CC BY
68
Физика. Физика низкоразмерных структур и полупроводниковых наноматериалов
Вестник ДВО РАН. 2016. № 4
УДК 535.215 + 537.533
Н.Г. ГАЛКИН, Д.Л. ГОРОШКО, А.В. ШЕВЛЯГИН, Е.А. ЧУСОВИТИН, КН. ГАЛКИН
Кремний-силицидные диодные гетероструктуры -основа для создания кремниевой интегральной фотоники
Рассмотрены подходы к созданию кремний-силицидных оптопар с возможностью их использования в кремниевой планарной технологии. В основе предложенных и испытанных фото- и светодиодов используется активный слой из встроенных в кремниевую монокристаллическую матрицу мультислоев нанокристаллитов P-FeSi2 или P-FeSi2 и CrSi2. Получены доказательства спектральной чувствительности фотодиодов в области 0,4-2,0мкм и излучения светодиодов при комнатной температуре и длине волны 1,5—1,6мкм. Установлено, что для повышения эффективности свето- и фотодиодов со встроенными нанокристаллами необходимо увеличить слоевую и объемную плотность нанокристаллов размером 15—20 нм, оптимизировать конструкцию диода и ростовые процедуры встраивания нанокристаллов для уменьшения плотности малых нанокристаллов fl-FeSi2.
Ключевые слова: кремний, дисилициды железа и хрома, нанокристаллиты, фотодиод, светодиод, оптопа-ры, кремниевая планарная технология, интегральная фотоника.
Silicon-silicide diode heterostructures as a base for the creation of silicon integrated photonics. N.G. GALKIN, D.L. GOROSHKO, A.V. SHEVLYAGIN, E.A. CHUSOVITIN, K.N. GALKIN (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).
The article describes the approaches to the creation of silicon-silicide optical couples with the ability to implement them within the framework of the silicon planar technology. In the basis ofproposed and tested photodiodes and light emitting diodes (LED) an active layer of embedded in the silicon monocrystalline matrix P-FeSi2 or P-FeSi2 and CrSi2 nanocrystallite's multilayers is used. The proofs of spectral sensitivity of photodiodes in the area of 0.4—2.0 pm and room temperature light emitting of LED at wavelength of 1.5—1.6 pm were received. It was established that to increase the efficiency of LEDs and photodiodes with embedded nanocrystals the layer and bulk density of nanocrystals with dimensions of 15—20 nm should be increased, the design of diode and growth procedures of nanocrystals embedding for reducing the density of small P-FeSi2 nanocrystals should be optimized.
Key words: silicon, iron and chromium disilicides, nanocrystallites, photodiode, light emitting diode, optical couples, silicon planar technology, integral photonics.
Введение
Развитие современной микроэлектроники и оптической проекционной литографии привело к созданию интегральных схем оперативной памяти и микропроцессоров
* ГАЛКИН Николай Геннадьевич - доктор физико-математических наук, заместитель директора, ГОРОШКО Дмитрий Львович - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ШЕВЛЯГИН Александр Владимирович - инженер-электроник, ЧУСОВИТИН Евгений Анатольевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, ГАЛКИН Константин Николаевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: [email protected]
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы «Дальний Восток», грант № 0262-2015-0054.
по технологии 14 нм с последующим планируемым ее уменьшением до 10 нм к 2018 г. и до 5 нм к 2020 г. по прогнозам компаний Intel и Samsung. При сохранении транзисторной парадигмы развития микроэлектроники и переходе в ближайшие годы к экстрим-ультра-фиолетовой технологии нанолитографии с длиной волны 13,5 нм основными проблемами в создании сверхбольших интегральных схем с минимальными размерами (от 10 до 5 нм) останутся растущее сопротивление межсоединений (до 11 слоев) и межконтактная емкость, что приведет к резкому увеличению резистивных потерь и лишь слабому росту быстродействия. Проблема резистивных потерь и существенного повышения быстродействия может быть решена за счет применения оптической связи между элементами (блоками) электрической схемы. Основным элементом в этом случае станет система светоди-од-фотодиод (или оптопара) с оптическим волноводом в качестве световода между ними.
