автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Морфология и оптические свойства самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH4

)

На правах рукописи

Исаков Михаил Александрович

Морфология и оптические свойства самоформирующихся островков Се81/8К001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде СеН4

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 7 > ■ -ч «ч^/-*

/ и С. й и 11

Нижний Новгород, 2010

4842927

Работа выполнена в

Нижегородском государственном университете им. Н. И. Лобачевского

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

с.н.с. Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Д. О. Филатов

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор, зам. директора Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН О. П. Пчеляков

Доктор физико-математических наук, в.н.с. Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского Д. И. Тетельбаум

Ведущая организация: Физический Институт им. П. Н. Лебедева

Российской Академии Наук (ФИАН, г. Москва)

Защита диссертации состоится 19 января 2011 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.166.01 при ННГУ им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950 Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ННГУ им. Н. И. Лобачевского

Автореферат разослан 18 декабря 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.166.01,

доктор физико-математических наук, (

профессор А. И. Машин

Актуальность темы диссертационного исследования

В области практического применения низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур (ГС) видимый прогресс к настоящему времени достигнут для наноструктур (НС) на основе полупроводниковых соединений типа А3В5 [1]. Однако, в связи с тем, что современная интегральная твердотельная электроника основана на кремниевой технологии, одним из приоритетных направлений развития современной микроэлектроники является так называемая кремниевая оптоэлектроника [2]. Главной проблемой указанной области науки и техники является создание на основе Si светоизлучающих устройств (светодио-дов и инжекционных лазеров). Основным препятствием на пути её решения является непрямозонность Si, в связи с чем квантовый выход фотолюминесценции (ФЛ) и электролюминесценции (ЭЛ) структур на основе Si недостаточен для практических применений. В качестве одного из путей повышения эффективности ФЛ и ЭЛ в Si рассматриваются самоформирующиеся наноостровКи GeSi/Si, формирующиеся в процессе гетероэпитаксии Ge на Si по механизму Странски-Крастанова [3]. Ожидалось, что благодаря эффекту размерного квантования, в таких НС возможны квазипрямые межзонные излучательные переходы [4]. В последние годы усилился интерес к фотоэлектрическим свойствам HC GeSi/Si, связанный с расширением спектрального диапазона фотодетекторов на базе Si в ИК-область (прежде всего, на практически важный для оптоволоконной связи коммуникативный диапазон длин волн к = 1,3 + 1,55 цм)[5]. Перспективными фотоприёмниками коммуникативного диапазона считаются р—i—п фотодиоды на базе Si с многослойными массивами островков GeSi в i-области [6].

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению морфологии, состава и оптических свойств ГС GeSi/Si(001) с самоформирующимися островками, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) в среде Gefy [7]. В этом методе слои Si осаждаются из сублимационных источников, а для осаждения Ge в ростовую камеру напускается GeH4 с парциальным давлением pg ~ КГ4 -ь 10~3 Topp, который разлагается на поверхности нагретой подложки. Таким образом, данный метод представляет собой гибрид молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) с сублимационным источником Si и газофазной эпитаксии (ГФЭ) при низком давлении. Использование сублимационного источника для осаждения Si позволяет выращивать структуры любой сложности с высоким кристаллическим совершенством при достаточно низких температурах осаждения слоев Si (до 450°С). С другой стороны, использование пиролиза GeH4 позволяет осаждать однородные слои Ge на подложки любых размеров.

Для широкого практического применения метода СМЛЭ в среде GeH4 необходимо установить зависимость морфологии, энергетического спектра, электронных и оптических свойств островков GeSi/Si, выращиваемых данным методом, от условий роста. К моменту начала работы над диссертацией процессы зарождения и роста самоформирующихся островков GeSi/Si(001) были исследованы достаточно подробно для структур, выращенных методом МЛЭ и менее подробно — методом ГФЭ [8]. Детальных исследований структур с островками

GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4 не проводилось, за исключением нескольких работ, имеющих характер предварительных исследований [9].

Таким образом, тема настоящего диссертационного исследования является актуальной как с фундаментальной (выявление особенностей процессов роста и обусловленных ими особенностей морфологии, состава, и оптических свойств островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4), так и с прикладной точек зрения (выяснение перспективности метода СМЛЭ в среде GeH4 для выращивания приборных структур нано- и оптоэлектроники).

Цель работы

Установление фундаментальных закономерностей, связывающих морфологию и оптические свойства структур с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, с условиями роста.

Задачи работы

1. Исследование количественных зависимостей параметров морфологии, состава и спектров ФЛ самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH), от условий роста.

2. Выявление отличительных особенностей процессов формирования, морфологии, состава и энергетического спектра самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, в сравнении с островками, выращенными методами МЛЭ и ГФЭ.

3. Построение теоретических моделей, связывающих особенности спектров ФЛ структур с самоформирующимися островками GeSi/(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GetLi, с особенностями морфологии и состава материала островков.

Научная новизна и практическая значимость работы

1. Впервые проведён количественный анализ зависимостей параметров морфологии самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GebLt, от условий роста. Установлено, что морфология массивов определяется процессами переконденсации в процессе роста.

2. Впервые для исследования состава и упруго-напряжённого состояния самоформирующихся островков GeSi/Si(001) применён метод конфокальной рамановской микроскопии (КРМ). Показана возможность получения карт распределения доли Ge и относительной деформации в слое GeSi по поверхности образца и визуализации на них островков и поля упругих напряжений в слое GeSi.

3. Впервые показано, что в условиях достаточно сильного фотовозбуждения влияние потенциала избыточных носителей заряда, локализованных в островках GeSi/Si(001), может приводить к тому, что островки становятся гетероструктурами I типа. С указанным эффектом связано доминирование в спектрах фотолюминесценции линий, обусловленных прямыми в реальном пространстве переходами внутри островков.

4. Установлено, что линии фотолюминесценции от островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, имеют тонкую структуру, связанную с неоднородным распределением Ge по объёму островков (вершины островков обогащены Ge).

5. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке технологии выращивания методом СМЛЭ в среде Geb^ приборных структур на основе GeSi/Si(001) для кремниевой оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. При выращивании самоформирующихся островков GeSi/Si(001) методом СМЛЭ в среде GeH4 при температурах подложки Tg = 700 -г- 800°С и давлении GefLt в ростовой камере 5 х Ю^1 -т- 1,5 х 10~3 Topp зарождение островков происходит по механизму Странски-Крастанова, но при дальнейшем росте морфология островков определяется процессами переконденсации.

2. В спектрах фотолюминесценции гетероструктур с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, доминируют линии, связанные с прямыми в реальном пространстве межзонными оптическими переходами в островках.

3. Расщепление линий фотолюминесценции в островках, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, связано с наличием у поверхности островков области, обогащенной Ge.

Личный вклад автора в получение результатов работы

1. Обработка и анализ данных атомно-силовой микроскопии (АСМ) исследований поверхностных островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4; разработка алгоритма и программного обеспечения (ПО) для анализа данных АСМ и определения параметров морфологии островков; количественный анализ зависимостей параметров морфологии островков от условий роста. , у,:

2. Обработка и анализ данных КРМ исследований гетероструктур GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4; разработка методики определения пространственного распределения состава и локальной упругой деформации слоя GeSi из данных КРМ; анализ зависимости состава и упруго-напряжённого состояния островков от условий роста.

3. Анализ зависимостей спектров ФЛ гетероструктур GeSi/Si(001) с самоформирующимися островками, выращенных методом СМЛЭ в среде GebLt, от условий роста, температуры измерения и интенсивности фотовозбуждения; построения теоретических моделей зонной структуры островков, объясняющих экспериментальные зависимости. Планирование экспериментов, проектирование образцов для исследования и анализ экспериментальных результатов осуществлялись совместно с научным руководителем.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на российских и международных научных конференциях, в том числе: о V Всероссийской молодежной научной школе, посвященной 75-летию Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (Саранск, 3-6 октября 2006 г.), о VIII и IX Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006 и 2007 гг.); о XI, XII и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлек-

троника» (Нижний Новгород, 2007,2008 и 2010 гг.); о XV & XVIII International Symposia «Nanostructures: Physics and Technology» (Novosibirsk, June 25 - 29, 2007 & St.-Petersburg, June 21-26,2010); о VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 3-7 октября 2007 г.); о XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение,

анализ, применение» (Нижний Новгород, 28 - 31 мая 2007 г.); о XV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, РЭМ-2007 (Черноголовка, 4—7 июня 2007 г.);

0 XII и XIII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2007 и 2008 гг.;

а также на семинарах научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (НОЦ ФТНС ННГУ) и Физического Института РАН им. П. Н. Лебедева (г. Москва).

Публикации

По теме диссертации опубликовано в соавторстве 16 печатных научных работ, включая 7 статей в ведущих научных журналах и 9 публикаций в материалах российских и международных научных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 2 приложений. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 54 рисунка и 1 таблицу. Список цитированной литературы содержит 158 наименований. В Приложении

1 приведён список работ автора по теме диссертации. В Приложении 2 приведён листинг оригинального ПО для анализа данных АСМ исследований островков GeSi/Si(001), разработанного в рамках выполнения диссертационной работы (электронная книга MathCAD 2001 с описанием алгоритмов выделения островков на АСМ изображении и определения их геометрических параметров). Там же приведены результаты тестирования вышеописанного ПО, а также ПО других разработчиков, предназначенного для анализа АСМ изображений.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значи-

мость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора в получение результатов работы, а также приведены сведения об апробации работы, публикациях автора по тематике диссертации, структуре и объёме диссертации.

В Главе 1 приведен обзор литературы, посвященной исследованиям процессов роста, электронной структуры и оптических свойств ГС с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001).

В Разделе 1.1 проводится сравнительный анализ различных методов эпи-таксиального выращивания полупроводниковых ГС: МЛЭ, ГФЭ, ГФМЛЭ и др., в том числе СМЛЭ в среде GeH4. Обсуждаются достоинства и недостатки различных методов применительно к выращиванию самоформирующихся наноо-стровков GeSi/Si.

В Разделе 1.2 рассматриваются механизмы зарождения и роста самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001) в процессе эпитаксиального наращивания, трансформации формы и состава островков в процессе роста, обсуждаются эффекты упорядочения в массивах наноостровков и разнообразные способы повышения поверхностной плотности и однородности наноостровков GeSi/Si(001) по размерам, описанные в литературе.

В Разделе 1.3 обсуждается зонная структура самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), влияние на неё состава материала островков и упругих напряжений.

В Разделе 1.4 приведен обзор исследований ФЛ ГС с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001), в том числе её температурной зависимости, а также дислокационной ФЛ в Si и ГС GeSi/Si.

В Главе 2 описаны методики экспериментальных исследований.

В Разделе 2.1 приведено описание методики выращивания образцов для исследования. Образцы были выращены в лаб. №2 научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ) м.н.с. НИФТИ ННГУ С. А. Денисовым и м.н.с. НИФТИ ННГУ В. Ю. Чалковым, под руководством зав. лаб.' №2 НИФТИ ННГУ д.ф.-м.н. В. Г. Шенгурова. Рабочее давление в ростовой камере составляло ~ Ю-8 Topp. Источниками Si служили бруски, вырезанные из монокристаллов Si, легированных примесями п- и /»-типа, нагреваемые прямым пропусканием электрического тока до ~ 1370 °С. Скорость роста Si регулировалась температурой источника. Подложки прямоугольной формы размером » 75 х 10 мм2 вырезались из пластин Si(001) толщиной 500 цм и располагались в камере параллельно источникам Si на расстоянии « 40 мм. Буферные слои Si толщиной « 0,2 (im выращивались при температуре подложки « 1000°С. При осаждении Ge геттерно-ионные насосы и сублимационный источник Si отключался^ температура подложки Tg уменьшалась до 600 800°С, и в ростовую камеру напускался GeH4. Парциальное давление Getit в ростовой камере pg варьировалось в пределах 2х10^-н1,5х10~3 Topp. Время напуска GeH4 tg составляло 0,25 -г 5 мин, время установления давления GetLi а 10 с. После осаждения Ge GeH4 откачивался с помощью диффузионного насоса, время установления давления ~10"6 Topp было «1 мин.

Для исследования связи между условиями роста, морфологией и оптическими свойствами островков GeSi выращивались две серии образцов. Первая, с поверхностными островками, выращивалась на подложках КДБ-0,005, буферный слой легировался В до концентрации дырок р ~ 1018 см-3. Вторая серия, для измерений ФЛ, выращивалась на подложках КДБ-12 с буферным слоем /7-типа (р ~ 1015 см-3). Островки GeSi, выращенные при тех же параметрах ростового процесса (Tg, pg и tg), что и поверхностные островки в соответствующих образцах первой серии, заращивались при 600 °С покровным слоем Si толщиной и 40 нм.

Номинальная толщина осаждённого слоя Ge dc,t при заданных Tg, pg и tg определялась на серии калибровочных образцов с поверхностными островками GeSi методом обратного резерфордовского рассеяния (ОРР). Измерения были выполнены в НИИ ядерной физики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова м.н.с. П. С. Черных.

