Структурные, оптические и электрические свойства наноостровков GeSi на Si, полученных в результате самоорганизации в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии

Участники проекта: Институт физики микроструктур (ИФМ) РАН, НИФТИ ННГУ, ФФ ННГУ, НОЦ СЗМ ННГУ 

Руководитель проекта: профессор З Ф Красильник,  зам. директора ИФМ РАН.

Исполнители:

Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. В Я Алешкин  — ИФМ РАН, НИФТИ ННГУ
Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. В В Постников — ИФМ РАН
Старший научный сотрудник, к.х.н. Б А Андреев — ИФМ РАН
Научный сотрудник А.В Новиков  — ИФМ РАН
Аспирант Д.Н.Лобанов (Руководитель — проф. З.Ф. Красильник, ИФМ РАН)
Аспирант Н.В.Бекин (Руководитель — к.ф.-м.н. В.Я. Алешкин, ИФМ РАН)
Л.В. Красильникова, студентка 4 курса ФФ ННГУ (Руководитель — к.х.н. Б.А. Андреев, ИФМ РАН)

Общая научная проблема, на решение которой направлен данный проект

Общей задачей НИР является исследование особенностей процесса самоорганизации напряженных наноструктур на основе SiGe, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и поиск условий достижения квазипрямых оптических переходов в наноостровках GeSi на Si.

Устойчиво нарастающий в последние несколько лет интерес к подобным структурам объясняется потенциальными возможностями создания новых оптоэлектронных устройств с характеристиками, недоступными для объемного кремния [1] Благодаря эффекту размерного квантования можно ожидать заметное увеличение эффективности фотолюминесценции в GeSi гетероструктурах на кремнии [2] и создании на этой основе светодиодов в области длин волн 1,3-1,5 мкм, а в перспективе - лазерных структур. Другое важное направление исследований – это фотопроводимость структур с SiGe самоорганизующимися наноостровками в области длин волн 2-5 мкм, диапазоне важном для телекоммуникации и мониторинга загрязнений атмосферы [3]. Для решения указанных задач необходимо проведение исследований особенностей самоорганизации наноостровков с целью упорядочения их размеров, формы как в каждом отдельном слое, так и в многослойной структуре в целом. Действенным методом анализа указанных характеристик является атомно-силовая микроскопия [4].

1. G.Abstreiter, P.Schittenhelm, C.Engel et al, Semicon.Sci Technol., 11, 1525 (1996).

2. R.Apertz, L.Vescan, A.Hartmann et al. Photoluminescence and electroluminescence of SiGe dots fabricated by island growth, Appl.Phys.Lett., 1995. V. 66, p. 445. 

3. A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, Yu.Yu. Proskuryakov et. Al, Appl. Phys. Lett., 75 1413 (1999).

4. Morphological organization in epitaxial growth and removal. Eds. Z.Zhang and M.G.Lagally, Word Scientific, 1998.

Конкретные цели и задачи НИР

Задачей работыявляется исследование методом АСМ процессов образования и роста самоорганизующихся наноостровков GeSi на подложках Si (001) в зависимости от условий роста, определение параметров роста для получения островков с малым разбросом по размерам.

Имеющийся научный задел

Авторский коллектив имеет существенный задел для успешного выполнения работы. Выращен и исследован ряд структур с наноостровками GeSi в Si, на которых наблюдается фотолюминесценция в области длин волн 1.3-1.5 мкм [1]. Результаты последних исследований отмечены Президентом Российской Академии наук в годичном докладе Общему собранию РАН в числе других наиболее выдающихся достижений Российской науки за 1997 г. [2].

1. В.Я.Алешкин, Н.А.Бекин, Н.Г.Калугин, З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, H.Seyringer. Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, 67, 48 (1998)

2. Отчет о деятельности Российской Академии наук: важнейшие результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук. М.,1998

Hut кластеры Ge/Si

Молекулярно-лучевая эпитаксия В.В. Постников, А.В. Новиков Институт физики микроструктур, РАН

Измерения проводил А.В.Круглов Accurex TMX-2100. Воздушный АСМ, контактный режим.

Не опубликовано

Основные результаты:

1. Исследовано образование и рост самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si (001) при 700оС в зависимости от толщины осажденного слоя Ge. Обнаружено образование островков двух типов (т.н. pyramid-островков и dome-островков). Рост наноостровков начинается с образование pyramid-островков, которые постепенно переходят в dome-островки при увеличении количества осажденного Ge.