Объединение активных электрических элементов интегральной схемы (диодов и транзисторов) с оптопарами, модуляторами, усилителями и сетью оптических световодов на одном кристалле можно рассматривать как монолитную оптоэлектронную интегральную микросхему (МОЭ ИМС). На сегодняшний день существуют лишь гибридные оптоэлек-тронные интегральные микросхемы (ГОЭ ИМС) на основе гетеропереходов из прямозон-ных полупроводниковых соединений А3В5 преимущественно на подложках из арсенида галлия, которые содержат сотни различных навесных оптических компонентов с небольшой степенью интеграции по сравнению с монолитными интегральными схемами. Данное обстоятельство вызвано тем, что исследования в области фотоники сконцентрированы на повышении эффективности отдельных оптических элементов схемы, а не на усилении интеграции элементов в целом, в отличие от микроэлектроники, где постоянно минимизируются размеры основного элемента - транзистора на полупроводниковой подложке (кремний, германий, арсенид галлия и т.д.). Кроме того, для создания ГОЭ ИМС используются различные классы материалов (бинарные полупроводниковые соединения и твердые растворы [3, 19, 31, 32, 34], стекла, полимеры, кварцевое волокно) на полупроводниковых подложках, что обусловлено технологическими сложностями формирования кварцевого оптоволокна на подложках из арсенида галлия между источниками и приемниками излучения для диапазона длин волн 1,3-1,55 мкм, где находится максимум прозрачности кварцевого оптоволокна.
Учитывая указанные выше недостатки существующего подхода к созданию ГОЭ ИМС, оптимальным решением представляется развитие кремниевой интегральной фотоники для унификации набора материалов и использования достоинств кремниевой планарной технологии (комплементарной технологии металл-окисел-полупроводник, или КМОП-технологии) с одновременным применением основной парадигмы микроэлектроники -повышением степени интеграции. Это позволит создать монолитные кремниевые опто-электронные интегральные схемы (Si-МОЭ ИМС), существенно снизить их стоимость и повысить быстродействие. Известно, однако, что сам кремний как непрямозонный полупроводник [5] не может в области своей прозрачности обеспечить создание фотоприемных и излучающих диодов в области длин волн 1,3-1,6 мкм, а также, будучи центро-симметричным кристаллом, не может выступать в качестве электрооптического модулятора. Поэтому до настоящего момента считалось, что кремниевая интегральная фотоника применима только для гетероструктур, в которых кремний сохраняется как подложка для роста прямозонных полупроводниковых соединений класса A3B5 [14, 16]. Основным недостатком такого подхода является высокая дефектность слоев A3B5, которая приводит к снижению эффективности как излучения, так и фотогенерации и требует роста оптических волноводов.
Другой подход - применение твердых растворов (двойных и тройных) химических элементов IV группы (Si, Sn, Ge) [15, 20, 23, 29, 30]. Перспективными оказались системы c напряженными слоями и наноточками GexSn x и GexSn ySiy [29], на которых получены эффективные (фотоотклик более 1 А/Вт [4]) и быстродействующие (десятки ГГц [23]) фотодетекторы, сформированные на подложках Si и работающие в окнах прозрачности
кварцевого оптоволокна, а также фотодетекторы на системе Ge-Sn. Продемонстрирована электрооптическая модуляция, в основе которой лежит эффект Франца-Келдыша [24]. Экспериментально получены и светоизлучающие структуры для диапазона 0,6-0,85 эВ [7, 12, 25, 33], работающие при комнатной температуре. Однако о выходной оптической мощности или значении внешней квантовой эффективности подобных структур до сих пор не сообщалось. Это существенно снижает ценность результатов в приложении к интегральным схемам ввиду невозможности реализовать оптопару на основе твердых растворов химических элементов IV группы и сужает область их применения до дискретных устройств.
В работе У Maeda [17] предложен подход к созданию Si-ОЭ ИМС, в котором в качестве светодиодов используются двойные гетероструктуры Si/p-FeSi2/Si с эпитаксиальной пленкой p-FeSi2, а в качестве фотодетектора - гетеропереход пленка P-FeSi2/Si. Излучение и детекция должны происходить на длине волны 1,5 мкм. Однако максимум фотодетекции наблюдается при 1,3 мкм, а при 1,5 мкм детекция резко уменьшается, что существенно снижает эффективность подхода. В качестве волновода планировалось использовать слой SiO2 на гетероструктуре P-FeSi2/Si, в качестве модулятора - SiO2/Fe3Si/Si фотонный кристалл с ярко выраженным магнитооптическим эффектом, а в качестве усилителя -фотонный кристалл на структуре P-FeSi2/Si. При этом излучатель и фотодетектор могут создаваться на платформе Si-ОЭ ИМС с ограниченной излучательной способностью при комнатной температуре, а для создания оптического модулятора с усилителем необходимо использование навесных элементов с приложением переменного магнитного поля, что также препятствует созданию монолитных кремниевых интегральных схем с оптической связью.
В данной работе рассматривается новый подход к разработке основ кремний-сили-цидной интегральной фотоники на базе кремниевых р-п переходов со встроенными в р- или ьслой мультислоями наноразмерных кристаллов p-FeSi2 и/или Сгё^, оцениваются достигнутые параметры светодиодов и фотодетекторов в диапазоне 1,3-1,7 мкм, обсуждаются перспективы реализации оптической связи между транзисторами в кремниевой оптоэлектронной интегральной микросхеме.
