mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-1-38-44mateltech-244Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSУПРУГОНАПРЯЖЕННЫЕ СЛОИ И НАНООСТРОВКИ GESISN В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХMULTILAYERED PERIODICAL STRUCTURES WITH ELASTICALLY STRAINED GESISN LAYERS AND GESISN NANOISLANDSТимофеевВ. А.TimofeevV. A.

Тимофеев Вячеслав Алексеевич — канд. физ.−мат. наук, научный сотрудник.

 

Vyacheslav A. Timofeev: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Researcher. 

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

Vyacheslav.t@isp.nsc.ruНикифоровА. И.NikiforovA. I.

Никифоров Александр Иванович — канд. физ.−мат. наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией № 16.

 

 Alexandr I. Nikiforov: Cand. Sci. (Phys.− Math.), Senior Researcher, Head of Laboratory No. 16. 

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

ТуктамышевА. Р.TuktamyshevA. R.

Туктамышев Артур Раисович — аспирант.

 

Artur R. Tuktamyshev: Postgraduate Student. 

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

БлошкинА. А.BloshkinA. A.

Блошкин Алексей Александрович — канд. физ.−мат. наук, научный сотрудник.

 

 Aleksey A. Bloshkin: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Researcher.

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

МашановВ. И.MashanovV. I.

 Машанов Владимир Иванович — канд. физ.−мат. наук, старший научный сотрудник.

 

 Vladimir I. Mashanov: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Senior Researcher.

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

ТийсС. А.TeysS. A.

Тийс Сергей Александрович — канд. физ.−мат. наук, старший научный сотрудник.

пр. акад. Лаврентьева, д. 13, Новосибирск, 630090.

Sergey A. Teys: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Senior Researcher .

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

ЛошкаревИ. Д.LoshkarevI. D.

 Лошкарев Иван Дмитриевич — канд. физ.−мат. наук, научный сотрудник.

 

 Ivan D. Loshkarev: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Researcher. 

13 Ac. Lavrentiev Ave., Novosibirsk 630090.

БайдаковаН. А.BaidakovaN. A.

 Байдакова Наталья Алексеевна — канд. физ.−мат. наук, младший научный сотрудник.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., Кстовский район, 603087.

 Natalia A. Baidakova: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Junior Researcher.

7 Academicheskaya Str., Afonino, Nizhny Novgorod region, Kstovsky district 603087.

Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.РоссияRzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.Russian FederationИнститут физики микроструктур Российской академии наук.РоссияInstitute for Physics of Microstructures, Russian Academy of Sciences.Russian Federation2017210520182013844Copyright © Тимофеев В.А., Никифоров А.И., Туктамышев А.Р., Блошкин А.А., Машанов В.И., Тийс С.А., Лошкарев И.Д., Байдакова Н.А., 20182018Тимофеев В.А., Никифоров А.И., Туктамышев А.Р., Блошкин А.А., Машанов В.И., Тийс С.А., Лошкарев И.Д., Байдакова Н.А.Timofeev V.A., Nikiforov A.I., Tuktamyshev A.R., Bloshkin A.A., Mashanov V.I., Teys S.A., Loshkarev I.D., Baidakova N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/244

Установлена кинетическая диаграмма морфологического состояния пленок GeSiSn при несоответствии параметров решетки между GeSiSn и Si от 3 до 5 %. На основе подбора толщины пленки GeSiSn выращены многослойные периодические структуры с псевдоморфными слоями и слоями, содержащими массив островков GeSiSn с плотностью до 1,8 ⋅ 1012 см−2 и средним размером 4 нм. Проведен анализ кривых дифракционного отражения для многослойных периодических структур. Показано наличие гладких гетерограниц, псевдоморфное состояние пленок GeSiSn и отсутствие изменений состава, а также толщины от периода к периоду. Получены спектры фотолюминесценции для структуры с псевдоморфными слоями Ge0,315Si0,65Sn0,035 с максимумом интенсивности фотолюминесценции вблизи 0,78 эВ, что соответствует длине волны 1,59 мкм. Проведен расчет зонной диаграммы с использованием подхода model solid theory. Исходя из результатов расчета зонной диаграммы, установлено, что обнаруженный пик люминесценции соответствует межзонным переходам между X−долиной в Si или между ∆4−долиной в Ge0,315Si0,65Sn0,035 и подзоной тяжелых дырок в слое Ge0,315Si0,65Sn0,035. Результаты исследований демонстрируют бездислокационные структуры с упругонапряженными псевдоморфными слоями и слоями, включающими массив островков высокой плотности. Дальнейшее изучение многослойных периодических структур будет направлено на увеличение содержания Sn и сравнение оптических свойств структур с островками и без островков.

