Механизмы температурного гашения фотолюминесценции квантовых точек Германия, сформированных в матрице кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ

РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ Межведомственный диссертационный совет Д 01 07 342

на правах рукописи УДК 628 9 037+537 311 33(575 2)(04)

/

Сексенбаев Максат Сагынович

МЕХАНИЗМЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГАШЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ГЕРМАНИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ В МАТРИЦЕ КРЕМНИЯ

Специальность 01 04 07- физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат :наук

ооа1"

Бишкек-2008

003166579

Работа выполнена в Институте физики полупроводников СО РАН

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, Шамирзаев Тимур Сезгирович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор

Макаров Владимир Петрович

кандидат физико-математических наук, доцент

Кадышев Сагынтай Кадышевич

Ведущая организация

Институт геохимии СО РАН им А П Виноградова, г Иркутск, Россия

Защита состоится Ц апреля 2008 г в 14-00 на заседании Межведомственного диссертационного Совета Д 01 07 342 при Институте физики Национальной академии наук Кыргызской Республики, Иссык-Кульском государственном университете им К Тыныстанова и Ошском государственном университете по адресу 720071, г Бишкек, просп. Чуй, 265а

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Национальной академии наук Кыргызской Республики

Автореферат разослан « 10 » марта 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета к ф -м н ЛК

51Л^

0

Меренкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы На сегодняшний день исследование квантовых точек (КТ) представляет большой интерес из-за возможности создания на их основе эффективных полупроводниковых лазеров, фотоприемников и логических элементов для волоконно-оптических линий связи Интерес к КТ возник еще в 80-х годах, однако, трудности изготовления массивов КТ, например, путем селективного травления структур с квантовыми ямами или создания диэлектрических матриц с кластерами полупроводников, не позволили существенно продвинуться в этой области Успех был достигнут при использовании эффекта самоорганизации наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах

Одной из перспективных систем КТ является Ge в матрице Si На основе КТ Ge/Si по технологии, совместимой с современным производством полупроводниковых приборов на основе кремния можно создавать фотодиоды, работающих в ближней инфракрасной (ИК) области спектра (1,3 - 1,55 мкм) Формирование таких КТ происходит по механизму Странского-Крастанова на поверхности кремния сначала формируется смачивающий слой германия толщиной около 4 монослоев, а затем на нем происходит рост островков германия К настоящему времени, изучение КТ, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в системе Ge-Si, показало, что в процессе формирования КТ происходит перемешивание германия и кремния, т е КТ состоят из твердого раствора GeSi Размер и состав КТ GeSi зависят от температуры их роста Варьируя условия эпитаксии можно создавать массивы КТ различной плотности (10п-1012см"2) с различными размерами квантовых точек (10 — 200 нм) Точки, выращенные при низких температурах эпитаксии (300 - 400 °С), напряжены и имеют небольшие размеры По мере повышения температуры размер точек и содержание в них кремния увеличивается, а напряжение уменьшается из-за введения дислокаций несоответствия и/или увеличении доли кремния в КТ

На первых стадиях изучения структур с КТ GeSi/Si была обнаружено, что в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) таких структур появляется полоса, с энергий в максимуме (Avpl) примерно 0 8 эВ Эту линию связали с рекомбинацией экситонов, локализованных в квантовых точках Поскольку гетеропероход GeSi/Si имеет энергетическую

Г) í ! I

1 Í

структуру второго рода, разница между максимумом полосы ФЛ КТ и шириной запрещенной зоны кремния 17 эВ) соответствует энергии

локализации дырки в КТ Характерные значения энергии локализации дырок, рассчитанные для КТ СеБ^!, составляют Е^ = 300 - 400 мэВ, что согласуется с энергетическим положением линии ФЛ КТ ЙУп. = Можно было бы ожидать, что энергия активации температурного гашения ФЛ КТ (ЕА) будет равна энергии локализации дырки Между тем, по многочисленным литературным данным значение ЕА, как правило, существенно меньше значения Еь К моменту начала работы над диссертацией механизмы рекомбинации носителей заряда в структурах с КТ Ое81/81, обеспечивающие наблюдаемое расхождение между Еа и hvph оставались неизвестными