Экспериментальные методики
Образцы структур выращивались на монокристаллическом кремнии Si(111) или Si(100) n-типа проводимости с удельным сопротивлением 7-10 Омхсм в сверхвысокова-куумной камере VARIAN с базовым давлением 2х10-9 Торр. Нанокристаллы (НК) p-FeSi2 формировались методом твердофазной эпитаксии (ТФЭ) сверхтонких (0,4 нм) пленок Fe при температуре 630 оС с последующей молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ) тонких (10-15 нм) слоев кремния слаболегированного (Na = 1 х 1014 см-3), р-типа проводимости при температуре 750 оС [11]. В образцах с двумя типами встроенных НК (P-FeSi2 и CrSi2) нанокристаллы CrSi2 выращивались методом реактивной эпитаксии (РЭ) при температуре 500 оС путем осаждения в слое хрома 0,2-0,3 нм [11]. Рост слоев кремния также осуществлялся методом МЛЭ при температуре 750 оС. Сначала формировали слои CrSi2, а затем слои с P-FeSi2. Для получения многослойных структур с одним и двумя типами встроенных НК процессы ТФЭ (или РЭ) и МЛЭ повторяли 4-7 раз. В результате кремниевые прослойки толщиной 15 или 100 нм собирались в слой кремния толщиной 100-400 нм со встроенными нанокристаллами (активная область). Последний (покрывающий) слой формировался путем осаждения р+-слоя Si (N = 1 х 1017 см-3) толщиной 200 нм при температуре 750 оС для образования Sip-i-n структуры и обеспечения омического контактного слоя.
Другая разновидность структуры с двумя типами нанокристаллитов создавалась методом ионно-лучевого синтеза (ИЛС) ионов железа (20 кэВ) с последующим импульсным ионным отжигом (ИИО) (длительность отжига 50 нс) и имплантацией ионов хрома при
энергии 80 кэВ [13]. Для подлегирования подложки с нижней ее стороны имплантировались ионы фосфора. После этого образец загружался с СВВ-камеру для высокотемпературного отжига и эпитаксиального роста р+-типа кремния до толщины 600 нм. После выгрузки из ростовой камеры образцы химически травились с целью формирования ме-задиодов и последующих фотоспектральных и/или светоизлучающих свойств. По окончании травления слои Au-Sb и Al осаждались для формирования контактов с n-Si и p-Si соответственно. Для сравнения приборных свойств соответствующие диодные структуры выращивалась на кремнии без встраивания НК с кремниевыми прослойками определенной толщины.
Вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики мезадиодов исследовались на ха-рактериографе Е7-20 без и с освещением. Измерения фотоотклика проводились по стандартной lock-in технике (SR830) с оптическим модулятором (f = 882 Гц), с использованием калиброванной вольфрамовой лампы в качестве источника и монохроматора (SolarTii, MS3504i). Все спектры фотоотклика регистрировались в токовой моде.
Электролюминесценция мезадиодов анализировалась с помощью монохроматора (SolarTii, MS3504i) и детектировалась с помощью Пельтье-охлаждаемого InGaAs фотодиода (Electro-Optical Systems) по стандартной lock-in технике (SR830) с оптическим модулятором (f = 1443 Гц). Мощность излучения приборных структур измерялась в конфигурации «лицо к лицу» с использованием измерителя оптической мощности (FildMaxII-TO, Coherent). Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировались на Фурье-Раман-спектрометре в ФЛ-конфигурации (RFS 100/S, Bruker). Возбуждение ФЛ осуществлялось YAG:NG лазером (X = 1064 нм, мощность до 1,5 Вт) и регистрировалось охлаждаемым жидким азотом Ge p-i-n фотодиодом с использованием Notch-фильтра (до 100 см-1). Исследования кристаллической структуры и морфологии встроенных НК p-FeSi2 проводили на просвечивающем электронном микроскопе JE0L-4000EX (ИФП СО РАН, Новосибирск), работающем при 400 кВ, который характеризуется пространственным разрешением от точки к точке около 0,16 нм и между линиями около 0,1 нм.
Результаты и обсуждение
Фотодиодные структуры с нанопрослойками кремния
Исследования структуры выращенных мультислойных образцов методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВР ПЭМ) на поперечных срезах показали [28], что формируется семислойная структура с двумя типами встроенных НК p-FeSir Нанокристаллы первого типа имеют вытянутую форму, размеры 3-4 нм и находятся на глубине эпитаксии слоя дисилицида железа (рис. 1а). Нанокристаллы второго типа НК отличаются сферической формой, размерами 15-20 нм и занимают от двух до трех слоев в мультислойной структуре (рис. 1б). Заметим, что плотность малых НК примерно на два порядка выше плотности больших. Обнаружено, что встраивание НК в решетку кремния не привело к появлению дислокаций несоответствия несмотря на несоответствие решеток Si и p-FeSi2. Это обусловлено сохранением напряженного состояния НК на границе раздела с кремнием. В этом случае можно накопить значительные упругие деформации в НК, что соответствует псевдоморфному росту, но только в объеме (объемный псевдоморфизм нанокристаллов в монокристаллической матрице).
