Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками
Изложены результаты исследования процессов получения и определения электрических и оптических характеристик массивов наноостровков Ge в Si (искусственных «атомов») с дискретным энергетическим спектром, который проявляется вплоть до комнатной температуры. Проведен краткий анализ современного состо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2004 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2004
|
| Schriftenreihe: | Физика низких температур |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/120165 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками / А.В. Двуреченский, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, А.И. Якимов // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 11. — С. 1169–1179. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-120165 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1201652017-06-12T03:02:46Z Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками Двуреченский, А.В. Никифоров, А.И. Пчеляков, О.П. Тийс, С.А. Якимов, А.И. Низкоразмерные и неупорядоченные системы Изложены результаты исследования процессов получения и определения электрических и оптических характеристик массивов наноостровков Ge в Si (искусственных «атомов») с дискретным энергетическим спектром, который проявляется вплоть до комнатной температуры. Проведен краткий анализ современного состояния представлений о механизмах начальной стадии самоформирования и упорядочения ансамблей нанокластеров при гетероэпитаксии Ge на Si. Основными факторами, определяющими спектр состояний, служат размерное квантование и кулоновское взаимодействие носителей. Показано, что новым фактором, возникающим в массиве квантовых точек (КТ) и отличающим его от ситуации одиночной КТ, являются кулоновские корреляции между островками. Определены скорости испускания, сечения захвата дырок в зависимости от глубины залегания энергетических уровней. Величины сечений на несколько порядков превышают известные значения в Si. Электронный транспорт вдоль слоев КТ осуществляется с помощью прыжковой проводимости, величина которой осциллирует при изменении степени заполнения островков дырками, что может лечь в основу создания электронных цепей передачи информации на КТ. Показана возможность создания перестраиваемого под ближний и средний ИК диапазон фотодетектора с Ge квантовыми точками. Викладено результати дослідження процесів одержання та визначення електричних і оптичних характеристик масивів наноострівців Ge у Si (штучних «атомів») з дискретним енергетичним спектром, що виявляється аж до кімнатної температури. Проведено короткий аналіз сучасного стану представлень про механізми початкової стадії самоформування й упорядкування ансамблів нанокластерів при гетероепітаксії Ge на Si. Основними факторами, що визначають спектр станів, служать розмірне квантування і кулонівська взаємодія носіїв. Показано, що новим фактором, що виникає в масиві квантових точок (КТ) і відрізняє його від ситуації одиночної КТ, є кулонівські кореляції між острівцями. Визначено швидкості випущення, перетину захоплення дірок у залежності від глибини залягання енергетичних рівнів. Величини перетин ів на кілька порядків перевищують відомі значення в Si. Електронний транспорт уздовж шарів КТ здійснюється за допомогою стрибкової провідності, величина якої осцилює при зміні ступеня заповнення острівців дірками, що може лягти в основу створення електронних ланцюг ів передачі інформації на КТ. Показано можливість створення фотодетектора з Ge квантовими точками, що перебудовується під ближній і середній ІЧ діапазон. The experimental data are reported for electrical and optical characteristics of Ge nanoislands in Si (artificial «atoms») which have a discrete energy spectrum down to room temperature. The modern ideas of the mechanisms of the initial stage of self-formation and ordering of nanoclasters ensembles under heteroepitaxy of Ge in Si are briefly considered. The main factors determining the energy spectrum are size quantization and Coulomb interaction of carriers. It is shown that a new factor which occurs in the array of quantum dobs (QD) and is different from that in the case of a single QD is Coulomb correlation between nanoislands. The emission rates and the hole capture cross-sections are determined as a function of energy level depth. The cross-section values are by several order of magnitude higher than those known for Si. The electron transport along the QD layers is realized via hopping conductivity whose value oscillates with changing the hole occupancy of islands. This may lie at the basis of productivity QD electronic circuits for data transmission. It is shown that the design of a photodetected with Ge quantum dots tunable to near and intermediate IR region is quite possible. 2004 Article Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками / А.В. Двуреченский, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, А.И. Якимов // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 11. — С. 1169–1179. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 61.14.–x, 61.30.Hn, 61.46.+w, 73.23.Hk, 73.63.Kv http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/120165 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Низкоразмерные и неупорядоченные системы Низкоразмерные и неупорядоченные системы |
| spellingShingle |
Низкоразмерные и неупорядоченные системы Низкоразмерные и неупорядоченные системы Двуреченский, А.В. Никифоров, А.И. Пчеляков, О.П. Тийс, С.А. Якимов, А.И. Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками Физика низких температур |
| description |
Изложены результаты исследования процессов получения и определения электрических и
оптических характеристик массивов наноостровков Ge в Si (искусственных «атомов») с дискретным
энергетическим спектром, который проявляется вплоть до комнатной температуры.
Проведен краткий анализ современного состояния представлений о механизмах начальной стадии
самоформирования и упорядочения ансамблей нанокластеров при гетероэпитаксии Ge на
Si. Основными факторами, определяющими спектр состояний, служат размерное квантование
и кулоновское взаимодействие носителей. Показано, что новым фактором, возникающим в массиве
квантовых точек (КТ) и отличающим его от ситуации одиночной КТ, являются кулоновские
корреляции между островками. Определены скорости испускания, сечения захвата дырок
в зависимости от глубины залегания энергетических уровней. Величины сечений на несколько
порядков превышают известные значения в Si. Электронный транспорт вдоль слоев КТ осуществляется
с помощью прыжковой проводимости, величина которой осциллирует при изменении
степени заполнения островков дырками, что может лечь в основу создания электронных цепей
передачи информации на КТ. Показана возможность создания перестраиваемого под ближний
и средний ИК диапазон фотодетектора с Ge квантовыми точками. |
| format |
Article |
| author |
Двуреченский, А.В. Никифоров, А.И. Пчеляков, О.П. Тийс, С.А. Якимов, А.И. |
| author_facet |
Двуреченский, А.В. Никифоров, А.И. Пчеляков, О.П. Тийс, С.А. Якимов, А.И. |
| author_sort |
Двуреченский, А.В. |
| title |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками |
| title_short |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками |
| title_full |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками |
| title_fullStr |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками |
| title_full_unstemmed |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками |
| title_sort |
молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем ge/si с квантовыми точками |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| publishDate |
2004 |
| topic_facet |
Низкоразмерные и неупорядоченные системы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/120165 |
| citation_txt |
Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками / А.В. Двуреченский, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, С.А. Тийс, А.И. Якимов // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 11. — С. 1169–1179. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. |
| series |
Физика низких температур |
| work_keys_str_mv |
AT dvurečenskijav molekulârnaâépitaksiâiélektronnyesvojstvageterosistemgesiskvantovymitočkami AT nikiforovai molekulârnaâépitaksiâiélektronnyesvojstvageterosistemgesiskvantovymitočkami AT pčelâkovop molekulârnaâépitaksiâiélektronnyesvojstvageterosistemgesiskvantovymitočkami AT tijssa molekulârnaâépitaksiâiélektronnyesvojstvageterosistemgesiskvantovymitočkami AT âkimovai molekulârnaâépitaksiâiélektronnyesvojstvageterosistemgesiskvantovymitočkami |
| first_indexed |
2025-07-08T17:21:17Z |
| last_indexed |
2025-07-08T17:21:17Z |
| _version_ |
1837100200810774528 |
| fulltext |
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11, ñ. 1169–1179
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà
ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ,
À.È. ßêèìîâ
Èíñòèòóò ôèçèêè ïîëóïðîâîäíèêîâ ÑÎ ÐÀÍ
ïð. Ëàâðåíòüåâà, 13, ã. Íîâîñèáèðñê, 630090, Ðîññèÿ
E-mail: pch@isp.nsc.ru
Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25 ìàÿ 2004 ã.
Èçëîæåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ ïîëó÷åíèÿ è îïðåäåëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è
îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ìàññèâîâ íàíîîñòðîâêîâ Ge â Si (èñêóññòâåííûõ «àòîìîâ») ñ äèñ-
êðåòíûì ýíåðãåòè÷åñêèì ñïåêòðîì, êîòîðûé ïðîÿâëÿåòñÿ âïëîòü äî êîìíàòíîé òåìïåðàòóðû.
Ïðîâåäåí êðàòêèé àíàëèç ñîâðåìåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïðåäñòàâëåíèé î ìåõàíèçìàõ íà÷àëüíîé ñòà-
äèè ñàìîôîðìèðîâàíèÿ è óïîðÿäî÷åíèÿ àíñàìáëåé íàíîêëàñòåðîâ ïðè ãåòåðîýïèòàêñèè Ge íà
Si. Îñíîâíûìè ôàêòîðàìè, îïðåäåëÿþùèìè ñïåêòð ñîñòîÿíèé, ñëóæàò ðàçìåðíîå êâàíòîâàíèå
è êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå íîñèòåëåé. Ïîêàçàíî, ÷òî íîâûì ôàêòîðîì, âîçíèêàþùèì â ìàñ-
ñèâå êâàíòîâûõ òî÷åê (ÊÒ) è îòëè÷àþùèì åãî îò ñèòóàöèè îäèíî÷íîé ÊÒ, ÿâëÿþòñÿ êóëîíîâ-
ñêèå êîððåëÿöèè ìåæäó îñòðîâêàìè. Îïðåäåëåíû ñêîðîñòè èñïóñêàíèÿ, ñå÷åíèÿ çàõâàòà äûðîê
â çàâèñèìîñòè îò ãëóáèíû çàëåãàíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Âåëè÷èíû ñå÷åíèé íà íåñêîëüêî
ïîðÿäêîâ ïðåâûøàþò èçâåñòíûå çíà÷åíèÿ â Si. Ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò âäîëü ñëîåâ ÊÒ îñóùå-
ñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðûæêîâîé ïðîâîäèìîñòè, âåëè÷èíà êîòîðîé îñöèëëèðóåò ïðè èçìåíåíèè
ñòåïåíè çàïîëíåíèÿ îñòðîâêîâ äûðêàìè, ÷òî ìîæåò ëå÷ü â îñíîâó ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ öåïåé
ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè íà ÊÒ. Ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ïåðåñòðàèâàåìîãî ïîä áëèæíèé
è ñðåäíèé ÈÊ äèàïàçîí ôîòîäåòåêòîðà ñ Ge êâàíòîâûìè òî÷êàìè.