Другая проблема, возникающая при исследовании ФЛ структур с КТ Ое81/§1, обусловлена наличием дислокаций несоответствия на гетерогранице КТ и кремниевой матрицы Спектры ФЛ кристаллов с дислокациями содержат полосы ФЛ и 02, энергетическое положение которых близко к положению полосы ФЛ, рекомбинации экситонов, локализованных в квантовых точках Следовательно, ФЛ в системах с КТ, может быть связана не только с рекомбинацией экситонов в КТ, но и с рекомбинацией носителей заряда, через уровни в запрещенной зоне кремня, обусловленные дислокациями несоответствия на гетерограницах Се81/81 Природа свечения связанных с дислокациями линий Э1 и Б2, к моменту начала работы не установлена

Исследования проводились в соответствии в рамках плановой темы Института физики полупроводников СО РАН по программе СО РАН № 9 1 «Физика полупроводников и диэлектриков, полупроводниковые, композитные нанокристаллические и фотоннокристаллические материалы и структуры, твердотельные системы пониженной размерности, атомные и молекулярные кластеры»

Цель диссертационной работы состояла в исследовании механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми точками германия, сформированных в матрице кремния Для достижения этой цели решались следующие задачи

1 Определение природы фотолюминесценции дислокаций в 81, светящихся в области спектра вблизи энергии 0 8 эВ

2 Выбор критериев, позволяющих разделять фотолюминесценцию, обусловленную рекомбинацией неравновесных носителей заряда в квантовых точках Ое81/81 и на дислокациях в кремнии

3 Выяснение причин, приводящих к различию между значениями энергии активации температурного гашения фотолюминесценции квантовых точек и энергии локализации дырки в КТ

Положения, выносимые на защиту:

1 Появление линии D2 в спектрах ФЛ, кремния с дислокациями, обусловлено образованием кластеров междоузельных атомов кремния около ядра дислокации

2 Различные зависимости положения максимума линии ФЛ от мощности оптической накачки и температуры позволяют достоверно разделить ФЛ, обусловленную рекомбинаций экситонов в КТ GeSi/Si и ФЛ, связанную с рекомбинацией носителей заряда через уровни дислокаций в кремниевой матрице

3 Температурное гашение ФЛ КТ GeSi/Si описывается двумя энергиями активации, одна из которых ЕА2 зависит, а другая Ем не зависит от энергии возбуждения ФЛ Ера определяется рекомбинацией неравновесных носителей заряда в кремниевой матрице до захвата в КТ, а Ем обусловлена выбросом дырок из КТ на уровни дефектов, локализованных в окрестности КТ

Новизна полученных результатов Все основные результаты и выводы работы получены впервые

1 Впервые показано, что линия D2 в спектрах ФЛ кремния с дислокациями, связана с образованием кластеров междоузельных атомов в близи ядра дислокации

2 Показано, что отличие энергии активации температурного гашения ФЛ КТ GeSi/Si от энергии локализации дырок в КТ, обусловлено двумя причинами выбросом дырки из КТ на уровни локализованных вблизи КТ дефектов и процессами безызлучательной рекомбинации в матрице

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем

Предложена методика, позволяющая однозначно определять принадлежность линии ФЛ с энергией в максимуме 0,8 эВ в гетероструктрах с КТ GeSi/Si, к рекомбинации носителей заряда через уровни размерного квантования в КТ или через уровни, образованные дислокациями в кремниевой матрице

Апробация работы Основные результаты диссертации были представлены на Всероссийском совещании по нанофотонике-2004, (Нижний Новгород, Россия, 2004), Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния («Кремний-2004») (Иркутск,Россия,2004), SUMMER SCHOOL on Radiation Physics SCORPh-2004 (Бишкек, Кыргызстан, 2004), 7-й международная конференция Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и

микросистемы (Ульяновск-Владимир, Россия, 2005),4-th International Conference on Semiconductor Quantum Dots (Chamonix Mont-Blanc, France, 2006) 2-м Международном конгрессе по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов(Томск, Россия,2006), Международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике, (Иркутск, Россия,2006) 11-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, (Владивосток, Россия,2007) а также докладывалось, и обсуждались на семинарах сектора люминесцентного анализа структуры Института физики полупроводников СО РАН

