УПРУГОНАПРЯЖЕННЫЕ СЛОИ И НАНООСТРОВКИ GESISN В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

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.

GeSiSn, наноостровки, эпитаксия, дифракция, сканирующая туннельная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, фотолюминесценция, зонная диаграмма

1. Soref R. A., Perry C. H. Predirect bandgap of the new semiconductor SiGeSn // J. Appl. Phys. − 1991. − V. 69, N 1. − P. 539—541. DOI: 10.1063/1.347704

2. Moontragoon 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: 10.1088/0268−1242/22/7/012

3. Du 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: 10.1063/1.4892302

4. Senaratne 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/cm502988y

5. Wirths 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.2015.11.001

6. Wirths 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.2014.321

7. Asano 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.2015.01.006

8. Esteves 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/c6cc04242b

9. Wirths 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: 10.1063/1.4805034

10. von 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.5b01327

11. Kato 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.53.08LD04

12. Taoka 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: 10.1063/1.4908121

13. van 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.39.1871

14. El 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.73.195327

15. Jaros M. Simple analytic model for heterojunction band offsets // Phys. Rev. B. − 1988. − V. 37, N 12. − P. 7112—7114. DOI: 10.1103/PhysRevB.37.7112

16. Moontragoon 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: 10.1063/1.4757414

17. Fischer 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.23.025048

18. Attiaoui 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: 10.1063/1.4889926

19. Тимофеев 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.

20. Nikiforov 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.2013.11.128