Morfologi, Struktur, dan Sifat Optik Film Semikonduktor dengan GeSiSn Nanoislands dan Strained Layers

Hasil dan Diskusi

Pertumbuhan film tipis GeSiSn pada suhu 150 °С dalam kisaran konten Sn dari 0 hingga 16% dipelajari. Akumulasi regangan terjadi selama deposisi lapisan GeSiSn yang disebabkan oleh ketidaksesuaian antara parameter kisi GeSiSn dan Si. Transisi dari transisi 2D-3D diamati pada ketebalan tertentu. Prosedur penentuan transisi 2D-3D pada contoh Ge_0.6 Si_0,28 Sn_0,12 pertumbuhan disajikan pada Gambar. 1. Ada pola RHEED awal dari permukaan Si sebelum Ge_0,6 Si_0,28 Sn_0,12 deposisi film (Gbr. 1a), pola RHEED akhir (Gbr. 1c) yang dibentuk oleh Ge_0.6 Si_0,28 Sn_0,12 susunan pulau dan lapisan pembasahan, serta distribusi intensitas ruang-waktu dari profil vertikal yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar. 1a dan ketergantungan intensitas profil horizontal (profil horizontal ditunjukkan pada distribusi intensitas ruang-waktu pada Gambar. 1b) di Ge_0.6 Si_0,28 Sn_0,12 ketebalan film (Gbr. 1b). Momen transisi 2D-3D ditentukan dengan memplot garis singgung ke plot intensitas pada ketebalan (Gbr. 1b) di wilayah peningkatan intensitas yang tajam. Pendekatan seperti itu diterima secara umum [21].

Penentuan momen transisi 2D-3D selama pertumbuhan film GeSiSn:a Pola RHEED dari permukaan Si(100)-(2 × 1) sebelum Ge_0.6 Si_0,28 Sn_0,12 pertumbuhan ditunjukkan, b distribusi intensitas ruang-waktu dari profil vertikal dalam skala abu-abu dan ketergantungan intensitas profil horizontal pada Ge_0,6 yang diendapkan Si_0,28 Sn_0,12 ketebalan film. Profil ditunjukkan oleh panah di (a ) dan (b ), dan c pola RHEED terakhir setelah Ge_0,6 . setebal 1,91-nm Si_0,28 Sn_0,12 pengendapan

Ketergantungan ketebalan transisi 2D-3D kritis pada komposisi untuk film GeSiSn dengan konten Ge tetap dan konten Sn dari 0 hingga 16% dibangun (Gbr. 2) menggunakan teknik transisi 2D-3D yang dijelaskan di atas. Sebelumnya, diagram kinetik untuk keadaan morfologi film GeSiSn dalam kisaran suhu 150–450 °С, pada ketidakcocokan kisi yang berbeda antara GeSiSn dan Si, telah diterbitkan [14]. Berdasarkan analisis diagram kinetik, suhu optimum 150 °С ditentukan, di mana ketebalan transisi 2D-3D kritis mencapai nilai maksimumnya dan segregasi Sn ditekan. Nilai ketebalan film GeSiSn di bawah kurva yang sesuai dengan ketebalan transisi 2D-3D kritis pada suhu dan komposisi menentukan wilayah keberadaan film pseudomorfik. Penurunan ketebalan transisi 2D-3D kritis, dengan peningkatan konten Sn dari 0 menjadi 16% diamati pada kurva (Gbr. 2). Perilaku tersebut dijelaskan oleh efek regangan. Peningkatan konten Sn dari 0 menjadi 16%, misalnya Ge_0.6 Si_0,28 Sn_0,12 pertumbuhan, menghasilkan peningkatan ketidakcocokan parameter kisi antara Ge_0,6 Si_0,28 Sn_0,12 dan Si dari 2,5 menjadi 5,6%, masing-masing, dan mengurangi waktu dan, akibatnya, ketebalan transisi ke pulau nano tiga dimensi. Sifat fitur yang muncul pada kurva dengan kandungan Ge 30% dan diamati pada kandungan Sn dari 3 hingga 10% sampai akhir sama sekali tidak jelas. Mengetahui besarnya ketebalan transisi 2D-3D kritis, dimungkinkan untuk mendapatkan film GeSiSn pseudomorfik dan menggunakannya dalam struktur periodik multilayer dengan heterojungsi GeSiSn/Si. Dalam eksperimen kami, akurasi penentuan ketebalan transisi 2D-3D kritis adalah 0,06 nm dan ditentukan terutama oleh ketidakakuratan mempertahankan laju aliran Si karena ketidakstabilan operasi sumber.