Âèêëàäåíî ðåçóëüòàòè äîñë³äæåííÿ ïðîöåñ³â îäåðæàííÿ òà âèçíà÷åííÿ åëåêòðè÷íèõ ³ îïòè÷-
íèõ õàðàêòåðèñòèê ìàñèâ³â íàíîîñòð³âö³â Ge ó Si (øòó÷íèõ «àòîì³â») ç äèñêðåòíèì åíåðãåòè÷-
íèì ñïåêòðîì, ùî âèÿâëÿºòüñÿ àæ äî ê³ìíàòíî¿ òåìïåðàòóðè. Ïðîâåäåíî êîðîòêèé àíàë³ç ñó÷àñ-
íîãî ñòàíó ïðåäñòàâëåíü ïðî ìåõàí³çìè ïî÷àòêîâî¿ ñòà䳿 ñàìîôîðìóâàííÿ é óïîðÿäêóâàííÿ
àíñàìáë³â íàíîêëàñòåð³â ïðè ãåòåðîåï³òàêñ³¿ Ge íà Si. Îñíîâíèìè ôàêòîðàìè, ùî âèçíà÷àþòü
ñïåêòð ñòàí³â, ñëóæàòü ðîçì³ðíå êâàíòóâàííÿ ³ êóëîí³âñüêà âçàºìîä³ÿ íîñ³¿â. Ïîêàçàíî, ùî íî-
âèì ôàêòîðîì, ùî âèíèêຠâ ìàñèâ³ êâàíòîâèõ òî÷îê (ÊÒ) ³ â³äð³çíÿº éîãî â³ä ñèòóàö³¿
îäèíî÷íî¿ ÊÒ, º êóëîí³âñüê³ êîðåëÿö³¿ ì³æ îñòð³âöÿìè. Âèçíà÷åíî øâèäêîñò³ âèïóùåííÿ, ïåðå-
òèíó çàõîïëåííÿ ä³ðîê ó çàëåæíîñò³ â³ä ãëèáèíè çàëÿãàííÿ åíåðãåòè÷íèõ ð³âí³â. Âåëè÷èíè ïå-
ðåòèí³â íà ê³ëüêà ïîðÿäê³â ïåðåâèùóþòü â³äîì³ çíà÷åííÿ â Si. Åëåêòðîííèé òðàíñïîðò óçäîâæ
øàð³â ÊÒ çä³éñíþºòüñÿ çà äîïîìîãîþ ñòðèáêîâî¿ ïðîâ³äíîñò³, âåëè÷èíà ÿêî¿ îñöèëþº ïðè çì³í³
ñòóïåíÿ çàïîâíåííÿ îñòð³âö³â ä³ðêàìè, ùî ìîæå ëÿãòè â îñíîâó ñòâîðåííÿ åëåêòðîííèõ ëàí-
öþã³â ïåðåäà÷³ ³íôîðìàö³¿ íà ÊÒ. Ïîêàçàíî ìîæëèâ³ñòü ñòâîðåííÿ ôîòîäåòåêòîðà ç Ge êâàíòî-
âèìè òî÷êàìè, ùî ïåðåáóäîâóºòüñÿ ï³ä áëèæí³é ³ ñåðåäí³é ²× ä³àïàçîí.
PACS: 61.14.–x, 61.30.Hn, 61.46.+w, 73.23.Hk, 73.63.Kv
Ââåäåíèå
 ïîñëåäíåå âðåìÿ àêòèâíî âåäóòñÿ èññëåäîâàíèÿ
ýëåêòðîííûõ ñâîéñòâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êâàíòî-
âûõ òî÷åê (ÊÒ), ïðåäñòàâëÿþùèõ ïðåäåëüíûé ñëó-
÷àé ñèñòåì ñ ïîíèæåííîé ðàçìåðíîñòüþ: íóëüìåð-
íûå ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç ìàññèâà íàíîðàçìåðíûõ
àòîìíûõ êëàñòåðîâ â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ìàòðèöå
[1,2]. Äèñêðåòíûé ñïåêòð ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé
â òàêèõ êëàñòåðàõ ïîçâîëÿåò îòíåñòè èõ ê èñêóññò-
âåííûì àíàëîãàì àòîìîâ, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî êëàñòå-
© À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ, 2004
ðû ñîäåðæàò áîëüøîå êîëè÷åñòâî ÷àñòèö. Èçìåíÿÿ
ðàçìåðû êâàíòîâûõ òî÷åê, èõ ôîðìó è ñîñòàâ ñ ïî-
ìîùüþ êîíòðîëèðóåìûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ,
ìîæíî ïîëó÷àòü àíàëîãè ïðàêòè÷åñêè âñåõ ïðèðîä-
íûõ ýëåìåíòîâ.
Íàíîðàçìåðíûé ìàñøòàá àòîìíûõ êëàñòåðîâ
ñèëüíî îãðàíè÷èâàåò âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ òðà-
äèöèîííûõ ñïîñîáîâ ïðèãîòîâëåíèÿ ñòðóêòóð, ñâÿ-
çàííûõ ñ ëèòîãðàôè÷åñêèìè ïðîöåññàìè, è òðåáóåò
ðàçâèòèÿ íîâûõ ïîäõîäîâ. Èäåÿ èñïîëüçîâàíèÿ
ìîðôîëîãè÷åñêèõ èçìåíåíèé ïîâåðõíîñòè â ïðîöåñ-
ñå ðîñòà ðàññîãëàñîâàííûõ ãåòåðîýïèòàêñèàëüíûõ
ñèñòåì äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ìàññèâà íàíîðàçìåðíûõ
àòîìíûõ êëàñòåðîâ ïðè ïåðåõîäå îò äâóìåðíîãî ðîñ-
òà ê òðåõìåðíîìó ïî ìåõàíèçìó Ñòðàíñêîãî—Êðà-
ñòàíîâà îêàçàëàñü âåñüìà ïëîäîòâîðíîé. Âïåðâûå
ýòà èäåÿ áûëà ðåàëèçîâàíà â 1992 ã. íà ñèñòåìå
Ge/Si, ïî ðåçóëüòàòàì èññëåäîâàíèÿ êîòîðîé áûë
ñäåëàí âûâîä î íàëè÷èè îäíîýëåêòðîííûõ ýôôåê-
òîâ â íîâîì êëàññå íàíîñòðóêòóð [3]. Â äàëüíåéøåì
ýòîò ìåòîä ñîçäàíèÿ èñêóññòâåííûõ «àòîìîâ» ïîëó-
÷èë íàçâàíèå «ñàìîîðãàíèçàöèè», ïîñêîëüêó íåîá-
õîäèìî áûëî îáúÿñíèòü ðåçóëüòàòû ïî ôîðìèðîâà-
íèþ äîñòàòî÷íî îäíîðîäíîãî ïî ðàçìåðó ìàññèâà
íàíîêëàñòåðîâ.
Èíòåðåñ ê íàíîêëàñòåðàì Ge â Si ñâÿçàí ñ ðÿäîì
îáñòîÿòåëüñòâ: 1) óñïåõè â ðàçðàáîòêå òåõíîëîãèè
ïîëó÷åíèÿ äîñòàòî÷íî îäíîðîäíîãî ïî ðàçìåðó ìàñ-
ñèâà íàíîêëàñòåðîâ Ge, ÷òî âàæíî, åñëè ðàññìàòðè-
âàòü èõ êàê èñêóññòâåííûå àòîìû äëÿ ëåãèðîâàíèÿ
ïîëóïðîâîäíèêîâ; 2) ðàçìåðû íàíîêëàñòåðîâ óäà-
ëîñü óìåíüøèòü äî çíà÷åíèé, îáåñïå÷èâàþùèõ ïðî-
ÿâëåíèå ýôôåêòîâ ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ è ýëåê-
òðîí-ýëåêòðîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ âïëîòü äî êîì-
íàòíîé òåìïåðàòóðû; 3) ñîâìåñòèìîñòü ðàçðàáîòàí-
íûõ ìåòîäîâ ñ ñóùåñòâóþùåé êðåìíèåâîé òåõíîëî-
ãèåé èçãîòîâëåíèÿ äèñêðåòíûõ ïðèáîðîâ è ñõåì.
Èññëåäîâàíèÿ ýëåêòðîííûõ ñâîéñòâ ñòðóêòóð
Ge/Si ïðîâåäåíû ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîííîé òóííåëü-
íîé ñïåêòðîñêîïèè, åìêîñòíîé ñïåêòðîñêîïèè, ñïåê-
òðîñêîïèè ïðîâîäèìîñòè, èçó÷åíèÿ ïðûæêîâîé ïðî-
âîäèìîñòè è ýôôåêòà ïîëÿ. Ñèñòåìà Ge/Si îòíîñèò-
ñÿ ê ãåòåðîñòðóêòóðàì âòîðîãî òèïà, â êîòîðûõ îñò-
ðîâêè Ge ÿâëÿþòñÿ ïîòåíöèàëüíûìè ÿìàìè äëÿ äû-
ðîê. Ýòèì îáñòîÿòåëüñòâîì îáóñëîâëåí âûáîð òèïà
ïðîâîäèìîñòè èññëåäóåìûõ ñèñòåì.
1. Ðîñò è îñîáåííîñòè óïîðÿäî÷åíèÿ àíñàìáëåé
Ge íàíîêëàñòåðîâ
 ãåòåðîñèñòåìàõ Ge–Si ýêñïåðèìåíòàëüíî íà-
áëþäàþò íåñêîëüêî ñòàäèé ýâîëþöèè îñòðîâêîâ â
ïðîöåññå óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîé òîëùèíû ïëåí-
êè. Ýòè ñòàäèè ðàçëè÷íû äëÿ ïîäëîæåê ñ îðèåíòà-
öèåé ïîâåðõíîñòè (001) è (111). Ñ òî÷êè çðåíèÿ
ñîçäàíèÿ êâàíòîâûõ îáúåêòîâ, ïîâåðõíîñòü (001)
ÿâëÿåòñÿ óíèêàëüíîé, ïîòîìó ÷òî òîëüêî íà íåé
áûëè îáíàðóæåíû êîìïàêòíûå òðåõìåðíûå áåçäèñ-
ëîêàöèîííûå îñòðîâêè ðàçìåðîì 10–100 íì (ðèñ. 1)
[11]. Ïîÿâëåíèå òàêèõ îñòðîâêîâ íàáëþäàåòñÿ ïîñëå
îáðàçîâàíèÿ ñïëîøíîé ïëåíêè Ge, ñâåðõñòðóêòóð-
íûå äîìåíû êîòîðîé õîðîøî ðàçëè÷àþòñÿ ìåæäó
îñòðîâêàìè.