Исследования вольт-амперных характеристик сформированного мезадиода со встроенными НК и референсного диода (для сравнения) выявили выпрямляющие свойства с разницей примерно в два порядка между прямым и обратным током при одинаковой величине смещения (без учета знака). При этом оба диода показали одинаковый ток насыщения около 0,11 мкА и фактор идеальности, близкий к единице. Токи в мезадиоде при освещении только незначительно отличаются от темнового тока, что связано с малой суммарной величиной p-FeSi2 во встроенных мультислоях НК по сравнению со сплошными
Рис. 1. ВР ПЭМ-изображение поперечного среза семислойной структуры со встроенными НК в области слоев малых (а) и в области появления крупных (б) нанокристаллов на подложке Si(111)
пленками Р-Бе812 на кремнии. Нанокристаллы с плотностью до 109 см-2 занимают менее 20 % площади мезадиода, и поэтому не весь свет поглощается в них и генерирует электронно-дырочные пары, которые, разделяясь на кремниевом р-п переходе, формируют фототок в токовом режиме работы диода.
Исследования вольт-фарадных характеристик мезадиода с НК и референсного фотодиода показали, что, несмотря на наличие НК в мезадиоде, встроенный потенциал у обеих диодных структур одинаков и равен 0,54 эВ [28], что хорошо совпадает с аналогичной величиной для стандартного кремниевого диода. Кроме того, на зависимости 1/С2 от напряжения V имеется линейный участок при обратных смещениях от -1 до -30 В, что соответствует уменьшению плотности интерфейсных состояний в мезадиоде. Из вышеперечисленного можно заключить, что встраивание НК Р-Бе812 в область обеднения 81р-п перехода не вызывает формирования значительной величины интерфейсных состояний.
Измеренные при комнатной температуре и нулевом смещении спектры фотоотклика выращенных структур представлены на рис. 2. Из них видно, что встраивание только семи слоев НК Р-Бе812 в кремниевый р-п переход привело к увеличению области спектральной чувствительности до 1600 нм (0,77 эВ), росту более чем на два порядка величины фотоотклика (Я) в диапазоне телекоммуникационных длин волн (1,5-1,55 мкм) и десятикратному увеличению фотоотклика в диапазоне длин волн, близких к краю поглощения кремния (1,0-1,2 мкм) в результате встраивания НК Р-Ре812.
На основе измеренного фотоотклика была оценена спектральная зависимость внешней квантовой эффективности сформированного и референсного мезадиодов. В сформированном мезадиоде при нулевом смещении и комнатной температуре ^ равна 0,2 % при длине волны 1,3 мкм. Относительно небольшой фототок объясняется малым количеством встроенных НК Р-Бе812 и слабой генерацией электронно-дырочных пар в них. Поэтому мы использовали близкую к р-ьп структуру, чтобы иметь возможность умножить количество носителей при приложении обратного смещения. Поглощение света в ближней ИК-области в НК Р-Бе812 приводит к генерации носителей и их диффузии в кремний, вызывая развитие электронной лавины. Существование лавинного пробоя подтверждается экспоненциальным ростом фотоотклика, обратное смещение превышает 50-60 В, что соответствует лавинному пробою. В сформированном мезадиоде со встроенными НК мы получили напряжение пробоя 54 В, чувствительность 45 мА/Вт и коэффициент усиления лавины, равный 5. Максимальная величина внешней квантовой эффективности в этих условиях составляет около 7 %. Анализ зависимости фотоотклика от обратного смещения показал, что снижение напряжения пробоя приводит к значительному усилению фотоотклика и фотоотклик можно немного повысить путем увеличения встроенного потенциала,
Рис. 2. Спектр фотоотклика меза-диода Si/p-FeSi2/Si(1П) при комнатной температуре и нулевом смещении (V = 0 В) и вычисленный спектр внешней квантовой эффективности в сравнении с референсным Si р-п переходом
который ограничен величиной запрещенной зоны кремния. Дополнительно, уменьшение толщины Si слоя и увеличение концентрации в нем легирующей примеси ослабляют напряжение пробоя.
Предложенный подход со встраиванием НК p-FeSi2 в Sip-i-n структуру привел к росту интегральной величины внешнего квантового эффекта в спектральном диапазоне 0,6-1,7 мкм с 18,7 % в случае референсного кремниевого диода до 23,3 % для p+-Si/p-Si/p-FeSi2/p-Si/n-Si мезадиода при нулевом смещении. Этот факт подтверждает, что встраивание P-FeSi2 в Si может повысить эффективность обычных кремниевых солнечных батарей.