В разделе 2.2 описана методика исследования морфологии поверхностных островков GeSi/Si(001) методом АСМ. Большая часть АСМ измерений выполнена студенткой 5 курса Физического факультета ННГУ С. В. Сипровой при помощи АСМ Solver Pro производства компании NT MDT (Зеленоград, Россия). Использовались Si зонды NT MDT CSG-01 с радиусом кривизны острия /?р<10 нм (паспортные данные). Перед каждым измерением проводились калибровка АСМ по координатам х, у и z, а также контроль значений Rp с помощью калибровочных образцов NT MDT TGZ-03 и TGT-01. Морфология массивов островков характеризовалась следующими параметрами: средняя высота островков <Н>, средний латеральный размер по основанию <D> (на уровне 0,1# над плоскостью смачивающего слоя) и поверхностная плотность островков Ns. Указанные параметры определялись при помощи оригинального ПО в системе MathCAD 2001. Использовался алгоритм выделения островков по порогу среза по координате z с применением компандерного алгоритма подавления шума, чтобы исключить ложную идентификацию неровностей смачивающего слоя как островков.

В Разделе 2.3 описаны методики исследования оптических свойств ГС с островками GeSi/Si(001) методами КРМ и спектроскопии ФЛ. КРМ измерения проводились при 300К с помощью микро/спектроскопического комплекса NT MDT Integra Spectra н.с. кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники Физического факультета ННГУ А. В. Неждановым. Измерения спектров ФЛ проводились при помощи решёточного монохроматора Acton SP-558Í при возбуждении Аг+ лазером непрерывного излучения (длина волны 514 нм, мощность 1,4 Вт) доцентом кафедры кристаллографии и экспериментальной физики ННГУ к.ф.-м.н. М. О. Марычевым. Регистрация ФЛ проводилась охлаждаемым InGaAs/InP фотодиодом Acton ID441C на модулированном сигнале при помощи цифрового синхронного детектора Stanford Research Systems SR-810. Для измерения температурной зависимости ФЛ в диапазоне температур 9 - 300 К использовался гелиевый криостат замкнутого цикла Janis CCS-150. Для измерения ФЛ при 77 К образцы помещались в молибденитовый сосуд Дьюара с жидким азотом.

Глава 3 посвящена исследованию морфологии гетероструктур с поверхностными островками GeSi/Si(001) методом АСМ.

В Разделе 3.1 приводятся результаты исследований связи параметров морфологии островков с условиями роста.

а б в г д

е ж з и к

Рис. 1. АСМ изображения поверхностных островков GeSi/Si(001). pg=9x10^ Торр. Tg,°С: а~д - 700; е-к - 800. tg, мин: а, е - 0,25; б, ж - 0,5; в, з - 1; г, и - 2; д, к, ~ 5.

Установлено, что зарождение островков происходит по механизму Странски-Крастанова. На Рис. 1 приведены 2 серии АСМ изображений ГС с поверхностными островками GeSi/Si(001), выращенных при различных tg для Tg=100 и 800°С. Для Гг=700°С при fg=0,25 мин на поверхности образуется двумерный слой Ge (Рис. la), но его толщина dGt=4 монослоя (МС), по данным ОРР, не достигает критической толщины (т. наз. толщины смачивающего слоя dm), при которой происходит переход от слоевого роста к трехмерному. При выращивании ГС с наноостровками Ge/Si(001) методом МЛЭ dwi уменьшается от 5 до 3 МС при увеличении Tg от 500 до 800°С [10]. При tg=0,5 мин (¿/се=4,8 МС) на поверхности смачивающего слоя начинают формироваться островки (Рис. 16). При 7у=800°С формирование островков наблюдается уже при tg= 0,25 мин (Рис. 1е).

При дальнейшем росте существенное влияние на морфологию островков оказывают процессы переконденсации (оствальдовского созревания) по механизму, аналогичному механизму Лифшица-Слёзова-Вагнера (ЛСВ) [11], когда большие островки растут за счет растворения меньших путём обмена адатома-ми посредством поверхностной диффузии. Зависимости <Н> и <D> от tg (Рис. 2а и б) могут быть аппроксимированы степенной функцией вида у = Atb с 1/2, что является характерным признаком для процесса переконденсации по механизму ЛСВ. В то же время N, убывает с ростом tg также по степенному закону (Рис. 2в).

Рис. 3. Гистограммы распределения островков GeSi/Si(001) по D (а) и по Я (б) и их аппроксимация суперпозицией двух функций распределения Лифшица-Слёзова P(D/<D>) [Р{Н/<Н>)] [12]. Гя=700°С,^=1,5х10-3 Topp, tg=2 мин.

Рис. 2. Зависимости <Н> (а), <D> (б) и (в) для островков GeSi/Si(001) от tg.

Tg, °С: 7, 2 — 700; 3 — 800. />„ 10"4 Topp: 7 — 5.0; 2, 3 — 9.0.

во

100 1S0 200 250 D, нм

Процесс переконденсации стимулирует газовая атмосфера в ростовой камере, наличие которой приводит к пассивации ненасыщенных связей на растущей поверхности атомами водорода, отщеплённых при пиролизе GeH4 [13]. В свою очередь, это приводит к увеличению скорости поверхностной диффузии по сравнению с МЛЭ при тех же значениях Tg [14].

Как правило, островки имели бимодальное распределение по размерам (Рис. 3). Подобное распределение характерно и для островков, выращенных методом МЛЭ, оно связано с сосуществованием на поверхности островков двух форм: пирамидальных и куполообразных [15]. На поверхности ГС, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, при ¿?<з,>10 МС островки меньших размеров были подобны куполообразным островкам, получаемым методом МЛЭ (Рис. 4). Островки больших размеров имели форму полуоктаэдров, ограненных плоскостями (101) - т. наз. super-dome островков [16]. Образование подобных островков наблюдалось ранее в процессе послеростового отжига ГС, выращенных методом МЛЭ [16]. При дальнейшем увеличении 4зе размеры крупных островков увеличиваются до 400+800 нм, <Н> — до 130+150 нм и начинается их коалес-ценция (Рис. Id, к).

В разделе 3.2 приводятся результаты количественного анализа морфологии разрывов смачивающего слоя вокруг островков (Рис. 5а). Подобные разрывы наблюдались ранее в структурах, выращенных методом МЛЭ; было найдено, что глубина разрыва пропорциональна D [17]. Такая же зависимость наблюдалась и для островков, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4 (Рис. 56).

-6 С

sL

700 200 300 400 X, HM

Б

О 100 200 300 400 500 X, нм

ab В

Рис. 4. ACM изображение ГС GeSi/Si(00l) (а); профили куполообразных (б) и super-dome (в) островков. 7,g=700°C,/>g=9xl0~4 Topp, tg=2 мин (doe~27 MC).

f • • * ' • 5 нм

1

• * •• ' г

. * • * ■fei » ■«— Л

* т

, - Ф Ф PL- •

• А 0 нм

ä 10

400 600

<D>, hm

Рис. 5. а - ACM изображение поверхности ГС с островками GeSi/Si(001); б - зависимость средней глубины разрывов смачивающего слоя вокруг островков от среднего латерального размера островков D. Tg = 800°С, pg=9x\0"4 Topp, tg—,2 мин.

Формирование разрывов смачивающего слоя, в частности, связанная с ним диффузия 81 из подложки в объём островков являются важными механизмами релаксации упругих напряжений в наноостровках Се81/81(001) [18]. При росте ГС с островками 0е81/81(001) методом СМЛЭ в среде ОеН4, разрывы играют важную роль в механизме переконденсации, ограничивая приток адатомов к островку. На это указывает наличие вздутия на поверхности смачивающего слоя в виде кольцевого вала по внешнему краю разрыва (рис. 46, в). Наряду с повышением скорости поверхностной диффузии, это приводит к тому, что скорость массообмена между островками лимитируется скоростью отрыва/присоединения адатомов к островкам, как это и предполагается в модели Вагнера. В противном случае, когда скорость массобмена лимитируется скоростью поверхностной диффузии, процесс переконденсации описывается моделью Чакраверти [19].

В Главе 4 приводятся результаты исследований состава и упругих напряжений в островках Сте81/81(001) методом КРМ.

В разделе 4.1 проведён сравнительный анализ АСМ и конфокальных микроскопических (КМ) изображений ГС с самоформирующимися островками

10nkffl orm Ол*г» 1Gmkm 0.10 Umfem 10rj*ra 0.35 Otnkm 10rafcm 0.012

а б в Г

Рис. 6. ACM (а) и КМ (б) изображения ГС с островками GeSi/Si(001); карты распределения х (в) и |g| (г) по поверхности образца. Tg=800°С, tg=2 мин.

0е81/81(001), выращенных в различных условиях, проанализирована возможность визуализации отдельных островков Ое81 на КМ изображениях.

0.022

40 пт

200

!ШШ!ш1

600

200

300

600

Рис. 7. Локальные спектры КРС ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), измеренные в центре островков (1—б) и между островками (/'— 60- Tg, °С: а—700, 6—800; tg, мин: i—0,25; 2—0,5; 3—1,0; 4—2,0; 5—4,0; 6— 5,0.

На КМ изображениях ГС с заращенными островками (рис. 66) наблюдаются особенности, идентифицированные как островки GeSi. Сравнение КМ изображений с АСМ изображениями ГС с поверхностными островками GeSi, выращенными в тех же условиях (рис. 6а), показало, что Ns на соответствующих изображениях приблизительно одинакова, однако КМ изображения островков более размыты, изображения соседних островков зачастую сливаются между собой, что связано с меньшим пространственным разрешением КМ.

Оценка последнего по [20] составляет «0,44А./и7^»200 нм (Л^=0,95 — числовая апертура объектива, п= 1 — показатель преломления среды, А,=473 нм — длина волны лазерного излучения).

В разделе 4.2 приводятся результаты анализа локальных спектров КРС ГС с островками Се81/81(001) и определения из них состава материала индивидуальных островков. На рис. 7 приведены локальные спектры КРС, измеренные в островках (7—6) и между ними {Г—6'). В спектрах наблюдались пики вблизи 300 см-1, 400 см-1 и 500 см-1, соответствующие колебательным модам ве—01е и —ве в Се^].* и —81 в напряжённом материале островков или в покровном слое.

Для определения х использовались две различные методики: 1) По спектральным положениям пиков Се—Се и —ве. Согласно [21], последние связаны с х и относительной деформации Се81 е=(а-аг)/аг, где о, и аг — параметры решётки в деформированном и свободном состояниях, соответственно, соотношениями

х » 0.154*^-0.103*^-2.209,

£■«(3.804^ -4.286*8;.Ое)-10'3 +0.642.'

2) по соотношению интенсивностей пиков Се-дуировочные графики, приведённые в [21].

-ве и Б!—Се, используя гра-

Рис. 8. Зависимость <х> в объеме островков 0ел811_л781(001), определённого методами КРМ (1—4) по спектральному положению (7, 3) и по соотношению интенсивностей (2, 4) пиков ве—Ое и Се—и спектроскопии ФЛ (5, 6), от 7*г,°С: 1, 3, 5 — 700; 2,4,6— 800.

С увеличением значения <х>, полученные с применением обеих методик, уменьшаются (рис. 8), что связано с увеличением времени диффузии из подложки в объём островка. При Гв=800°С <х> меньше, чем при 700°С, что связано с увеличением скорости диффузии Si при повышении Данные зависимости согласуются с литературными данными [3, 4, 8].

Полученные методом КРМ карты распределения *с:е—ое и по по-

верхности образцов были пересчитаны по формулам (1) в карты распределения х и £ (рис. 6в и г, соответственно). На них наблюдаются островки Се51 в виде участков с пониженными х и |ё| на фоне псевдоморфного смачивающего слоя с большим содержанием ве.

■о 10' а

т Е

о £

10

0.7 0.8

0.9

1.0 1.1

_i-1-и£_I_I

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

0.7

hv,3B

hv,3B Б

а

Рис. 9. Спектры ФЛ (77 К) ГС GeSi/Si. pg = 9x10"4 Topp, Tg, °С: а — 700; б — 800. tg, мин: 1 — 0; 2 — 0,25; 3 — 0,5; 4 — 1; 5 — 2; 6 — 4; 7 — 5.

