Введение к работе
Структуры на основе германия, кремния и их твердых растворов
вызывают в последнее время значительный интерес в связи с
появляющимися при их использовании возможностями улучшешгя
параметров полупроводниковых приборов. В создании таких структур
используются наиболее развитые и широко используемые
полупроводниковые, технологии. Можно перечислить целый ряд
направлений использования германий-кремниевых структур.
Значительные результаты получены в области создания на базе германий-
кремниевых структур быстродействующих гетеробиполярных
транзисторов, к настоящему моменту они уже работают на частотах свыше
100 ГГц [1]. Германий-кремниевые структуры служат основой приемников
излучения среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн [2].
Развиваются работы по использованию' GeSi структур в качестве
источников излучения ближнего ИК диапазона [2].
В то же время несмотря на значительную исследовательскую активность в этой области целый ряд вопросов как прикладного, так и фундаментального характера вплоть до последнего времени остается малоисследованным. В частности, в силу технологических причин слабо изученными оставались гётероструктуры с большим содержанием германия Ge/Gei_xSix, отсутствовали данные о люминесцентных свойствах таких структур, не было детальной информации об энергетическом спектре электронов в таких системах. В отличие от структур на основе соединений А В в германий-кремниевых структурах существенно слабее изучены коллективные взаимодействия в экситонной системе. Практически не
исследовались особенности люминесценции германий-кремниевых структур в сильных магнитных полях, и т.д.
Интерес к структурам Ge/Ge^.xSix вызван рядом преимуществ, связанных с особенностями зонного спектра этих гетеросистем. В системах Si/Si i-xGex с большим содержанием кремния, исследованных к настоящему времени наиболее подробно, электроны в зависимости от состава слоев твердого раствора и величин упругих деформаций могут находиться либо в слоях кремния, либо в слоях твердого раствора. При этом дырки в любом случае локализуются в SiGe слоях. Рассеяние на флуктуациях состава ограничивает возможности создания в слоях твердого раствора транспортных каналов носителей заряда с высокими подвижностями. В структурах Ge/Gej ,xSix электроны могут быть локализованы либо в слоях Ge, либо в слоях твердого раствора, дырки в любом случае локализуются в слоях германия. При этом глубина квантовых ям дырок оказывается значительной, порядка 100 мэВ. Все эти факты делают структуры Ge/Gej.xSix наиболее предпочтительным кандидатом для создания быстродействующих полевых транзисторов с каналами р-типа [3].. К настоящему моменту на этих структурах получены лучшие подвижности дырок (около 50000 см^/В с) [4], впервые для всех GeSi структур именно в Ge/Gej_xSix системах наблюдался дырочный квантовый эффект Холла 15].
Помимо высоких подвижностей дырок, в последних исследованиях систем Ge/Gej.xSix показаны их возможности для получения неравновесных функций распределения горячих дырок, исследования примесных переходов в дальнем ИК диапазоне демонстрируют потенциальные возможности создания приемников этого диапазона на
основе Ge/Gej_xSix. Интересные результаты можно ожидать от исследований оптических свойств этих гетероструктур в ближнем РІК диапазоне. С этим связана актуальность исследований, проведенных в данной работе.
Основные задачи работы можно разделить на несколько групп:
-
Изучение зонной структуры двумерных носителей заряда в гетеросистемах Ge/Ge-j_xSix с квантовыми ямами.
-
Изучение свойств квазидвумерных экситонов в гетеросистемах Ge/Ge j_xSix с квантовыми ямами.
-
Изучение спиновой подсистемы , свойств экситонов, определение кинетических коэффициентов структур Ge/Gej.xSix в сильных магнитных полях.
4) Отработка оптических методов характернзации структур
Ge/Ge-j.xSix
Научная новизна работы.
Впервые экспериментально наблюдались и исследованы спектры люминесценции структур Ge/Gej.xSix . Показана экситонная природа наблюдаемых линий, выяснены механизмы, ответственные за появление различных линий, в спектрах люминесценции. Продемонстрирована возможность сдвига линий люминесценции структур Ge/Gej_xSix в диапазон 1.55 мкм в следствие квантования спектра электронов и дырок.
Впервые экспериментально доказаны локализация и квантование электронов в слоях германия структур Ge/Gej_xSix с x=Q.l-0.15 и постоянной решетки в плоскости слоев ам=5.629 - 5.641 А. Измеряна
ширина запрещенной зоны напряженных слоев Ge в системах Ge/Gej.xSix.
В структурах Ge/Si(lll) с тонкими слоями кремния, выращенных с помощью газовой гидридной технологии, наблюдалось динамическое расщепление интерфейсных фононных мод, взаимодействующих через тонкие слои кремния.
Впервые в структурах Ge/Gej.xSix проведены исследования
спектров люминесценции в сильных магнитных полях. Показана связь
наблюдаемых изменений спектров люминесценции в магнитном поле со
степенью локализации носителей заряда из-за размерного квантования.
Оценены'величины экситонных факторов Ланде носителей заряда и время
жизни экситоиов в структурах Ge/Gej.xSix. Показано, что исследуемое
излучение вызвано рекомбинацией спин-ориентированных
магнитоэкситонов.
Практическая ценность работы. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты и отработанные методики могут быть использованы при оценке параметров и диагностике спектра носителей заряда структур Ge/Gej.xSix. Интересной является возможность сдвига линий люминесценции систем Ge/Gej_xSix в диапазон длин волн «1.55 мкм.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Экспериментально показано, что в гетероструктурах
Ge/Gei_xSix[lll] с х=0.1-0.15 и постоянной кристаллической решетки в плоскости слоев ац=5.629 - 5.641 А электроны локализованы в слоях
германия. В структурах с тонкими (<200 А) слоями германия энергетический спектр электронов размерно квантован.
2. Линии люминесценции структур Ge/Gej.xSix[lll] с х=0.1-0.15,
ам=5.629 - 5.641 А, и толщинами слоев германия dQe<250 А при низких
температурах соответствуют рекомбинации квазидвумерных экситонов.
3. Линии люминесценции структур Ge/Gej.xSix[lll] могут быть
смещены в диапазон длин волн -1.55 мкм засчет эффекта размерного
квантования в напряженных слоях Ge .
4. При низких температурах в сильных магнитных полях
люминесценция гетероструктур Ge/Gej.xSix[lll] вызвана рекомбинацией
магннтоэкситонов. Экситонные факторы Ланде электронов ge и дырок gn
удовлетворяют соотношению |gn ± ge/3|«4.
5. В структурах Ge/Si[lll] с тонкими (порядка 4 монослоев)
слоями кремния наблюдается динамическое расщепление интерфейсных
фононных мод, взаимодействующих через тонкие слои кремния.
Публикации и апробация результатов работы. Основные-результаты диссертации опубликованы в работах [1А-И1А]' и докладывались на 9 Международной конференцій! по Фурье-спектроскопии (Калгари, Канада, 1993), 1 Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород- Ярославль- Москва, 1993), 5 Международной конференции по геттерированию и инженерии дефектов в полупроводниковых гетероструктурах (САБЕ8Т'93)(Франкфурт-на Одере, Германия, 1993), Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (Репино, 1994 и 1995), 2 Международной конференции по физике низкоразмерных структур (Дубна, 1995), 23 Международном симпозиуме по составным полупроводникам (15С5-23)(Санкг-Петербург, 1996), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН и ИФМ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,' четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 101 страницу основного текста, 43 рисунка, размещенных на 36 страницах, и список литературы, который содержит 137 наименований и размещен на 16 страницах.