Публикации По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Объем диссертации 124 страниц, включая 30 рисунок и 5 таблиц Список цитируемой литературы содержит 105 наименований

Во введении дана общая характеристика работы, сформулированы основные цели и приведены защищаемые положения

В главе 1 приведен обзор работ, представлен обзор литературных данных посвященных исследованию гетероструктур с КТ Ge/Si Рассматриваются особенности электронной структуры таких гетероструктур Поскольку полосы фотолюминесценции (ФЛ) структур с КТ Ge/Si лежат в одном спектральном диапазоне с полосами ФЛ, обусловленными рекомбинацией неравновесных носителей заряда через уровни примесей и дефектов кремниевой матрицы проведен обзор работ, посвященных собственной и несобственной фотолюминесценции кремния

Во второй главе, посвященной методическим вопросам исследования, приведены условия получения исследованных в работе слоев и структур Описана экспериментальная установка для измерения фотолюминесценции (ФЛ) и выбор режима работы германиевые фотоприемника Описаны нормировка спектров ФЛ на пропускание оптической системы и спектральную чувствительность фотоприемника Рассмотрены факторы, определяющие чувствительность методики ФЛ

Эксперименты проводились на установке, созданной на основе монохроматора СДЛ-1 Сигнал ФЛ регистрировался германиевым p-i-n диодом типа EI-L фирмы Edinburgh Instruments, который охлаждался жидким азотом, в режиме синхронного детектирования В качестве синхронного детектора использовались фазочувствительные

нановольтметры типа 232В фирмы INIPAN и SR830 фирмы Stanford research system ФЛ возбуждалась излучением Ar+ (hv-2,54 эВ), YAG Nd (hv=l,17 эВ) и He-Ne (hv=l,08 эВ) лазеров Для фильтрации лазерного излучения на щель монохроматора надевались стандартные полосовые фильтры 10-15 мкм и 1 5-2 5 мкм Управление разверткой монохроматора по длинам волн, измерение интенсивности ФЛ с заданной точностью, учет флуктуаций интенсивности лазера и калибровка шумового тока осуществлялись ЭВМ IBM PC Измерения ФЛ проводилось в широком диапазоне температур (4 2-300 К) и интенсивностей возбуждения Для измерения спектров ФЛ при различных температурах образца использовались терморегулируемая криостатная система УТРЕКС, которая позволяла устанавливать и поддержать температуру образца с точностью ±0 1 К

В работе исследовались образцы кремния с дислокациями, выращенного методами Чохральского и безтигельной зонной плавки, а также эпитаксиальные структуры с квантовыми точками германия в матрице кремния, выращенные методами МЛЭ и мосгидридной эпитакции (МСГЭ) при различных температурах роста Была также исследована структура с KT GeSi, выращенная методом МЛЭ на субмонослое Si02, формирование которого на кремниевой положке осуществлялось посредством напуска в ростовую камеру кислорода при давлении Р=10"4 Па

Глава 3 посвящена определению природы свечения дислокаций в Si и сравнительному анализу ФЛ гетероструктур с KT SiGe/Si и ФЛ, связаной с дислокациями в кремнии

В первом параграфе главы изучается атомная структура и ФЛ кремния содержащего дислокации

Анализ изображения поперечного сечения (110) кремниевого слитка, обработанного в селективном травителе для выявления сетки дислокаций позволил нам определить, что плотность 60° - дислокаций в образцах изменяется пределах 106 и 108 см"2 В приведенном на рис 1 спектре

низкотемпературной ФЛ образца с 60° - дислокациями видны все 4 линии D1-D4 Облучение образца при температуре 400°С электронным пучком с

Рис.1 Спектры ФЛ кремния с 60° дислокациями до(1) и после(2) облучения пучком электронов с энергией 300 кэВ. Температура измерения 5 К.

энергией электронов 300 кэВ и дозой 7x1016 см"2, приводит к возрастанию интенсивности линии D2. Электронная микроскопия1 облученного образца показывает, что 60° - дислокации сильно взаимодействуют с точечными дефектами, образовавшимися в результате облучения. In situ облучение образца в электронном микроскопе показывает, что образование кластеров междоузельных атомов вокруг ядра дислокации происходит при температуре 300°С за времена порядка 1-2 минут.

