Проявление квантоворазмерных эффектов в нанокристаллах и аморфных нанокластерах германия в плeнках GeSixOy

Abstract

The non-stoichiometric germanosilicate films of two types GeOx[SiO](1-x) and GeOx [SiO2](1-x) were obtained by high-vacuum evaporation of GeO2 and either SiO or SiO2 powders and sputtering on a cold Si (001) substrate. The as-deposited and annealed (550 and 650 oC, 1 hour) samples were studied by IR spectrocopy, electron microscopy, Raman spectroscopy and photoluminescence (PL). From an analysis of Raman spectra, it was found that the as-deposited GeO[SiO2] film did not contain germanium clusters, and the as-deposited GeO[SiO] film contained amorphous germanium clusters; according to electron microscopy, it’s size was ~3 nm. According to IR spectroscopy, the films contained Si-O, Ge-O, and Si-O-Ge bonds. After annealing at 550 °C, amorphous germanium clusters were detected in both films, and after annealing at 650 °C, germanium nanocrystals were observed. A wide PL band with a maximum of 1050 nm was found in the as-deposited films at low temperatures. PL is probably due to defects, presumably oxygen vacancies and excess germanium atoms. Annealing causes a transformation of both film structure and PL spectra. In films containing germanium nanoclusters, PL is observed with a maximum of 1500–1600 nm. In this case, the PL signal from defects decreased. The temperature dependence of the intensity of the PL peaks was studied; it decreased with increasing temperature but remained at temperatures up to 200 K. The contribution to the PL from germanium nanocrystals formed during annealing is discussed.

Формирование аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в пленках GeSi-=SUB=-x-=/SUB=-O-=SUB=-y-=/SUB=- на кварцевой подложке с использованием печных и импульсных лазерных отжигов

“…ст.) и осаждения на подложках из плавленого кварца, находящихся при температуре 100 • C. Условия осаждения были схожими с условиями, примененными в работе [14]. Мощность электронных пучков, испаряющих каждую мишень, была подобрана так, что скорость осаждения каждого вещества была одинаковой, в дальнейшем мы будем обозначать исследуемые пленки как GeO[SiO 2 ] и GeO [SiO].…”

“…В спектре исходного образца (кривая 0) присутствует широкий пик (с максимумом ∼ 275 см −1 ), связанный с наличием нанокластеров аморфного германия. Как и в случае подложки кремния [3,14], в нашем случае при относительно низкой температуре осаждения происходит твердотельная реакция: [35]. Отметим, что кристаллизация с использованием ИЛО позволяет использовать нетугоплавкие подложки [36].…”

“…Объемный германий (Ge) обладает непрямозонным энергетическим спектром, поэтому не может излучать свет с высокой эффективностью. Чтобы преодолеть это фундаментальное ограничение, исследователи используют несколько подходов, таких как смягчение правил от-бора по квазиимпульсу в нанокластерах и НК [4][5][6][7]; приложение одноосных и двуосных деформаций, которые изменяют зонную структуру германия [8][9][10]; введение светоизлучающих дефектов [11][12][13][14]; формирование нанокластеров и НК Ge x Si 1−x [15][16][17][18][19][20][21]. К настоящему времени НК кремния изучены гораздо лучше, чем НК германия (НК-Ge), хотя последние обладают рядом преимуществ.…”

“…Недавно в пленках нестехиометрического германосиликатного стекла GeSi x O y была обнаружена фотолюминесценция (ФЛ) в ИК диапазоне, предположительно обусловленная дефектами [13,14]. В работе [14] светоизлучающие дефекты и нанокластеры Ge формировались с применением печных отжигов в пленках GeO 0.5 [SiO 2 ] 0.5 и GeO 0.5 [SiO] 0.5 , полученных сораспылением соответствующих мишеней в высоком вакууме и осаждением на подложку кремния.…”

“…Недавно в пленках нестехиометрического германосиликатного стекла GeSi x O y была обнаружена фотолюминесценция (ФЛ) в ИК диапазоне, предположительно обусловленная дефектами [13,14]. В работе [14] светоизлучающие дефекты и нанокластеры Ge формировались с применением печных отжигов в пленках GeO 0.5 [SiO 2 ] 0.5 и GeO 0.5 [SiO] 0.5 , полученных сораспылением соответствующих мишеней в высоком вакууме и осаждением на подложку кремния. В настоящей работе мы предполагали исследовать оптическое поглощение в пленках нестехиометрического германосиликатного стекла, поэтому использовали кварцевые подложки, прозрачные в видимом, ближнем ИК и ближнем УФ диапазонах, а также помимо печных отжигов мы использовали импульсные лазерные отжиги (ИЛО).…”