CC BY
19
УДК 533.376
С.А. Матвеев, С.А. Денисов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров, М.В. Степихова
ВЫРАЩИВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КРЕМНИЕВО-ГЕРМАНИЕВЫХ СТРУКТУР, АКТИВИРОВАННЫХ ЭРБИЕМ,
НА ПОДЛОЖКАХ САПФИРА
S.A. Matveev 1, S.A. Denisov 2, V.Yu. Chalkov 3, V.G. Shengurov 4, M.V. Stepikhova 5
î, 2, 3,4 N.I. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, 23/3 Gagarina Pr., Nizhny Novgorod, 603950, Russia. 5 Institute for Physics of Microstructures RAS, 7 Akademicheskaya St., Afonino, Kstovsky District, Nizhny Novgorod oblast, 607680, Russia.
GROWING AND PHOTOLUMINESCENCE INVESTIGATION OF SILICON-GERMANIUM STRUCTURES DOPED WITH ERBIUM
ON SAPPHIRE SUBSTRATES
Получены эпитаксиальные слои SiGe:Er на подложках сапфира, обладающие фотолюминесценцией эрбия на длине волны 1,54 мкм. Изучена зависимость структурного совершенства и интенсивности фотолюминесценции слоев от параметров роста.
ПОЛУПРОВОДНИКИ. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА. КРЕМНИЕВАЯ ФОТОНИКА. ЭРБИЙ. САПФИР.
Epitaxial SiGe:Er layers on sapphire substrates which have erbium photoluminescence at a wavelength of 1.54 microns have been obtained. The structural quality and the PL intensity dependencies of the layers on the growth parameters were studied.
SEMICONDUCTORS. OPTOELECTRONICS. SILICON PHOTONICS. ERBIUM. SAPPHIRE.
На протяжении всего периода существования микроэлектроники основными направлениями ее развития были миниатюризация элементов микросхем и увеличение быстродействия, повышение степени интеграции, одновременно — удовлетворение требований по радиационной стойкости. Одним из наиболее перспективных путей достижения этих целей является внедрение в технологию оптических и оптоэлектронных устройств. Замена электронных сигналов на оптические для связи между электронными компонентами дает возможность не только резко увеличить скорость
передачи информации, но и обеспечить защиту от электромагнитных наводок.
Поскольку современная оптоэлектроника основана на материалах А3В5, которые несовместимы с кремниевой технологией, то возникает потребность в создании так называемой «кремниевой оптоэлектроники».
В этой сфере уже достигнуты определенные успехи: так, в 2006 г. был создан кремниево-германивый (SiGe) фотодетектор [1], а в 2008 г. компания Intel продемонстрировала увеличение рабочей частоты до 340 Ггц, используя крем-ниево-германивые диодные фотодетекторы [2].
На данный момент наиболее актуальная задача современной кремниевой оптоэлектроники — создание твердотельных светоизлучающих элементов, работающих в диапазоне длин волн 1,5 мкм. Наиболее перспективным в этом направлении является использование эпитаксиальных структур со слоями, легированными эрбием: 81:Бг и 81Ое:Бг [3,4]. Основные усилия при этом направлены на поиск возможности достижения требуемого уровня интенсивности фото- и электролюминесценции. В планарных волно-водных светодиодах на основе гетероструктур 81/810е:Бг/81(100) слой 81Ое:Бг (легированный эрбием) выполняет двоякую роль: активного слоя и волноводного слоя.
В последнее время возрос интерес и к созданию оптоэлектронных устройств на подложках кремний-на-сапфире (КНС), которые наиболее подходят для создания радиационно-стойких приборов микроэлектроники [5]. В связи с этим открывается возможность интеграции интегральных схем и оптоэлектронных приборов на базе КНС-структур.
Целью данной работы являлось исследование особенностей роста и люминесцентных свойств гетероструктур 811-хОех: Бг/81(100), выращенных методом сублимации кремния в среде германа на сапфировых подложках.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Трудность поставленной в работе задачи исходит из сложности осаждения напряженного слоя 81Ое:Бг на уже напряженный слой кремния на сапфире. Возникновение напряжения в слоях обусловлено различием параметров кристаллической решетки этих материалов, а так же различием их коэффициентов термического расширения.
Рост слоев кремния на подложках сапфира и последующий рост на них слоев 81Ое:Бг производился в одном технологическом цикле на сверхвысоковакуумной установке МЛЭ по методике, описанной в работе [6].
В качестве подложек использовались пластины сапфира ориентации (1102) производства фирмы «Монокристалл» (г. Ставрополь). После химической обработки подложку помещали в ростовую камеру установки, которую затем герметизировали и проводили ее откачку до базового давления примерно 5-10-9 торр. Затем
проводили отжиг сапфировой подложки при Т = 1400 °С в течение получаса, а после снижения температуры подложки до заданной (около 565 °С) выращивали буферный слой 81 толщиной 100 нм из высокоомного источника кремния. Затем, после снижения температуры подложки до Т, = 350—500 °С, напускали в камеру германий до давления (2-4)-10-4 торр и растили слои 81Ое:Бг толщиной 50 — 600 нм. Покровный слой 81 толщиной ~100 нм наращивали при Т = 500 °С.