Ïðîöåññ óïîðÿäî÷åíèÿ âûçûâàåò ïîÿâëåíèå â ñèñ-
òåìå îñòðîâêîâ ïðåäïî÷òèòåëüíûõ çíà÷åíèé èõ õà-
ðàêòåðèñòèê: ðàçìåðîâ, ôîðìû, ðàññòîÿíèé ìåæäó
îñòðîâêàìè è èõ âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ. Ýòî ðå-
çóëüòàò ìèíèìèçàöèè ñóììàðíîé ñâîáîäíîé ýíåðãèè
ñèñòåìû. Íàëè÷èå èçáðàííûõ õàðàêòåðèñòèê äîëæíî
ïðîÿâëÿòüñÿ â ñïåêòðàõ ðàññåÿíèÿ è äèôðàêöèè
ýëåêòðîíîâ è ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé ïðè âçàèìîäåéñò-
âèè ñ ïîâåðõíîñòüþ, ñîäåðæàùåé íàíîñòðóêòóðû, à
òàêæå â ýëåêòðîííûõ è îïòè÷åñêèõ ñïåêòðàõ. Ðàñïðå-
äåëåíèþ îñòðîâêîâ Ge ïî ðàçìåðàì â ëèòåðàòóðå óäå-
ëÿåòñÿ áîëüøîå âíèìàíèå, òàê êàê ýòîò ïàðàìåòð ñèñ-
òåìû êâàíòîâûõ òî÷åê ÷ðåçâû÷àéíî âàæåí äëÿ
ïðàêòè÷åñêèõ ïðèìåíåíèé. Ïî äàííûì [4], áîëåå óç-
êèå ðàñïðåäåëåíèÿ íàáëþäàþòñÿ äëÿ îñòðîâêîâ òèïà
«dome» ñî ñðåäíèìè ðàçìåðàìè 50–100 íì. Áîëåå óç-
êèå ðàñïðåäåëåíèÿ äëÿ «dome»-êëàñòåðîâ îáúÿñíÿ-
þòñÿ òåì, ÷òî ðîñò óïðóãîé äåôîðìàöèè â ïîäëîæêå
è â îñíîâàíèè êëàñòåðà ñ óâåëè÷åíèåì ðàçìåðà ïî-
ñëåäíåãî óìåíüøàåò ñêîðîñòü åãî ðîñòà (â ïðîòèâî-
ïîëîæíîñòü ðàçâèòèþ êëàñòåðîâ ïî ìåõàíèçìó îñò-
âàëüäîâñêîãî ñîçðåâàíèÿ). Äëÿ «hut»-êëàñòåðîâ,
ïîëó÷àåìûõ ìåòîäîì ìîëåêóëÿðíî-ëó÷åâîé ýïèòàê-
ñèè (ÌËÝ), îáíàðóæåíà àíàëîãè÷íàÿ çàêîíîìåð-
íîñòü: ñêîðîñòü ðîñòà «hut»-êëàñòåðà Ge óìåíüøà-
ëàñü ñ ðîñòîì åãî ðàçìåðà (ïîäðîáíî ýòîò ýôôåêò
èññëåäîâàí â ðàáîòå [5]). Ñ ïîÿâëåíèåì êâàíòîâûõ
íàíîñòðóêòóð (îñîáåííî ñòðóêòóð ñ êâàíòîâûìè òî÷-
êàìè) òðàäèöèîííûå è õîðîøî òåõíîëîãè÷åñêè ðàç-
ðàáîòàííûå, îäíàêî íå ïðÿìîçîííûå, ïîëóïðîâîä-
íèêè Si è Ge ïîëó÷èëè ïåðñïåêòèâó ïåðåéòè â êëàññ
îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. Ýòèì ìîæíî îáúÿñíèòü óñ-
òîé÷èâûé ðîñò èíòåðåñà ê êâàíòîâûì ñòðóêòóðàì íà
1170 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ
Ðèñ. 1. Èçîáðàæåíèå ÒÅÌ ïðÿìîãî ðàçðåøåíèÿ «hut»-êëà-
ñòåðà Ge â ìàòðèöå Si.
èõ îñíîâå. Ôèçè÷åñêèå ýôôåêòû, íàáëþäàåìûå â òà-
êèõ ñòðóêòóðàõ â ïîñëåäíèå ãîäû, ñòàíîâÿòñÿ îñíî-
âîé ñîçäàíèÿ íîâîé ýëåìåíòíîé áàçû äëÿ ÑÂ×-ýëåê-
òðîíèêè ãèãàãåðöåâîãî è òåðàãåðöåâîãî äèàïàçîíîâ,
îïòîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ è êâàíòîâîé âû÷èñëè-
òåëüíîé òåõíèêè. Â ñâÿçè ñ ýòèì ïðèîáðåòàåò îñî-
áóþ àêòóàëüíîñòü ïîèñê ïóòåé ïîëó÷åíèÿ íàíî-
ñòðóêòóð ñ óëüòðàìàëûìè (< 5 íì) êâàíòîâûìè òî÷-
êàìè Ge â Si.
Ïðîÿâëåíèå ýôôåêòà óïîðÿäî÷åíèÿ â ìàññèâàõ
îñòðîâêîâ íàíîìåòðîâûõ ðàçìåðîâ â ãåòåðîñèñòåìàõ
Ge–Si ïîçâîëèëî ïîëó÷àòü áåçäåôåêòíûå êâàíòîâûå
òî÷êè îòíîñèòåëüíî ìàëûõ ðàçìåðîâ (10–100 íì) ñ
ïëîòíîñòüþ 1010–1011 ñì–2 è ïðèâåëî ê áîëåå ÷åòêîìó
ïðîÿâëåíèþ àòîìîïîäîáíûõ õàðàêòåðèñòèê â ýëåê-
òðîííûõ è îïòè÷åñêèõ ñïåêòðàõ ýòèõ îáúåêòîâ. Èìåí-
íî â ýòîé ñèñòåìå äëÿ âûÿâëåíèÿ îäíîýëåêòðîííûõ
ýôôåêòîâ âïåðâûå áûëè èñïîëüçîâàíû ìàññèâû íà-
íîêëàñòåðîâ [3]. Äëÿ ïðîãðåññà â ïðèìåíåíèè ñòðóê-
òóð ñ íàíîêëàñòåðàìè ãåðìàíèÿ â êðåìíèè î÷åíü âà-
æåí ïîèñê ïóòåé ñíèæåíèÿ èõ ðàçìåðîâ, óâåëè÷åíèÿ
ïëîòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè è ñòåïåíè
óïîðÿäî÷åíèÿ.
Àíàëèç ñîâðåìåííîãî ñîñòîÿíèÿ ïðåäñòàâëåíèé î
ìåõàíèçìàõ íà÷àëüíîé ñòàäèè ñàìîôîðìèðîâàíèÿ è
óïîðÿäî÷åíèÿ àíñàìáëåé íàíîêëàñòåðîâ ïðè ãåòåðî-
ýïèòàêñèè Ge íà Si ïðîâåäåí â áîëüøîì êîëè÷åñòâå
îáçîðíûõ ðàáîò (ñì., íàïðèìåð, [6–8]). Íà ïðèìåðå
ãåòåðîñèñòåìû ãåðìàíèé íà êðåìíèè ïîäðîáíî èçó÷åí
ïåðåõîä îò ïîñëîéíîãî ðîñòà ïëåíêè ê îáðàçîâàíèþ
òðåõìåðíûõ (3D) îñòðîâêîâ. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè îòíî-
ñèòåëüíî íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ñèíòåçà (< 500°Ñ) ïðî-
öåññîì âçàèìíîé äèôôóçèè ìàòåðèàëîâ îñòðîâêîâ è
ïîäëîæêè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü [4,9]. Òàêèå îñòðîâêè íå
ñîäåðæàò äèñëîêàöèé íåñîîòâåòñòâèÿ äàæå ïîñëå ñó-
ùåñòâåííîãî ïðåâûøåíèÿ èìè êðèòè÷åñêèõ òîëùèí,
÷òî âïåðâûå áûëî ïîêàçàíî â ðàáîòå [6]. Êðîìå ðàçëè-
÷èÿ âíóòðåííèõ è ïîâåðõíîñòíûõ ýíåðãèé, ïàðàìåò-
ðîâ ðåøåòîê è óïðóãèõ äåôîðìàöèé â ýïèòàêñèàëüíûõ
ïëåíêàõ è òðåõìåðíûõ îñòðîâêàõ Ge íà Si, êëþ÷åâû-
ìè ôàêòîðàìè, âëèÿþùèìè íà îñîáåííîñòè ïðîòåêà-
íèÿ íà÷àëüíîé ñòàäèè ãåòåðîýïèòàêñèè, ÿâëÿþòñÿ
ýíåðãèÿ ãðàíèöû ðàçäåëà ïëåíêà—ïîäëîæêà, à òàêæå
îïðåäåëÿþùèå åå âåëè÷èíó ñòðóêòóðà è ñîñòàâ ïî-
âåðõíîñòè ïîäëîæêè êðåìíèÿ.
Ýòè ôàêòîðû îáóñëîâëèâàþò íå òîëüêî ìîðôîëî-
ãè÷åñêóþ óñòîé÷èâîñòü ñïëîøíîãî ïñåâäîìîðôíîãî
(ñìà÷èâàþùåãî) ñëîÿ Ge, íà ïîâåðõíîñòè êîòîðîãî
íà áîëåå ïîçäíèõ ñòàäèÿõ ðîñòà ñàìîôîðìèðóåòñÿ
îñòðîâêîâàÿ ïëåíêà (ìåõàíèçì Ñòðàíñêîãî—Êðà-
ñòàíîâà). Îíè âëèÿþò íà ôîðìó, ðàçìåð è ïðîñòðàí-
ñòâåííîå ðàñïðåäåëåíèå íàíîêëàñòåðîâ ãåðìàíèÿ â
ïåðâûõ àòîìíûõ ñëîÿõ, êîàëåñöåíöèÿ êîòîðûõ ïðè-
âîäèò ê îáðàçîâàíèþ ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ.