Dome и pyramid островки GeSi /Si

Молекулярно-лучевая эпитаксия В.В.Постников, А.В.Новиков, Институт физики микроструктур, РАН

Измерения проводил С.Б. Левичев Accurex TMX-2100. Воздушный АСМ, контактный режим.

Опубликовано: З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, А.В.Круглов. Исследование самоорганизующихся островков Ge на Si (100) с помощью атомно-силового микроскопа. "Известия АН: Серия физическая", т.63(2), стр. 287-289 (1999).

2. Определены условия получения систем островков, с высокой однородностью по латеральным размерам и высоте (стандартные отклонения <10%).

Однородные островки Ge/Si

Молекулярно-лучевая эпитаксия В.В. Постников, А.В. Новиков Институт физики микроструктур, РАН

Измерения проводил С.Б. Левичев Accurex TMX-2100. Воздушный АСМ, контактный режим.

Опубликовано: Материалы Всероссийского совещания "Зондовая микроскопия-99" (Нижний Новгород, 10-13 марта 1999) 1999, c.30

3. Обнаружено обратное изменение формы островков из dome-островков в pyramid-островки во время отжига структур при 700оС. Обратное изменение формы островков связывается с диффузией Si в наноостровки в процессе отжига.

Трансформация Dome островков в pyramid в процессе отжига

Молекулярно-лучевая эпитаксия В.В. Постников, А.В. Новиков Институт физики микроструктур, РАН

Измерения проводил С.Б. Левичев Accurex TMX-2100. Воздушный АСМ, контактный режим.

Опубликовано:N.V.Vostokov, I.V.Dolgov, Yu.N.Drozdov, Z.F.Krasil'nik, D.N.Lobanov, L.D.Moldavskaya, A.V.Novikov, V.V.Postnikov, D.O.Filatov. Transition from "dome" to "pyramid" shape of self-assembled GeSi islands, J of Crystal Growth. 2000. 209. 302.  

Публикации:

Статьи

1. В.Я.Алешкин, Н.А.Бекин, Н.Г.Калугин, З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, Х.Сейрингер, "Самоорганизующиеся наноостровки Ge в Si, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии", Письма в ЖЭТФ, т.67 вып.1, стр. 46-50 (1998).

2. З.Ф.Красильник, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, А.В.Круглов, "Исследование самоорганизующихся островков Ge на Si (100) с помощью атомно-силового микроскопа", "Известия АН: Серия физическая", т.63(2), стр. 287-289 (1999).

3. Н.В.Востоков, С.А.Гусев, И.В.Долгов, Ю.Н.Дроздов, З.Ф.Красильник, Д.Н.Лобанов, Л.Д.Молдавская, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, "Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si (001)", ФТП. 200. 34, 8.  

4. N.V.Vostokov, I.V.Dolgov, Yu.N.Drozdov, Z.F.Krasil'nik, D.N.Lobanov, L.D.Moldavskaya, A.V.Novikov, V.V.Postnikov, D.O.Filatov. Transition from "dome" to "pyramid" shape of self-assembled GeSi islands, J of Crystal Growth. 2000. 209.304.  

5. Z.F.Krasil'nik, N.V.Vostokov, S.A.Gusev, I.V.Dolgov, Yu.N.Drozdov, D.N.Lobanov, L.D.Moldavskaya, A.V.Novikov, V.V.Postnikov, D.O.Filatov. The Elastic strain and compositionof self-assembled GeSi islands on Si (001), Thin Solid Films. 2000. 367. p. 171-175.  

6. Н.В.Востоков, И.В.Долгов, Ю.Н.Дроздов, З.Ф.Красильник, Д.Н.Лобанов, Л.Д.Молдавская, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, "Однородные наноостровки Ge на Si (100)", Известия Академии наук: Серия физическая, т. 63 (2), стр.302-305 (2000).

тезисы докладов:

1. А.В.Новиков, Н.В.Востоков, З.Ф.Красильник, Н.В.Лобанов, В.В.Постников, Д.О.Филатов. АСМ исследования роста самоорганизующихся наноостровков Ge на Si (001) — Материалы Международного рабочего совещания "Зондовая микроскопия-99" (Н.Новгород, 10-14 марта 1999 г.)