При выращивании слоев 811 _ хОех:Бг источником паров кремния и эрбия служила прямоугольная пластина, которую вырезали из слитка кремния, легированного эрбием (концентрация эрбия ~1019 см-3), нагреваемая пропусканием тока до температуры 1330 °С. Слои 81 выращивали из источника, вырезанного из кремния марки КЭФ-15, и нагретого до ~1375°С.
Выращенные гетероструктуры исследовали методами электронографии, рентгеновской дифракции (РД), атомно-силовой микроскопии (АСМ), вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сигнал фотолюминесценции (ФЛ) исследовался методом фурье-спектроскопии высокого разрешения.
На рис. 1 приведено распределение концентрации атомов 81, Ое, Бг, А1 и О по глубине ге-тероструктуры 81/81Ое:Бг/81/А1203, измеренное методом ВИМС. Видно, что границы 81/81Ое:Бг и 81/сапфир резкие, распределение германия и эрбия в слое 81Ое:Бг равномерное, а низкотемпературный рост позволяет избежать диффузии атомов алюминия из подложки в слой (рис. 1).
При исследовании методом электронографии структурного совершенства слоев 81Ое:Бг было установлено, что монокристаллические слои растут на подложках сапфира в интервале температур 360-410 °С. Выше и ниже указанного интервала наблюдается рост слоев со структурой текстурированного поликристалла. Данные РД также подтверждают немонотонную зависимость структурного совершенства слоя от температуры подложки: наименьшее значение (0,35°) полуширины пика интенсивности рентгеновского излучения на полувысоте максимума (FWHM) наблюдается в слоях, выращенных при температуре около 380°С. Немонотонный характер зависимости структурного совершенства слоев 81Ое:Бг на КНС-подложках от температуры
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Глубина, мкм
Рис. 1. ВИМС-профиль распределения концентраций элементов по глубине слоев гетероструктуры 81/8Юе:Ег/81/А1203 : 81 (1), 8Щ2), Ое2 (5), А1 (4), 0(5), Ег (6); Т5 = 350°С. Глубина, равная нулю, соответствует поверхности гетероструктуры, максимальная глубина —
поверхности подложки
роста можно объяснить следующим образом: поскольку подвижность адатомов сильно зависит от температуры подложки, то при низких температурах роста адатомам трудно занимать энергетически более выгодное положение на поверхности, поэтому растут слои со структурой поликристалла. С повышением температуры роста подвижность адатомов увеличивается и структура слоев улучшается. Однако при дальнейшем повышении температуры роста, вероятно, происходит смена механизма роста: с послойного на трехмерный, что ухудшает структурное совершенство слоев.
Морфология поверхности слоев SiGe : Er также изменяется в зависимости от температуры роста: с понижением температуры роста шероховатость поверхности уменьшается и достигает величины RMS = 1 нм при Ts = 360 °С (рис. 2). Это объясняется тем, что чем ниже температура роста, тем больше центров зарождения слоя, и тем глаже получается слой.
Изменение содержания германия в слоях Si1 _ xGex: Er в интервале х = 0,11 — 0,25 (дав-
Y, мкм 10
17,37 Z, нм
0
10 Х, мкм
Рис. 2. АСМ-изображения, снятые от поверхности ГС 81/8Юе:Ег/81/А1203, выращенной при температуре Т! = 360 °С
ление от 2-10-4 до 4-10-4 торр) не влияло на их структурное совершенство, но приводило к увеличению шероховатости поверхности слоев. Это объясняется тем, что с увеличением содержания германия в слое твердого раствора увеличиваются параметр решетки слоя и напряженность слоя.
0
20
16
©
12
и К
6000 6200 6400 6600
Волновое число, см-1
6800
Рис. 3. Спектр фотолюминесценции гетерострук-туры 81/8Юе:Ег/81/Л1203, выращенной при разных температурах, °С: 375 (7), 400 (2)
Спектры фотолюминесценции снимались для серии образцов, выращенных при разных температурах подложки. Максимальная интенсивность ФЛ наблюдалась на структуре, выращенной при Т = 375 °С (рис. 3). Увеличение и уменьшение температуры роста от этого значения Т приводило к значительному спаду максимума интенсивности фотолюминесценции. Скорее всего, это связано со структурой слоя, так как именно при Т ~ 375°С наблюдалось наилучшее структурное совершенство (ширина кривой качания минимальна, на электроно-граммах наблюдаются кикучи-линии). О высоком структурном совершенстве слоя свидетельствует, в том числе, и присутствие в спектре ФЛ серий линий, соответствующих оптически активным центрам иона Ег3+ с выделенной симметрией кристаллического поля. В спектре ФЛ
структуры, выращенной при Т = 375 °С, можно выделить серии линий кислородсодержащего центра иона Ег3+ (центр Ег — О) и центра иона Ег3+ кубической симметрии (центр Ег — С) [7]. В структуре, выращенной при Т = 400 °С, наблюдается уширенный спектр, характерный для редкоземельной примеси, локализованной в аморфных матрицах и преципитатных включениях в кремнии. Таким образом, можно предположить, что именно структурное совершенство слоя оказывает наибольшее влияние на интенсивность люминесцентного отклика структур.