Фотодиодные структуры с двумя типами встроенных нанокристаллов fi-FeSi2 и CrSi2
и толстыми кремниевыми прослойками
Спектры фотоотклика для диодов, выращенных методами РЭ и МЛЭ (РЭ-МЛЭ диод), методами ИЛС и ИИО (ИЛС-ИИО диод), и референсного диода регистрировались в диапазоне энергий фотонов 0,7-1,1 эВ при температурах комнатной и 130 К. При комнатной температуре спектр фотоотклика в ИЛС-ИИО диоде (рис. 3 а, IBS Fe + Cr) не отличался от оного для референсного диода в диапазоне энергий 1,1-1,0 эВ, не показав спектральную чувствительность в области энергий меньше 0,9 эВ, несмотря на формирование преципитатов дисилицидов хрома и железа. Для РЭ-МЛЭ диода с двумя слоями встроенных нано-кристаллитов (рис. 3а, образец 2L p-FeSi2 + CrSi2) при комнатной температуре в диапазоне энергий меньше 0,9 эВ наблюдался в 3 раза больший сигнал по сравнению с референсным диодом. В РЭ-МЛЭ образце с восьмью слоями НК (рис. 3а, образец 8L p-FeSi2) максимум фотоотклика фиксировался при 0,85 эВ с амплитудой в 10 раз большей фонового сигнала для референсного диода.
При охлаждении всех диодных структур до температуры 130 К (рис. 3б) в референсном диоде спектральная чувствительность при энергиях фотонов ниже 1,0 эВ не обнаружена в соответствии с шириной запрещенной зоны кремния. При этом для остальных трех типов
Рис. 3. Спектры фотоотклика трех типов мезадиодов с НК и референсного мезадиода в зависимости от энергии фотонов, зарегистрированных при температурах комнатной (а) и 130 К (б). На вставке фрагмента (а) показан мезадиод в корпусе микросхемы
мезадиодов со встроенными НК p-FeSi2и Сгё^ выявлен различный характер спектральной чувствительности в области энергий фотонов от 0,7 до 0,87 эВ. Образцы диодов, содержащих дисилицид хрома (РЭ-МЛЭ и ИЛС-ИИО диоды), показали увеличение спектральной чувствительности с уменьшением энергии фотонов. Для восьмислойного РЭ-МЛЭ диода только с нанокристаллитами p-FeSi2 наблюдался спектр фототклика с максимумом при 0,85 эВ, при этом фотоотклик снижался с уменьшением энергии фотонов до 0,7 эВ. Меза-диоды, выращенные методами РЭ и МЛЭ, показали рост фотоотклика на 2-3 порядка по сравнению с референсным фотодиодом в области энергий ниже 0,9 эВ. ИЛС-ИИО диод имел лишь 4-8-кратный рост фотоотклика в том же диапазоне энергий фотонов.
Максимальное увеличение фотоотклика в области энергий фотонов ниже 0,9 эВ при обеих температурах зафиксировано только для восьмислойного мезадиода со встроенными НК p-FeSi2, что связано, во-первых, с высоким качеством встраивания НК в кремниевую матрицу [8] и, во-вторых, с максимальным количеством дисилицида железа в данном диоде по сравнению с двумя другими. Минимальный вклад в фотоотклик наблюдался для ИЛС-ИИО диода. Это обусловлено формированием большой плотности дислокаций и точечных дефектов в кремнии [1] и уменьшением за счет них скорости диффузии носителей, инжектированных из НК и не успевающих разделиться электрическим полем р-п перехода в таком диоде. Охлаждение данного диода приводило к насыщению вклада от дефектов и дислокаций и появлению фототклика от дополнительных носителей, инжектированных из НК.
Возрастание сигнала фототклика с уменьшением энергии фотонов до 0,7 эВ для диодов, содержащих p-FeSi2 и Сгё^, не может быть объяснено вкладом дисилицида железа. Поскольку ширина его запрещенной зоны составляет 0,81-0,86 эВ [2], а у С^2 она равна 0,35 эВ [2, 9], то низкоэнергетический вклад может быть связан только с генерацией электронно-дырочных пар в НК С^2. В работе [26] установлено, что продольное сжатие кристаллической решетки С^2 приводит к увеличению ширины его запрещенной зоны до 0,52-0,70 эВ. Принимая во внимание, что несоответствие кристаллических решеток Сгё^ и Si изменяется от 5 до 15 % [2], а также тот факт, что НК Сгё^ размером до 15 нм упруго встраиваются в кремниевую матрицу [6, 10], можно говорить о том, что НК С^2 в выращенных диодах упруго сжаты на несколько процентов по сравнению с объемным монокристаллом. Это должно привести к некоторому увеличению ширины запрещенной зоны в НК Сгё^ и появлению максимума фотоответа от них в диапазоне энергий фотонов от 0,5 до 0,7 эВ, что согласуется с характером спектральной зависимости диодов со встроенными НК Сгё^.