Íåñìîòðÿ íà î÷åíü áîëüøîå êîëè÷åñòâî ýêñïåðè-
ìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé è ïîäðîáíûå àíàëèòè÷å-
ñêèå îáçîðû, äî íåäàâíåãî âðåìåíè [10] íå áûëî
óêàçàíèé íà âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ ñèñòåìû óïî-
ðÿäî÷åííûõ íàíîêëàñòåðîâ â ïðîöåññå ôîðìèðîâà-
íèÿ ïñåâäîìîðôíîãî ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ.  ñëó÷àå
ãîìîýïèòàêñèè, êîãäà ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ â
ïëåíêå ìèíèìàëüíû, íà äîñòàòî÷íî ÷èñòîé ïîâåðõ-
íîñòè ïðàêòè÷åñêè äëÿ âñåõ ïîëóïðîâîäíèêîâ îáú-
åìíûå îñòðîâêè íå îáðàçóþòñÿ, à ðîñò ïëåíîê èäåò
ëèáî çà ñ÷åò äâèæåíèÿ ñòóïåíåé (ñòóïåí÷àòî-ñëîå-
âîé ðîñò), ëèáî ïóòåì ôîðìèðîâàíèÿ è ñðàñòàíèÿ
äâóìåðíûõ îñòðîâêîâ èëè íàíîêëàñòåðîâ. Íà ñàìûõ
íà÷àëüíûõ ñòàäèÿõ ãåòåðîýïèòàêñèè â ðàçâèòèè äâó-
ìåðíûõ îñòðîâêîâ ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ òàê
æå, êàê è ïðè ãîìîýïèòàêñèè, íå èãðàþò ñóùåñòâåí-
íîé ðîëè. Áîëåå âàæíûì ôàêòîðîì ñòàíîâèòñÿ ñî-
ñòîÿíèå ïîâåðõíîñòè ïîäëîæêè. Ýòî è ïðèâîäèò ê
ñõîäñòâó ìîðôîëîãè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé ðîñòà ïåð-
âûõ ìîíîñëîåâ íà àòîìàðíî-÷èñòûõ ïîâåðõíîñòÿõ
ïðè ãîìî- è ãåòåðîýïèòàêñèè. Â ýòîé ñâÿçè ìîæíî
ñäåëàòü âûâîä, ÷òî ïðîöåññ ñàìîôîðìèðîâàíèÿ íà-
íîîñòðîâêîâ ïðåäåëüíî ìàëûõ ðàçìåðîâ ìîæíî íà-
áëþäàòü íà íà÷àëüíîé ñòàäèè ðîñòà ïñåâäîìîðôíîãî
ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ ãåðìàíèÿ ïî äâóìåðíî-îñòðîâ-
êîâîìó ìåõàíèçìó. Èõ ôîðìîé è ðàñïðåäåëåíèåì
ìîæíî óïðàâëÿòü, ìåíÿÿ ñòðóêòóðíîå ñîñòîÿíèå ïî-
âåðõíîñòíîãî ñëîÿ êðåìíèÿ.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ïîäòâåðæäåíèÿ ýòîìó âûâî-
äó ïîëó÷åíû â ðàáîòàõ [10–12], ãäå áûëî ïðîäåìîí-
ñòðèðîâàíî âëèÿíèå ñâåðõñòðóêòóðíîé ïåðåñòðîéêè
ïîâåðõíîñòè Si (111)7�7 íà ôîðìèðîâàíèå íàíîêëà-
ñòåðîâ Ge, èìåþùèõ ðàçìåðû ìåíåå 5 íì (ðèñ. 2).
Óñòàíîâëåíî, ÷òî îáðàçîâàíèå çàðîäûøåé ãåðìàíèÿ
ïðîèñõîäèò ïðåèìóùåñòâåííî âíóòðè ïîëîâèíû ýëå-
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11 1171
0 10 20 íì
Ðèñ. 2. ÑÒÌ èçîáðàæåíèå íàíîêëàñòåðîâ Ge íà ïîâåðõ-
íîñòè Si (111)7�7.
ìåíòàðíîé ÿ÷åéêè 7�7, íàõîäÿùåéñÿ â ïîçèöèè äå-
ôåêòà óïàêîâêè. Òàêèå êëàñòåðû îáëàäàþò çíà÷è-
òåëüíîé òåìïåðàòóðíîé óñòîé÷èâîñòüþ. Äàæå ïîñëå
îòæèãà ïðè 350°Ñ â òå÷åíèå 2 ÷àñîâ íà ïîâåðõíîñòè
êðåìíèÿ ìåæäó îñòðîâêàìè ãåðìàíèÿ îòíîñèòåëüíî
áîëüøèõ ðàçìåðîâ îñòàþòñÿ ôðàãìåíòû íàíîêëàñòå-
ðîâ. Äëÿ óïðàâëåíèÿ õàðàêòåðîì óïîðÿäî÷åíèÿ ñèñ-
òåìû íàíîêëàñòåðîâ ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì èñ-
ïîëüçîâàíèå ïðèìåñíûõ ñâåðõñòðóêòóð, èìåþùèõ
ðàçëè÷íûå ðàçìåðû è ñòðóêòóðó ýëåìåíòàðíûõ ÿ÷å-
åê. Òàêèå ñâåðõñòðóêòóðû íà ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ
îáðàçóþò, â ÷àñòíîñòè, ïðèìåñè ìåòàëëîâ. Ýòè ïðåä-
ïîñûëêè íå èìåþò â íàñòîÿùèé ìîìåíò óäîâëåòâî-
ðèòåëüíîãî ýêñïåðèìåíòàëüíîãî ïîäòâåðæäåíèÿ è
ñòèìóëèðóþò ïðîâåäåíèå äàëüíåéøèõ äåòàëüíûõ
èññëåäîâàíèé ìåõàíèçìîâ óïîðÿäî÷åíèÿ àíñàìáëåé
ïîëóïðîâîäíèêîâûõ íàíîêëàñòåðîâ ïóòåì ìîäèôè-
êàöèè ïîâåðõíîñòíûõ ñâåðõñòðóêòóð.
Ìèíèìàëüíûå ðàçìåðû îñòðîâêîâ ãåðìàíèÿ, ñàìî-
ôîðìèðóþùèõñÿ ïðè ðîñòå íà ÷èñòîé ïîâåðõíîñòè
êðåìíèÿ ïîñëå îáðàçîâàíèÿ ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ, ñî-
ñòàâëÿþò 15 íì. Äëÿ èõ óìåíüøåíèÿ è óâåëè÷åíèÿ
ïëîòíîñòè ìîæíî ïðîâîäèòü ðîñò ãåðìàíèÿ íà àòî-
ìàðíî ÷èñòîé îêèñëåííîé ïîâåðõíîñòè, êîòîðàÿ ïîä-
ãîòàâëèâàåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â óñòàíîâêå ÌËÝ.
Âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ îêèñíîãî ñëîÿ íà ïîâåðõíî-
ñòè êðåìíèÿ â óñëîâèÿõ ñâåðõâûñîêîãî âàêóóìà èç-
âåñòíà äîñòàòî÷íî äàâíî. Âïåðâûå â ðàáîòå [13]
áûëî ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òî â çàâèñèìîñòè îò
äàâëåíèÿ êèñëîðîäà è òåìïåðàòóðû ìîæíî ïîäîá-
ðàòü ðåæèìû òðàâëåíèÿ è ðîñòà îêèñíîé ïëåíêè.
Ðîñò îñòðîâêîâ ãåðìàíèÿ íà ïðåäâàðèòåëüíî îêèñ-
ëåííîé ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåí-
íî óìåíüøèòü ðàçìåðû è óâåëè÷èòü ïëîòíîñòü îñò-
ðîâêîâ.  ðàáîòàõ [14,15] ïîêàçàíî, ÷òî â ñëó÷àå
ðîñòà îñòðîâêîâ íà îêèñëåííîé ïîâåðõíîñòè Si(111)
èõ ëàòåðàëüíûå ðàçìåðû íå ïðåâûøàþò 10 íì, à
ïëîòíîñòü âûøå 1012 ñì–2. Àâòîðû ðàáîòû [14] ïðåä-
ïîëîæèëè, ÷òî ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ëîêàëüíîå òðàâ-
ëåíèå îêèñè êðåìíèÿ ãåðìàíèåì (ðåàêöèÿ äèñïðî-
ïîðöèîíèðîâàíèÿ), ñîïðîâîæäàþùååñÿ äåñîðáöèåé
ìîíîîêèñè ãåðìàíèÿ. Â ýòèõ ìåñòàõ çàðîæäàþòñÿ íà-
íîîñòðîâêè ãåðìàíèÿ, êîãåðåíòíî ñîïðÿæåííûå ñ
êðåìíèåì. Îäíàêî äàííûõ î äåôîðìàöèè îñòðîâêîâ
è åå ðåëàêñàöèè â ãåòåðîñèñòåìå ãåðìàíèé—îêèñü
êðåìíèÿ ïðàêòè÷åñêè íåò.
 íàøåé ðàáîòå îêèñëåíèå îñóùåñòâëÿëîñü â óñ-
òàíîâêå ÌËÝ ïðè íàïóñêå êèñëîðîäà äî 10–4 Ïa è
òåìïåðàòóðå ïîäëîæêè 400–500°Ñ [16]. Ïîñëå îò-
êà÷êè êèñëîðîäà ïðîâîäèëè íàïûëåíèå ãåðìàíèÿ.
Ïðîöåññ ðîñòà ïëåíêè Ge êîíòðîëèðîâàëè ïî êàðòè-
íå äèôðàêöèè áûñòðûõ ýëåêòðîíîâ (ÄÁÝ) ïóòåì ðå-
ãèñòðàöèè êàê êà÷åñòâåííûõ èçìåíåíèé ñòðóêòóðû è
ìîðôîëîãèè ðàñòóùåé ïîâåðõíîñòè ïëåíêè, òàê è
êîëè÷åñòâåííîé èíôîðìàöèè îá óïðóãîé äåôîðìàöèè
ýëåìåíòàðíîé ïîâåðõíîñòíîé ÿ÷åéêè. Äëÿ àíàëèçà íà-
÷àëüíîé ñòàäèè ðîñòà ïëåíêè ãåðìàíèÿ íà îêèñëåííîé
ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ ïðîâîäèëàñü ðåãèñòðàöèÿ èçìå-
íåíèÿ èíòåíñèâíîñòè çåðêàëüíîãî ðåôëåêñà è ðåôëåê-
ñà òðåõìåðíîé äèôðàêöèè (3D-ðåôëåêñ). Ýòè âåëè÷è-
íû î÷åíü ÷óâñòâèòåëüíû ê èçìåíåíèþ øåðîõîâàòîñòè
ïîâåðõíîñòè, à âîçíèêíîâåíèå 3D-ðåôëåêñà óêàçûâà-
åò íà íàëè÷èå òðåõìåðíûõ îáúåêòîâ íà èññëåäóåìîé
ïîâåðõíîñòè.
Íàëè÷èå îñöèëëÿöèé èíòåíñèâíîñòè çåðêàëüíîãî
ðåôëåêñà â ñëó÷àå ðîñòà íà ÷èñòîé ïîâåðõíîñòè, åãî
ïîãàñàíèå è ïîÿâëåíèå 3D-ðåôëåêñà ïðè òîëùèíàõ
ïëåíêè ãåðìàíèÿ áîëåå ÷åòûðåõ ìîíîñëîåâ óêàçûâà-
åò íà ïîñëîéíûé ðîñò ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ ñ ïîñëå-
äóþùèì îáðàçîâàíèåì òðåõìåðíûõ îñòðîâêîâ. Â
ñëó÷àå æå ðîñòà ïëåíêè Ge íà îêèñëåííîé ïîâåðõíî-
ñòè èíòåíñèâíîñòü ýòèõ ðåôëåêñîâ èçìåíÿåòñÿ óæå
ïîñëå íàïûëåíèÿ îäíîãî ìîíîñëîÿ è îñöèëëÿöèé èí-
òåíñèâíîñòè çåðêàëüíîãî ðåôëåêñà íå íàáëþäàåòñÿ.
Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îòñóòñòâèè òàêîé ñòàäèè
ðîñòà, êàê îáðàçîâàíèå ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ.
Âî âðåìÿ íàïûëåíèÿ ïåðâîãî ìîíîñëîÿ íà ïî-
âåðõíîñòè SiO2 îáðàçóåòñÿ àäñîðáöèîííûé ñëîé
ãåðìàíèÿ, êîòîðûé ñî âòîðîãî ìîíîñëîÿ òðàíñôîð-
ìèðóåòñÿ â òðåõìåðíûå îñòðîâêè. Òàêèì îáðàçîì, â
îòëè÷èå îò ìåõàíèçìà ðîñòà Ñòðàíñêîãî—Êðàñòàíî-
âà, êîòîðûé ðåàëèçóåòñÿ íà ÷èñòîé ïîâåðõíîñòè
êðåìíèÿ, íà ïîâåðõíîñòè îêèñëåííîãî êðåìíèÿ ðîñò
ïëåíêè ãåðìàíèÿ ïðîòåêàåò ïî ìåõàíèçìó Ôîëüìå-
ðà—Âåáåðà. Äëÿ àíàëèçà äåôîðìàöèé ðåøåòêè ãåð-
ìàíèÿ èçìåðÿëè èçìåíåíèå ïàðàìåòðà ýëåìåíòàðíîé
ïîâåðõíîñòíîé äâóìåðíîé ÿ÷åéêè à��. Äëÿ ýòîãî ðå-
ãèñòðèðîâàëè èçìåíåíèå ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ðåôëåê-
ñàìè äèôðàêöèîííîé êàðòèíû, êîòîðîå ñîîòâåòñòâó-
åò ïàðàìåòðó à��. Ðîñò ñîïðîâîæäàåòñÿ ñóùåñòâåí-
íûì èçìåíåíèåì ïîâåðõíîñòíîé ÿ÷åéêè ðåøåòêè Ge
îòíîñèòåëüíî ýòîãî ïàðàìåòðà äëÿ Si, îñòàþùåãîñÿ
ïîñòîÿííûì. Ýòî èçìåíåíèå äîñòèãàåò 7%, êàê ýòî
íàáëþäàëîñü è â ñëó÷àå ðîñòà íà ÷èñòîé ïîâåðõíî-
ñòè Si(100) [16]. Âíà÷àëå ïðîèñõîäèò ðîñò óïðóãî
íàïðÿæåííûõ îñòðîâêîâ, çàòåì çíà÷åíèå à�� óìåíü-
øàåòñÿ äî âåëè÷èíû îáúåìíîãî ãåðìàíèÿ, ÷òî ñâèäå-
òåëüñòâóåò î ïîëíîé ïëàñòè÷åñêîé ðåëàêñàöèè îñò-
ðîâêîâ. Õàðàêòåð èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðà à�� àíàëîãè-
÷åí òîìó, ÷òî íàáëþäàåòñÿ â ïðîöåññå ãåòåðîýïèòàê-
ñèè ãåðìàíèÿ íà ÷èñòîé ïîâåðõíîñòè Si(100), íî
îáëàñòü ñóùåñòâîâàíèÿ íàïðÿæåííûõ îñòðîâêîâ Ge
çíà÷èòåëüíî ìåíüøå è ïîÿâèâøèåñÿ òðåõìåðíûå
îñòðîâêè óæå ïîñëå íàïûëåíèÿ îäíîãî ìîíîñëîÿ
ãåðìàíèÿ èìåþò ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ïàðàìåòðà
äâóìåðíîé ïîâåðõíîñòíîé ÿ÷åéêè.  çàâèñèìîñòè îò
òîëùèíû íàïûëåííîãî ãåðìàíèÿ îñòðîâêè èìåþò
ðàçëè÷íûå ðàçìåðû è ïëîòíîñòü. Ïðè òîëùèíå ïëåí-
1172 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ
êè äî ïÿòè ìîíîñëîåâ ðàçìåðû îñòðîâêîâ â îñíîâàíèè
ìåíåå 10 íì ñ ïëîòíîñòüþ áîëåå 2�1012 ñì–2. Íà ðèñ. 3
ïîêàçàíî ÑÒÌ (ñêàíèðóþùàÿ òóííåëüíàÿ ìèêðîñêî-
ïèÿ) èçîáðàæåíèå ìàññèâà îñòðîâêîâ Ge íà ïîâåðõ-
íîñòè îêèñè êðåìíèÿ, ïîëó÷åííîãî ïîñëå íàïûëåíèÿ
òðåõ ìîíîñëîåâ ãåðìàíèÿ ïðè òåìïåðàòóðå ïîäëîæêè
650°Ñ. Óâåëè÷åíèå ýôôåêòèâíîé òîëùèíû îñàæäåí-
íîãî ãåðìàíèÿ ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ íàðÿäó ñ îñò-
ðîâêàìè ìàëîãî ðàçìåðà îñòðîâêîâ ñ ðàçìåðàìè íà
ïîðÿäîê áîëüøå è ñóùåñòâåííî ìåíüøåé ïëîòíîñòüþ.
Òàêîå áèìîäàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå îñòðîâêîâ ïî èõ
ðàçìåðàì è ïëîòíîñòè íàáëþäàåòñÿ íà îêèñëåííîé
ïîâåðõíîñòè Si(100) ïðè òîëùèíå ïëåíêè ãåðìàíèÿ
áîëåå 1 íì, ÷òî ïîäòâåðæäàåòñÿ òàêæå è ýëåêòðîí-
íî-ìèêðîñêîïè÷åñêèìè èññëåäîâàíèÿìè.
2. Ýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà
2.1. Ýëåêòðîííàÿ òóííåëüíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ
Èññëåäóåìàÿ ñòðóêòóðà ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé äâà
ïàðàëëåëüíûõ ýëåêòðîäà (ñèëüíî ëåãèðîâàííûå áî-
ðîì ñëîè Ge0,3Si0,7), ìåæäó êîòîðûìè ÷åðåç òóí-
íåëüíûå áàðüåðû (ïðîñëîéêè Si) áûë çàêëþ÷åí
ñëîé íàíîêðèñòàëëîâ Ge [17]. Äëèíà îñíîâàíèÿ ÊÒ
ñîñòàâëÿëà 15 íì, âûñîòà 1,5 íì. Ïëîòíîñòü îñòðîâ-
êîâ â ìàññèâå 3�1011 ñì–2. Ïðè ñîâïàäåíèè óðîâíÿ
Ôåðìè â ýìèòòåðå ñ ðàçðåøåííûì óðîâíåì íîñèòåëÿ
â ÊÒ äîëæíî íàáëþäàòüñÿ ðåçîíàíñíîå óâåëè÷åíèå
òóííåëüíîãî òîêà. Èçìåíÿÿ ýíåðãèþ èíæåêòèðîâàí-
íîãî íîñèòåëÿ ïóòåì èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ, ìîæíî
ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ îá ýíåðãåòè÷åñêîì ñïåêòðå
ÊÒ. Âïåðâûå ýòîò ìåòîä ñïåêòðîñêîïèè ïî îòíîøå-
íèþ ê ìàññèâàì ñàìîîðãàíèçóþùèõñÿ ÊÒ áûë ïðè-
ìåíåí â ðàáîòå [3]. Íà çàâèñèìîñòè äèôôåðåíöè-
àëüíîé ïðîâîäèìîñòè îò íàïðÿæåíèÿ íàáëþäàþòñÿ
îò÷åòëèâûå îñöèëëÿöèè òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè
ñòðóêòóð, ñâèäåòåëüñòâóþùèå î ñóùåñòâîâàíèè õî-
ðîøî ðàçðåøåííîãî äèñêðåòíîãî ñïåêòðà â îñòðîâ-
êàõ Ge. Ïðè÷åì îñöèëëÿöèè âáëèçè íóëåâîãî ñìå-
ùåíèÿ ñîïðîâîæäàþòñÿ ïîÿâëåíèåì îáëàñòè îòðèöà-
òåëüíîé äèôôåðåíöèàëüíîé ïðîâîäèìîñòè, ÿâëÿþ-
ùåéñÿ õàðàêòåðíîé ÷åðòîé ðåçîíàíñíîãî òóííåëèðî-
âàíèÿ.  ñëó÷àå ñèììåòðè÷íîé êîíôèãóðàöèè áàðüå-
ðîâ îñöèëëÿöèè ïðîâîäèìîñòè ïî÷òè ñèììåòðè÷íû
îòíîñèòåëüíî íóëÿ è èìåþò õàðàêòåðíûé ïåðèîä
�150 ìÂ, ÷òî ïîçâîëÿåò îöåíèòü ðàññòîÿíèå ìåæäó
óðîâíÿìè ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ â îñòðîâêàõ êàê
�150/2 = 75 ìÂ.  àñèììåòðè÷íîé ñòðóêòóðå â îá-
ëàñòè îòðèöàòåëüíîãî ñìåùåíèÿ ïðîèñõîäèò ðàñùåï-
ëåíèå ïèêîâ ïðîâîäèìîñòè íà ñåðèþ îñöèëëÿöèé ñ
ìåíüøèì ïåðèîäîì. Ïðè òàêîé ïîëÿðíîñòè íàïðÿ-
æåíèÿ ââèäó ñèëüíîé ðàçíèöû êîýôôèöèåíòîâ ïðî-
õîæäåíèÿ ëåâîãî è ïðàâîãî áàðüåðîâ ïðîèñõîäèò íà-
êîïëåíèå äûðîê â îñòðîâêàõ, è ñóùåñòâåííûìè ñòàíî-
âÿòñÿ ïðîöåññû êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé íîñèòåëåé,
îáóñëîâëåííûå èõ âçàèìîäåéñòâèåì. Êóëîíîâñêîå
âçàèìîäåéñòâèå «ñíèìàåò» âûðîæäåíèå îäíî÷àñòè÷-
íûõ óðîâíåé ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ, ïîñêîëüêó
äûðêå òðåáóåòñÿ ïðåîäîëåâàòü ýíåðãèþ ýëåêòðîñòàòè-
÷åñêîãî îòòàëêèâàíèÿ íîñèòåëåé, óæå íàõîäÿùèõñÿ â
ÊÒ. Ïîäîáíûé ýôôåêò, íàáëþäàâøèéñÿ ðàíåå â òóí-
íåëüíûõ ïåðåõîäàõ ÷åðåç ìåòàëëè÷åñêèå ãðàíóëû â
âèäå ñòóïåí÷àòûõ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê,
ïîëó÷èë íàçâàíèå «êóëîíîâñêîé ëåñòíèöû» [18]. Ïî
ðàññòîÿíèþ ìåæäó ïèêàìè ïðîâîäèìîñòè ìîæíî îöå-
íèòü êîððåëÿöèîííóþ ýíåðãèþ äûðîê â îñòðîâêàõ:
EC � 36 ìýÂ â îñíîâíîì è � 18 ìýÂ â ïåðâîì âîçáóæ-
äåííîì ñîñòîÿíèÿõ.