Возрастание интенсивности пика D2 после импульсного облучения электронной пушкой большой площади образцов FZ-Si, содержащих 60°-ные дислокации, и появление дефектных конфигураций междоузельных атомов типа 14 в ядре 60°-ной дислокации при in situ ВРЭМ облучении электронами однозначно доказывают связь пика D2 с кластерами междоузельных атомов. Таким образом, возрастание интенсивности линии D2 при возрастании концентрации кластеров 14, свидетельствует о том, что встроенные в ядро дислокации кластеры 14 являются центрами излучательной рекомбинации, ответственными за появление линии D2.

Во втором параграфе главы 3 представлены результаты сравнительного анализа зависимости спектров ФЛ от КТ и дислокаций от мощности оптической накачки и температуры измерения. Показан различный характер полученных зависимостей.

1 Данные электронной микроскопии получены к.ф.м.н Л.И.Фединой

л

Н о О

ж со К о ж си н х

а

0.75

0.8

0.85 0.9

60

40

20

0

. <б> Л 1 [1 2

3

0.75 0.8 0.85 0.9

Энергия фотона, эВ

Как видно из рис. 2а. для структур с КТ Ое81/81 с увеличением мощности накачки происходит увеличение ширины линии сигнала ФЛ и сдвиг его максимума в область больших энергий. Высокоэнергетический сдвиг линии ФЛ при изменении плотности мощности возбуждения в спектрах структур с КТ обусловлен энергетической структурой

гетерограницы Ое81/81, образующей структуру второго рода. В таких

Рис.2 Зависимость ФЛ от мощности оптической накачки (а) для структур с КТ структурах ФЛ связана и (б) кремния с дислокациями, с непрямым в реальном Спектры измерены при 5 К. Мощность пространстве излучения лазера, мВт: 1-68; 2 -23; 3-2. оптическим переходам

между дырками, локализованными в КТ, и электронами, локализован-ными в квантовой яме, образующийся в матрице 81 на гетерогранице с КТ ОеБь Высокоэнергетический сдвиг полосы ФЛ с повышением плотности мощности возбуждения появляется из-за заполнения электронами квантовой ямы при повышении темпа генерации фотовозбужденных носителей заряда.

Положение линий ФЛ дислокаций при увеличении мощности оптической накачки остаётся неизменным, как это видно на рис.26, поскольку сигнал ФЛ дислокаций связан с рекомбинацией носителей с глубоких уровней в запрещённой зоне, положение которых не зависит от мощности оптической накачки.

При увеличении температуры образца с 5 К до 140 К линии ФЛ, связанные с рекомбинацией на дислокациях смещаются как это видно на рис.36 в область меньших энергий. Данное смещение вызвано температурным уменьшением ширины запрещенной зоны 81. В то же время положение линии ФЛ от КТ слабо зависит от температуры и смещается с ее повышением в высокоэнергетическую область спектра, как это показано на рис.За. Этот сдвиг обусловлен заполнением возбужденных дырочных состояний в КТ. Рекомбинация дырок, на

80 "(а) 1

60 1 /

<и 40 /

ш ез 20 - / 3 _

о о. У 1

Ь

0

1 20

о

X О)

Ё 1 о

0

0.75 0.8 0.85 0.9 0.

'(б) ' ' 1

1

" < V ) /2

0.75 0.8 0.85 0.9 0.95

Энергия фотона, эВ

Рис.3 Спектры ФЛ при различных температурах (а) для структур с КТ СеБ7/5/, (б) кремния с дислокациями. Температура измерения, К: 1—5; 2— 60; 3-130; 4-140; 5-300.

попавших в возбужденные состояния КТ приводит к увеличению энергии оптического перехода. Это повышение энергии оптического перехода компенсирует уменьшение ширины запрещенной зоны при увеличении температуры измерения.

«Синее» смещение линии ФЛ Ое5!/8! при повышении мощности накачки и температуры и «красное» смещение линии ФЛ дислокаций при повышении

температуры в

кремнии может быть

использованы для однозначного разделения ФЛ КТ и дислокаций.