This work deals with elastically strained GeSiSn films and GeSiSn islands. Kinetic diagram of GeSiSn growth at different lattice mismatches between GeSiSn and Si has been established. Multilayer periodic structures with pseudomorphic GeSiSn layers and GeSiSn island array have been obtained. The density of the islands in the GeSiSn layer reaches 1.8 ⋅ 1012 cm−2 at an average island size of 4 nm. Analysis of the rocking curves showed that the structures contain smooth heterointerfaces, and strong changes of composition and thickness from period to period have not been found. Photoluminescence has been demonstrated and calculation of band diagram in the model solid theory approach has been carried out. Luminescence for the sample with pseudomorphic Ge0.315Si0.65Sn0.035 layers in narrow range of 0.71—0.82 eV is observed with the maximum intensity near 0.78 eV corresponding to a 1.59 µm wavelength. Based on a band diagram calculation for Si/ Ge0.315Si0.65Sn0.035/Si heterocomposition, one can conclud that luminescence with a photon energy of 0.78 eV corresponds to interband transitions between the X−valley in the Si and the heavy hole subband in the Ge0.315Si0.65Sn0.035 layer.

GeSiSnнаноостровкиэпитаксиядифракциясканирующая туннельная микроскопиярентгеновская дифрактометрияфотолюминесценциязонная диаграммаGeSiSnnanoislandsepitaxydiffractionscanning tunnel microscopyX−ray diffractometryphotoluminescenceband diagramReferencesSoref R. A., Perry C. H. Predirect bandgap of the new semiconductor SiGeSn // J. Appl. Phys. − 1991. − V. 69, N 1. − P. 539—541. DOI: 10.1063/1.347704Soref R. A., Perry C. H. Predirect bandgap of the new semiconductor SiGeSn. J. Appl. Phys. 1991, vol. 69, no. 1, pp. 539—541. DOI: 10.1063/1.347704Moontragoon P., Ikonić Z., Harrison P. Band structure calculation of Si—Ge—Sn alloys: achieving direct bandgap materials // Semicond. Sci. Technol. − 2007. − V. 22, N 7. − P. 742—748. DOI: 10.1088/0268−1242/22/7/012Moontragoon P., Ikonić Z., Harrison P. Band structure calculation of Si—Ge—Sn alloys: achieving direct bandgap materials. Semicond. Sci. Technol. 2007. vol. 22, no. 7, pp. 742—748. DOI: 10.1088/0268−1242/22/7/012Du W., Ghetmiri S. A., Conley B. R., Mosleh A., Nazzal A., Soref R. A., Sun G., Tolle J., Margetis J., Naseem H. A., Yu S.−Q. Competition of optical transitions between direct and indirect bandgaps in Ge1−xSnx // Appl. Phys. Lett. − 2014. − V. 105, N 5. − P. 051104−1—4. DOI: 10.1063/1.4892302Du W., Ghetmiri S. A., Conley B. R., Mosleh A., Nazzal A., Soref R. A., Sun G., Tolle J., Margetis J., Naseem H. A., Yu S.−Q. Competition of optical transitions between direct and indirect bandgaps in Ge1−xSnx. Appl. Phys. Lett. 2014, vol. 105, no. 5, pp. 051104–1—4. DOI: 10.1063/1.4892302Senaratne C. L., Gallagher J. D., Aoki T., Kouvetakis J., Menéndez J. Advances in light emission from group−IV alloys via lattice engineering and n−type doping based on custom−designed chemistries // Chem. Mater. − 2014. − V. 26, N 20. − P. 6033—6041. DOI: 10.1021/cm502988ySenaratne C. L., Gallagher J. D., Aoki T., Kouvetakis J., Menéndez J. Advances in light emission from group−IV alloys via lattice engineering and n−type doping based on custom−designed chemistries. Chem. Mater. 2014, vol. 26, no. 20, pp. 6033—6041. DOI: 10.1021/cm502988yWirths S., Buca D., Mantl S. Si—Ge—Sn alloys: From growth to applications // Progress in crystal growth and characterization of materials. − 2016. − V. 62, N 1. − P. 1—39. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2015.11.001Wirths S., Buca D., Mantl S. Si—Ge—Sn alloys: From growth to applications. Progress in crystal growth and characterization of materials. 2016, vol. 62, no. 1, pp. 1—39. