Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 6, с. 455-458 © 2015г. 25 марта
Длинноволновый сдвиг края поглощения в растянутых слоях Се
В. А. Володин+*1\ Л. В. Соколов
+Институт физики полупроводников им. Ржанова СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия
* Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 4 февраля 2015 г. После переработки 12 февраля 2015 г.
Тонкие растянутые пленки Се в многослойных гетероструктурах ЫСаАв/СеДпСаАв, выращенных молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках СаАв (001), исследованы с применением методов спектроскопии комбинационного рассеяния света и спектроскопии пропускания света. Растягивающие двуос-ные деформации в пленках достигали 1.9 %. В растянутых пленках Се обнаружен сдвиг края поглощения в длинноволновую область. Оптическая щель уменьшается до ~ 0.48 эВ.
БО!: 10.7868/80370274X15060120
Относительно небольшая разница в энергии (0.14 эВ) между прямыми и непрямыми переходами в германии дает надежду на получение прямозонного германия путем модификации его зонной структуры для создания светоизлучаюгцих структур с хорошей квантовой эффективностью. Известно, что механические напряжения и наноструктурирование изменяют энергетическую структуру полупроводниковых материалов [1-5]. Так, авторы работы [6] утверждают, что получили (из данных фотопроводимости) экспериментальные свидетельства уменьшения запрещенной зоны в растянутом кремнии до 0.59 эВ. Кимерлинг с соавторами сообщают о сверхлинейном увеличении мощности излучения от накачки (лазерный эффект) в растянутых пленках германия п-типа [7].
Достижения современных технологий эпитаксии создали возможность роста напряженных гетеро-структур с двуосными механическими напряжениями. При этом деформация растяжения в пленках германия в плоскости роста достигает 2.33 % [4, 5, 8]. Изменение оптических свойств германия в таких структурах анализировалось на основе данных спектроскопии фотолюминесценции. Насколько известно авторам, настоящая работа является первой попыткой проанализировать оптические свойства растянутых пленок германия в многослойных гетероструктурах 1пСаА8/Се/1пСаА8 с применением метода спектроскопии пропускания света.
Многослойные структуры 1пСаАв / Се ДпваАэ были выращены с применением метода молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке СаАэ (001). Сначала
^e-mail: volodin@isp.nsc.ru
выращивался толстый практически полностью ре-лаксированный буферный слой InGaAs ( 1000 нм), затем - чередующиеся слои Ge и InGaAs. Рост заканчивался слоем InGaAs толщиной 10 нм. Были исследованы 2 образца. Первый содержал 5 слоев Ge толщиной по 4 нм, разделенных слоями InGaAs толщиной 50 нм. Содержание In в буферном слое и во всех разделяющих слоях 30 %. Температура роста 420 °С. Второй образец содержал 10 слоев Ge толщиной по 5 нм, разделенных слоями InGaAs толщиной 50 нм. Состав твердого раствора буферного слоя и всех слоев In0.2Ga0.sAs. Температура роста 410 °С.
Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) регистрировались при комнатной температуре при возбуждении линией аргонового лазера 514.5 нм. Мощность излучения, доходящего до образца, составляла 1 мВт, что не вызывало заметного нагрева образцов. В экспериментах использовалось оборудование научно-образовательного комплекса "Наносистемы и современные материалы" НГУ -спектрометр Т64000 Horiba Jobin Yvon. Спектры пропускания были получены на двухлучевом спектрофотометре SHIMADZU UV3600.
На рис. 1 показаны спектры КРС ненапряженного объемного монокристаллического германия и образцов, содержащих растянутые пленки германия. Частота длинноволнового продольного оптического (LO) фонона в германии составляет 301.5 см-1. Пики с положением 293.5 см-1 (структура, содержащая 5 слоев Ge) и 295 см-1 (структура, содержащая 10 слоев Ge) соответствуют рассеянию на LO-фононах в двуосно растянутом германии. Продольный оптический фонон относится к синглетной моде. Смещение его частоты от тензора деформаций хорошо ис-
1
£
М й U
■S
Ge-Ge 1
1' 1 1 ir 1 • ; 1' : ! • !i ;
ll 1 ; 1 • Í'' 1 i| 1 V
Ga-As
In-As / \ i 1 1 « II 1 ) 1 I't г' I '
/ \ ' / i 2 / ' у ' 1 1 1 1 ' \ 1 *5 '.
^ / ' \ 1
^ ^— _ - \ \
3 \ \
..........--•••" / ........ 1 1 1
240 250 260 270 280 290 300 310 320 Raman shift (cm
Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния света монокристаллического германия (кривая 1) и многослойных гетероструктур InGaAs/Ge/InGaAs, содержащих 5 (2) и 10 (3) слоев германия. Для удобства восприятия интенсивность пика от монокристаллического германия в его центральной части поделена на 5
следовано. Если ехх = еуу, а компонента тензора деформаций £гг определяется коэффициентом Пуассона, ДП(Сеьо) = —4.2ежж, деформации выражены в процентах [5,9]. Легко определить, что растяжение составляет 1.9 и 1.5% для образцов с 5 и 10 слоями Се соответственно. При этом согласно закону Вегар-да несоответствие постоянных решеток Се и твердых растворов I1io.3Gao.7As и I1io.2Gao.8As составляет 2.2 и 1.5% соответственно. Таким образом в образце с 5 слоями Се механические напряжения частично ре-лаксированы, а в образце с 10 слоями Се - практически не релаксированы. Следует отметить, что вклад в сдвиг частоты оптического фонона вследствие его локализации в слоях с толщинами 4 и 5 нм пренебрежимо мал. Если аппроксимировать расчеты работы [10] на эти толщины, то данный эффект не будет превышать 0.1 см-1. В спектрах КРС также наблюдаются пики от локальных колебаний связей Са-Аэ и Тп-Аэ в твердых растворах. В твердом растворе, со-
держащем меньшее количество индия (10 слоев), пик 1п-Ав заметно меньше.