В Главе 5 излагаются результаты исследований спектров ФЛ ГС с островками GeSi/Si(001). В разделе 5.1 приводятся результаты исследования зависимости спектров ФЛ от условий роста. Полученные зависимости спектров ФЛ от Tg и de? (рис. 9) сходны с приведенными в литературе для ГС, выращенных методами МЛЭ и ГФЭ. В спектре ФЛ (77К) образца, выращенного при Tg=700°С, ^=0,25 мин (й?ое~4,0 MC, рис. 9а, кривая 2), помимо линии краевой ФЛ Si с участием ТО фонона Si-TO (энергия максимума hvm » 1,107 эВ), наблюдаются линии с hvmx 1,06 и 1,00 эВ, связанные с непрямыми в реальном пространстве фо-нонными и бесфононными переходами из состояний с-зоны Si на размерно-квантованные состояния тяжелых дырок в смачивающем слое (WL и WL-TO, соответственно). С увеличением cfce в спектре ФЛ появляется линия с hvmx0,93 эВ, связанная с переходами на дырочные состояния в островках GeSi (рис. 9а, кривая 3). При tg=\ мин (рис. 9а, кривая 4) линии ФЛ от смачивающего слоя исчезают, и в спектре доминируют линии, связанные с островками. Эти линии могут быть разложены на две гауссовы компоненты (NCj и NC2). Расщепление линий ФЛ в островках GeSi/Si(001) обычно наблюдается в ГС, выращенных методом МЛЭ, где оно связывается с наличием фононных и бесфононных переходов [22]. В данном случае такая интерпретация неприемлема по следующим причинам:

1) интенсивность пика NC2 больше, чем NQ; соотношение интенсивностей не меняется в диапазоне температур ^Э-ьЗООК;

2) ширина компонент NQ и NC: различна и меняется от спектра к спектру;

3) разность энергий максимумов NQ и NC2 также варьирует от спектра к спектру в пределах 27+52 мэВ и не соответствует энергиям фононов в Ge^Sij^ с соответствующим значением х.

Расщепление линий ФЛ в исследованных образцах связано с неоднородностью распределения Ge по объёму островков. Ранее методом растровой Оже-

микроскопии (РОМ) было установлено, что в островках Се8^81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде БеН^ тонкий (~1 нм) приповерхностный слой вблизи вершины островка обогащен ве (х—>1) [23].

Si Ge Ge03Si0J

0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2

Si Ge GeI5Si0, Г .n Si

- — 2

l А

1 --—//—1-

Z, HM

5 120

0 2 118 120 122 124

z, HM

а б

Рис. 10. Модельные зонные диаграммы (77К) островка Се0,зБ1о,7/81(001) в приближении плоских зон (а) и с учётом заряда островка избыточными носителями (б). Показаны уровни энергии и огибающие основного состояния тяжёлых дырок в островках для случаев бесфононного (сплошная линия) и фононного (пунктир) переходов. На вставке: схема распределения ве по объёму наноост-ровка выращенного методом СМЛЭ в среде ОеН4, по данным РОМ

(качественно).

В объёме островков jc<0,5 и распределение Ge по глубине островка более однородно (см. вставку на рис. 10а). Такое распределение Ge энергетически выгодно, поскольку в вершине островка концентрируются напряжений растяжения. В островках, выращенных методом МЛЭ в сходных условиях, повышения концентрации Ge вблизи поверхности не наблюдалось, что связано с большим коэффициентом поверхностной диффузии в процессе СМЛЭ в среде GeH4 по сравнению с МЛЭ. В связи с вышеизложенным, линия ФЛ NC2 была связана с прямыми в реальном пространстве переходами из состояний с-зоны в состояния v-зоны внутри островков (переход 3 на рис. 10), а линия NCj — с непрямыми в реальном пространстве переходами из состояний в КЯ вблизи границы островка с покровным слоем Si на размерно-квантованные дырочные состояния в прослойке Ge. Была сделана оценка толщины прослойки Ge а по энергии максимума линии NCi путём решения одномерного уравнения Шрёдингера в приближении эффективной массы [24]. Было получено значение а~ 1 нм, что согласуется с данными РОМ.

Для однозначной интерпретации линий ФЛ в островках необходимо учесть эффект заполнения островков избыточными носителями при измерении ФЛ. На рис. 106 представлена зонная диаграмма островка в условиях сильного фотовозбуждения, рассчитанная путём совместного решения уравнений непрерывности и Пуассона в стационарном неравновесном состоянии. Заряд избыточных дырок, локализованных в островках, приводит к изгибу зон на их границах. При достаточно больших размерах островков и сильном фотовозбуждении величина изгиба зон может превышать разрыв с-зоны АЕС на границе GeSi/Si, так что островок становится ГС I рода.

Данный эффект, наряду со значительными размерами островка, приводит к доминированию в спектрах ФЛ в островках прямых в реальном пространстве переходов внутри островка (компонента N€2). Островки, выращенные методом МЛЭ в сходных условиях, характеризуются, как правило, меньшими размерами и большими значениями х (и, как следствие, АЕС). Как следствие, заряд избыточных дырок, локализованных в таких островках, экранируется электронами в КЯ на границах островков [25], и в спектрах ФЛ доминируют переходы, непрямые в реальном пространстве.

Поскольку интеграл перекрытия огибающих основного состояния тяжёлых дырок в прослойке Ое с электронными состояниями в треугольной КЯ вблизи границы указанной прослойки с покровным слоем существенно больше, чем с огибающей электронных состояний в островке, компонента N0! была связана с переходами (1) (рис. 10).

С увеличением линии ФЛ в островках смещаются в коротковолновую область спектра (рис. 9а, кривые 4-7; рис. 96, кривые 3-7), что связано с уменьшением х в объёме островков вследствие диффузии из подложки в процессе роста. По значениям //ум компонент 1ЧСг было оценено значение <х> в объеме островков по модели [26]. Результаты, представленные на рис. 8, согласуются с полученными методом КРМ.

В разделе 5.2 изложены результаты исследования зависимости спектров ФЛ островков Се81/81(001) от интенсивности фотовозбуждения.

Рис. 11. Зависимости интенсивности (а) и спектрального положения максимумов (б) компонент линий ФЛ (77 К) в островках GeSi/Si от Ре. pg=9x10"4 Topp, Г?=700°С, fg=l,0 мин (с/Ое~10,3 MC). 1 — NCù 2 — NC2.

Интенсивность компоненты NC2 практически пропорциональна мощности возбуждения Ре (рис. 11а), что соответствует линейной рекомбинации в островках (п « р). интенсивность компоненты NQ при низких уровнях возбуждения также почти пропорциональна Ре, однако при Р(>40 мВт зависимость IpiiPe) испытывает насыщение, что было связано с заполнением основного состояния в треугольной КЯ на границе обогащенной Ge прослойки с покровным слоем Si.

Энергия максимумов обеих компонент NCi и NC2 в области Ре < 40 мВт возрастает с ростом Ре (рис. 11 б), что связано с ростом заполнения островков электронами и дырками [27]. При Р<>40 мВт hvm компоненты NC2 испытывает

Р#, мВт

Р1, мВт

а

б

насыщение, тогда как компоненты N01 — уменьшается, что связано с увеличением напряжённости электрического поля на границе островков с увеличением Ре. Указанный эффект можно рассматривать как своеобразное проявление кван-товоразмерного эффекта Штарка.

В разделе 5.3 изложены результаты исследования температурной зависимости ФЛ в ГС с островками веБ^ь ФЛ в островках наблюдалась при Г от 9 до 250К (рис. 11). Характер температурной зависимости интенсивности линий ФЛ в островках 1п(Т) соответствует типичным зависимостям, приводимым в литературе для ГС с наноостровками Се81/81(001), выращенных методом МЛЭ [27]. Для аппроксимации зависимости 1р/.(Т) использовалась эмпирическая формула [28]

Рис. 12. Температурные зависимости интенсивности линий ФЛ Si-TO (7) и NC2 (2) в ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001). pg=9x10"4 Topp, 7^=700°С, tg= 1 МИН (¿Ge~10,3 MC).

50 100

1000/7, 1 /К

in(r)=-

1 + С,ехр|-|^| + С2 ехр|

А

кТ

(2)

где £|и£2 — характеристические энергии температурного гашения ФЛ, С\ и С2 — константы. Так, для зависимости //>¿(7) на рис. 12 определённые методом аппроксимации значения Е\ ~ 29 мэВ и Е^ ~ 130 мэВ. Последнее значение соответствует расчётной высоте потенциального барьера для лёгких дырок в островках (с учётом упругих отношений и заряда островка избыточными носителями). Это свидетельствует, что основным механизмом температурного гашения ФЛ в островках является термоактивированная эмиссия лёгких дырок из островков. Подобный эффект отмечен в [29] для КЯ АКЗаАзЛЗаА^ОО!).

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Установлена зависимость морфологии самоформирующимися островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеН4, от параметров процесса роста. Показано, что определяющее влияние на морфологию островков оказывают процессы переконденсации по механизму, сходному с механизмом Лифшица-Слёзова-Вагнера.

2. Методом конфокальной рамановской микроскопии исследована зависимость состава и упруго-напряжённого состояния самоформирующихся островков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде германа, от условий роста. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность измерения локальных рамановских спектров индивидуальных островков Се81/81(001). Обнаружено уменьшение концентрации Ое в мате-

риале островков с увеличением температуры и времени роста, связанное с диффузией в объём островков в процессе роста.

3. Методом спектроскопии фотолюминесценции установлена зависимость энергетического спектра самоформирующихся островков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеН4, от условий роста. Установлено, что расщепление линий ФЛ, обусловленных излучательной рекомбинацией в островках веБ^ связано с неоднородным распределением ве по объёму островков (поверхность островков обогащена Се).

4. Показано, что доминирование в спектрах фотолюминесценции линий, обусловленных переходами внутри островков Ое81 (прямых в реальном пространстве) связано с влиянием заряда островков избыточными носителями в условиях сильного фотовозбуждения.

Список опубликованных работ автора по теме диссертации

[Al] Филатов, Д. О. Фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитак-сии в среде германа / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Си-прова, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Вестник ННГУ им. Н. И. Лобачевского. Серия «Физика твердого тела». — 2007. — №1. — С. 42 - 46.

[А2] Филатов, Д. О. Морфология и фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Сипрова, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Известия РАН. Серия физическая. — 2008. — Т. 72, №2. — С. 267 - 270.

[АЗ] Филатов, Д. О. Фотолюминесценция наноостровков GeSi/Si, формирующихся в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Сипрова, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Физика и техника полупроводников. — 2008. — Т. 42, №9. — С. 1116 - 1121.

[А4] Филатов, Д. О. Фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков в гетероструктурах GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeRt / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Сипрова, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Неорганические материалы. — 2008. — Т. 44, №11. — С. 1287 - 1292. [А5] Филатов, Д. О. Фотоэлектрические свойства гетероструктур с самоформирующимися нанокластерами GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH4 / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, А. П. Горшков, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2009, —№9, —С. 58-67.

[А6] Машин, А. И. Конфокальная рамановская микроскопия самоформирующихся островков GeSi/Si(001) / А. И. Машин, А. В. Нежданов, Д. О. Филатов, М. А. Исаков, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Физика и техника полупроводников, —2010. —Т. 44, №11. — С. 1552 - 1558. [А7] Исаков, М. А. Особенности процесса роста и фотолюминесценции самоформирующихся островков GeSi/Si(001), выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH( / M. А. Исаков, Д. О. Филатов, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С.А. Денисов // Вестник ННГУ им. Н. И. Лобачевского. - 2010. - №5.

[А8] Филатов, Д. О. Рост самоформирующихся наноостровков GeSi/Si методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / Д. О. Филатов, М. А. Исаков, М. В. Круглова // Материалы нано-, микро-, оптоэлектрони-ки и волоконной оптики: физические свойства и применение: Докл. V Всероссийской молодежной научной школы, Саранск. 3-6 окт. 2006. — Саранск, 2006.-С. 39.

[А9] Исаков, М. А. Исследование зависимости морфологии самоформирующихся наноостровков GeSi/Si от условий выращивания методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германия. / М. А. Исаков, М. В. Круглова, С. В. Сипрова, Д. О. Филатов // VIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлек-тронике: Докл., С.-Петербург, 27 нояб. - 1 дек. 2006. — СПб, 2006. — С. 45. [А10] Филатов, Д. О. Морфология и фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, С. В. Сипрова, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Нанофизика и наноэлектроника: Докл. Междунар. симп., Н.Новгород, 15-19 мар. 2007. — Н. Новгород, 2007. — С. 317 - 318. [А 11] Филатов, Д. О. Фотолюминесценция самоформирующихся наноостровков GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, С. В. Сипрова, М. А. Исаков, М. О. Марычев, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение: Докл. XIII Все-росс. конф., Н. Новгород, 28-31 мая 2007. — Н. Новгород, 2007. — С. 246. [А12] Круглова, М. В. Исследование поверхностных наноостровков GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа, методом атомно-силовой микроскопии / М. В. Круглова, Д. О. Филатов, С. В. Сипрова, М. А. Исаков, В. Г. Шенгуров, С. П. Светлов, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // РЭМ - 2007: Докл. XV Росс. симп. по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел: Черноголовка, 4-7 июн. 2007. — М., 2007. — С. 35 -36.

[А13] Kruglova, M. V. Growth and photoluminescence of the SiGe/Si self-assembled nanoclusters grown by Sublimation Molecular Beam Epitaxy in GeH4 ambient / M. V. Kruglova, D. O. Filatov, S. V. Siprova, M. A. Isakov, M. O. Marychev, V. G. Shengurov, S. P. Svetlov, V. Yu. Chalkov, S. A. Denisov // Nanostructures: Physics and Technology: Proc. XV Int. Symp.: Novosibirsk, Russia, Jun. 25 - 29, 2007. -Novosibirsk, 2007. — P. 255 - 256.