Глава 4 посвящена исследованию механизма рекомбинации неравновесных носителей заряда в гетероструктурах с КТ 8Юе/81.

Поскольку Оев^ является гетеропероходом 2-го рода, разница между максимумом полосы ФЛ КТ и шириной запрещенной зоны кремния (Ег=1Л7 еУ) соответствует энергии локализации дырки в КТ. Следовательно, можно было бы ожидать, что энергия активации температурного гашения ФЛ КТ будет равна энергии локализации дырки. Тем не менее, экспериментально определенные значения ЕА, представленные в литературе, как правило, ниже, чем Еь за исключением нескольких публикаций, в которые сообщается о значениях ЕА близких к Еь. В данной главе для выяснения причин приводящих к различию между значениями ЕА и Еь изучалась температурная зависимость ФЛ большого набора структур с Сев^! КТ, полученных МЛЭ и МСГЭ эпитаксии.

В первом параграфе главы представлены результаты исследований энергии активации температурного гашения, ЕА ФЛ структур с КТ 81Се/81, выращенных различными методами при различных температурах роста.

В спектрах ФЛ исследованных структур, в области энергий 0.700.85 эВ наблюдается ФЛ, связанная с рекомбинацией носителей заряда в КТ. Повышение температуры приводит к гашению ФЛ. Температурная зависимость интегральной интенсивности ФЛ КТ в различных структурах приведена на рисунке 4.

Энергия активации температурного гашения определялась из

аппроксимации температурной зависимости интегральной интенсивности ФЛ 1(Т) выражением:

1(Т)= 10/[1+А ехр{-Ел/кТ}],

где 10 интенсивность ФЛ при температуре жидкого гелия, А константа, значение которой

определяется отношением не зависящих от температуры вероятностей безызлучательной и излучательной рекомбинации. Значение во всех изученных образцах, определялось как разница между шириной запрещенной зоны кремния и положением максимума полосы ФЛ и лежало в диапазоне 290-380 теУ. В то же время значения ЕА изменялись в переделах от 16 до 360 теУ.

Таблица

Образцы Т °С Ел, мэВ Ен, мэВ

МЛЭ 350 16 380

МЛЭ 400 23 370

МЛЭ 580 130 390

МЛЭ 650 197 410

МСГЭ 700 360 380

О 50 100 150 200

1 0 00/т, к

Рис.4 Температурная зависимость интегральной интенсивности линий ФЛ КТ в структурах выращенных методом: 1 - МСГЭ при 700°С, 2, 3 -МЛЭ при 580°С и 500°С, соответственно. Энергии активаг/ии гашения ФЛ составляют,

соответственно, для кривых 1-3: 360 мэВ, 133 мэВ и 16 мэВ.

1 .1

Энергия, эВ О .9

О .8

5 2 0

х^з'Т

СО

о 1 5

о. с

1 о

о

X

т

5

з: <и

о --■-■ ■-■---■-

1050 1200 1350 1500 1650

длина волны, нм

Рис.5 Спектры ФЛ КТ выращенных на неокисленной (1) и

окисленной (2) поверхности кремния при температуре эпитаксии

Анализируя результаты эксперимента, приведенные в таблице, мы обнаружили корреляцию между значением ЕА и интегральной интенсивностью низкотемпературной ФЛ КТ Энергия активации

температурного гашения возрастала при увеличении 1Р1. и сравнивалась с Еа в структурах с наибольшей эффективностью ФЛ. В свою очередь, увеличивалась при увеличении температуры роста структуры. Поскольку известно, что концентрация точечных дефектов в кристаллах, выращенных методом МЛЭ и МСГЭ уменьшаться при увеличении температуры роста очевидно, что уменьшение ЕА в структурах, выращенных при низких температурах эпитаксии обусловлена повышением концентрации точечных дефектов. Наблюдаемая зависимость ЕА от концентрации дефектов в структурах позволила нам предложить модель рекомбинации неравновесных носителей заряда в КТ. В рамках этой модели низкое значение ЕА имеет место, когда дырки имеют большую вероятность выброса из КТ не валентную зону матрицы, а на уровни дефектов, локализованных в окрестности КТ. Вероятность такого выброса возрастает с повышением концентрации точечных дефектов. Для проверки этого предположения, был выращен ряд структур с высокой концентрацией дефектов в окрестности Се КТ сформированных на субмонослое 8Ю2.