На рис. 2 приведены спектры пропускания образцов в сравнении со спектром пропускания пла-
сх
О
М
t¡ '6
X (10 шп)
Рис.2. Спектры пропускания света монокристаллического германия (кривая 1) и многослойных гетероструктур ЫСаАв/СеДпСаАв, содержащих 5 (кривая 2) и 10 (кривая 3) слоев германия
стины объемного ненапряженного монокристаллического германия. Толщина пластины составляла 300 мкм. Пластина была полирована с обеих сторон. Шум в спектре объемного германия оказался гораздо меньше, так как в этом случае использовалась диафрагма большего размера. К тому же образцы ЫСаАв/СеДпСаАв были выращены на подложке, не полированной с матовой тыльной стороны. На этой границе раздела свет рассеивался, и часть сигнала терялась. Для удобства восприятия спектры пропускания образцов нормированы к спектру германия в области, в которой поглощение в германии отсутствует (оба спектра умножены на 3). Показатель преломления германия (А = 2500 нм) составляет 4.06. Коэффициент отражения по интенсивности для одной границы раздела Д = 36 %. Пропускание от двух границ раздела будет равным (1 — Д)/(1 + Д), что
Длинноволновый сдвиг края поглощения в растянутых слоях Ge
457
составляет 47 %. Это с хорошей точностью наблюдается в спектре объемного германия. При комнатной температуре запрещенная зона в германии составляет 0.661 эВ (1879нм). Если учесть поглощение фо-нона в процессе непрямых оптических переходов, то поглощение начинается при энергии Ед — Ерь. Энергия оптического фонона на краю зоны Бриллюэна в направлении (111) в германии 0.034 эВ. Отсюда край поглощения 0.627эВ (1978нм). Как видно из рис.2, это хорошо совпадает с экспериментом. Из спектров пропускания образцов видно, что оно заметно снижается. Поглощение проявляется уже с А ~ 2600 нм. Это соответствует оптической щели ~ 0.48 эВ. Запрещенная зона твердого раствора 1пСаАв зависит от состава и от температуры и составляет (в мэВ) [11]
Ед^ПхС^-хАв) =
= 420 + 625(1 -х) +475(1 -ж)2-жТ2[0.58/(Т + 300) -
- 0.49/(Т + 271)] - 0.419Т2/(Т + 271).
Для твердого раствора состава Ino.3Gao.7As край поглощения составляет менее 1 мкм. Следовательно, можно предположить, что наблюдаемый эффект определяется поглощением в германии и обусловлен влиянием растягивающих механических напряжений. Квантоворазмерный эффект в тонких пленках Се должен приводить к противоположному эффекту - сдвигу края поглощения в коротковолновую область спектра. Таким образом, растягивающие деформации играют заметную роль в сдвиге края поглощения германия.
К сожалению, нам не удалось пронаблюдать разницу в сдвиге края поглощения для образцов с деформацией 1.9 и 1.5% (5 и 10 слоев германия соответственно). Прослеживается только уменьшение абсолютного значения пропускания в образце с 10 слоями (эффективная толщина германия 50 нм) в сравнении с образцом с 5 слоями (эффективная толщина германия 20нм). Это соответствует закону Бугера-Ламберта-Бера: /(¿) = /оехр~а<г, где а - коэффициент поглощения, а с1 - толщина слоя. Наши данные по сдвигу края поглощения в растянутых пленках германия неплохо совпадают с рассчитанными и полученными из спектроскопии фотолюминесценции результатами. Так, в работе [12] показано, что при двуосных растягивающих деформациях 1.9% энергия прямых оптических переходов между долиной легких дырок и Г-долиной электронов совпадает с энергией непрямых оптических переходов между долиной легких дырок и Ь-долиной электронов и составляет 0.4 эВ. Небольшое отличие наших результатов может быть обусловлено влиянием квантовораз-
мерного эффекта в тонких пленках (4 и 5 нм). Дело в том, что в работе [12] были исследованы относительно толстые (24 нм) мембраны германия, нанесенные на гибкую деформируемую подложку.
Периодические модуляции пропускания в образцах, вероятно, обусловлены интерференцией в буферном слое и в гетероструктуре. Отметим фактор, который затрудняет анализ оптической щели пленок Се. Как сообщают Паварелли с соавторами [4], разрыв зон в гетероструктуре СеДпСаАв определяется полярностью связей на поверхности 1пСаАв. При этом если поверхность заканчивается элементом пятой группы (в нашем случае это мышьяк, Ав), то СеДпСаАв является гетероструктурой второго рода (см. вставку к рис. 2). В процессе роста было невозможно контролировать полярность связей на границе. Вероятно, подобные области возникали. В таком случае возможны непрямые в пространстве оптические переходы из валентной зоны 1пСаАв в зону проводимости Се (показаны на рисунке тонкой косой стрелко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.