[А14] Филатов, Д. О. Фотоэлектрические свойства гетероструктур с самоформирующимися наиоостровками GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде GeH4 / Д. О. Филатов, М. В. Круглова, М. А. Исаков, А. П. Горшков, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Нанофизика и наноэлектроника: Докл. XII Международ, симп.: Н. Новгород, 25

— 29 мар. 2008. — Н.Новгород, 2008. — С. 507 - 508.

[А15] Машин, А. И. Конфокальная рамановская микроскопия самоформирующихся островков GeSi/Si(001) / А. И. Машин, А. В. Нежданов, Д. О. Филатов, М. А. Исаков, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Нанофизика и наноэлектроника: Докл. XIV Международ, симп.: Н. Новгород, 15-19 мар. 2010.

— Н. Новгород, 2010. — С. 250-251.

[А16] Mashin, A. I. Confocal Raman Microscopy of the self-assembled GeSi/Si(001) nanoislands / A. I. Mashin, A. V. Nezhdanov, D. O. Filatov, M. A. Isakov, V. G. Shengurov, V. Yu. Chalkov, S. A. Denisov // Nanostructures: Physics and Technology: Proc. XVIII Int. Symp.: St. Petersburg, Russia, Jun. 21 - 26, 2010. - SPb, 2010.

— P. 35 -36.

Список цитированной литературы

1. Nano-optoelectronics: physics, concepts, and devices. - Ed. M. Grundmann / Berlin: Springer, 2002. — 442 p.

2. Reed, G.T. Silicon Photonics: The State of the Art. / G.T. Reed — Blackwell: Wiley-Interscience, 2008. — 354 p.

3. Shiraki, Y. Fabrication technology of SiGe hetero-structures and their properties / Y. Shiraki, A.Sakai // Surface Science Reports. — 2005. — V. 59, №7-8. — P. 153 -207.

4. Пчеляков, О. П. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства. Обзор / О. П. Пчеляков, Ю. Б. Болховитянов, А. В. Двуреченский и др. // Физика и техника полупроводников. — 2000. — Т. 34, №11 — С. 1281 - 1299.

5. Якимов, А. И. Ge/Si-фотодиоды и фототранзисторы со встроенными слоями квантовых точек Ge для волоконно-оптических линий связи / А. И. Якимов, А. В. Двуреченский, В. В. Кириенко и др. // Физика твёрдого тела. — 2005. — Т. 47, №1, —С. 37-40.

6. 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 и др. // Физика и техника полупроводников. — 2003. — Т. 37, №11, —С. 1383- 1388.

7. Светлов, С. П. Гетероэпитаксиальные структуры Si]_xGex/Si( 100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH4 / С. П. Светлов, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков и др. // Известия РАН. Серия физическая. — 2001. — Т. 65, №2. — С. 204 - 207.

8. Berbezier, I. SiGe nanostructures /1. Berbezier, A. Ronda // Surface Science Reports. — 2009. — V. 64, №1. — P. 47 - 98.

9. Максимов, Г. А. Фотоэлектрические свойства и электролюминесценция p-i-n диодов на основе гетероструктур с самоорганизованными нанокластерами GeSi/Si / Г. А. Максимов, 3. Ф. Красильник, Д. О. Филатов и др. // Физика твёрдого тела. — 2005. — Т. 47, №1. — С. 26 - 29.

10. Teichert, С. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy / C. Teichert // Physics Reports. — 2002. — V. 365, №3. — P. 335 - 432.

11. Wagner, C. Z. Theorie der Alterung Von Niederschlagen durch Umlösen (Ost-wald-Reifiing) / C. Z. Wagner // Zeitschrift für Elektrochemie. — 1961. — B. 65, №7/8. —S. 581 -591.

12. Лифшиц, И. M. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов / И. М. Лифшиц, В. В. Слёзов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1958. — Т. 35, №2, — С. 479 - 487.

13. Li, S. Н. Gas-source molecular-beam epitaxy using Si2H6 and GeH4 and X-ray characterization of Si^Ge* (0 < x < 0.33) alloys / S. H. Li, S. W. Chung, J. K. Rhee et al // Journal of Applied Physics. - 1992. - V. 71, №10. — P. 4916 - 4919.

14. Cremona, M. Photoluminescence of Ge islands grown by Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition on Si(100) / M. Cremona, F. Racedo, R. Larciprete et al. // Brazilian Journal of Physics. — 1997. — V. 27/A, №4. — P. 181 - 184.

15. Medeiros-Ribeiro, G. / G. Medeiros-Ribeiro, A. M. Bratkovski, Т. I. Kamens et al. // Science. — 1998. —V. 279, №2. — P. 353 - 355.

16. Kamins, Т. I. Evolution of Ge islands on Si(001) during annealing / Т. I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D. A. A. Ohlberg et al. // Journal of Applied Physics. — 1999.

— V. 85, №2. —P. 1159- 1162.

17. Sonnet, Ph. Physical origin of trench formation in Ge/Si(100) islands / Ph. Sonnet, P. C. Kelires // Applied Physics Letters. — 2004. — V. 85, №2. — P. 203 -205.

18. Chaparro, S. A. Strain relief via trench formation in Ge/Si(100) islands / S. A. Chaparro, Y. Zhang, J. Drucker // Applied Physics Letters. — 2000. — V. 76, №24.

— P. 3534-3536.

19. Chakraverty, В. K. Grain size distribution in thin films. Non conservative systems / В. K. Chakraverty // Journal of Physics and Chemistry of Solids. — 1967. — V. 28, №11, —P. 2413-2421.

20. Webb, R. H. Confocal optical microscopy / R. H. Webb // Reports on Progress in Physics. — 1996. — V. 59, №5 — P. 427 - 471.

21. Grönen, J. Phonons as probes in self-organized SiGe islands / J. Grönen, R.Carles, S.Christiansen et al. // Applied Physics Letters. — 1997. — V. 71, № 26.

— P. 3856-3858.

22. Sunamura, H. Island formation during growth of Ge on Si(100): A study using photoluminescence spectroscopy / H. Sunamura, N. Usami, Y. Shiraki et al. // Applied Physics Letters. — 1995. — V. 66, №22. — P. 3024 - 3026.

23. Maximov, G. A. Composition analysis of single GeSi/Si nanoclusters by Scanning Auger Microscopy / G. A. Maximov, Z. F. Krasil'nik, A. V. Novikov et al. //

Nanophysics, Nanoclusters, and Nanodevices. — Ed. Kimberly S. Gehar. — New York: Nova Science, 2006. — P. 87 - 123.

24. Круглова M. В. Фотоэлектрические свойства гетероструктур с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si. - Дисс. канд. физ.-мат. наук. Н. Новгород, 2009.

25. Красильник, 3. Ф. Оптические свойства напряженных гетероструктур Si,. xGex и Sii_x_yGexCy / 3. Ф. Красильник, А. В. Новиков // Успехи физических наук. — 2000. — Т. 170, №3. — С. 338 - 341.

26. Алешкин, В. Я. Спектры электронов и дырок и правила отбора для оптических переходов в Gei_xSix/Ge / В. Я. Алешкин, Н. А. Бекин // Физика и техника полупроводников. — 1997. — Т. 31, №2. — С. 171 - 178.

27. Tsybeskov, L. Three-dimensional silicon-germanium nanostructures for CMOS compatible light emitters and optical interconnects / L. Tsybeskov, E.-K. Lee, H.-Y. Chang et al. // Advances in Optical Technologies. — 2008. — №21. — P. 8032 -8035.

28. Kamenev, В. V. Optical properties of Stranski-Krastanov grown three-dimensional Si/Sii_xGex nanostructures / В. V. Kamenev, J.-M. Baribeau, D. J. Lockwood et al. // Physica E. — 2005. — V. 26, №2. — P. 174 - 179.

29. Nelson, J. Steady-state carrier escape from single quantum wells / J. Nelson, M. Paxman, K. W. J. Barnham et al. // IEEE J. Quantum Electron. — 1993. — V. QE-29, №6, —p. 1460- 1468.

Подписано к печати 10.11.2010 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Заказ № 690. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Отделе дизайна и цифровой печати РИУ ННГУ им. Н.И. Лобачевского 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

ВВЕДЕНИЕ

Список определений, обозначений и сокращений

ГЛАВА 1. РОСТ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР веБ^ С САМОФОРМИРУЮЩИМИСЯ ОСТРОВКАМИ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Методы эпитаксиального выращивания гетероструктур на основе Б! и ве

1.1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

1.1.2. Газофазная эпитаксия

1.1.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия из газофазных источников

1.1.4. Сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия в среде ОеН

1.2. Рост гетероструктур Ое81/ с самоформирующимися островками

1.2.1. Зарождение и трансформация островков Ое81/ в процессе роста

1.2.2. Эффекты упорядочения в массивах островков Се81/81(001)

1.3. Зонная структура самоформирующихся островков 0е81/81(001)

1.4. Фотолюминесценция гетероструктур СеЗъ^

1.4.1. Фотолюминесценция самоформирующихся островков веБ^

1.4.2. Фотолюминесценция дефектов кристаллической решетки

1.4.3. Температурная зависимость фотолюминесценции самоформирующихся островков Ое81/

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Методика выращивания гетероструктур с самоформирующимися островками GeSi/Si(001) методом сублимационной МЛЭ в среде GeH

2.2. Методика АСМ исследований гетероструктур с поверхностными островками GeSi/Si(001)

2.3. Методика исследования оптических свойств гетероструктур с заращенными островками GeSi/Si(001) ■

ГЛАВА 3. ЗАВИСИМОСТЬ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСТРОВКОВ GeSi/Si(001), ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ СМЛЭ В СРЕДЕ GeH4, ОТ УСЛОВИЙ РОСТА •

3.1. Эволюция морфологии поверхностных островков GeSi/Si(001) в процессе роста

3.2. Формирование разрыва смачивающего слоя вокруг островков 86 Выводы к Главе

ГЛАВА 4. ЗАВИСИМОСТЬ СОСТАВА И УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ

САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ ОСТРОВКОВ GeSi/Si(001) ОТ

УСЛОВИЙ РОСТА

4.1. Конфокальная рамановская микроскопия самоформирующихся островков GeSi/Si(001)

4.2. Состав материала самоформирующихся островков GeSi/Si(001) 94 Выводы к Главе

ГЛАВА 5. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР С САМОФОРМИРУЮЩИМИСЯ ОСТРОВКАМИ GeSi/Si(001),

ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ СМЛЭ В СРЕДЕ GeH

5.1. Зависимость спектров фотолюминесценции гетероструктур с само формирующимися островками 0е81/81(001) от условий роста

5.2. Зависимость спектров фотолюминесценции самоформирующихся островков GeSi/Si(001) от интенсивности фотовозбуждения 115 5.3 Температурная зависимость спектров фотолюминесценции самоформирующихся островков GeSi/Si(001)

Выводы к Главе

Актуальность темы диссертации

Одним из приоритетных направлений развития современной физики полупроводников является развитие технологии формирования низкоразмерных полупроводниковых гетероструктур (ГС), необходимое для дальнейшего развития твердотельной наноэлектроники и оптоэлектроники, в том числе интегральной оптоэлектроники [1]. В области практического применения низкоразмерных полупроводниковых ГС видимый прогресс к настоящему времени достигнут только для наноструктур (НС) на основе полупроводниковых соединел с ний типа А В [2]. Однако в связи с тем, что современная интегральная твердотельная электроника базируется, в основном, на кремниевой технологии, исследование НС на основе 81 также представляет значительный интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. С практической точки зрения, главной целью этих исследований является поиск путей;создания на основе 81. светоизлучающих (светодиодов, инжекционных и др. лазеров) и фотоприёмных, устройств на базе 81, работающих в практически важном для оптоволоконной связи диапазоне длин воли X = 1,3 1,55 |1м,(так называемом коммуникативном-диапазоне) [3]. В настоящее время в этой области спектра используются полупроводниковые инжекционные лазеры и фотоприёмники на основе твёрдых растворов 1пСаАэР, плохо интегрирующиеся в кремниевую технологию.

Основной проблемой, которую необходимо решить для создания светоизлучающих приборов на базе 81, является непрямозонность 81, в связи с чем вероятность безызлучательной рекомбинации в нём значительно больше, чем излучательной. В качестве одного из путей повышения эффективности электролюминесценции (ЭЛ) в 81 рассматривается использование различных НС на базе 81. Среди последних следует отметить пористый кремний [4], нанокристаллы (НК) 81 в диэлектрических матрицах (прежде всего, 8Ю2 [5]), 81 нано5 проволоки [б] и др. Ожидается, что, благодаря эффекту размерного квантования, удастся повысить вероятность квазипрямых межзонных оптических переходов в кремниевых HG и повысить эффективность ЭЛ в них до значений, позволяющих говорить о приборномприменении.