2.2. Åìêîñòíàÿ òóííåëüíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ
 îñíîâå åìêîñòíîé ñïåêòðîñêîïèè ÊÒ ëåæèò òîò
ôàêò, ÷òî çàðÿä â íóëüìåðíûõ ñèñòåìàõ ìîæåò ìå-
íÿòüñÿ òîëüêî äèñêðåòíûì îáðàçîì íà âåëè÷èíó
�Q eN� , ãäå e — çàðÿä ýëåêòðîíà, N — ÷èñëî òî÷åê
â îáðàçöå [19]. Ñòðóêòóðû ïðåäñòàâëÿëè ñëåäóþ-
ùóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñëîåâ, íà÷èíàÿ îò ïîäëîæ-
êè: 1) ð+-ïîäëîæêà êðåìíèÿ ñ îðèåíòàöèåé (100),
ñëóæàùàÿ íèæíèì ýëåêòðè÷åñêèì êîíòàêòîì;
2) ñëîé Si0,8Ge0,2 òîëùèíîé L = 10 íì, îáåñïå÷èâàþ-
ùèé ðåçêóþ ãåòåðîãðàíèöó ïîñëåäóþùåãî òóííåëü-
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11 1173
0 20 806040 íì
0
1
20 806040 íì
H
Ðèñ. 3. ÑÒÌ èçîáðàæåíèå îñòðîâêîâ Ge íà SiO2: Òs =
= 650°Ñ, dGe = 3 ML, N = 2�1012 ñì–2.
íîãî áàðüåðà Si; 3) òóííåëüíî ïðîçðà÷íûé áàðüåð Si,
ð = 7�1016 ñì–3, L = 7 íì; 4) ñëîé íàíîêðèñòàëëîâ Ge;
5) áëîêèðóþùèé ñëîé Si, ð = 7�1016 ñì–3, L = 50 íì;
6) óïðàâëÿþùèé çàïîëíåíèåì îñòðîâêîâ ýëåêòðîä
Al, ôîðìèðóþùèé íà ãðàíèöå ñ êðåìíèåì áàðüåð
Øîòòêè; ïëîùàäü àëþìèíèåâîé ïëîùàäêè ñîñòàâ-
ëÿëà � 8�10–3 ñì2, ïî ðàçìåðó êîòîðîé âûòðàâëèâà-
ëàñü öèëèíäðè÷åñêàÿ ìåçîñòðóêòóðà íà ãëóáèíó ïî-
ðÿäêà 5 ìêì. Â èññëåäîâàííûõ ñòðóêòóðàõ ñ áàðüå-
ðîì Øîòòêè èçìåíÿëè òîëùèíó âûðàùèâàåìîãî
ñëîÿ Ge, êîòîðóþ èçìåðÿëè â ìîíîñëîÿõ (ML), ÷òî
â óñëîâèÿõ ôîðìèðîâàíèÿ îñòðîâêîâ ñîîòâåòñòâóåò
ýôôåêòèâíîé òîëùèíå ñëîÿ deff [20].
Âíåøíåå íàïðÿæåíèå Vg íà óïðàâëÿþùåì ýëåê-
òðîäå, ñìåùàÿ ïîòåíöèàë â îñòðîâêàõ îòíîñèòåëüíî
óðîâíÿ Ôåðìè â êîíòàêòå, îòäåëåííîì îò îñòðîâêî-
âîãî ñëîÿ òóííåëüíî ïðîçðà÷íûì áàðüåðîì, ñòèìó-
ëèðóåò ëèáî çàõâàò íîñèòåëåé èç êîíòàêòà íà óðîâíè
ÊÒ, ëèáî îïóñòîøåíèå ýòèõ óðîâíåé â çàâèñèìîñòè
îò ïîëÿðíîñòè Vg . Ïðè ñîâïàäåíèè óðîâíÿ Ôåðìè â
êîíòàêòå ñ ýíåðãèåé ñâÿçàííîãî ñîñòîÿíèÿ â ÊÒ äèô-
ôåðåíöèàëüíàÿ åìêîñòü C V dQ dVg g( ) � äîëæíà
èìåòü ïèê, ñâèäåòåëüñòâóþùèé î íàëè÷èè äèñêðåò-
íîãî óðîâíÿ ýíåðãèè. Ïîëíàÿ åìêîñòü ñòðóêòóðû
ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñóììó äâóõ âêëàäîâ: ïåðâûé
îáóñëîâëåí íàëè÷èåì îáëàñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî
çàðÿäà â îêðóæàþùåì îñòðîâêè ìàòåðèàëå (â äàí-
íîì ñëó÷àå ýòî êðåìíèé), âòîðîé âêëàä (CQD) ñâÿ-
çàí ñ çàðÿäêîé êâàíòîâûõ òî÷åê. Ïîñêîëüêó âåëè÷è-
íà CQD ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé â
ÊÒ: C e d dV dN dQD g� ( )( )� � , ãäå � — õèìè÷åñêèé
ïîòåíöèàë, òî âîëüò-ôàðàäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïî-
çâîëÿåò âîññòàíîâèòü âåëè÷èíó dN d�. Âîëüò-ôà-
ðàäíûå õàðàêòåðèñòèêè ñòðóêòóð áåç ñëîÿ Ge èìåëè
îáû÷íûé âèä äëÿ îáåäíåííîãî ñëîÿ Si ð-òèïà
(ðèñ. 4).  ñëó÷àå deff � 2 ML íà õàðàêòåðèñòèêàõ
ïîÿâëÿåòñÿ ïëàòî, õàðàêòåðíîå äëÿ äâóìåðíîãî
(2D) ãàçà íîñèòåëåé. Â îáëàñòè ýôôåêòèâíûõ òîë-
ùèí Ge 8 13ML eff d ML íà C–V-êðèâûõ ïîÿâ-
ëÿþòñÿ ïèêè, ðàññòîÿíèå ìåæäó êîòîðûìè, èõ øè-
ðèíà è ïîëîæåíèå íà øêàëå íàïðÿæåíèÿ (ýíåðãåòè-
÷åñêîé øêàëå) çàâèñÿò îò deff : ñ ðîñòîì deff ïèêè ñòà-
íîâÿòñÿ ýæå è óìåíüøàåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèé çàçîð ìå-
æäó íèìè. Ýíåðãåòè÷åñêîå ðàññòîÿíèå ìåæäó
óðîâíÿìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè äâóì ïèêàì åìêîñòè,
íàõîäèòñÿ èç ñîîòíîøåíèÿ
E V b Lg� [21], ãäå
Vg — ðàññòîÿíèå ìåæäó ïèêàìè íà Ñ–V-õàðàêòå-
ðèñòèêå, b — ðàññòîÿíèå ìåæäó ÊÒ è íèæíèì ýëåê-
òðîäîì, L — ðàññòîÿíèå ìåæäó âåðõíèì è íèæíèì
ýëåêòðîäàìè. Ðàñ÷åòû äàþò
E � 87 ìýÂ (äëÿ 8 ML),
36 ìý (10 ML) è 32 ìý (13 ML) [20]. Âåëè÷èíà
E � 36 ìý äëÿ îáðàçöà ñ êîëè÷åñòâîì Ge 10 ML
ñîãëàñóåòñÿ ñ ýíåðãèåé çàðÿäêè ÊÒ (EC) â îñíîâíîì
ñîñòîÿíèè, íàéäåííîé â ýêñïåðèìåíòàõ ïî ðåçîíàíñ-
íîìó òóííåëèðîâàíèþ. Ïîýòîìó ïðèðîäà ðàñùåïëå-
íèÿ ïèêîâ áûëà îáúÿñíåíà ýëåêòðîñòàòè÷åñêèì êó-
ëîíîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåì.
Ïîÿâëåíèå îñöèëëÿöèé åìêîñòè ìû ñâÿçûâàåì ñ
ôîðìèðîâàíèåì äîñòàòî÷íî îäíîðîäíîãî ïî ðàçìå-
ðàì ìàññèâà íàíîêðèñòàëëîâ Ge, â êîòîðîì ïëîò-
íîñòü äûðî÷íûõ ñîñòîÿíèé ÿâëÿåòñÿ �-îáðàçíîé
ôóíêöèåé ýíåðãèè. Ïðè áîëüøîì êîëè÷åñòâå îñàæ-
äåííîãî Ge (20 ML) ïðîèñõîäèò ðåëàêñàöèÿ óïðó-
ãèõ íàïðÿæåíèé è ôîðìèðóþòñÿ êðóïíûå îñòðîâêè
ñ äèñëîêàöèÿìè. Ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ â èñ÷åçíîâåíèè
ïèêîâ åìêîñòè íà âîëüò-ôàðàäíûõ õàðàêòåðèñòè-
êàõ. Ñ ïîÿâëåíèåì ïðîðàñòàþùèõ äèñëîêàöèé è
ïðîáîåì îáëàñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî çàðÿäà, ïî-âè-
äèìîìó, ñâÿçàíî è ñèëüíîå âîçðàñòàíèå åìêîñòè, ñî-
ïðîâîæäàåìîå ðåçêèì óâåëè÷åíèåì àêòèâíîé ÷àñòè
ïðîâîäèìîñòè ïðè òîëùèíàõ áîëåå 20 ML. Ïëîùàäü
ïîä êàæäûì ïèêîì íà C–V-õàðàêòåðèñòèêå, äåëåí-
íàÿ íà çàðÿä ýëåêòðîíà, îêàçàëàñü ñ õîðîøåé òî÷íî-
ñòüþ ðàâíîé ïîâåðõíîñòíîé êîíöåíòðàöèè îñòðîâ-
êîâ Ge (2nQD � 6�1011 ñì–2). Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî
âî-ïåðâûõ, âñå îñòðîâêè Ge âîâëå÷åíû â ïðîöåññ ïå-
ðåçàðÿäêè ñèñòåìû è, âî-âòîðûõ, âûðîæäåíèå ïî
ýíåðãèè ñíèìàåòñÿ çà ñ÷åò êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåé-
ñòâèÿ. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå êóëîíîâ-
ñêîé ïðèðîäû ðàñùåïëåíèÿ áûëî íàéäåíî â èçìåðå-
íèÿõ âîëüò-ôàðàäíûõ õàðàêòåðèñòèê ñ äâóìÿ ñëîÿìè
îñòðîâêîâ Ge îäèíàêîâîãî ðàçìåðà [22]. Â ýòîì ñëó-
÷àå ðàñùåïëåíèå ìåæäó ïèêàìè, îáóñëîâëåííîå êó-
ëîíîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåì, óâåëè÷èâàåòñÿ.