Этот вывод хорошо согласуется с данными ПЭМ (рис. 4). Исследование поперечного сечения структуры 81/8Юе:Ег/81, выращенной на подложке 81(100), показало, что дислокации в активном слое локализуются вблизи границы активный слой/буферный слой, и не прорастают в глубь слоя 8Юе:Ег. Поэтому при исследовании тонких слоев наблюдается слабый сигнал фотолюминесценции. При толщинах слоев 81х _ хОех:Ег > 50—200 нм формируется некоторая критическая плотность дислокаций во всем активном слое, начиная от границы с буферным слоем 81. В таких слоях сигнал эрбиевой фотолюминесценции отсутствует. Но при дальнейшем увеличении толщины слоя 8Юе:Ег дислокации уже не прорастают дальше в активный слой, а остаются локализованными вблизи гетерограницы, и таким образом вышележащий слой растет бездефектным. Сигнал эрбиевой фотолюминесценции становится тем интенсивнее, чем толще слой.
Таким образом, гетероструктуры 81/ 8Юе : Ег/81/А12О3 (1102) , выращенные комби-
Рис. 4. ПЭМ-изображение структуры 81/8Юе:Ег/81, выращенной при температуре Т = 350 °С, где показаны буферный слой/подложка 81 (7), слой 8Юе : Ег (2), покровный слой 81 (3)
8
4
0
нированным методом молекулярно-лучевой эпи-таксии с сублимационным источником кремния и газовым источником германия, проявляют интенсивную фотолюминесценцию на длине волны 1,54 мкм, которая определяется преимущественно их структурным совершенством. Наиболее совершенные слои SiGe:Er на КНС-подложках были выращены при температуре Ts ~ 375°C. Шероховатость поверхности слоев при этих условиях роста не превышает значения RMS = 1—2нм.
Авторы выражают благодарность к.ф.-м.н., с.н.с. ИФМ РАН М.Н. Дроздову за проведение исследований гетероструктур методом ВИМС и А.И. Боброву за проведение исследований гетероструктур методом ПЭМ.
Работа выполнена при поддержке проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (грант №14.В37.21.0337) и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 8735.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yamada, A. Photo detection characteristics of Si1-xGex/Si p—i—n diodes integrated with optical waveguides [Text]/ A. Yamada, M. Sakuraba, J. Murota // Thin Solid Films. - 2006. - Vol. 508. -P. 399.
2. Достижения Intel в области кремниевой фотоники ускорят развитие компьютеров[Электронный ресурс]// Пресс-центр Intel. 2008. URL: http://news-room.intel.com/community/ru_ru/blog/2008/12/07/ достижения-intel-в-области-кремниевой-фотоники-ускорят-развитие-компьютеров-и-систем-связи (дата обращения 24.12.2012).
3. Reed, G.T. Silicon photonics: The state of the art [Text]/ G.T. Reed // Wiley - Interscience. - 2008.
4. Stepikhova, M.V. Observation of the population inversion of erbium ion states in Si/Si1-xGex:Er/
Si structures under optical excitation [Text]/ M.V. Stepikhova, L.V. Krasil'nikova, Z.F. Krasil'nik, [et al.]// Optical Materials.-2006.-Vol.28. - P. 893 - 896.
5. Адонин, А. Новые возможности технологии БИС со структурами «Кремний на сапфире» [Текст]/ А. Адонин // Электронные компоненты. - 2000. -№ 3. - С. 2 - 6.
6. Stepikhova, M.V. Properties of optically active Si:Er and Si1-xGex layers grown by the sublimation MBE method [Text]/ M.V. Stepikhova, B.A. Andreev, V.B. Shmagin, [et al.] // Thin Solid Films.-2000. -Vol. 369. - P. 426 - 430.
7. Przybylinska, H. Optically active erbium centers in silicon [Text]/ H. Przybylinska, W. Jantsch, Yu. Suprun-Belevitch, [et al.]// Physical Review B. - 1996. -Vol. 54. -P. 2532-2547.
МАТВЕЕВ Сергей Александрович — аспирант кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, инженер Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ.
603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23/3 [email protected]
ДЕНИСОВ Сергей Александрович — научный сотрудник лаборатории электроники твердого тела Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23/3 [email protected]
ЧАЛКОВ Вадим Юрьевич — научный сотрудник лаборатории электроники твердого тела Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23/3 [email protected]
ШЕНГУРОВ Владимир Геннадьевич — заведующий лабораторией электроники твердого тела Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23/3 [email protected]
СТЕПИХОВА Маргарита Владимировна — научный сотрудник Института физики микроструктур Российской академии наук (ИФМРАН).
607680, Нижегородская обл., Кстовский район, д. Афонино, Академическая ул., 7 [email protected]
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