Результаты исследования спектров ФЛ структур с КТ Се/8102/51 приведены во втором параграфе главы 4. Обнаружено резкое уменьшение значения ЕА по сравнению с ЕА в структурах, выращенных при тех же температурах эпитаксии на неокисленной поверхности кремния с меньшей концентрацией дефектов. В спектрах ФЛ структур с

550 "С.

КТ, сформированных на окисленной поверхности была обнаружена интересная особенность — отсутствие линий ФЛ с энергиями максимума Ьу =0.94 и 1.02 эВ, связанных рекомбинацией в

смачивающем слое(СС), характерных для КТ Ое81/81 (см. рис.5).

Отсутствие смачивающего слоя

свидетельствует о том, что КТ Се/8Ю2/81 Рис.6 Температурная зависимость формируются по

интегральной интенсивности ФЛ, при механизмУ> различных энергиях возбуждения 1-2,54 отличающимся от

эВ, 2 - 1,17 эВ и 3 - 1,08 эВ. механизма Странского-

Крастанова, характерного для формирования КТ Ое81/81. Наличие дефектов в кремниевой матрице может проявляться не только в захвате этими дефектами дырок, выбрасываемых из КТ, но в появлении конкурирующих с КТ каналов рекомбинации неравновесных носителей заряда. Для изучения влияния этих каналов на рекомбинацию неравновесных носителей заряда в КТ, в третьем параграфе главы 4 изучалась температурная зависимость ФЛ КТ Ое81/81 при различных энергиях возбуждения ФЛ. Полученные зависимости интегральной интенсивности ФЛ от температуры измерения приведены на рис.6. Видно, что температурное гашение ФЛ КТ вев!^ при возбуждении неравновесных носителей заряда в кремниевой матрице описывается двумя энергиями активации ЕА1 и ЕА2, а при возбуждении электронов и дырок внутри КТ одной энергией активации Ем- Значение ЕА1 не зависит от энергии возбуждения, а значение ЕА2 уменьшается при уменьшении энергии фотонов возбуждающего лазерного излучения. Показано, что Едь обусловлена рекомбинацией неравновесных носителей заряда захваченных в КТ, а ЕА2 их рекомбинацией в матрице до захвата в КТ.

В заключении приводятся основные результаты и выводы настоящей работы Оговорен личный вклад автора

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю за постоянное руководство и помощь при выполнении работы, А И Никифорову А В Новикову за предоставление образцов Si/Ge, выращенного методом МЛЭ и МСГЭ, Л И Фединой за помощь при написании статей, М М Кидибаеву за ценные замечания по диссертационной работе и коллегам по Сектору люминесцентных методов контроля параметров полупроводниковых структур ИФП СО РАН — К С Журавлеву и А М Гилинскому — за повседневную помощь и поддержку

Основные результаты и выводы работы состоят в следующем.

1 Установлено, что линия D2 спектрах ФЛ кремния с дислокациями, обусловлена рекомбинацией неравновесных носителей заряда через уровни комплекса междоузельных атомов кремния, локализованного вблизи ядра дислокации

2 Установлен различный характер зависимости спектроскопических параметров линий ФЛ для КТ GeSi и дислокаций в кремнии при изменении мощности оптической накачки сигнала и температуры Эти различия могут быть использованы для разделения вкладов дислокаций и КТ в ФЛ в области энергий 0,7 - 0,9 эВ

3 Обнаружено, что температурное гашение ФЛ КТ GeSi/Si в общем случае описывается двумя энергиями активации Еда и ЕА2, значения которых при любой энергии возбуждения много меньше, чем энергии локализации дырки в КТ Построена модель рекомбинации неравновестных носителей заряда в структурах с КТ GeSi/Si В рамках предложенной модели ЕА1 определяется выбросом дырок из КТ на уровни дефектов, локализованных в окрестности КТ, а ЕА2 связано с уменьшением количества неравновесных носителей заряда, захваченных из матрицы в КТ при повышении температуры. Это уменьшение происходит из-за термоактивированного возрастания вероятности рекомбинации через центры безызлучательной рекомбинации в матрице