В качестве альтернативных (по сравнению с использованием кремниевых НС) подходов к созданию Si светоизлучающих приборов, можно отметить использование дислокационной ЭЛ в Si [7], и, особенно, Si, легированный Ег [8]. В последнем направлении на сегодняшний день достигнут наибольший прогресс, в частности, получена инверсная заселённость уровней Ег -содержащего комплекса при оптической накачке [9].

В начале 90-х гг. XX в. большие надежды возлагались на ГС с наноост-ровками Ge/Si, формирующимися в процессе гетероэпитаксии Ge на Si по так называемому механизму Странски-Крастанова [10]. Следует отметить, что именно с гетеросистемы Ge/Si(001) началось освоение механизмов самоформирования'полупроводниковых квантовых точек (КТ) в процессе гетероэпитаксии решёточно рассогласованных материалов. Уже в-первых работах наблюдалась интенсивная- фотолюминесценция (ФЛ), а также фоточувствительность (ФЧ) ГС с само формирующимися наноостровками Ge/Si(001) в области X = 1,3 1,55 jim.[.11]. С тех пор был проделан колоссальный объём работы по изучению процессов роста'и свойств наноостровков GeSi/Si-c целью поиска'путей повышения выхода ФЛ и ЭЛ в них (см., напр., обзоры [10, 12, 14]). Хотя на^ этом пути были достигнуты значительные успехи, тем не менее, получить лазерную генерацию в наноостровках Ge/Si пока-не удалось. Одна из причин тому — весьма сложные (в.отличие, например, от КТ InAs/GaAs(001>) [13]) закономерности трансформации формы и состава наноостровков Ge/Si(001) в процессе роста, до сих пор ещё до конца не изученные, несмотря на обилие работ, опубликованных по данной теме за последние 15 лет [14]. Это затрудняет получение ГС с необходимыми для оптоэлектронных применений параметрами (ключевыми параметрами являются поверхностная плотность наноостровков

Ns, их однородность по размерам, энергии основных межзонных переходов Ео). Кроме того, недавние успехи в области Si:Er, упомянутые выше, как бы отодвинули наноостровки GeSi/Si как потенциальный лазерный материал на второй план.

С другой стороны, в последние годы усилился интерес к фотоэлектриче-' ским свойствам ГС GeSi/Si, связанный с расширением спектрального диапазона фотодетекторов на базе Si в ИК-область (прежде всего, на коммуникативный диапазон 1,3 -н 1,55 цм). Очевидно, что для построения интегрально-оптических устройств необходимы не только излучатели, но и фотоприемники. Перспективными фотоприёмниками диапазона 1,3 1,55 цм на базе Si на данный момент считаются р—i—п фотодиоды с многослойными массивами островков GeSi, встроенными в /-область [15]. Такие фотоприемники имеют ряд существенных преимуществ в сравнении со структурами на основе объемных слоев [16]. Работа указанных приборов основана на межзонном оптическом поглощении в островках GeSi. Поскольку контакт Ge/Si является гетеропереходом II рода [17], в ГС GeSi/Si возможны межзонные оптические переходы»с энергиями, намного меньшими ширины запрещенной зоны Eg как Si, так H<Ge. Теоретическое минимальное значение Е0 в ГС Ge/Si составляет 0,35 эВ (300 К), что соответствует А.0 « 3,54 р.м.

Другое направление исследований, интенсивно развивающееся в настоящее время, — фотоэлектрические эффекты при межподзонном фотовозбуждении и фотоионизации квантовых ям (КЯ) и наноостровков GeSi, на основе этих эффектов могут быть созданы фотодетекторы среднего и дальнего ИК-диапазонов [18]. Кроме того, ГС GeSi/Si могут использоваться в ИС (в том числе, оптоэлектронных) не только как активная^ среда для приборов генерации и детектирования оптического излучения, но и как материал для пассивных пла-нарных световодов [19], рамановских лазеров и усилителей [20, 21], электрооптических модуляторов [22], а также в электронных приборах [23]: гетеробипо-лярных транзисторах (ГБТ) [24], энергонезависимой памяти на базе МОПтранзисторов. с плавающим затвором, в которых в подзатворные диэлектрики внедряются НК Si (так называемая нано-флэш память) [25], квантовых приборах (таких, как резонансно-туннельные приборы [26]) и пр. Наконец, GeSi ге-тероструктуры активно используются' в перспективных КМОП-транзисторах, где канал выполняется из напряжённого Si [27].

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению морфологии и оптических свойств ГС GeSi/Si(001) с самоформирующимися островками, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ) в среде GeH4 [28]. В этом методе слои Si осаждаются из сублимационных источников в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ), а для осаждения Ge в ростовую камеру напускался GeH4 (парциальное давление GeH4 pg составляет Ю-4 -н Ю-2 Topp). Таким образом, данный метод представляет собой некий гибрид МЛЭ с сублимационным источником Si и газофазной эпитаксии (ГФЭ) при низком давлении. Потенциальные преимущества гибридного метода перед традиционными МЛЭ и.-ГФЭ состоят в следующем. В стандартной МЛЭ в качестве источников Ge и Si-наиболее часто используются электронно-лучевые испарители. Несмотря на определенные.успехи в выращивании ГС GeSi/Si данным, методом, имеются трудности выращивания слоев высокого кристаллического совершенства. Это связано с тем, что использование твердотельных источников для;электронно-лучевого испарения Si и, особенно, Ge, может приводить, к разбрызгиванию, капель расплава испаряемых материалов, что накладывает некоторые ограничения на режим испарения и скорость роста, чтобы избежать образования в эпитаксиальных слоях твердого раствора GevSii.t дефектов, подобных обсуждаемым в работе [29]. Использование сублимационного источника для осаждения Si позволяет выращивать структуры любой сложности с высоким кристаллическом совершенством при достаточно низких температурах осаждения слоев Si (до 400 °С), а также предоставляет большие возможности в выборе и доступной концентрации легирующей примеси, чем метод ГФЭ. С другой стороны, использование сублимационных источников Ge невозможно вследствие низкой температуры плавления ве 937 °С). Использование пиролиза веНд позволяет осаждать однородные слои ве на подложки любых размеров.

Однако для широкого практического применения метода СМЛЭ в среде СеН4 необходимо установить зависимость морфологии, электронных и оптических свойств самоформирующихся островков СеБ^ь выращиваемых данным методом, от условий роста. Электронные и оптические свойства ГС с самоформирующимися наноостровками Ое81/81 напрямую зависят от энергетического спектра носителей заряда в островках, который определяется их размерами, составом, формой, и упругими напряжениями. Для практического применения структур с само формирующимися островками веЗи^ необходимо уметь получать массивы островков с заданными параметрами. К моменту начала работы над диссертацией процессы зарождения и роста Ое81 само формирующихся островков на подложках 81(001) были-исследованы достаточно подробно для структур, выращенных методом МЛЭ и менее подробно — методом ГФЭ. Исследований структур, выращенных методом СМЛЭ в среде СеН4 не проводилось, за исключением работ [30, 31, 48], имеющих характер предварительных исследований. Так, в [31] было установлено, что морфология массивов поверхностных островков Ое81/81, полученных методом СМЛЭ в среде ОеН4, существенно отличается от морфологии островков, выращенных методом МЛЭ в эквивалентных условиях (температура1 роста Т8, номинальная толщина ве с1Сс): размеры островков И и высота островков Н в первом случае были больше, а поверхностная плотность — меньше. Для объяснения полученных экспериментальных результатов в [31] было выдвинуто предположение о существенном влиянии на рост островков процессов коалесценции, что, в свою очередь, было связано с влиянием газовой атмосферы в реакторе. Однако данное предположение не было подтверждено в [31] количественно: полученные в [31] зависимости параметров морфологии островков от условий роста оказались весьма запутанными и не поддавались количественной интерпретации.

Таким образом, тема настоящего диссертационного исследования является актуальной как с фундаментальной (выявление особенностей процессов роста и обусловленных ими особенностей морфологии, состава, энергетического спектра и оптических ствойств самоформирующихся островков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеН4), так и с прикладной точек зрения (выяснение возможностей метода СМЛЭ в среде ОеН4 в области выращивания приборных структур с самоформирующимися островками Ое81 для 81 нано- и оптоэлектроники; выяснение условий роста, обеспечивающих получение массивов островков с необходимыми параметрами).

Цель работы

Установление фундаментальных закономерностей, связывающих морфологию и оптические свойства структур с самоформирующимися островками Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде ОеН4, с условиями роста.

Задачи работы:

1. Исследование количественных зависимостей параметров морфологии, состава и спектров ФЛ самоформирующихся островков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде веНЦ, от условий роста.

2. Выявление отличительных особенностей процессов формирования, морфологии, состава и энергетического спектра самоформирующихся островков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде веН4, в сравнении с островками, выращенными методами МЛЭ и ГФЭ.

3. Построение теоретических моделей, связывающих особенности спектров ФЛ структур с само формирующимися островками 0е81/(001), выращенных методом СМЛЭ в среде веБЦ, с особенностями морфологии и состава материала островков.

Научная новизна и практическая значимость работы

1. Впервые проведён количественный анализ зависимостей параметров морфологии самоформирующихся островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде веН4, от условий роста. Установлено, что морфология массивов островков определяется процессами переконденсации в процессе роста.

2. Впервые для исследования состава и упруго-напряжённого состояния самоформирующихся островков Се81/81(001) применён метод конфокальной рамановской микроскопии (КРМ). Показана возможность получения карт распределения доли ве и относительной деформации в слое Се81 по поверхности образца и визуализации на них островков и поля упругих напряжений в слое веЗь

3. Впервые показано, что в условиях достаточно сильного фотовозбуждения влияние потенциала избыточных носителей заряда, локализованных в островках Се81/81(001), может приводить к тому, что островки становятся гетероструктурами I типа. С указанным эффектом связано доминирование в спектрах фотолюминесценции линий, обусловленных прямыми в реальном пространстве межзонными оптическими переходами в островках.

4. Установлено, что линии фотолюминесценции от островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде СеН4, имеют тонкую структуру, связанную с неоднородным распределением Ое по объёму островков (вершины островков обогащены Ое).

5. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке технологии выращивания методом СМЛЭ в среде Ое114 приборных структур на основе Се81/81(001) для кремниевой оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. При выращивании самоформирующихся островков GeSi/Si(001) методом СМЛЭ в среде GeH4 при температурах подложки Tg = 700 + 800°С и давлении GeH4 в ростовой камере 5 х Ю74 + 1,5 х Ю-3 Topp зарождение островков происходит по механизму Странски-Крастанова, но при дальнейшем росте морфология островков определяется процессами переконденсации.

2. В спектрах фотолюминесценции гетероструктур с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, доминируют линии, связанные с прямыми в реальном пространстве межзонными оптическими переходами в островках.

3. Расщепление линий фотолюминесценции в островках, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, связано с наличием у поверхности островков области, обогащенной Ge.

Личный вклад автора в получение результатов работы

1. Обработка и анализ данных АСМ исследований поверхностных островков GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4; разработка алгоритма и программного обеспечения для анализа данных АСМ и определения параметров морфологии островков; количественный анализ зависимостей параметров морфологии островков от условий роста.

2. Обработка и анализ данных КРМ исследований гетероструктур GeSi/Si(001), выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4; разработка методики определения пространственного распределения состава и локальной упругой деформации слоя GeSi из данных КРМ; анализ зависимости состава и упруго-напряжённого состояния островков от условий роста.

3. Анализ зависимостей спектров ФЛ гетероструктур GeSi/Si(001) с самоформирующимися островками, выращенных методом СМЛЭ в среде GeH4, от условий роста, температуры измерения и интенсивности фотовозбуждения; построения теоретических моделей зонной структуры островков, объясняющих экспериментальные зависимости. Планирование экспериментов, проектирование образцов для исследования и анализ экспериментальных результатов осуществлялись совместно с научным руководителем.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации докладывались на Российских и международных научных конференциях, в том числе: о V Всероссийской молодежной научной школе, посвященной 75-летию Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева (Саранск, 3-6 октября 2006 г.), о XII и XIII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2007 и 2008 гг.), о VIII и IX Всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2006 и 2007 гг.); о XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение» (Нижний Новгород, 28 — 31 мая 2007 г.), о XV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, РЭМ-2007 (Черноголовка, 4 — 7 июня 2007 г.), о VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 3 — 7 октября 2007 г.); о XI, XII и XIV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлек-троника» (Нижний Новгород, 2007, 2008 и 2010 гг.), о XV и XVIII International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (Новосибирск, 25 - 29 июня 2007 г.; С.-Петербург, 21 — 26 июня 2010 г.), а также на семинарах Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (НОЦ ФТНС ННГУ) и Физического Института РАН им. П. Н. Лебедева (г. Москва).

Публикации

По теме диссертации опубликовано в соавторстве 16 печатных научных работ, включая 7 статей в ведущих научных журналах и 9 публикаций в материалах Российских и международных научных конференций. Список публикаций автора по теме диссертации приведён в Приложении 1.

