Наноструктуры для применения в оптоэлектронике

В настоящее время в мире существует значительный интерес к поиску возможных путей создания светоизлучающих полупроводниковых приборов на основе кремния. Эффективность излучательной рекомбинации в кремнии затруднена его непрямозонной природой, однако если удастся найти способ ее увеличения, это сделает возможным интеграцию на одной подложке приборов оптоэлектроники и современной микроэлектроники, где кремний является основным материалом. Известные сегодня подходы к решению этой проблемы заключаются в использовании пористого кремния, квантовых ям в системе Si/Ge и квантовых точек Si/Ge и Si/Ge/С, а также InAs/Si и других прямозонных A^IIIB^V материалов; легирование кремния редкоземельными элементами. Эти подходы частично успешны, частично имеют свои недостатки. Например, получение на поверхности Si качественных гетероэпитаксиальных слоев, необходимых для создания квантовых ям и квантовых точек, осложняется рассогласованием решеток, приводящим к большому количеству дефектов в растущем слое материала; возникновением напряжений в слое A^IIIB^V полупроводника вследствие значительного различия коэффициентов линейного расширения Si и A^IIIB^V материала. При легировании Si редкоземельными элементами, например, эрбием, имеет место примесная люминесценция, в то время как для приборного применения (в частности, для инжекционных лазеров) необходима эффективная межзонная люминесценция. В научной литературе сообщается о возможности создания высокоскоростного германиевого детектора, интегрированного на кремниевом чипе. Однако при использовании квантовых ям Ge/Si в качестве активной области для светоизлучающих приборов оба материала обладают непрямой зонной структурой, поэтому не удается добиться эффективного сбора носителей заряда в область рекомбинации и достигнуть высокой интенсивности люминесценции при комнатной температуре. Задача создания новых светоизлучающих приборов для оптоэлектроники стимулирует поиск новых путей к решению проблемы увеличения эффективности излучательной рекомбинации в полупроводниковых структурах на основе кремния.

Одним из возможных вариантов решения указанной задачи является создание системы квантовых островков германия на поверхности кремния с латеральными (плоскостными) размерами меньшими, чем боровский радиус дырки. Получить островки с такими размерами можно в результате осаждения на кристалле кремния субмонослойных покрытий германия при молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Такие включения должны привести к возможности образования локализованного экситона (устойчивого возбужденного состояния пары электрон – дырка), стабильного вплоть до комнатных температур, что повысит эффективность излучательной рекомбинации. Подобная ситуация возможна в случае, если энергия кулоновского притяжения окажется для электрона сильнее отталкивающего потенциального барьега, создаваемого германиевым наноостровком в зоне проводимости. В целях дальнейшего увеличения эффективности излучательной рекомбинации целесообразно осуществить многократное вертикальное складирование слоев, содержащих германиевые субмонослойные включения, разделенных кремниевыми нанослоями.

Напомним, что монослоем называется сплошной одинарный слой атомов вещества. То есть толщина такого слоя равна диаметру одного атома данного вещества. Под субмонослойным покрытием понимают случай, когда количества атомов наносимого на подложку вещества не хватает, чтобы образовать целый монослой, то есть поверхность подложки покрывается атомами наносимого вещества не полностью.

Проведенные исследования оптических свойств Si/Ge структур с субмонослойными включениями германия показали, что в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) этих образцов появляются новые линии, которые не наблюдаются в спектре от кремниевой подложки и которые связываются с излучением из Si/Ge сверхрешетки. Структурные исследования показывают, что при осаждении целого количества монослоев германиевый слой является практически моноатомным, то есть равномерно распределяется по поверхности, в то время как в случае осаждения субмонослойного количества германий собирается в наноостровки высотой до нескольких монослоев.

Кроме того, от количества осаждаемого германия зависит форма возникающих островков – если его количество ниже некоего критического значения, то они остаются плоскими, если же это значение превышено, островки растут вверх, становясь трехмерными.

В настоящее время проводятся активные исследования оптических и структурных свойств многослойных Si/Ge структур с докритическими, а также близкими к критическим включениям германия в кремниевую матрицу, при которых происходит переход от двумерного к островковому росту. На рис. 5.24. представлены типичные фотографии, сделанные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рассматриваемых структур с квантовыми точками.

Размеры, концентрация и упорядоченность выращиваемых островков Ge (а, следовательно, и эффективность фотолюминесценции) зависят от таких факторов, как температура, при которой происходит формирование слоев, скорость нанесения, наличие, вид и степень легирования слоев кремния, количество наносимого германия, выраженное в долях монослоя. Отметим, что в настоящее время подтверждена возможность получения интенсивной фотолюминесценции при комнатной температуре в обоих случаях (как с докритическими включениями Ge, так и с близкими к критическим) при оптимально подобранных ростовых параметрах (рис. 5.25). Предлагаемые подходы создания активной области, обеспечивающей эффективную фотолюминесценцию, являются перспективными для оптоэлектронных применений, в частности, для создания светоизлучающих приборов на основе кремния.

Рис. 5.24. Изображения поперечного сечения (а) и плоскости поверхности оптимизированного Si/Ge образца с квантовыми точками (б) [50]

Рис. 5.25. Спектры фотолюминесценции для оптимизированного Si/Ge образца с квантовыми точками, плотность возбуждения 1 Вт/см² (а); зависимость от плотности возбуждения, снятая при комнатной температуре (б) [50]