2. Н.В.Востоков, И.В.Долгов, Ю.Н.Дроздов, З.Ф.Красильник, Д.Н.Лобанов, Л.Д.Молдавская, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, "Однородные наноостровки Ge на Si (100)", Материалы Всероссийского Совещания "Нанофотоника", 15-18 марта 1999г., Нижний Новгород, с. 98-101.  

3. A.V.Novikov, N.V.Vostokov, I.V.Dolgov, Yu.N.Drozdov, Z.F.Krasil'nik, D.N.Lobanov, L.D.Moldavskaya, V.V.Postnikov, D.O.Filatov. "Growth of self-assembled GeSi islands with narrow size distribution on Si (001)", Proceeding of 7th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", June, St. Petersburg, Russia, p.493-496, 1999

4. A.V.Novikov, N.V.Vostokov, D.N.Lobanov, V.V.Postnikov D.O.Filatov and Z.F.Krasil'nik, "Transition from "dome" to "hut" shape of self-assembled Ge islands", Workbook of 7th International Conference on Chemical Beam Epitaxy and Related Growth Techniques, 27-30 July, Tsukuba, Japan, p.91-92, 1999

5. Z.F.Krasil'nik, N.V.Vostokov, S.A.Gusev, I.V.Dolgov, Yu.N.Drozdov, D.N.Lobanov, L.D.Moldavskaya, A.V.Novikov, V.V.Postnikov, D.O.Filatov, “The Elastic strain and compositionof self-assembled GeSi islands on Si (001), Abstracts of 3rd International Workshop on MBE Growth Physics and Technology, 23-28 May, Warsawa, Poland, 1999.

6. Н.В.Востоков, И.В.Долгов, С.А.Гусев, Ю.Н.Дроздов, З.Ф.Красильник, Д.Н.Лобанов, Л.Д.Молдавская, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов, “Упругие напряжения и элементный состав самоорганизующихся наноостровков Ge на Si (001)”, Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск, 1999.

Участие студентов и аспирантов в выполнении работы

По теме проекта выполнены:

2 диссертационные работы на соискание акад. степени магистра:

1. Д.Н.Лобанов (студент магистратуры 2 года обучения, Радиофизического факультета ННГУ) "Исследование параметров самоорганизующихся островков Ge на Si(001) в зависимости от условий роста". Руководитель - д.ф.-м.н., проф. З.Ф.Красильник, зав. отделом ИФМ РАН.

2. С.В.Левичев (студент магистратуры 2 года обучения, кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники ФФ ННГУ) "Фотоэлектрические свойства квантоворазмерных гетероструктур Ge/Si". Руководитель - к.ф.-м.н. Д.О.Филатов, ст. преп. кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники ФФ ННГУ.

Выполняются:

1 диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата наук: Н.А.Бекин (аспирант ИФМ РАН 2 года обучения) "Исследование электронных и дырочных состояний, туннельных и межподзонных оптических переходов в полупроводниковых гетероструктурах". Руководитель - к.ф.-м.н. В.Я.Алешкин, в.н.с ИФМ РАН.

Источники дополнительного финансирования

· Гранты Министерства образования РФ:
- МНТП “Университеты России – фундаментальные исследования”
· Гранты Министерства науки РФ:
- МНТП "Физика твердотельных наноструктур" (№ 99-2047),
- "Перспективные технологии и приборы для микро- и наноэлектроники" (№02.04.1.1.16.Э1)
· ФЦП "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг" Проект 541: Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела"
· Гранты РФФИ
- "Оптические переходы в самоорганизующихся наноостровках и квантовых точках на основе SiGe" (№ 99-02-16980)

Призы и награды

· На Всероссийском конкурсе работ по зондовой микроскопии, который проводился Российским обществом сканирующей зондовой микроскопии  и компанией NT-MTD (Зеленогорад), работе Н.В.Востоков, С.А.Гусев, И.В.Долгов, Ю.Н.Дроздов, З.Ф.Красильник, Д.Н.Лобанов, Л.Д.Молдавская, А.В.Новиков, В.В.Постников, Д.О.Филатов "Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков GeSi на Si (001)" ФТП. 2000. 34. 8.  присуждена вторая премия.

· Аспиранту С.Б.Левичеву присужден диплом II степени на Всероссийской научной студенческой конференции (С.-Петербург, 30 ноября - 3 декабря 1999) за доклад "Исследование фотоэлектрических свойств нанострукутр Ge/Si методом спектроскопии поверхностной фотоЭДС в электролитической ячейке".