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Сексенбаев M С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С ,

Никифоров А И , Ульянов В В , Пчеляков О П Фотолюминесценции квантовых точек германия, выращенных в кремнии на субмонослое Si02 // Материалы Всероссийского совещания по нанофотонике, Нижний Новгород 2 - 6 мая 2004 г - С 296-298

2 Шамирзаев Т С , Никифоров А И , Сексенбаев M С , Журавлев К С , Лобанов Д H , Новиков А В , Красильник 3 Ф Фотолюминесценция квантовых точек Ge, выращенных в матрице Si при различных температурах эпитаксии // Люминесценция и лазерная физика Труды VIII Международной школы-семинара, Иркутск, 2004,-С 109

3 Федина Л И , Шамирзаев Т С , Гутаковский А К , Чувилин Л А , Сексенбаев M С , Яковлев В Ю Фотолюминесценция квантовых точек Ge, выращенных в матрице Si при различных температурах эпитаксии // Люминесценция и лазерная физика Труды VIII Международной школы-семинара, Иркутск, 2004, - С 159

4 Якимов А.И , Двуреченский А В , Кириенко В В , Степина H П , Никифоров А И , Ульянов В В , Чайковский С В , Володин В А , Ефремов M Д , Сексенбаев M С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С Волноводные Ge/Si- фотодиоды со встроенными слоями квантовых точек Ge для волоконно-оптических линий связи // Физика и техника полупроводников, 2004, т38, - №10, - С 1265-1269 (Издательство «Наука», СПб, Россия)

5 Сексенбаев M С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С , Никифоров А И Фотолюминесценции квантовых точек Ge, выращенных на под слое Si02 // В сборнике тезисов докладов II Летняя Школа по Радиационной физике SCORPh-2004 , Бишкек, 2004, - С 54-56

6 Шамирзаев Т С , Сексенбаев M С , Журавлев К С , Никифоров А И , Ульянов В В , Пчеляков О П Фотолюминесценции квантовых точек германия, выращенных в кремнии на субмонослое Si02 // Физика твердого тела, 2005, Т 47, - № 1, - С 80-82 (Издательство «Наука», СПб, Россия)

7 Сексенбаев M С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С , Никифоров А И , Новиков А В , Красильник 3 Ф Температурная зависимость фотолюминесценции Ge/Si структур с квантовыми точками // В сборнике тезисов докладов VII международная конференция Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы, Ульяновск-Владимир, 2005, - С 177

8 Shamirzaev Т S , Seksenbaev M S Nikiforov A I, Zhuravlev К S , Novikov A V , Krasil'nikZF Mechanism of temperature quenching of photoluminescence in GeSi/Si QDs 4th International Conference on Quantum Dots, Chamonix-Mont Blanc, France, May 1-5, 2006, P 150

9 Fedma L I, Shamirzaev T S , Song S A , Gytakoskn А К , Chuvilin A L , Cherkov A G , Zhuravlev К S , Seksenbaev M S , Yakovlev V Yu , Latyshev A V The Structure and Photolummescence of Dislocations in Silicon // Известия вузов Серия Физическая 2006, Т49, 10. - С 70-73

10 Сексенбаев М С , Шамирзаев Т С , Никифоров А И , Новиков А В , Журавлев К С Механизмы температурного гашения фотолюминесценции в квантовых точках GeSi/Si // Люминесценция и лазерная физика Труды X Международной школы-семинара, Иркутск, 2006, - С 164-168

11 Сексенбаев М С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С , Кидибаев М М , Чусовитин Е А , Галкин Н Г Сравнительный анализ фотолюминесценции квантовых точек Ge/Si, p-FeSi2 и дислокаций кремния // 11-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2007, - С 75-77

12 Сексенбаев М С , Шамирзаев Т С , Журавлев К.С , Кидибаев М М Гашение фотолюминесценции квантовых точек GeSi,Si при повышении температуры И 11-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Владивосток, 2007, - С 122-126.