Основное содержание диссертации по главам

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора в получение результатов работы, сведения об апробации работы, публикациях автора по теме диссертации.

В Главе 1 приведен обзор литературы, посвященной исследованиям процессов роста, электронной структуры и оптических свойств ГС с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001).

В разделе 1.1 проводится сравнительный анализ методов эпитаксиально-го роста полупроводниковых ГС: МЛЭ, ГФЭ и др., в том числе СМЛЭ в среде GeH4. Обсуждаются достоинства и недостатки различных методов применительно к выращиванию самоформирующихся наноостровков GeSi/Si.

В разделе 1.2 рассматриваются механизмы зарождения и роста самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001) в процессе эпитаксиального наращивания, трансформации формы и состава островков в процессе роста, обсуждаются эффекты упорядочения в массивах наноостровков и разнообразные способы повышения поверхностной плотности и однородности наноостровков GeSi/Si(001), описанные в литературе.

В разделе 1.3 обсуждается зонная структура самоформирующихся наноостровков GeSi/Si(001), влияние на неё состава материала островков и упругих напряжений.

В разделе 1.4 приведен обзор исследований фотолюминесценции ГС с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si(001), в том числе её температурной зависимости, а также дислокационной ФЛ в Si и ГС GeSi/Si.

В Главе 2 описаны методики экспериментальных исследований.

В разделе 2.1 приведено описание методик выращивания и характериза-ции образцов для исследования, приведены параметры ростового процесса.

В разделе 2.2 описана методика исследования морфологии поверхностных островков GeSi/Si методом атомно-силовой микроскопии (АСМ).

В разделе 2.3 описаны методики спектроскопии ФЛ и исследования температурных зависимостей спектров ФЛ. Там же приводится описание методики КРМ исследований островков GeSi/Si(001).

Глава 3 посвящена исследованию морфологии поверхностных островков GeSi/Si(001) методом АСМ.

В разделе 3.1 приводятся результаты исследований связи параметров морфологии островков с условиями роста.

В разделе 3.2 приводятся результаты количественного анализа морфологии разрывов смачивающего слоя вокруг островков.

В Главе 4 приводятся результаты исследований состава и упругих напряжений в островках GeSi/Si(001) методом КРМ.

В Разделе 4.1 проведён сравнительный анализ АСМ и КМ изображений

ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001), выращенных в различ

15 ных условиях, анализируется возможность визуализации индивидуальных островков GeSi на КМ изображениях.

В Разделе 4.2 приводятся результаты измерений и анализа локальных спектров КРС гетероструктур с самоформирующимися островками GeSi/Si(001) и методика определения из них состава материала индивидуальных островков. Там же приводятся результаты исследования зависимости состава островков GeSi/Si(001) от условий роста.

В Главе 5 приводятся результаты исследований спектров фотолюминесценции ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001).

В Разделе 5.1 приводятся результаты исследования зависимости ФЛ ГС с самоформирующимися островками GeSi/Si(001) от условий роста.

В Разделе 5.2 изложены результаты исследования зависимости спектров ФЛ островков GeSi/Si от интенсивности фотовозбуждения.

В Разделе 5.3 изложены результаты исследования температурной зависимости ФЛ самоформирующихся островков GeSi/Si.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

В Приложении 1 приведён список работ автора по теме диссертации.

В Приложении 2 приведён листинг оригинального программного обеспечения для анализа данных АСМ исследований островков GeSi/Si(001) (электронная книга MathCAD 2001 с описанием алгоритма выделения островков на АСМ изображении и определения их геометрических параметров). Там же приведены результаты сравнения с программным обеспечением для анализа АСМ изображений островков других разработчиков.

Список определений, обозначений и сокращений а стандартное отклонение у коэффициент Пуассона

Ап концентрация избыточных электронов

Ар концентрация избыточных дырок относительная упругая деформация гетероэпитаксиального слоя ве81 на подложке 81(001)

Длина волны излучения основного межзонного излучатель-ного оптического перехода в наноостровках Ое81 тг рекомбинационное время жизни носителей латеральные размеры островков ве81 (на уровне 1/10 от основания)

Д? Коэффициент поверхностной диффузии йъ толщина буферного слоя 81 с1ос номинальная толщина осажденного слоя ве й^п толщина смачивающего слоя ве

Еум энергия потолка подзоны тяжёлых дырок

Ем энергия потолка подзоны лёгких дырок

Ем энергия активации поверхностной диффузии

Е\/2 интеграл Ферми порядка 1/2

Рп квазиуровень Ферми для электронов

Рр то же для дырок

О скорость фотогенерации избыточных носителей заряда

Н высота островков ве81

1рь Интенсивность фотолюминесценции

Квазиволновое число электрона (дырки); волновое число к фотона кв Постоянная Больцмана минве эффективная масса тяжёлых дырок в ве эффективная масса тяжёлых дырок в слое ве81 эффективная масса тяжёлых дырок в 81 А^с эффективная плотность состояний в зоне проводимости

Д, то же в валентной зоне

А^ поверхностная плотность островков Ое81

Ре Мощность фотовозбуждения парциальное давление веГЦ в ростовой камере температура роста ^ время роста скорость роста эпитаксиального слоя х атомная доля ве в материале островков Се^!-*

АСМ Атомно-силовая микроскопия

БШ Барьер Шоттки

ГБТ Гетеробиполярный транзистор

ГП гетеропереход

ГС Гетероструктура

ГФМЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия из газофазных источников

ГФЭ газофазная эпитаксия

ДБЭО дифракция быстрых электронов на отражение

ИК инфракрасный диапазон

ИС интегральная схема

КРМ конфокальная рамановская микроскопия

КРС комбинационное рассеяние света

КТ квантовая точка

КЯ квантовая яма

МЛГФЭ молекулярно-лучевая эпитаксия из газофазных источников

МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия

МОГФЭ газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений МОМЛЭ ГФМЛЭ из металлоорганических соединений

МОС Металлоорганические соединения

МС монослой

ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия

СВВ сверхвысокий вакуум

СЗМ сканирующая зондовая микроскопия

СК механизм Странски-Крастанова

СМЛЭ сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия

СТМ сканирующая туннельная микроскопия

ФЛ фотолюминесценция

ФЧ фоточувствительность

ЭЛИ электронно-лучевое испарение

ЭС эпитаксиальный слой

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Установлена зависимость морфологии самоформирующимися островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде СеН4, от параметров процесса роста. Показано, что определяющее влияние на морфологию островков оказывают процессы переконденсации по механизму, сходному с механизмом Лифшица-Слёзова-Вагнера.

2. Методом конфокальной рамановской микроскопии исследована зависимость состава и упруго-напряжённого состояния само формирующихся ост-ровков Се81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде германа, от усло-вий роста. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность измерения локальных рамановских спектров индивидуальных островков 0е81/81(001). Обнаружено уменьшение концентрации ве в материале ост-ровков с увеличением температуры и времени роста, связанное с диффузи-ей 81 в объём островков в процессе роста.

3. Методом спектроскопии фотолюминесценции установлена зависимость энергетического спектра самоформирующимися островков 0е81/81(001), выращенных методом СМЛЭ в среде Ое114, от условий роста. Установлено, что расщепление линий ФЛ, обусловленных излучательной рекомбинацией в островках Ое81, связано с неоднородным распределением ве по объёму островков (поверхность островков обогащена ве).

4. Показано, что доминирование в спектрах фотолюминесценции линий, обусловленных переходами внутри островков Ое81 (прямых в реальном пространстве) связано с влиянием заряда островков избыточными носителями в условиях сильного фотовозбуждения.

Заключение

1. Алфёров, Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж.И. Алфёров // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32, №1. — С.З- 18.

2. Nano-optoelectronics: physics, concepts, and devices. Ed. M. Grundmann / Berlin: Springer, 2002. — 442 p.

3. Reed, G.T. Silicon Photonics: The State of the Art. / G.T. Reed — Blackwell: Wiley-Interscience, 2008. — 354 p.

4. Foell, H. Formation and application of porous silicon / H. Foell, M. Christophersen, J. Carstensen et al. // Materials Science and Engineering Reports. — 2002. — V. 39, №4. —P. 93-141.

5. Kveder, V. Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence / V. Kveder, M. Badylevich, E. Steinman et al. // Applied Physics Letters. — 2004. — V. 84, №12. — P. 2106 2108.

6. Palm, J. Electroluminescence of erbium-doped silicon / J. Palm, F. Gan, B. Zheng et al.//Physical Review В. — 1996, —V. 54, №24 —P. 17603- 17615.

7. Shiraki, Y. Fabrication technology of SiGe hetero-structures and their properties / Y. Shiraki, A.Sakai // Surface Science Reports. — 2005. — V. 59, №7-8. — P. 153 -207.

8. Abstreiter, G. Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si / G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel et al. // Semiconductors Science and Technology. — 1996. — V. 11, №10. — P. 1521 1528.

9. Леденцов, H.H. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры / H.H. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин и др. // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32, №4. — С. 385 410.

10. Berbezier, I. SiGe nanostructures /1. Berbezier, A. Ronda // Surface Science Reports. — 2009. — V. 64, №1. — P. 47 98.

11. Якимов, А.И. Ge/Si-фотодиоды и фототранзисторы со встроенными слоями квантовых точек Ge для волоконно-оптических линий связи / А.И. Якимов, A.B. Двуреченский, В.В. Кириенко и др. // Физика твёрдого тела. — 2005. — Т. 47, №1, — С. 37-40.

12. Якимов, А.И. Фотодиоды Ge/Si со встроенными слоями квантовых точек Ge для ближней инфракрасной области (1,3 1,5 мкм) / А.И. Якимов, A.B. Двуреченский, А.И. Никифоров и др. // Физика и техника полупроводников. — 2003. — Т. 37, №11, —С. 1383- 1388.

13. Двуреченский, A.B. Квантовые точки 2 типа в системе GeSi / A.B. Двуреченский, А.И. Якимов // Физика и техника полупроводников. — 2001. — Т. 35, №9. —С. 1143 1153.

14. Yakimov, A.I. Interlevel GeSi quantum dot infrared photodetector / A.I. Yalci-mov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov et al. // Journal of Applied Physics. — 2001.—V. 89, №10.—P. 5676-5681.

15. Namavar, F. Optical wave guiding in Si/Sii-XGex/Si heterostructures / F. Namavar, R.A. Soref. // Journal of Applied Physics. — 1991. — V. 70, №12. — Pi 3370-3372.

16. Suto, K. Semiconductor Raman Lasers / J. Nishizawa, K. Suto — Norwood: Artech House, 1994. — 240 p.

17. Nishizawa, J. Semiconductor Raman Laser / J. Nishizawa, K. Suto // Journal of Applied Physics. — 1980. —V. 51, №5.— P. 2429-2431.

18. Соболев, M.M. Эффект Ваннье-Штарка в сверхрешетке квантовых точек Ge/Si / M.M. Соболев, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких и др. // Физика и техника полупроводников.—2008.—Т. 42, №3. —С. 311-315.

19. Kasper, Е. SiGe alloys and heterojunctions-extending the performance of Si devices / E. Kasper // Current Opinion in Solid State and Materials Science. — 1997. — V.2,№1. —P.48-56.

20. Konig, U. Challenges for a Si/Ge heterodevice technology / U. Konig // Microelectronic Engineering. — 1994. — V. 23, №3. — P. 3 13.

21. Tiwary, S. A silicon nanocrystals based memory / S. Tiwary, F. Rana, H. Hanafi et al. // Applied Physics Letters. — 1996. — V. 68, №7. — P. 1377 1379.

22. Paul, D.J. Si/SiGe electron resonant tunneling diodes / D.J. Paul, P. See, I.V. Zo-zoulenko et al. // Applied Physics Letters. — 2000. — V. 77, №10. — P. 1653 -1655.

23. Xie, Y.H. SiGe field effect transistors / Y.H. Xie // Materials Science and Engineering. — 1999.—V. 25, №1.—P. 89-94.

24. Светлов, С.П. Гетероэпитаксиальные структуры SiixGex/Si(100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH4 /

25. С.П. Светлов, В.Г. Шенгуров, В.Ю. Чалков и др. // Известия Академии наук. Серия физическая. — 2001. — Т. 65, №2. — С. 204 207.

26. Hirayama, Н. Gas source Si-MBE / Н. Hirayama, М. Hiroi, К. Koyama et al. // Journal of Crystal Growth. — 1990. —V. 105, №1. —P. 46-51.

27. Сипрова, С.В. Морфология и фотолюминесценция самоформирую-щихся нанокластеров GeSi/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в среде германа: Дипл. работа / С.В. Сипрова. — Н. Новгород, 2007. — 65 с.

28. Шалимова, К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова. — М.: Энерго-атомиздат, 1985. — 310 с.

29. Беляевский, В.И. Физические основы полупроводниковой нанотехнологии / В.И. Беляевский // Соровский образовательный журнал. — 1998. — №10. — С. 92-98.