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2015.11.001Wirths S., Geiger R., von den Driesch N., Mussler G., Stoica T., Mantl S., Ikonic Z., Luysberg M., Chiussi S., Hartman J. M., Sigg H., Faist J., Buca D., Grützmacher D. Lasing in direct−bandgap GeSn alloy grown on Si // Nature Photonics. − 2015. − V. 9. − P. 88—92. DOI: 10.1038/nphoton.2014.321Wirths S., Geiger R., von den Driesch N., Mussler G., Stoica T., Mantl S., Ikonic Z., Luysberg M., Chiussi S., Hartman J. M., Sigg H., Faist J., Buca D., Grützmacher D. Lasing in direct−bandgap GeSn alloy grown on Si. Nature Photonics. 2015, vol. 9, pp. 88—92. DOI: 10.1038/ nphoton.2014.321Asano T., Terashima T., Yamaha T., Kurosawa M., Takeuchi W., Taoka N., Nakatsuka O., Zaima S. Epitaxial growth and crystalline properties of Ge1−x−ySixSny on Ge(001) substrates // Solid−State Electronics. − 2015. − V. 110. − P. 49—53. DOI: 10.1016/j.sse.2015.01.006Asano T., Terashima T., Yamaha T., Kurosawa M., Takeuchi W., Taoka N., Nakatsuka O., Zaima S. Epitaxial growth and crystalline properties of Ge1−x−ySixSny on Ge(001) substrates. Solid−State Electronics. 2015, vol. 110, pp. 49—53. DOI: 10.1016/j.sse.2015.01.006Esteves R. J. A., Hafiz S., Demchenko D. O., Özgur Ü., Arachchige I. U. Ultra−small Ge1−xSnx quantum dots with visible photoluminescence // Chem. Commun. − 2016. − V. 52, N 78. − P. 11665—11668. DOI: 10.1039/c6cc04242bEsteves R. J. A., Hafiz S., Demchenko D. O., Özgur Ü., Arachchige I. U. Ultra−small Ge1−xSnx quantum dots with visible photoluminescence. Chem. Commun. 2016, vol. 52, no. 78. pp. 11665—11668. DOI: 10.1039/c6cc04242bWirths S., Tiedemann A. T., Ikonic Z., Harrison P., Holländer B., Stoica T., Mussler G., Myronov M., Hartmann J. M., Grützmacher D., Buca D., Mantl S. Band engineering and growth of tensile strained Ge/(Si)GeSn heterostructures for tunnel field effect transistors // Appl. Phys. Lett. − 2013. − V. 102, N 19. − P. 192103−1—4. DOI: 10.1063/1.4805034Wirths S., Tiedemann A. T., Ikonic Z., Harrison P., Holländer B., Stoica T., Mussler G., Myronov M., Hartmann J. M., Grützmacher D., Buca D., Mantl S. Band engineering and growth of tensile strained Ge/(Si)GeSn heterostructures for tunnel field effect transistors. Appl. Phys. Lett. 2013, vol. 102, no. 19, pp. 192103–1—4. DOI: 10.1063/1.4805034von den Driesch N., Stange D., Wirths S., Mussler G., Holländer B., Ikonic Z., Hartmann J. M., Stoica T., Mantl S., Grützmacher D., Buca D. Direct bandgap group IV epitaxy on Si for laser applications // Chem. Mater. − 2015. − V. 27, N 13. − P. 4693—4702. DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b01327von den Driesch N., Stange D., Wirths S., Mussler G., Holländer B., Ikonic Z., Hartmann J. M., Stoica T., Mantl S., Grützmacher D., Buca D. Direct bandgap group IV epitaxy on Si for laser applications. Chem. Mater. 2015, vol. 27, no. 13, pp. 4693—4702. DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b01327Kato K., Asano T., Taoka N., Sakashita M., Takeuchi W., Nakatsuka O., Zaima S. Robustness of Sn precipitation during thermal oxidation of Ge1−xSnx on Ge(001) // Jpn. J. Appl. Phys. − 2014. − V. 53, N 8S1. − P. 08LD04−1—8. DOI: 10.7567/JJAP.53.08LD04Kato K., Asano T., Taoka N., Sakashita M., Takeuchi W., Nakatsuka O., Zaima S. Robustness of Sn precipitation during thermal oxidation of Ge1−xSnx on Ge(001). Jpn. J. Appl. Phys. 2014. vol. 53, no. 8S1, pp. 08LD04 − 1 − 8. DOI: 10.7567/JJAP.53.08LD04Taoka N., Asano T., Yamaha T., Terashima T., Nakatsuka O., Costina I., Zaumseil P., Capellini G., Zaima S., Schroeder T. Non− uniform depth distributions of Sn concentration induced by Sn migration and desorption during GeSnSi layer formation // Appl. Phys. Lett. − 2015. − V. 106, N 6. − P. 061107−1—5. DOI: 10.1063/1.4908121Taoka N., Asano T., Yamaha T., Terashima T., Nakatsuka O., Costina I., Zaumseil P., Capellini G., Zaima S., Schroeder T. Non−uniform