Ketebalan transisi 2D-3D yang kritis bergantung pada komposisi film GeSiSn pada beberapa nilai tetap konten Ge, konten Sn dari 0 hingga 16%, dan pada suhu pertumbuhan 150 °С

Pilihan ketebalan lapisan pseudomorfik pada dasar diagram kinetik yang diperoleh sebelumnya [16] dan ketergantungan dari ketebalan transisi 2D-3D kritis pada komposisi (Gbr. 2) memungkinkan tumbuh tidak hanya lapisan GeSiSn tunggal tetapi juga menggunakan lapisan ini dalam struktur periodik multilayer. Dalam struktur periodik GeSiSn/Si, di mana lapisan GeSiSn ditutupi oleh lapisan Si, masalah muncul karena segregasi Sn ke permukaan Si. Pemisahan Sn mengarah pada rekonstruksi permukaan dan munculnya seluruh rangkaian superstruktur tergantung pada konsentrasi permukaan Sn. Penyelidikan rekonstruksi permukaan selama pertumbuhan Sn pada Si(100) dan Ge(100) diperlukan untuk memahami lapisan Sn mana yang sesuai dengan superstruktur yang diamati pada gambar RHEED. Diagram fase perubahan suprastruktur dibangun pada kisaran suhu 100–750 °С. Diagram serupa untuk pertumbuhan Sn pada Si(100) pertama kali disajikan pada [17]. Ueda dkk. diendapkan Sn pada suhu kamar diikuti dengan anil. Mereka mengamati suprastruktur hanya setelah menganil film. Dalam percobaan kami, Sn diendapkan pada suhu 100 °С dan diperoleh pada permukaan Si(100–(2 × 1) yang direkonstruksi. Peningkatan suhu hingga 750 °С menghasilkan pembentukan seri suprastruktur pada permukaan (Gbr. 3) Pengaruh posisi atom Sn yang teradsorpsi pada permukaan Si(100) pada energi ikat Sn-Si dipelajari dengan spektroskopi fotoelektron pada [18] Penurunan energi ikat Sn-Si diamati dengan Peningkatan tutupan Sn Dengan demikian, semua rekonstruksi, yang terjadi selama pertumbuhan Sn pada Si(100), dapat dijelaskan dengan penurunan energi sistem permukaan.Transisi ke pertumbuhan tiga dimensi dikaitkan dengan akumulasi regangan akibat untuk ketidaksesuaian parameter kisi antara Sn dan Si sebesar 19%. Penampilan film polikristalin diamati pada [17] pada film tebal Sn 3,2 ML (monolayer). Pembentukan film polikristalin disebabkan oleh suhu deposisi yang rendah dari film Sn. Alasan yang sama terkait dengan Sn pertumbuhan pada permukaan Ge(100). Saat ini, kontribusi pada superstruktur Sn pada Ge(100) belum dilaporkan dalam literatur.