30. Малышева, И.А. Технология производства интегральных микросхем / И.А. Малышева. — М.: Радио и связь, 1991. — 344 с.

31. Vescan, L. Facet investigation in selective epitaxial growth of Si and SiGe on (001) Si for optoelectronic devices / L. Vescan, K. Grimm, C. Dieker // Journal of Vacuum Science and Technology B. — 1998. — V. 16, №9. — P. 1549 1554.

32. Tsukidate, Y. Infrared study of SiH4-asorbed Si(100) surfaces: observation and mode assignment of new peaks / Y. Tsukidate, M. Suemitsu // Japanese Journal of Applied Physics. 2001. - V. 40, №11.— P. 5206 - 5210.

33. Hirayama, H. Gas source silicon molecular beam epitaxy using disilane / H. Hi-rayama, T. Tatsumi, N. Aizaki // Applied Physics Letters. — 1988. — V. 52, №18.1. P. 1484-1486.

34. Li, S.H. Gas-source molecular-beam epitaxy using Si2H6 and GeH4 and X-ray characterization of Si^Ge* (0 < x < 0.33) alloys / S.H. Li, S.W. Chung, J.K. Rhee et al // Journal of Applied Physics. 1992. - V. 71, №10. — P. 4916 - 4919.

35. Senthil, K. Adsorption and desorption kinetics of organosilanes at Si(001) surfaces / K. Senthil, H. Nakazawa, M. Suemitsu // Japanese Journal of Applied Physics. — 2003. — V. 42, №11. — P. 6804 6808.

36. Cunningham, В. Heteroepitaxial growth of. Ge on (100) Si by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition / B. Cunningham, J.O. Chu, S. Alcbar // Applied Physics Letters — 1991. — V. 59, №27. — P. 3574 3576.

37. Mukherjee, С. Growth of epitaxial germanium films on silicon using hot-wire chemical vapor deposition / C. Mukherjee, H. Seitz, B. Schroder // Applied Physics Letters. — 2001. — V. 78, №22. — P. 3457 3459.

38. Kasper, E. Growth and Properties of Si/SiGe Superlattices / E. Kasper // Surface Science. — 1986. — V. 174, №6. — P. 630 639.

39. Teichert, C. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy / C. Teichert // Physics Reports. — 2002. — V. 365, №3. — P. 335 432.

40. Le Goues, F.K. Measurement of the activation barrier to nucleation of dislocation in thin films / F.K. le Goues, P.M. Mooney, J. Tersoff// Physical Review Letters. — 1993. — V. 71, №3. — P. 396 399.

41. Stranski, I.N. Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander / I.N. Stranski, L. von Krastanow // Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften im Wien. Mathnaturwissenschaft Klasse. — 1937. — B. 146, №7. — S. 797 -810.

42. Tersoff, J. Competing relaxation mechanisms in strained layers / J. Tersoff, F.K. le Goues // Physical Review Letters. — 1994. — V. 72, №22. — P. 3570 3573.

43. Hammar, M. In situ ultrahigh vacuum transmission electron microscopy studies of hetero-epitaxial growth. I. Si(001)/Ge / M. Hammar, F.K. le Goues, J. Tersoff et al. // Surface Science. — 1996. — V. 349, №2. — P. 129 144.

44. Kohler, U. Layer-by-layer growth of germanium on Si(100): strain-induced morphology and the influence of surfactants / U. Kohler, O. Jusko, B. Müller et al. // Ul-tramicroscopy. — 1992. — V. 42-44, №1. — P. 832 837.

45. Metzger, T.H. Shape, size, strain and correlations in quantum dot systems studied by grazing incidence X-ray scattering methods / T.H. Metzger, I. Kegel, R. Paniago et al. // Thin Solid Films. — 1998. — V. 336, №1-2. — P. 1 8.

46. Capellini, G. Atomic force microscopy study of self-organized Ge islands grown on Si(100) by low pressure chemical vapor deposition / G. Capellini, L. di Gaspare, F. Evangelisti et al. // Applied Physics Letters. — 1997. — V. 70, №4. — P. 493 -495.

47. Mo, Y.M. Scanning tunneling microscopy studies of the growth process of Ge on Si(001) / Y.W. Mo, M.G. Lagally // Journal of Crystal Growth. — 1991. — V. 111, №1-4,—P. 876-881.

48. Mo, Y.M. Scanning tunneling microscopy studies of the initial stages of germanium growth on Si(001) / Y.W. Mo, M.G. Lagally // Materials Science and Engineering B. — 1993. — V. 14, №3. —P. 311-316.

49. Mo, Y.M. Kinetic pathway in Stranski-Krastanov growth of Ge on Si(001) / Y.M. Mo, D.E. Savage, B.S. Swartzentruber et al. // Physical Review Letters. — 1990. — V. 65, №8.-P. 1020 1023.

50. Medeiros-Ribeiro, G. / G. Medeiros-Ribeiro, A.M. Bratkovski, T.I. Kamens et al. // Science. — 1998. — V. 279, №2. — P. 353 355.

51. Voigtländer, B. Fundamental processes in Si/Si and Ge/Si epitaxy studied by scanning tunneling microscopy during growth // Surface Science Reports. — 2001. — V. 43, №5. — P. 127 254.

52. Leifeld, О. An UHV-STM for in-situ characterization of MBE/CVD growth on 4-inch wafers / O. Leifeld, D.A. Griitzmacher, B. Mtiller et al. // Applied Physics A. — 1998. — V. 66, №1. P. S993 - S997.

53. Востоков, H.B. Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноо-стровков GeSi на Si (001) / H.B. Востоков, С.А. Гусев, И.В. Долгов и др. // Физика и техника полупроводников. — 2000. — Т. 34, №1. — С. 8 13.

54. Дубровский, В.Г. Температурная зависимость морфологии ансамблей на-ноостровков в системе Ge/Si(100) / В.Г. Дубровский, В.М. Устинов, А.А. Тонких и др. // Письма в журнал технической физики — 2003. — Т. 29, №1. — С. 41 -48.

55. Dashiell, M.W. Photoluminescence of ultrasmall Ge quantum dots grown by molecular-beam epitaxy at low temperatures / M.W. Dashiell, U. Denker, C. Muller et al // Applied Physics Letters. — 2002. — V. 80, №7. — P. 1279 1281.

56. Тонких, А.А. О возможностях подавления формирования dome-кластеров при молекулярно-пучковой эпитаксии Ge на Si (100) / А.А. Тонких, Г.Э. Цыр-лин, В.Г. Дубровский и др. // Физика и техника полупроводников. — 2004. — Т. 38, №10, —С. 1239- 1244.

57. Tsybeskov, L. Three-dimensional silicon-germanium nanostructures for CMOS compatible light emitters and optical interconnects / L. Tsybeskov, E.-K. Lee, H.-Y. Chang et al. // Advances in Optical Technologies. — 2008. — №21. — P. 8032 -8035.

58. Liu, F. Self-organized nanoscale structures in Si/Ge films / F. Liu, M.G. Lagally // Surface Science. — 1997. —V. 386, №2. — P. 169 181.

59. Zhu, J.-H. Two-dimensional ordering of self-assembled Ge islands on vicinal Si(OOl) surfaces with regular ripples / J.-H. Zhu, K. Brunner, G. Abstreiter // Applied Physics Letters. — 1998. — V. 73, №3. — P. 620 622.

60. Shchukin, V.A. Spontaneous ordering of arrays of coherent strained islands / V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov, P.S.Kop'ev et al. // Physical Review Letters. — 1995. — V. 75, №16. — P. 2968 2971.

61. Востоков, H.B. Особенности фотолюминесценции Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков, выращенных на напряженном Si}xGex слое / Н.В. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник и др. // Физика и техника полупроводников. — 2006. — Т. 40, №3. — С. 343 346.

62. Stangl, J. Vertical correlation of SiGe islands in SiGe/Si superlattice: X-ray diffraction versus transmission electron microscopy / J. Stangl, T. Roch, G. Bauer et al. // Applied Physics Letters. — 2000. — V. 77, №24. — P. 3953 3955.

63. Manku, T. Effective mass for strained p-type Sii.xGex / T. Manku, A. Nathan // Journal of Applied Physics. — 1991.— V. 69, №12. —P. 8414-8416.

64. Szmulowicz, F. Calculation of optical- and acoustic-phonon-limited conductivity and Hall mobilities for p-type silicon and germanium / F. Szmulowicz // Physical Review B. — 1983. —V. 28, №10. — P. 5943 5963.

65. Szmulowicz, F. Calculation of the mobility and the Hall factor for doped p-type silicon / F. Szmulowicz // Physical Review B. — 1986. — V. 34, №6. — P. 4031 -4047.

66. Manku, T. Valence energy-band structure for strained group-IV semiconductors / T. Manku, A. Nathan // Journal of Applied Physics. — 1993. — V. 73, №3. — P. 1205-1213.

67. Manku, T. Lattice mobility of holes in strained and unstrained SiixGex alloys / T. Manku, A. Nathan // IEEE Electron Device Letters. — 1991. — V. 12, №12. — P. 704 706.

68. Manku, Т. Electron drift mobility model for devices based on unstrained andco-herently strained SiixGex grown on <001> silicon substrate / T. Manku, A. Nathan // IEEE Transactions on Electron Deveces. — 1992. — V. 39, №9. — P. 2082 2089.

69. Chun, S.K. Effective mass and mobility of holes in strained SiixGex layers on (001) Sii.yGey substrate / S.K. Chun, K.L. Wang // IEEE Transactions on Electron Devices. — 1992, —V. 39, №10. — P. 2153-2164.

70. Fu, Y. Valence band structure of GexSij.x for hole transport calculation / Y. Fu, К J. Grahn, M. Willander // IEEE Transactions on Electron Devices. — 1994. — V. 41, №1. — P. 26-31.

71. Willander, M. Physical models of semiconductor quantum devices / Y. Fu, M. Willander. — Dordrecht: ICluwer, 1999. — 263 p.

72. Красильник, З.Ф. Оптические свойства напряженных гетероструктур Sii xGex и SiixyGexCy / З.Ф. Красильник, А.В. Новиков // Успехи физических наук. — 2000. —Т. 170, №3. —С. 338-341.

73. Якимов, А.И. Эффекты электрон-электронного взаимодействия в оптических свойствах плотных массивов квантовых точек / А.И. Якимов, А.В. Двуре-ченский, Н.П. Степина и др. // Журнал экспериментальной и теоретической физики.—2001.—Т. 119, № 3. — С. 574-589.

74. Vescan, L. Size distribution and electroluminescence of self-assembled Ge dots / L. Vescan, T. Stoica, O. Chretien et al. // Journal of Applied Physics. — 2000. — V.87. №10,—P. 7275-7282.

75. Stoica, T. Quantum efficiency of SiGe LEDs / T. Stoica, L. Vescan // Semiconductor Science and Technolology. — 2003. — V. 18, №2. — P. 409 416.

76. Chang, W.-H. Effects of spacer thickness on optical properties of stacked Ge/Si quantum dots grown by chemical vapor deposition/ W.-H. Chang, W.-Y. Chen, A.-T. Chou et al. // Journal of Applied Physics. — 2003. — V. 93, №8. — P. 4999 5002.

77. Stoffel, M. Electroluminescence of self-assembled Ge hut clusters / M. Stoffel, U. Denker, O.G. Schmidt // Applied Physics Letters — 2003. — V. 82, №19. — P. 3236-3238.

78. Бассани, Ф. Электронные состояния и оптические переходы в твердых телах / Ф. Бассани, Дж. Пастори Парравичини. М.: Наука, 1982. — 392 с.

79. Warbuton, R.J. Charged excitons in self-assembled semiconductor quantum dots / R.J. Warbuton, C.S. Durr, K. Karrai et al. // Physical Review Letters. — 1997. — V. 79, №26. — P. 5282 5286.

80. Schmidt, K.H. Photoluminescence of charged InAs self-assembled quantum dots / K.H. Schmidt, G. Medeiros-Ribeiro, P.M. Petroff// Physical Review B. — 1998. — V. 58, №7. — P. 3597 3600.

81. Schmidt, O.G. Effect of overgrowth temperature on the photoluminescence of Ge/Si islands / O.G. Schmidt, U. Denker, К. Eberl et al. // Applied Physics Letters.2000. — V. 77, №16. — P. 2509 2511.

82. 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 et al. // Thin Solid Films. — 1998. —V. 321, №1. —P. 65-69.

83. Алешкин, В.Я. Самоорганизующиеся наноостровки Ge в Si, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии / В.Я. Алешкин, H.A. Бекин, Н.Г. Калугин и др. // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физиики.1998. —Т. 67, №1. —С. 46-50.

84. Schmidt, O.G. Strain and band-edge alignment in single and multiple layers of selfassembled Ge/Si and GeSi/Si islands / O.G. Schmidt, K. Eberl, Y. Rau // Physical Review B. — 2000.— V. 62, №24. —P. 16715 — 16720.