2.3. Ýôôåêò ïîëÿ
Îñöèëëÿöèè ïðûæêîâîé ïðîâîäèìîñòè â óñëîâè-
ÿõ ýôôåêòà ïîëÿ áûëè îáíàðóæåíû â ÌÄÏ-òðàíçè-
ñòîðàõ ñ ýôôåêòèâíîé òîëùèíîé Ge áîëåå 6 ML è
ñîäåðæàùèõ äî 109 îñòðîâêîâ Ge [23]. Ïîäëîæêîé
1174 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ
–0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
140
150
160
170
180
C2D
20 ML Ge
2 ML
13 ML
10 ML
8 ML
6 ML
0 ML
C
,í
Ô
/ñ
ì
V , Âg
2
Ðèñ. 4. Âîëüò-ôàðàäíûå õàðàêòåðèñòèêè ñòðóêòóð ñ ðàç-
ëè÷íîé òîëùèíîé ñëîÿ Ge.
ñëóæèëà âûñîêîîìíàÿ ïëàñòèíà Si n-òèïà. Èçìåíå-
íèå ïðîâîäèìîñòè ÌÄÏ-òðàíçèñòîðîâ, â êîòîðûõ
ïðîâîäÿùèé êàíàë âêëþ÷àåò ñëîé íàíîêðèñòàëëîâ
Ge, îêàçàëîñü äîñòàòî÷íî èíôîðìàòèâíûì äëÿ èçó-
÷åíèÿ ýôôåêòîâ ýëåêòðîííûõ êîððåëÿöèé è ðàçìåð-
íîãî êâàíòîâàíèÿ [23]. Ïîñëåäîâàòåëüíîå çàïîëíå-
íèå îñòðîâêîâ íîñèòåëÿìè îñóùåñòâëÿëîñü ïðèëîæå-
íèåì ïîòåíöèàëà ê çàòâîðó òðàíçèñòîðà. Ïðè èñïîëü-
çóåìûõ ïëîòíîñòÿõ îñòðîâêîâ Ge ñóùåñòâåííûìè ñòà-
íîâÿòñÿ òóííåëüíûå ïåðåõîäû ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè,
ëîêàëèçîâàííûìè â ðàçëè÷íûõ îñòðîâêàõ. Âåðîÿò-
íîñòü «ïåðåñêîêîâ» äûðêè ìåæäó êâàíòîâûìè òî÷êà-
ìè îïðåäåëÿåòñÿ 1) ïåðåêðûòèåì âîëíîâûõ ôóíêöèé
çàïîëíåííîãî è íåçàíÿòîãî ñîñòîÿíèÿ è 2) ñòåïåíüþ
çàïîëíåíèÿ äàííîé äûðî÷íîé îáîëî÷êè. Åñëè ñîîòâåò-
ñòâóþùèé óðîâåíü çàïîëíåí òî÷íî íàïîëîâèíó, òî
ïðîâîäèìîñòü äîëæíà áûòü ìàêñèìàëüíîé, à ýíåðãèÿ
àêòèâàöèè ïåðåõîäîâ äîëæíà îïðåäåëÿòüñÿ ýëåêòðî-
ñòàòè÷åñêîé ýíåðãèåé âçàèìîäåéñòâèÿ äàííîé äûðêè
ñî âñåìè çàðÿäàìè â íàíîêðèñòàëëàõ. Ïðè ïîëíîì çà-
ïîëíåíèè óðîâíÿ íîñèòåëü â ïðîöåññå òóííåëèðîâà-
íèÿ âûíóæäåí ïåðåõîäèòü íà âîçáóæäåííûå ñîñòîÿ-
íèÿ ñëåäóþùåé îáîëî÷êè. Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ
àêòèâàöèè âîçðàñòàåò íà âåëè÷èíó, ðàâíóþ ýíåðãèè
ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ, à ïðîâîäèìîñòü óìåíüøà-
åòñÿ. Ïðè äàëüíåéøåì çàïîëíåíèè âîçáóæäåííîãî
ñîñòîÿíèÿ ýíåðãèÿ àêòèâàöèè, òðåáóåìàÿ äëÿ ïîìå-
ùåíèÿ íîñèòåëÿ íà äàííûé óðîâåíü â äðóãèõ òî÷-
êàõ, óìåíüøàåòñÿ è ñíîâà íà÷èíàåò îïðåäåëÿòüñÿ
ýëåêòðîí-ýëåêòðîííûì âçàèìîäåéñòâèåì, ÷òî ïðèâî-
äèò ê ðîñòó âåëè÷èíû ïðûæêîâîé ïðîâîäèìîñòè, è
òàê äàëåå.
Òàêèì îáðàçîì, âåëè÷èíà ïðûæêîâîé ïðîâîäèìî-
ñòè ïðè ôèêñèðîâàííîé òåìïåðàòóðå, à òàêæå ýíåð-
ãèÿ àêòèâàöèè ïðîâîäèìîñòè äîëæíû îñöèëëèðîâàòü
ïðè èçìåíåíèè çàòâîðíîãî íàïðÿæåíèÿ, îòðàæàÿ òåì
ñàìûì ñòðóêòóðó ñïåêòðà ñîñòîÿíèé. Òàêèå îñöèë-
ëÿöèè ïðèñóùè ëèøü íóëüìåðíûì ñèñòåìàì, â êîòî-
ðûõ ýëåêòðîííûé ñïåêòð íîñèò äèñêðåòíûé (àòîìî-
ïîäîáíûé) õàðàêòåð. Â îáëàñòè íèçêèõ òåìïåðàòóð
(T < 9 Ê) íà çàâèñèìîñòÿõ ïðîâîäèìîñòè êàíàëà îò
çàòâîðíîãî íàïðÿæåíèÿ áûëè îáíàðóæåíû îñöèëëÿ-
öèè, ñîîòâåòñòâóþùèå çàïîëíåíèþ îñíîâíîãî è âîç-
áóæäåííîãî ñîñòîÿíèé â ÊÒ (ðèñ. 5). Ïîëó÷åííàÿ
ñòåïåíü âûðîæäåíèÿ ñîñòîÿíèé (2 äëÿ îñíîâíîãî è 4
äëÿ âîçáóæäåííîãî) ñîãëàñóåòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè, ïî-
ëó÷åííûìè ìåòîäàìè òóííåëüíîé, åìêîñòíîé ñïåê-
òðîñêîïèè. Íàéäåííûå ïðè àíàëèçå ïåðèîäà îñöèë-
ëÿöèé îñíîâíûå ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè
(êîððåëÿöèîííàÿ ýíåðãèÿ â îñíîâíîì ñîñòîÿíèè
EC � 28 ìýÂ, â âîçáóæäåííîì EC � 11 ìýÂ, ýíåðãèÿ
ðàçìåðíîãî êâàíòîâàíèÿ � 86 ìýÂ — âñå ýòè öèôðû
ïðèâåäåíû äëÿ deff = 10 ML) òàêæå ñîãëàñóþòñÿ ñ
ðåçóëüòàòàìè, ïîëó÷åííûìè äðóãèìè ìåòîäàìè. Â
ÌÄÏ-òðàíçèñòîðå ñî ñëîåì ÊÒ, ñôîðìèðîâàííîì íà
ñòðóêòóðå êðåìíèé-íà-èçîëÿòîðå (SIMOX), óäàåòñÿ
ìèíèìèçèðîâàòü òîêè óòå÷êè ÷åðåç íèæåëåæàùèå
ñëîè Si, â ðåçóëüòàòå îñöèëëÿöèè ïðîâîäèìîñòè íà-
áëþäàþòñÿ âïëîòü äî òåìïåðàòóð � 150 Ê. Òåìïåðà-
òóðíàÿ çàâèñèìîñòü ïðîâîäèìîñòè îêàçàëàñü àêòèâà-
öèîííîé, ÷òî îòëè÷àåò ïðîèñõîäÿùèå ïðîöåññû îò
ðåçîíàíñíîãî òóííåëèðîâàíèÿ è ñâèäåòåëüñòâóåò â
ïîëüçó ïðûæêîâîãî ìåõàíèçìà ïåðåíîñà çàðÿäà ïî
ÊÒ.  îáùåì ñëó÷àå òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü
ïðûæêîâîé ïðîâîäèìîñòè îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì
G T G T T x( ) exp[ ( ) ]� �0 0 . Àïïðîêñèìàöèÿ ýòîé ôîð-
ìóëîé ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ äëÿ âñåõ íàáëþ-
äàåìûõ ïèêîâ ïðèâåëà ê çíà÷åíèþ x � 1 2, êîòîðîå
ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ýíåðãèÿ àêòèâàöèè ïðûæ-
êîâîé ïðîâîäèìîñòè â ìàññèâå ÊÒ îïðåäåëÿåòñÿ êóëî-
íîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåì ìåæäó íèìè [24]. Â ýòîì
ñëó÷àå T e0
26 2� , �� [25], ãäå � — äèýëåêòðè÷åñêàÿ
ïðîíèöàåìîñòü, � — ðàäèóñ ëîêàëèçàöèè íîñèòåëåé â
ÊÒ. Èç ýêñïåðèìåíòàëüíûõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðà T0
áûë íàéäåí õàðàêòåðíûé ðàçìåð âîëíîâûõ ôóíêöèé
äûðîê â ÊÒ � � 15–20 íì. Âåëè÷èíà ýíåðãèè àêòèâà-
öèè W k T T� �0 5 110
1 2, ( ) ìýÂ â îáëàñòè îòíîñèòåëü-
íî âûñîêèõ òåìïåðàòóð (� 100 Ê), êîãäà «ïðûæêè»
äûðîê ïðîèñõîäÿò ïî áëèæàéøèì ñîñåäÿì, ÿâëÿåòñÿ
ìåðîé âêëàäà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó òî÷êàìè â ïîë-
íóþ êîððåëÿöèîííóþ ýíåðãèþ EC (21 ìýÂ). Îñòàâ-
øàÿñÿ ÷àñòü (�10 ìýÂ) ñâÿçàíà ñî âçàèìîäåéñòâèåì
äûðîê âíóòðè ÊÒ.