Diagram fase perubahan suprastruktur selama pertumbuhan:a Sn pada Si(100) dan b Sn on Ge(100)

Superstruktur yang ditunjukkan dalam diagram muncul dengan kenaikan dan penurunan suhu. Diagram fase ini membantu untuk menentukan konsentrasi Sn pada permukaan pada pertumbuhan Si di atas lapisan GeSiSn. Superstruktur yang muncul di permukaan Si selama pertumbuhan struktur periodik dapat diamati pada suhu yang berbeda dari suhu yang disajikan dalam diagram fase. Lapisan Si diendapkan pada permukaan GeSiSn pada suhu 400–500 °С; namun, superstruktur yang merupakan karakteristik untuk seluruh rentang suhu yang disajikan pada Gambar. 3 mungkin muncul. Pembuatan struktur dengan heterojungsi GeSiSn/Si memerlukan pencegahan pembentukan superstruktur dua domain (5 × 1), yang terkait dengan segregasi Sn dan obstruksi dalam pembentukan struktur periodik multilayer dengan lapisan pseudomorfik (Gbr. 4a ). Cara paling sederhana untuk menekan segregasi Sn pada pertumbuhan Si di atas lapisan GeSiSn adalah pertumbuhan Si dalam dua tahap. Tahap pertama melibatkan pengendapan lapisan Si setebal 1-2 nm pada suhu kamar. Pertumbuhan Si selanjutnya berlanjut pada suhu 400–500 °С. Temperatur ini ditentukan oleh kandungan Sn pada lapisan GeSiSn. Deret superstruktur utama yang terjadi selama pertumbuhan Si pada lapisan GeSiSn pada struktur periodik multilayer terdiri dari (2 × 1) + (2 × N), c(8 × 4), (4 × 1), (6 × 1) , dan (5 × 1). Selain itu, superstruktur dua domain (10 × 1) diamati pada permukaan Si (Gbr. 4b). Superstruktur ini tidak muncul dalam percobaan pertumbuhan Sn pada Si dan Ge, tetapi dapat dikatakan sesuai dengan lapisan Sn minimum karena menghilang selama annealing singkat pada suhu 400–500 °С dan (2 × 1) superstruktur muncul, yang merupakan karakteristik permukaan Si.

Superstruktur yang diamati pada pertumbuhan Si pada lapisan GeSiSn pada struktur periodik multilayer dengan arah azimut [110]:a (5 × 1) dan b (10 × 1)

Struktur periodik, yang mengandung lapisan pseudomorfik atau susunan pulau nano GeSiSn, diperoleh. Menggunakan diagram kinetik dari keadaan morfologi film GeSiSn, susunan pulau GeSiSn dalam struktur periodik multilayer diselidiki. Gambar STM Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 permukaan dengan array nanoisland pada periode pertama (Gbr. 5a) dan pada periode kelima (Gbr. 5b) dengan ukuran pemindaian 400 nm × 400 nm disajikan. Array pulau diperoleh pada suhu pertumbuhan 250 °С. Histogram ukuran distribusi jumlah pulau juga ditunjukkan pada Gambar 5. Pulau-pulau dengan kepadatan 5,18 × 10 ¹¹ cm ⁻² dan ukuran rata-rata 8,95 nm disajikan pada Gambar. 5c. Ge yang disetorkan_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 ketebalan film adalah 1,78 nm. Ukuran pulau rata-rata pada periode kelima adalah sekitar 4 nm, dan kepadatan pulau mencapai 1,8 × 10 ¹² sm ⁻² pada ketebalan efektif Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 film 1,89 nm, dan mengikuti histogram pada Gambar 5d. Peningkatan densitas sebesar faktor 3,5 dan penurunan ukuran pulau sebesar faktor 2 mungkin berhubungan dengan peningkatan fraksi Sn pada permukaan Si dengan peningkatan jumlah periode. Pernyataan ini dikonfirmasi oleh perubahan suprastruktur, diamati oleh pola RHEED selama pertumbuhan film Si di atas lapisan GeSiSn, dari (2 × 1) dan (2 × N) ke struktur permukaan c(8 × 4). Pembentukan superstruktur c(8 × 4) terjadi selama proses pertumbuhan Sn pada Si, dimulai dari ketebalan lapisan 0,4 monolayer (ML) pada suhu pertumbuhan 400 °С. Dengan penurunan suhu pertumbuhan hingga 100 °С, kita dapat meningkatkan kepadatan pulau, tetapi kualitas permukaannya lebih buruk. Peningkatan suhu pertumbuhan hingga lebih dari 250 °С meningkatkan segregasi Sn. Jadi, kisaran suhu pertumbuhan optimal lapisan GeSiSn dengan susunan pulau adalah 150–250 °С, di mana osilasi refleksi spekuler diamati pada pertumbuhan lapisan pembasahan GeSiSn, sesuai dengan mekanisme pertumbuhan 2D.