85. Schmidt, O.G. Photoluminescence study of the initial stages of island formation for Ge pyramids/domes and hut clusters on Si(001) / O.G. Schmidt, C. Lange, К. Eberl // Applied Physics Letters. — 1999. — V. 75, №13. — P. 1905 1907.

86. Denker, U. Ge hut cluster luminescence below bulk Ge band gap / U. Denker, M. Stoffel, O.G. Schmidt et al. // Applied Physics Letters. — 2003. — V. 82, №3. — P. 454-456.

87. Brunner, К. Ordering and electronic properties of self-assembled Si/Ge quantum dots / K. Brunner, G. Abstreiter // Japanese Journal of Applied Physics. — 2001. — V. 40, №3B. —P. 1860— 1863.

88. Leifeld, О. Self organized growth of Ge quantum dots on Si 100. substiates induced by sub-monolayer С coverages / O. Leifeld, R. Hartmann, E. Mbller et al. // Nanotechnology. — 1999. —V. 10, №2. — P. 122 — 128.

89. Sunamura, H. Island formation during growth of Ge on Si(100): A study using photoluminescence spectroscopy / H. Sunamura, N. Usami, Y. Shiraki et al. // Applied Physics Letters. — 1995. — V. 66, №22. — P. 3024 3026.

90. Дроздов, Ю.Н. Особенности фотолюминесценции Ge(Si)/Si(001) самоформирующихся островков, выращенных на напряженном Sii.xGex слое / Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красилыгак, Д.Н. Лобанов и др. // Физика и техника полупроводников. — 2006. — Т. 40, №3. — С. 343 346.

91. D.N. Lobanov. Growth and photoluminescence of Ge(Si) self-assembled islands obtained during the deposition of Ge on a strained SiGe layer/ D.N. Lobanov, A.V. Novikov, N.V. Vostokov et al. // Optical Materials. — 2005. — V. 27, №4. — P. 818-821.

92. Weber, J. Near-band-gap photoluminescence of Si-Ge alloys / J.Weber, M.I.Alonso // Physical Review B. — 1989. — V. 40, №8. — P. 5683 5693.

93. Ансельм, А.И. Введение в теорию полупроводников / А.И. Ансельм. — М.: Наука, 1978. —425 с.

94. Sun, С.-К. Optical investigations of the dynamic behavior of GaSb/GaAs quantum dots / C.-K. Sun, G. Wang, J.E. Bowers et al. // Applied Physics Letters. — 1996, —V. 68, №11. —P. 1543- 1545.

95. Ng, W.-L. An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode / W.-L. Ng, M.A. Lourenco, R.M. Gwilliam et al. // Nature. — V. 410, №1. — P. 192 -194.

96. Lee, H. Luminescence from dislocations in silicon-germanium layer grown on silicon substrate / H. Lee, S.-H. Choi // Journal of Applied Physics. — 1999. — V. 85, №3. —P. 1771 1774.

97. Kveder, V. Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence / V. Kveder, M. Badylevich, E. Steinman et al. // Applied Physics Letters. — 2004. — V. 84, №12. — P. 2106 2108.

98. Fukatsu, S. Time-resolved D-band luminescence in strain-relieved SiGe/Si / S. Fukatsu, Y. Mera, M. Inoue et al. // Applied Physics Letters. — 1996. — V. 68, №14, —P. 1889- 1891.

99. Востоков, H.B. Фотолюминесценция структур с GeSi/Si(001) самоорганизующимися наноостровками / H.B. Востоков, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник и др. // Известия Академии наук: Серия физическая. — 2003. — Т. 67, №2. — С. 159- 162.

100. Vasko, F.T. Electronic states and optical transitions in semiconductor het-erostructures / F.T. Vasko, A.V. Kuznetsov. — Berlin: Springer, 1999. — 426 p.

101. Kamenev, B.V. Coexistence of fast and slow luminescence in threedimensional Si/Sii-xGex nanostructures / B.V. Kamenev, L. Tsybeskov, J.-M. Baribeau et al. // Physical Review В. —2005.—V. 72, №19. —P. 3306 — 3311.

102. Kamenev, B.V. Optical properties of Stranski-Krastanov grown three-dimensional Si/Sii-xGex nanostructures / B.V. Kamenev, J.-M. Baribeau, D.J. Lockwood et al. // Physica E. — 2005. — V. 26, №2. — P. 174 179.

103. Sturm, J.C. Well resolved band-edge photo luminescence of excitons confined in strained Sii-xGex quantum wells / J.C. Sturm, H. Manoharan, L.C. Lenchyshyn et al. //Physicsl Review Letters. — 1991. —V. 66, №10. —P. 1362- 1365.

104. Lenchyshyn, L.C. High quantum efficiency photo luminescence from localized excitons in SiixGex / L.C. Lenchyshyn, M.L.W. Thewalt, J.C. Sturm et al. // Applied Physics Letters. — 1992. —V. 60, №25. —P. 3174-3176.

105. Шенгуров, В.Г. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния, стимулированная ионным облучением.: Дис. док. Физ.-мат. наук: 01.04.07 / В.Г. Шенгуров.

106. Н. Новгород, 2003. — 409 с.

107. Teichert, С. Self-organization of nanostructures in semiconductor heteroepitaxy / C. Teichert // Physics Reports. — 2002. — V. 365, №4. — P. 335 432.

108. Kamins, T.I. Evolution of Ge islands on Si(001) during annealing / T.I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D.A.A. Ohlberg et al. // Journal of Applied Physics. — 1999.1. V. 85, №2.—P. 1159- 1162.

109. Ostwald, W.Z. Über die vermeintliche Isomerie des rotten und gelben Quecksilberoxyds und die Oberflächenspannung fester Körper / W.Z. Ostwald // Zeitschrift Fur Physikalische Chemie. — 1900. — B. 34, №5. — S. 495 503.

110. Wagner, C.Z. Theorie der Alterung Von Niederschlagen durch Umlösen (Ostwald-Reifung) / C.Z. Wagner // Zeitschrift für Elektrochemie. — 1961. — B. 65, №7/8. —S. 581 -591.

111. Лифшиц, И.М. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов / И.М. Лифшиц, В.В. Слёзов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1958. — Т. 35, №2, — С. 479 487.

112. Lifshitz, I.M. Kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions / I.M. Lifshitz, V.V. Slyozov // Journal of Physics and Chemistry of Solids. — 1961. — V. 19, №1. — P. 35 -50.

113. Thomson, W. On the equilibrium of vapour at a curved surface of liquid / W. Thomson (Lord Kelvin) // Philosophical Magazine. — 1871. — V. 43, №5. — P. 448-452.

114. Gibbs, J.W. On the equilibrium of heterogeneous substances / J.W. Gibbs // Transactions of Connecticut Academy. — 1876. — V. 3, №2. — P. 108 248.

115. Shchukin V.A., Ledentsov N.N., ICop'ev P.S. et al. // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 2968-2970.

116. Liao X.Z., Zou J., Cockayne D.J.H. et al. // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. P. 15605-15608.

117. Goryll, M. Bimodal distribution of Ge islands on Si(001) grown by LPCVD / M. Goryll, L. Vescan, H. Liith // Materials Science and Engineering B. — 2000. — V. 69-70, №2. — p. 251 256.

118. Tang, X.-H. MOVPE growth of InAs quantum dots for mid-IR applications / X.-H. Tang, Z.-Y. Yin, A.-Y. Du, J.-H. Zhao, S. Deny // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2006. - Vol. 16. - P. s25 - s28.

119. Востоков, H.B. Однородные наноостровки Ge на Si(001) / H.B. Востоков, И.В. Долгов, Ю.Н. Дроздов и др. // Известия Академии наук: Серия физическая. — 2000. — Т. 64, №2. — С. 302 305.

120. Inoue, К. Photonic crystals: physics, fabrication and applications / K. Inoue, K. Ohtaka. — Berlin: Springer, 2004. — 340 p.

121. Nanostructured and advanced materials for applications in sensor, optoelectronic and photovoltaic technology / Eds. A. Vaseashta, D. Dimova-Malinovska, J.M. Marshall. — Berlin: Springer, 2008. — 425 p.

122. Fahr, S. Engineering the randomness for enhanced absorption in solar cells / S. Fahr, C. Rockstuhl, F. Lederer // Appl. Phys. Lett. 2008. - Vol. 92, Issue 17. - id. 171114.

123. Лобанов, Д.Н. Исследования особенностей роста и фотолюминесценции Ge (Si) самоформирующихся островков, выращенных на Si(001) подложках и напряжённых SiixGex слоях: дис. . канд. физ.-мат. наук 01.04.07 / Д.Н. Лобанов. — Н. Новгород, 2006. — 136 с.

124. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн — М: Мир, 1974. — 720 с.

125. Chaparro, S.A. Strain relief via trench formation in Ge/Si(100) islands / S.A. Chaparro, Y. Zhang, J. Drucker // Applied Physics Letters. — 2000. — V. 76, №24. — P. 3534-3536.

126. Sonnet, Ph. Physical origin of trench formation in Ge/Si(100) islands / Ph. Sonnet, P.C. Kelires // Applied Physics Letters. — 2004. — V. 85, №2. — P. 203 -205.

127. Liao, X.Z. Strain relaxation by alloying effects in Ge islands grown on Si(001) / X.Z. Liao, J. Zou, D.J.H. Cockayne et al. // Physical Review B. — 1999. — V. 60, №23. —P. 15605- 15608.

128. Cremona, M. Photoluminescence of Ge islands grown by Ultra High Vacuum-Chemical Vapour Deposition on Si(100) / M. Cremona, F. Racedo, R. Larciprete et al. //Brazilian Journal of Physics. — 1997. —V. 27/A, №4. — P. 181 184.

129. Chakraverty, B.K. Grain size distribution in thin films. Non conservative systems / B.K. Chakraverty // Journal of Physics and Chemistry of Solids. — 1967. — V. 28, №11, — P. 2413-2421.

130. Krasil'nik, Z.F. The elastic strain and composition of self-assembled GeSi islands on Si(OOl) / Z.F. Krasil'nik, I.V. Dolgov, D.O. Filatov et al. // Thin Solid Films. — 2000. —V. 367, №1-3. — P. 171 175.

131. Webb, R.H. Confocal optical microscopy / R.H. Webb // Reports on Progress in Physics. — 1996. — V. 59, №5 — P. 427 471.

132. Peter, Y.Yu. Fundamentals of semiconductors: physics and materials properties / Y.Yu. Peter, M. Cardona. — Berlun-Heidelberg: Springer, 2005 775 p.

133. Lockwood, D.J. Strain-shift coefficients for phonons in SiixGex epilayers on silicon / D.J. Lockwood, J.M. Baribeau // Physical Review B. — 1992. — V. 45, № 15. —P. 8565-8571.

134. Gronen, J. Phonons as probes in self-organized SiGe islands / J. Gronen, R.Carles, S.Christiansen et al. // Applied Physics Letters. — 1997. — V. 71, № 26. — P. 3856-3858.

135. Offermans, P. Formation of InAs wetting layers studied by cross-sectional scanning tunneling microscopy / P. Offermans, P.M. Konraad, R. Notzel et'al. // Applied Physics Letters. —2005, —V. 87, №11.- P. 1903- 1905.

136. Reparaz, J.S. Composition dependence of the phonon strain shift coefficients of SiGe alloys revisited / J.S. Reparaz, A. Bernardi, A.R. Goni et al. // Applied Physics Letters. —2008.—V. 92, №8. —P. 1909- 1911.

137. Reparaz, J.S. Measurement of phonon pressure coefficients for a precise determination of deformation potentials in SiGe alloys / J.S. Reparaz, A.R. Goni, A. Bernardi et al. // Physica Status Solidi (b). — 2008. — V. 246, № 3. — P. 548 552.

138. Wächter, M. Photoluminescence of high-quality SiGe quantum wells grown by molecular beam epitaxy / M. Wächter, F. Schaffler, H.-J. Herzog et al. // Applied Physics Letters. — 1993. — V. 63, №3. — P. 376 378.

139. Алешкин, В.Я. Спектры электронов и дырок и правила отбора для оптических переходов в Gei.xSix/Ge / В.Я. Алешкин, H.A. Бекин // Физика и техника полупроводников. — 1997. — Т. 31, №2. — С. 171 178.

140. Круглова М.В. Фотоэлектрические свойства гетероструктур с самоформирующимися наноостровками GeSi/Si. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Н. Новгород, 2009.

141. New semiconductor materials, characteristics and properties. Electronic archive. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/

142. Moss, T.S. Photovoltaic and photoconductivc theory applied to InSb / T.S. Moss. // Journal of Electronics and Control. — 1955. — V. 1, №2. — P. 126 135.

143. Capellini, G. SiGe intermixing in Ge/Si(100) islands / G. Capellini, M. de Seta, F. Evangelisti // Applied Physics Letters. — 2001. — V. 78, №3. — P. 303 305.

144. 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. Droz-dov et al. // Physics of Low-Dimensional Sructructures. — 2001. — V. 3/4. — P. 295-302.