Следовательно, встраиванием оптимального количества слоев НК Сгё^ в р-слой кремниевого р-п перехода перед мультислоями НК p-FeSi2 можно значительно расширить область спектральной фоточувствительности диодов до 0,5-0,6 эВ или 2,5-2,0 мкм. Эффективность фотоотклика в низкоэнергетической области может быть при этом повышена за счет увеличения поверхностной плотности НК в слоях и уменьшения толщины кремниевой прослойки между НК.
Излучательные свойства мезадиодов со встроенными НК в-FeSi2
На изготовленном мезадиоде со встроенными НК p-FeSi2 и нанопрослойками кремния (10-15 нм) был зарегистрирован спектр электролюминесценции при комнатной температуре (рис. 4). Экспериментальный спектр может быть разложен на два пика (функции Войгта) - с максимумами при 0,814 и 0,761 эВ с различными полуширинами (66 и 94 мэВ) и соотношением амплитуд, равным 3. В предложенной ранее модели [18] первый пик (А-зона люминесценции) определялся межзонными переходами в НК p-FeSi2, второй был отнесен к С-зоне, связанной с переходами между примесными состояниями в p-FeSi2. Однако исходя из размеров встроенных НК p-FeSi2 (3-4 и 15-20 нм) и различного характера сопряжений, малые НК не напряжены из-за близкого к идеальному сопряжения на границе раздела (100^ и (111^ с углом разориентации около 10о, а НК размером 15-20 нм имеют максимальное сжатие (до 1,5 %) из-за сопряжения при выполнении эпитаксиальных соотношений p-FeSi2(101)/Si(Ш) в направлении p-FeSi2[010]//Si<íí1> Последнее приводит к заметному увеличению ширины запрещенной зоны в НК p-FeSi2 (примерно на 60 мэВ) и смене типа фундаментального перехода с непрямозонного на прямозонный [21, 22].
Таким образом, малые НК p-FeSi2 остаются непрямозонным полупроводником с возможностью излучательной рекомбинации при участии фонона, а в НК больших размеров с повышенной вероятностью возможна прямозонная люминесценция [22]. При этом за счет малого размера в НК (15-20 нм) наблюдается квантование уровней с увеличением минимального расстояния на 50-60 мэВ. Следовательно, за люминесценцию в них отвечают экситоны с прямозонной структурой. Последнее обусловливает рост интенсивности электролюминесценции в диодах с такими НК. Непрямозонные малые НК испытывают квантово-размерный эффект [27], который приводит к увеличению непрямой запрещенной зоны примерно на 300-400 мэВ, что должно соответствовать излучению с энергией около 1,1-1,2 эВ. Поскольку эффективность излучательной рекомбинации в непрямозонной структуре на несколько порядков меньше, чем в пря-мозонной, сигнал электролюминесценции от малых НК не наблюдался при комнатной температуре. По данным ВР ПЭМ поперечных срезов меньшее количество крупных (15-20 нм) НК p-FeSi2 вносят больший вклад в электролюминесценцию, чем более плотный массив квантово-размерных (3-4 нм) НК с большей энергией расщепления. Это объясняется формированием экситона в квантовой точке с прямозонной энергетической структурой.
На выращенном образце с мульти-Рис. 4. Спектр электролюминесценции мезади°да Мр. слоями встроенных НК Р^Ь при FeSL/Si при комнатной температуре (квадраты) и разложе- _ •
2 , „ „ комнатной температуре была обнару-
ние спектра на функции Воигта и их сумму с указанием г -> г г->
полуширин выделенных пиков жена также фотолюминесценция, что
свидетельствует о высоком кристаллическом качестве выращенных НК и качестве кремниевой матрицы вокруг них и, следовательно, о малой плотности центров безызлуча-тельной рекомбинации. При этом по форме и положению максимума спектры электро- и фотолюминесценции хорошо коррелировали. На спектрах фотолюминесценции, зарегистрированных при разных мощностях лазера накачки, не было обнаружено сдвигов максимума, что свидетельствует о формировании 1-го типа гетероструктуры в системе p-Si/p-FeSi2/p-Si. Такая гетероструктура должна иметь максимальную вероятность излу-чательной рекомбинации.
