М.В. Степихова, Л.В. Красильникова, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров НИФТИ ННГУ. - презентация

1 М.В. Степихова, Л.В. Красильникова, Ю.Н. Дроздов, З.Ф. Красильник Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород В.И. Вдовин Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург Работа поддержана РФФИ: проект # VII Международная конференция «Кремний-2010» Si-2010 Роль релаксации гетерослоя в люминесцентном отклике структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si ИФМ РАН

2 Si-2010 Введение Структуры Si/Si 1-x Ge x :Er/Si. Параметры и условия роста. Роль релаксации гетерослоя в люминесцентном отклике структур Si/S 1-x Ge x :Er/Si – фотолюминесцентные особенности структур с варьируемой толщиной гетерослоя Si 1-x Ge x :Er – результаты кинетических измерений сигнала ФЛ в структурах Si/Si 1-x Ge x :Er/Si Выводы Содержание VII Международная конференция «Кремний-2010»

3 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» [1] N. Daldosso et al. Laser & Photon. Rev. 3, No.6, p.508 (2009) At present silicon photonics is at a turnaround point between technical interests and commercial opportunities. INTEL, IBM, Sun Microelectronics, NEC, HP have aggressive research programs on silicon photonics. Кремниевая нанофотоника Мотивация

4 Si-2010 Перспективы развития структур Si:Er с целью создания лазера на кремнии VII Международная конференция «Кремний-2010» Оцениваемое значение коэффициента усиления - 30 см -1. В.Я. Алешкин и др. Сб. трудов совещания Нанофотоника Периодические многослойные структуры Si:Er с предельно узкими линиями фотолюминесценции Теория:Эксперимент: The optical gain cross section cm 2, the gain coefficient cm -1. N.N. Ha et al. Phys. Rev. B., 81, (2010).

5 Si-2010 Перспективы развития структур Si:Er с целью создания лазера на кремнии VII Международная конференция «Кремний-2010» Возможные варианты создания волновода с использованием CMOS совместимых технологий - Структуры SOI - Структуры Si/Si 1-X Ge 1-X - Структуры Si/Ge X C Y Si 1-X-Y

6 Si-2010 Гетероструктуры Si/Si 1-X Ge X (:Er)/Si. Волноводные свойства. VII Международная конференция «Кремний-2010» В волноводных структурах со значительной толщиной гетерослоя Si 1-x Ge x и высоким содержанием германия в нем коэффициент оптического ограничения Планарные волноводы Si/Si 1-x Ge x /Si. Теоретический расчет.

7 Si-2010 Особенности фотолюминесценции гетероструктур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si VII Международная конференция «Кремний-2010» В спектрах ФЛ слоев Si 1-x Ge x, легированных Er, отсутствует люминесцентный отклик, связанный с экситонной люминесценцией и люминесценцией дефектной природы. Напряженные слои Si 1-x Ge x и Si 1-x Ge x :Er Релаксированные слои Si 1-x Ge x и Si 1-x Ge x :Er (1) x = 10 %, d SiGe = 110 nм, RES = 100 %; (2) x = 10 %, d SiGe:Er = 70 nм, RES = 100 %. (1) x = 26 %, d SiGe;Er = 1.4 µm, RES = 23 %; (2) x = 26 %, d SiGe = 1.8 µm, RES = 4 %; (3) x = 30 %, d SiGe = 0.45 µm, RES = 22 %.

8 Si-2010 Условия роста и параметры гетероструктур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si VII Международная конференция «Кремний-2010» Условия роста : Подложки: CZ-Si (100) (КЭФ-4.5), Температура роста: 480 C, Давление германа: торр, Время роста гетерослоя: 2 – 105 мин. Источники: - poly - Si:Er:O ([Er] ~ 5·10 20 см -3, [O] ~ см -3 ), - CZ-Si n-типа (ρ = 100 Ωсм), - газ герман (GeH 4 ). Метод сублимационной МЛЭ в атмосфере германа Детально метод был рассмотрен в докладе В.Г. Шенгурова «Выращивание многослойных структур…»

9 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» Условия роста и параметры гетероструктур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si Параметры структур: d Si-buffer ~ 200 нм, d SiGe:Er = 0.01 ÷ 1 мкм, d Si-cap ~ 200 нм, x = %, RES = %, [Er] = (2 ÷ 3)·10 18 см -3. Данные рентгеновской дифракции

10 Si-2010 Условия роста и параметры гетероструктур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si VII Международная конференция «Кремний-2010» Зависимость степени релаксации от толщины гетерослоя Зависимость толщины гетерослоя от времени роста Релаксация слоев Si 1-x Ge x :Er с содержанием Ge ~28% начинается при толщине слоя ~ 40 нм. Содержание германия в гетерослое

11 Si-2010 ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с варьируемой толщиной гетерослоя VII Международная конференция «Кремний-2010» Спектры ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er с варьируемой толщиной гетерослоя. Условия эксперимента: Т = 77 К, λ учс = 532 нм, P exc = 200 мВт. x = 20 – 25%x = 27 – 30%

12 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с варьируемой толщиной гетерослоя Наблюдается сильная зависимость интенсивности сигнала ФЛ редкоземельной примеси от толщины гетерослоя Si 1-x Ge x :Er.

13 Si-2010 ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с варьируемой толщиной гетерослоя VII Международная конференция «Кремний-2010» Спектры ФЛ высокого разрешения структур Si/Si 1-x Ge x :Er с напряженным и отрелаксированным гетерослоем: 1 – d SiGeEr = 3 x 15 нм, RES = 100%, x = 23%; 2 - d SiGeEr = 1000 нм, RES = 19±7%, x = 19.9±1%; 3 – d SiGeEr = 3 x 10 нм, RES = 100%, x = 27%; 4 – d SiGeEr = 700 нм, RES = 20±5%, x = 26.6±0.5%.