depth distributions of Sn concentration induced by Sn migration and desorption during GeSnSi layer formation. Appl. Phys. Lett. 2015, vol. 106, no. 6, pp. 061107–1—5. DOI: 10.1063/1.4908121van de Walle C. G. Band lineups and deformation potentials in the model−solid theory // Phys. Rev. B. − 1989. − V. 39, N 3. − P. 1871—1883. DOI: 10.1103/PhysRevB.39.1871van de Walle C.G. Band lineups and deformation potentials in the model−solid theory. Phys. Rev. B., 1989, vol. 39, no. 3, pp. 1871—1883. DOI: 10.1103/PhysRevB.39.1871El Kurdi M., Sauvage S., Fishman G., Boucaud P. Band− edge alignment of SiGe/Si quantum wells and SiGe/Si self−assembled islands // Phys. Rev. B. − 2006. − V. 73, N 19. − P. 195327−1—9. DOI: 10.1103/PhysRevB.73.195327El Kurdi M., Sauvage S., Fishman G., Boucaud P. Band−edge alignment of SiGe/Si quantum wells and SiGe/Si self−assembled islands. Phys. Rev. B., 2006, vol. 73, no. 19, pp. 195327–1—9. DOI: 10.1103/ PhysRevB.73.195327Jaros M. Simple analytic model for heterojunction band offsets // Phys. Rev. B. − 1988. − V. 37, N 12. − P. 7112—7114. DOI: 10.1103/PhysRevB.37.7112Jaros M. Simple analytic model for heterojunction band offsets. Phys. Rev. B., 1988, vol. 37, no. 12, pp. 7112—7114. DOI: 10.1103/PhysRevB.37.7112Moontragoon P., Soref R., Ikonic Z. The direct and indirect bandgaps of unstrained SixGe1−x−ySny and their photonic device applications // J. Appl. Phys. − 2012. − V. 112, N 7. − P. 073106−1—8. DOI: 10.1063/1.4757414Moontragoon P., Soref R., Ikonic Z. The direct and indirect bandgaps of unstrained SixGe1−x−ySny and their photonic device applications. J. Appl. Phys., 2012, vol. 112, no. 7, pp. 073106–1—8. DOI: 10.1063/1.4757414Fischer I. A., Wendav T., Augel L., Jitpakdeebodin S., Oliveira F., Benedetti A., Stefanov S., Chiussi S., Capellini G., Busch K., Schulze J. Growth and characterization of SiGeSn quantum well photodiodes // Optics Express. − 2015. − V. 23, N 19. − P. 25048—25057. DOI: 10.1364/OE.23.025048Fischer I. A., Wendav T., Augel L., Jitpakdeebodin S., Oliveira F., Benedetti A., Stefanov S., Chiussi S., Capellini G., Busch K., Schulze J. Growth and characterization of SiGeSn quantum well photodiodes. Optics Express, 2015, vol. 23, no. 19, pp. 25048—25057. DOI: 10.1364/OE.23.025048Attiaoui A., Moutanabbir O. Indirect−to−direct band gap transition in relaxed and strained Ge1−x−ySixSny ternary alloys // J. Appl. Phys. − 2014. − V. 116, N 6. − P. 063712−1—15. DOI: 10.1063/1.4889926Attiaoui A., Moutanabbir O. Indirect−to−direct band gap transition in relaxed and strained Ge1−x−ySixSny ternary alloys. J. Appl. Phys., 2014, vol. 116, no. 6, pp. 063712–1—15. DOI: 10.1063/1.4889926Тимофеев В. А., Никифоров А. И., Туктамышев А. Р., Есин М. Ю., Машанов В. И., Гутаковский А. К., Байдакова Н. А. Напряженные многослойные структуры с псевдоморфными слоями GeSiSn // Физика и техника полупроводников. − 2016. − Т. 50, № 12. − С. 1610—1614.Timofeev V. A., Nikiforov A. I., Tuktamyshev A. R., Yesin M. Yu., Mashanov V. I., Gutakovskii A. K., Baidakova N. A. Strained multilayer structures with pseudomorphic GeSiSn layers. Semiconductors, 2016, vol. 50, no. 12, pp. 1585—1589. DOI: 10.1134/S106378261612023XNikiforov A. I., Mashanov V. I., Timofeev V. A., Pchelyakov O. P., Cheng H.−H. Reflection high energy electron diffraction studies on SixSnyGe1−x−y on Si(100) molecular beam epitaxial growth // Thin Solid Films. − 2014. − V. 557. − P. 188—191. DOI: 10.1016/j. tsf.2013.11.128Nikiforov A. I., Mashanov V. I., Timofeev V. A., Pchelyakov O. P., Cheng H.−H. Reflection high energy electron diffraction studies on SixSnyGe1−x−y on Si(100) molecular beam epitaxial growth. Thin Solid Films, 2014, vol. 557, pp. 188—191. DOI: 10.1016/j.tsf.2013.11.128

The authors declare that there are no conflicts of interest present.