13. Кидибаев М М , Сексенбаев М С , Шамирзаев Т С , Журавлев К С Фотолюминесценция дислокации и КТ GeSi, в кремния II Известия HAH КР, 2007, - №3 - С 7-11

14. Сексенбаев М С Рекомбинационные свойства квантовых точек GeSi/Si // Наука и новые технологии, 2007, №1-2. - С 26-27

РЕЗЮМЕ Сексенбаев Максат Сагынович

Кремний матрицасында калыптанган германий кванттык чекиттеринин фотолюминесценциясынын температуралык вчуу

механизимдери

физика-математика илимдеринин кандидаты деген наамга ээ болу учун 01.04.07- конденсацияланган абалдын физикасы Ачкыч еездер кванттык чекит, гетероструктуралар, люминесценция, молекулярдык-нурдук эпитаксия

Диссертациялык иш кремний матрицасында калыптанган кванттык чекитердин тузулуштерундегу тец салмаксыз абалда алып журуучу зарядтардын рекомбинациясынын механизмдерин изилдевгв арналган Жургузулгвн изилдввлврдун натыйжасында кванттык чекиттердин фотолюминесценциялык энергия активациялык температурасынын ечущу менен кванттык чекиттердеги кезенектердун локализациялык энергиясынын ортосундагы айырмачылыкты тушундуруучу себептер аныкталган Негизинен Ое81/81 кванттык чекитеринин тузулушунда дислокация кеп кездешет, бул кванттык чекиттердин люминесценциясынын спектралдык аймагы менен дал келген спектралдык аймактагы люминесценцияга тиешелуу Бул иште фотолюминесценцияны дискриминироват эте турган, Се81/§1 кванттык чекитердеги тец салмаксыздыкты алып журуучу зарядардын, ошондой эле кремнийдин дислокациясына жана кремнийдин дислокациясынын фотолюминесценциялык спектрлериндеги 02 сыяктуу сызыктардын пайда болушу сыяктанган дефектерди тушундургвн критерийлер бар

РЕЗЮМЕ Сексенбаев Максат Сагынович

Механизмы температурного гашения фотолюминесценции квантовых точек германия, сформированных в матрице кремния

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01 04 07- физика конденсированного состояния

Ключевые слова квантовая точка, гетероструктуры, люминесценция, молекулярно-лучевая эпитаксия

Диссертационная работа посвящена изучению механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда в структурах с квантовыми точками германия, сформированных в матрице кремния В результате проведенных исследований установлены причины, приводящие к различию между значениями энергии активации температурного гашения фотолюминесценции квантовых точек и энергии локализации дырки в квантовой точке Структуры с квантовыми точками Ое51/81 часто содержат дислокации, с которыми связана люминесценция в спектральной области, совпадающей со спектральной областью люминесценции квантовых точек В работе установлены критерии, позволяющие дискриминировать фотолюминесценцию, обусловленную рекомбинацией неравновесных носителей заряда в Ое81/81 квантовых точках и на дислокациях в кремнии, а также выявлены дефекты, ответственные за появление линии 02 в спектрах фотолюминесценции дислокаций в кремнии

RESUME Seksenbaev Maksat Sagynovish Mechanisms of temperature quenching of photoluminescence germanium quantum dots formed in a silicon matrix.

on competition of the candidate degree of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04 07- solid state physic Keywords quantum dots, heterostructures, luminescence, molecular-beam epitacsy

The thesis is devoted to study of mechanisms of recombination of nonequihbrium charge carriers m heterostructures with germanium quantum dots formed in a silicon matrix The reasons leaded to difference in energy of a hole localization in quantum dot and activation energy of the temperature quenching of photoluminescence of the quantum dots have been determined as a result of the investigation Structures with the GeSi/Si quantum dots contain dislocation frequently The criteria allowed to discriminate photoluminescence of the quantum dots from photoluminescence of the dislocation have been found The defects responsible for appearance of the D2 band in luminescence spectra of silicon with dislocations have been revealed

Сексенбаев Максат Сагынович

МЕХАНИЗМЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГАШЕНИЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ГЕРМАНИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ В МАТРИЦЕ КРЕМНИЯ

Автореф дисс на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Подписано в печать 06 03 2008 Заказ№ 17 Формат 60x90/16 Уел печ л 1 Тираж 100 экз Типография Института катализа им Г К Борескова СО РАН