Gambar STM Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 permukaan dengan ukuran pemindaian 400 nm × 400 nm:a Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 muncul di babak pertama, b Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 permukaan pada periode kelima; histogram sebaran jumlah pulau pada ukuran dasar Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 film:c pada periode pertama (Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 ketebalan film sama dengan 1,78 nm) dan d pada periode kelima (Ge_0,75 Si_0,2 Sn_0,05 ketebalan film sama dengan 1,89 nm)

Kesempurnaan kristal struktur multilayer dipelajari dengan mikroskop elektron transmisi (TEM). Gambar TEM untuk struktur multilayer dengan Ge_0.5 Si_0,45 Sn_0,05 /Si heterojungsi dan periode 25-nm ditunjukkan pada Gambar. 6. Dari data TEM, dapat disimpulkan bahwa sampel kami tidak mengandung dislokasi ulir dan berbentuk kristal sempurna dengan antarmuka yang tajam. Keadaan film GeSiSn pseudomorfik dalam struktur periodik multilayer, kisi kristal, dan regangan dibahas dalam [14] berdasarkan analisis data yang diperoleh dengan bantuan TEM. Komposisi film GeSiSn ditentukan dengan setting aliran Si, Ge, dan Sn. Laju pertumbuhan Si, Ge, dan Sn diukur dengan alat pengukur ketebalan kuarsa. Komposisi film GeSiSn diidentifikasi dengan difraktometri sinar-X. Analisis menunjukkan kebetulan komposisi set dan komposisi terukur.

a Gambar TEM dari struktur multilayer termasuk Ge_0.5 Si_0,45 Sn_0,05 heterotransisi dengan periode 25 nm. b Gambar TEM resolusi tinggi dari struktur yang sama

Sifat optik struktur periodik multilayer dengan lapisan GeSiSn diselidiki oleh photoluminescence untuk struktur dengan kandungan Sn yang berbeda. Struktur menunjukkan fotoluminesensi mereka dalam kisaran 0,6–0,8 eV, yang sesuai dengan kisaran panjang gelombang 1,45–2 μm (Gbr. 7). Spektrum fotoluminesensi dengan intensitas maxima pada 0,78, 0,69, dan 0,65 eV diperoleh. Mereka sesuai dengan panjang gelombang 1,59, 1,8, dan 1,9 m, dan masing-masing diamati pada 3,5, 4,5, dan 6% Sn. Peningkatan konten Sn pada lapisan GeSiSn menyebabkan penurunan energi transisi optik dan peningkatan intensitas fotoluminesensi. Peningkatan intensitas dapat disebabkan oleh peningkatan kedalaman sumur kuantum karena kandungan Sn yang lebih tinggi pada lapisan larutan padat GeSiSn. Untuk maju dalam rentang panjang gelombang lebih dari 2 m, diperlukan peningkatan konten Sn di lapisan GeSiSn. Untuk menentukan transisi optik yang diamati dalam spektrum luminesensi, perlu untuk menghitung diagram pita dari heterostruktur GeSiSn/Si.

