РД метод рентгенодифракционного анализа,1. ФЛ фотолюминесценция,1. ЭЛ электролюминесценция,

142. HL горячие линии фотолюминесценции (hot lines)