Заключение
Апробированы фотодиоды с двумя типами нанокристаллитов (CrSi2 и p-FeSi2), встроенных в р-слой кремниевого p-n перехода. Установлено, что упруго сжатые НК CrSi2 приводят к росту фотоотклика диодов с уменьшением энергии фотонов до 0,7 эВ и менее. При этом эффективность фотоотклика минимальна для структур, созданных методами ионно-лучевого синтеза и импульсного ионного отжига, что коррелирует с высокой плотностью в них дислокаций и точечных дефектов, малым суммарным количеством CrSi2 и P-FeSi2 и большими кремниевыми прослойками. На основе первых приборных структур разработаны, изготовлены и испытаны кремниевые фотодиоды и светодиоды с активным слоем из встроенных нанокристаллитов p-FeSi2 с минимизированной толщиной кремниевых прослоек. Светодиод при комнатной температуре продемонстрировал электролюминесценцию с излучением мощностью 25 мкВт на длине волны 1500 нм, с токовой чувствительностью 45 мА/Вт. Тот же диод в режиме фотоответа при комнатной температуре показал спектральную чувствительность в области энергий фотонов ниже ширины запрещенной зоны кремния (0,7-1,0 эВ) и при этом сохранял фотоответ в области энергий фотонов 1,1-4,0 эВ.
Оптопара из светодиодной и фотодиодной структур может обеспечить электрический сигнал на фотодиоде порядка 1 мкА при засветке его излучением мощностью 25 мкВт. Это подтверждает перспективность предложенного подхода для развития основанных на кремниевой планарной технологии оптопар и фотонных интегральных схем. Процесс создания оптопар хорошо адаптируется к кремниевой МОП-технологии. Для увеличения эффективности свето- и фотодиодов со встроенными НК p-FeSi2 необходимо увеличить слоевую и объемную плотность НК размером 15-20 нм, оптимизировать конструкцию диода и ростовые процедуры встраивания НК для уменьшения плотности малых НК.
Авторы благодарны д.ф.-м.н. Р.М. Баязитову и к.ф.-м.н. Р.И. Баталову (КФТИ КазНЦ РАН, Казань) за проведение ИЛС- и ИИО-экспериментов, а также к.ф.-м.н. А.К. Гутаковскому (ИФП СО РАН, Новосибирск) за работы по ВР ПЭМ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галкин Н.Г., Горошко Д.Л., Галкин К.Н., Ваванова С.В., Петрушкин И.А., Маслов А.М., Баталов Р.И., Баязитов Р.М., Шустов В.А. Влияние имплантации ионов Cr+ и импульсного ионного отжига на формирование и оптические свойства гетероструктур Si/CrSi2/Si(111) // Журн. техн. физ. 2010. Т. 80, вып. 7. С. 122-130.
2. Borisenko V.E. Semiconducting Silicides. Berlin: Springer-Verlag, 2000. 480 p.
3. Chen S., Li W., Wu J. et al. Electrically pumped continuous-wave III-V quantum dot lasers on silicon // Nat. Photonics. 2016. Vol. 21. P. 1-6.
4. Conley B.R., Margetis J., Du W. et al. Si based GeSn photoconductors with a 1.63 A/W peak responsivity and a 2.4 ^m long-wavelength cutoff // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105. 221117. doi:10.1063/1.4903540.
5. Deen M.J., Basu P.K. Silicon Photonics. Fundamentals and Devices. Kuala-Lumpur: John Wiley and Sons Ltd, 2012. 400 p.
6. Dozsa L., Lanyi S., Chiannazzo F., Galkin N.G. Microscopic study of electrical properties of CrSi2 nanocrystals in silicon // Nanosc. Res. Lett. 2011. Vol. 6. P. 209-213.
7. Du W., Zhou Y., Ghetmiri S.A. et al. Room-temperature electroluminescence from Ge/Ge1-xSnx/Ge diodes on Si substrates // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. 241110. doi:10.1063/1.4884380. " "
8. Galkin N.G., Chusovitin E.A., Shamirzaev T.S., Gutakovskii A.K., Latyshev A.V. Growth, structure and luminescence properties of multilayer Si/ß-FeSi2 NCs/Si/.. ./Si nanoheterostructures // Thin Solid Films. 2011. Vol. 519. P. 8480-8484.
9. Galkin N.G., Maslov A.M., Konchenko A.V. Optical and photospectral properties of CrSi2 A-type epitaxial films on Si(111) // Thin Solid Films. 1997. Vol. 311. P. 230-238.
10. Galkin N.G., Dozsa K., Turchin T.V. et al. Properties of CrSi2 nanocrystallites grown in a silicon matrix // J. Phys.: Cond. Matt. 2007. Vol. 19, N 50. 506204. doi:10.1088/0953-8984/19/50/506204.
11. Galkin N.G., Goroshko D.L., Chusovitin E.A., Galkin K.N., Dotsenko S.A. Silicon-silicide quasi-zero dimensional heterostructures for silicon based photonics, opto- and thermoelectronics // Phys. Stat. Sol. (c). 2013. Vol. 10, N 12. P. 1670-1676.