14 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si. Кинетические измерения. Структуры Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с толщиной гетерослоя > 1 мкм (образец #321: d SiGe:Er = 2.1 µm, x = 31 ± 1%, RES = 9 ± 5%) Кинетика сигнала ФЛ на длине волны 1.54 мкм, измеренная во временных интервалах: t = mst = µs В люминесцентном отклике структур на длине волны 1.54 мкм присутствуют компоненты с различными временами спада: 1 ~ 1 мкс и 2 ~ мс. Компонента сигнала ФЛ с временами спада 2 ~ мс соответствует люминесцентному отклику, связанному с оптически активными центрами иона Er 3+. Коротковременная компонента с временами спада 1 ~ 1 мкс объясняется присутствием в структурах люминесцентного отклика «дефектной» природы.

15 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si. Кинетические измерения. Структуры Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с толщиной гетерослоя > 1 мкм (образец #321: d SiGe:Er = 2.1 µm, x = 31 ± 1%, RES = 9 ± 5%) ФотолюминесценцияСпектроскопия возбуждения ФЛ Хотя спектральные зависимости коротковременной (~ 1 мкс) компоненты сигнала ФЛ и длинновременной (~ 1 мс) компоненты похожи и имеют максимум на длине волны 1.54 мкм, для них характерно существенно различное поведение в зависимости от длины волны возбуждения. Вклад коротковременной компоненты в сигнал ФЛ на длине волны 1.54 мкм на несколько порядков величины меньше вклада, обусловленного длинновременным откликом.

16 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si. Кинетические измерения. Структуры Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с толщиной гетерослоя > 1 мкм (образец #321: d SiGe:Er = 2.1 µm, x = 31 ± 1%, RES = 9 ± 5%) ФотолюминесценцияСпектроскопия возбуждения ФЛ Данные спектроскопии возбуждения ФЛ свидетельствуют о «дефектной» природе коротковременной (~ 1 мкс) компоненты сигнала ФЛ и принадлежности длинновременной (~ 1 мс) компоненты оптически активным центрам иона Er 3+. Вклад коротковременной компоненты в сигнал ФЛ на длине волны 1.54 мкм на несколько порядков величины меньше вклада, обусловленного редкоземельной примесью.

17 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si. Оценка квантовой эффективности. По люминесцентной эффективности структуры Si/Si 1-x Ge x :Er сравнимы с лучшими, имеющимися в настоящее время структурами Si/Si:Er. Значение внешней квантовой эффективности ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er достигает при T = 77K (данные получены при возбуждении сигнала ФЛ на длине волны 532 нм, P exc = 84 мВт). Данные приведены для структуры Si/Si 1-x Ge X /Si с толщиной гетерослоя d SiGeEr = 2.1 мкм, x = 31%, RES = 9%.

18 Si-2010 Выводы VII Международная конференция «Кремний-2010» Проведены исследования спектроскопии ФЛ высокого разрешения и кинетики ФЛ на длине волны 1.54 мкм структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si, выращенных методом сублимационной МЛЭ в атмосфере германа. Обнаружена сильная зависимость интенсивности сигнала ФЛ структур Si 1-x Ge x :Er от толщины гетерослоя. Показано, что релаксация структурных напряжений и структурные дефекты гетерослоя не оказывают существенного влияния на интенсивность сигнала ФЛ и процессы спонтанного излучения редкоземельной примеси. Вклад структурных дефектов в люминесцентный отклик структур Si/Si 1-x Ge:Er/Si ограничен узкой областью (~ 200 нм) вблизи гетерограницы подложка/слой Si 1-x Ge x :Er и проявляется преимущественно в структурах с тонким, частично отрелаксированным гетерослоем. Люминесцентный отклик структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si с напряженным и отрелаксированным гетерослоями достаточной толщины (> 200 нм) обусловлен оптически активными центрами иона Er 3+, характеризуемых тонкой структурой спектра ФЛ. Значение внешней квантовой эффективности ФЛ структур Si/Si 1-x Ge x :Er/Si составляет ~ при Т = 77К (мощность возбуждения - 84 мВт). Полученные результаты представляют интерес с точки зрения создания лазерных структур на кремнии, включая структуры с электрической накачкой.

19 Спасибо за внимание!

20 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010»

21 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» Структуры Si/Si 1-x Ge x :Er/Si в режиме фото- и электролюминесценции Возбуждение ФЛ Возбуждение ЭЛ в режиме прямого смещения Структура с отрелаксированным гетерослоем SiGe:Er

22 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010» Structural defects in Si 1-X Ge X :Er layers Structure analysis by means of the interference contrast microscopy Si 1-X Ge X :Er layer was gradually etched in HF:H 2 O 2 :CH 3 COOH (1:2:3) solution Sample measured: Si/Si 1-X Ge X :Er d SiGe:Er =2µm, X Ge =21%, RES=4% 200 nm etched 600 nm etched 830 nm etched The density of threading dislocations drastically increases nearby Si/Si 1-X Ge X :Er interface

23 Optically active Er centers in Si/Si 1-x Ge x :Er/Si structures with the different Ge content The lines at cm -1, cm -1, cm -1, cm -1, cm -1 dominate in the PL spectra of Si/Si 1-Х Ge Х /Si structures with the Ge content 25%. This line series was not observed earlier in silicon structures.

24 Si-2010 VII Международная конференция «Кремний-2010»