Spektrum fotoluminesensi dari struktur periodik multilayer dengan kandungan Sn 3,5, 4,5, dan 6% dalam lapisan GeSiSn pseudomorfik

Diagram pita heterostruktur GeSiSn/Si dihitung menggunakan pendekatan model solid theory [20]. Dalam model ini, kedua semikonduktor yang membentuk heterojunction perlu ditempatkan pada skala "energi" tunggal untuk menentukan posisi pita di heterojunction. Nilai celah pita valensi untuk heterostruktur Ge/Si di heterojungsi sudah diketahui [22] dan sama dengan 0,54 eV; apalagi, pita valensi Ge terletak lebih tinggi pada energi daripada pita valensi Si. Celah pita antara Ge dan Sn diketahui dari model yang disajikan pada [23] dan adalah 0,69 eV [24]. Dengan demikian, nilai celah pita pada heterointerface untuk Si/Si _1-x-y Ge _x Sn _y heterostruktur dapat ditulis sebagai:

Karena pita valensi semikonduktor dibentuk oleh subband dari lubang berat dan ringan, dan juga oleh subband yang dipisahkan oleh interaksi spin-orbit; kemudian, posisi pita valensi (E _v,av ) rata-rata pada ketiga subband digunakan untuk menentukan celah pita dan konstruksi diagram pita heterostruktur. Untuk menentukan posisi subband heavy dan light hole, serta subband yang dipisahkan oleh interaksi spin-orbit, digunakan ekspresi berikut:

di mana indeks HH, LH, dan SO menunjukkan subband hole berat dan ringan, serta subband spin-split. ₀ nilai menunjukkan energi pemisahan spin-orbit dalam semikonduktor. Setelah menentukan posisi subband pita valensi di heterojungsi, posisi lembah pita konduksi yang sesuai ditentukan menggunakan ekspresi:

di mana indeks n = Γ , L , dan X tunjukkan lembah yang sesuai \( {b}_{\mathrm{SiGe}}^n \), \( {b}_{\mathrm{SnGe}}^n \), dan \( {b}_{\mathrm {SiSn}}^n \)––“membungkuk” parameter, dengan mempertimbangkan penyimpangan dari hukum linier untuk lebar celah pita, \( {E}_{\mathrm{Ge}}^n \),\( { E}_{\mathrm{Si}}^n \), dan \( {E}_{\mathrm{Sn}}^n \)––Kesenjangan pita Ge, Si, dan Sn di lembah yang sesuai. Hampir semua parameter diambil dari [24]. Parameter busur untuk lembah L dan Г diambil dari [25].

Setelah menentukan posisi semua pita yang diinginkan dalam heterojungsi, kami memperhitungkan perpindahannya di bawah pengaruh deformasi. Pengaruh deformasi pada celah pita diperhitungkan melalui konstanta potensial deformasi [26]. Karena lapisan dua dimensi adalah pseudomorfik, dalam kasus kami, pendekatan standar digunakan untuk menentukan deformasi yang dijelaskan, misalnya, dalam [26]:regangan dalam bidang sumur kuantum dapat ditentukan dari ε _xx(yy) = ε _ǀǀ = (a _GeSiSn  a _Si )/a _Si , di mana a ––konstanta kisi dari bahan yang sesuai. Dalam arah, yang tegak lurus dengan bidang sumur kuantum, nilai regangan ε _zz = −2(С ₁₂ /С ₁₁ )ε _xx dapat ditentukan melalui C ₁₂ dan C ₁₁ modul elastis dari senyawa kristal. Konstanta kisi solusi padat ditentukan dari hubungan kuadrat:

dimana a _Ge , a _Si , a _Sn ––Parameter kisi Ge, Si, dan Sn [24], \( {b}_{\mathrm{SiGe}}^{\hbox{'}} \)= − 0.026 Å, \( {b}_{\ mathrm{SnGe}}^{\hbox{'}} \) = 0.166 Å––“membungkuk» parameter, dengan mempertimbangkan penyimpangan dari hukum Vegard.

Berdasarkan perhitungan diagram pita, puncak PL berhubungan dengan transisi antar pita antara lembah X Si atau ₄ -lembah GeSiSn dan pita lubang-berat di lapisan GeSiSn (Gbr. 8).

Si/Ge_0,315 Si_0,65 Sn_0,035 /Si diagram pita heterokomposisi