12. Gallagher J.D., Xu C., Senaratne C.L. et al. Ge1-x- SixSn light emitting diodes on silicon for mid-infrared photonic applications // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118. 13570T doi:10.1063/1.4931770.
13. Goroshko D.L., Chusovitin E.A., Shevlyagin A.V., Bozhenko M.V., Batalov R.I., Bayazitov R.M., Galkin N.G. Enhancement of near IR sensitivity of silicon-silicide based photodetectors // Phys. Stat. Sol. (c). 2013. Vol. 10, N 12. P. 1844-1846.
14. Hoang A.M., Chen G., Haddadi A., Abdollahi Pour, Razeghi M. Demonstration of shortwavelength infrared photodiodes based on type-II InAs/GaSb/AlSb superlattices // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, N 21. 211101. doi:10.1063/1.4720094.
15. Kaschel M., Schmid M., Oehme M., Werner J., Schulze J. Germanium photodetectors on Silicon-on-insulator grown with differential molecular beam epitaxy in silicon wells // Solid State Electron. 2011. Vol. 60, N 1. P. 105-111.
16. Lao Y.-F., Pitigala P.K.D.D.P., Unil Perera A.G., Li L.H., Khanna S.P., Linfield E.H. Wavelength-extended photovoltaic infrared photodetectors // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. 131101. doi:10.1063/1.4869958.
17. Maeda Y. Iron silicides for optoelectronics; a new technology using «elements of hope» // Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials. Vladivostok, Aug. 21-28 2011. Vladivostok, 2011. P. 54-57.
18. Maeda Y., Terai Y., Itakura M., Kuwano N. Photoluminescence properties of ion beam synthesized ß-FeSi2 // Thin Solid Films. 2004. Vol. 461. P. 160-164.
19. Mayer B., Janker L., Loitsch B. et al. Monolithically integrated high-ß nanowire lasers on silicon // Nano Lett. 2016. Vol. 16. P. 152-156.
20. Michel J., Liu J., Kimerling L.C. High-performance Ge-on-Si photodetectors // Nat. Photonics. 2010. Vol. 4. P. 527-530.
21. Migas D.B., Miglio L. Band-gap modifications of ß-FeSi2 with lattice distortions corresponding to the epitaxial relationships on Si(111) // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62. P. 11063-11070.
22. Moroni E.G.,Wolf W., Hafner J., Podloucky R. Cohesive, structural, and electronic properties of Fe-Si compounds // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 59. P. 12860-12871.
23. Oehme M., Kostecki K., Ye K. et al. GeSn-on-Si normal incidence photodetectors with bandwidths more than 40 GHz // Opt. Express. 2014. Vol. 22. P. 839-842.
24. Oehme M., Kostecki K., Schmid M. et al. Franz-Keldysh effect in GeSn pin photodetectors // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. 161115. doi: 10.1063/1.4873935.
25. Roucka R., Mathews J., Beeler R.T. et al. Direct gap electroluminescence from Si/Get_ Sn p-i-n heterostructure diodes //Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98. 061109. doi: 10.1063/1.3554747. ? ?
26. Shaposhnikov V.L., Krivosheeva A.V., Krivosheev A.E., Filonov A.B., Borisenko V.E. Effect of stresses in electronic properties of chromium disilicide // Microelectron. Eng. 2002. Vol. 64. P. 219-223.
27. Sharma A., Prakash D., Verma K.D. Optical characterization of hydrothermally grown SnO2 nanocrystals // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2009. Vol. 11. P. 331-337.
28. Shevlyagin A.V., Goroshko D.L., Chusovitin E.A., Galkin K.N., Galkin N.G., Gutakovskii A.K. Enhancement of the Si p-n diode NIR photoresponse by embedding ß-FeSi2 nanocrystallites // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. 14795. doi:10.1038/ srep 14795.
29. Tseng H.H., Li H., Mashanov V. et al. GeSn-based p-i-n photodiodes with strained active layer on a Si wafer // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103. 231907. doi:10.1063/ 1.4840135.
30. Wang J., Lee S. Ge-photodetectors for Si-based optoelectronic integration // Sensors. 2011. Vol. 11. P. 696-701.
31. Wang Z., Yao R., Preble S.F. et al. High performance InAs quantum dot lasers on silicon substrates by low temperature Pd-GaAs wafer bonding // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107. 261107. doi:10.1063/1.4938205.
32. Wang Z., Tian B., Pantouvari M. et al. Room-temperature InP distributed feedback laser array directly grown on (001) silicon // Nat. Photonics. 2015. Vol. 9. P. 837-842.
33. Wirths S., Geiger R., Drisch N. et al. Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si // Nat. Photonics. 2015. Vol. 9. P. 321-324.
34. Zhao D., Liu S., Yang H. et al. Printed large-area single-mode photonic crystal bandedge surface-emitting lasers on silicon // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. 8860. doi:10.1038/srep 18860.