2.4. Ñïåêòðîñêîïèÿ ïðîâîäèìîñòè
Èçìåðåíèÿ êîìïëåêñíîé ïðîâîäèìîñòè êðåìíèå-
âûõ áàðüåðîâ Øîòòêè ñ çàõîðîíåííûì ñëîåì ÊÒ Ge
ïîçâîëèëè ïîëó÷èòü äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11 1175
–25 –20 –15 –10 –5 0 5
0
0,4
0,8
1,2
1,6
26 K
14 K
8,7 K
6 K
10 ML Ge
Íàïðÿæåíèå íà çàòâîðå, Â
G
/G
Ðèñ. 5. Îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå ïðîâîäèìîñòè êàíàëà
ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà, ñîäåðæàùåãî 109 êâàíòîâûõ òî-
÷åê, êàê ôóíêöèÿ íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå ïðè ðàçëè÷-
íûõ òåìïåðàòóðàõ.
î ñòðóêòóðå ýíåðãåòè÷åñêîãî ñïåêòðà ÊÒ è ïàðàìåò-
ðàõ äûðî÷íûõ ñîñòîÿíèé [26]. Îòêëèê îò ÊÒ â äàí-
íîì ñëó÷àå ïðåäñòàâëÿåòñÿ êàê îòêëèê îò êîíäåíñà-
òîðà ñ ïîòåðÿìè [27] è õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîñòîÿííîé
âðåìåíè
� R CQD QD. Ïðè óâåëè÷åíèè îáðàòíîãî
ñìåùåíèÿ îáåäíåííàÿ îáëàñòü ïðîíèêàåò â ãëóáü Si,
ïðèâîäÿ ê îïóñòîøåíèþ äûðî÷íûõ óðîâíåé â ÊÒ.
Ïóñòü ñìåùåíèå òàêîâî, ÷òî ýíåðãåòè÷åñêèé óðîâåíü
â ÊÒ ñîâïàäåò ñ óðîâíåì Ôåðìè â íèæíåì êîíòàêòå
p+-Si. Òîãäà ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ïðèëîæåí-
íîãî ê îáðàçöó íàïðÿæåíèÿ (Vac) äîëæíà ñòèìóëè-
ðîâàòü ýìèññèþ äûðîê â âàëåíòíóþ çîíó è çàõâàò èõ
îáðàòíî íà ñâÿçàííûå â îñòðîâêàõ ñîñòîÿíèÿ, ïðèâî-
äÿ ê ïîÿâëåíèþ ïðîâîäèìîñòè íà ïåðåìåííîì òîêå.
Åñëè ÷àñòîòà èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ (� �� 2 f) äîñ-
òàòî÷íî âåëèêà (�
�� 1), òî çàñåëåííîñòü óðîâíåé
íå óñïåâàåò îòñëåæèâàòü èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ è
ÊÒ íå âíîñÿò âêëàä â èçìåðÿåìóþ åìêîñòü (Ceff ) è
ïðîâîäèìîñòü (Geff ) ñòðóêòóðû.  îáðàòíîì ñëó÷àå
(�
�� 1) ýôôåêòèâíàÿ åìêîñòü ñîäåðæèò âêëàä äû-
ðîê, àêêóìóëèðîâàííûõ â ñëîå îñòðîâêîâ, è íå çàâè-
ñèò îò ÷àñòîòû. Ïîñêîëüêó ýòîò âêëàä èìååò ÷èñòî
ýëåêòðîñòàòè÷åñêèé õàðàêòåð, íèçêî÷àñòîòíàÿ ïðî-
âîäèìîñòü íà ïåðåìåííîì òîêå ìàëà. Î÷åâèäíî, ÷òî,
êîãäà ýôôåêòèâíàÿ ñêîðîñòü ýìèññèè
i
�1 ñ äàííîãî
i-ãî óðîâíÿ ñîâïàäàåò ñ ÷àñòîòîé ïðèëîæåííîãî íà-
ïðÿæåíèÿ (2 1�
f i � ), ïðîâîäèìîñòü äîëæíà èìåòü
ìàêñèìóì. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî ïîçâîëÿåò îïðåäå-
ëèòü âðåìåíà ýìèññèè, ýíåðãèè àêòèâàöèè è ñå÷åíèÿ
çàõâàòà íà ñîîòâåòñòâóþùèå óðîâíè â ÊÒ [28]. Íà
çàâèñèìîñòè àêòèâíîé ÷àñòè ïðîâîäèìîñòè, íîðìè-
ðîâàííîé íà ÷àñòîòó ïåðåìåííîãî ñèãíàëà, îò íàïðÿ-
æåíèÿ ñìåùåíèÿ íàáëþäàþòñÿ äâà ïèêà ïðè 0,1 è
0,6 Â. Àìïëèòóäà ýòèõ ïèêîâ íå çàâèñèò îò ÷àñòîòû
â äèàïàçîíå 10–100 êÃö è, ïî-âèäèìîìó, ïèêè ñâÿçà-
íû ñ ïåðåçàðÿäêîé ñìà÷èâàþùåãî ñëîÿ.  îáðàçöå ñ
ÊÒ íàáëþäàþòñÿ ÷åòûðå äîïîëíèòåëüíûõ ïèêà, íà-
ëè÷èå êîòîðûõ áûëî ïðèïèñàíî ïåðåçàðÿäêå ÷åòû-
ðåõêðàòíî âûðîæäåííîãî ïåðâîãî âîçáóæäåííîãî
ñîñòîÿíèÿ â íàíîêðèñòàëëàõ Ge [26]. Âðåìåíà ýìèñ-
ñèè ïðè òåìïåðàòóðå 90 Ê îêàçàëèñü ðàâíûìè (ìêñ):
1 51 01� �, , ,
2 3 0 01� �, , ,
3 0 39 0 01� �, , è
4 0 29 0 01� �, , . Òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè âðåìåí
ýìèññèè ïîçâîëèëè îïðåäåëèòü ýíåðãèè àêòèâàöèè
(ãëóáèíó çàëåãàíèÿ óðîâíåé, ìýÂ) E1 201 7� � ,
E2 228 7� � , E3 267 12� � , E4 288 10� � , à òàêæå
ñå÷åíèÿ çàõâàòà (ðèñ. 6). Ðàññòîÿíèå ìåæäó óðîâíÿ-
ìè 29 16� ìýÂ (ýíåðãèÿ çàðÿäêè ÊÒ) õîðîøî êîððå-
ëèðóåò ñ äàííûìè, ïîëó÷åííûìè äðóãèìè ìåòîäàìè.
Ïîëó÷åííûå ñå÷åíèÿ çàõâàòà íîñèòåëåé íà êâàíòî-
âûå òî÷êè óâåëè÷èâàþòñÿ ñ ðîñòîì ãëóáèíû çàëåãà-
íèÿ óðîâíåé è íà ìíîãî ïîðÿäêîâ ïðåâûøàþò èç-
âåñòíûå âåëè÷èíû äëÿ ãëóáîêèõ óðîâíåé â Si.
Âîçìîæíîå îáúÿñíåíèå çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðî-
öåññ çàõâàòà íîñèòåëåé âíà÷àëå îñóùåñòâëÿåòñÿ íà
óðîâíè ñ ìàëîé ãëóáèíîé çàëåãàíèÿ òîíêîãî ñïëîø-
íîãî ñëîÿ Ge, íà êîòîðîì íàõîäÿòñÿ îñòðîâêè Ge
(ñìà÷èâàþùèé ñëîé) è êîòîðûé èìååò ðàçìåðû,
ñðàâíèìûå ñ ðàçìåðîì ñòðóêòóðû. Äàëåå ïðîèñõî-
äèò ïîñëåäîâàòåëüíàÿ èõ ðåëàêñàöèÿ íà ãëóáîêèå
óðîâíè ÊÒ ñ èñïóñêàíèåì ôîíîíîâ.
3. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà
Èíòåðåñ ê èññëåäîâàíèþ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ÊÒ
îáóñëîâëåí ÿðêî âûðàæåííîé ïðàêòè÷åñêîé íàïðàâ-
ëåííîñòüþ è ðÿäîì ïðåèìóùåñòâ òàêèõ îáúåêòîâ ïî
ñðàâíåíèþ ñ äâóìåðíûìè êâàíòîâûìè äîëèíàìè.
Îñîáåííîñòüþ ÊÒ ÿâëÿåòñÿ, âî-ïåðâûõ, âîçìîæ-
íîñòü óïðàâëåíèÿ ñïåêòðàëüíîé ïîëîñîé ôîòîîòêëè-
êà ïóòåì ïðåäâàðèòåëüíîãî çàñåëåíèÿ äèñêðåòíûõ
ñîñòîÿíèé ñ òðåáóåìîé ýíåðãèåé ïåðåõîäîâ; âî-âòî-
ðûõ, íàëè÷èå ëàòåðàëüíîãî êâàíòîâàíèÿ â íóëüìåð-
íûõ ñèñòåìàõ ñíèìàåò çàïðåò íà îïòè÷åñêèå ïåðåõî-
äû, ïîëÿðèçîâàííûå â ïëîñêîñòè ôîòîïðèåìíèêà, à
çíà÷èò, ïðåäîñòàâëÿåò âîçìîæíîñòü îñóùåñòâèòü ïî-
ãëîùåíèå ñâåòà ïðè íîðìàëüíîì ïàäåíèè ôîòîíîâ;
â-òðåòüèõ, â ÊÒ îæèäàåòñÿ ñèëüíîå óâåëè÷åíèå âðå-
ìåíè æèçíè ôîòîâîçáóæäåííûõ íîñèòåëåé âñëåäñò-
âèå òàê íàçûâàåìîãî ýôôåêòà «óçêîãî ôîíîííîãî
ãîðëà» (phonon bottleneck effect [28]).
3.1. ÈÊ ïîãëîùåíèå
Ïîãëîùåíèå ôîòîíîâ ÈÊ ñïåêòðàëüíîãî äèàïàçî-
íà â ìíîãîñëîéíûõ ãåòåðîñòðóêòóðàõ Ge/Si ñ ñàìî-
îðãàíèçóþùèõñÿ ÊÒ èçó÷åíî â ðàáîòàõ [29,30]. Ðàç-
ìåðû îñòðîâêîâ â îáîèõ ñëó÷àÿõ ñîñòàâëÿëè
� 40–50 íì â îñíîâàíèè è 2–4 íì âûñîòîé. Ïëîò-
1176 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ
180 220 260 300
10
–14
10
–12
10–10
10
–8
10
–6
Å , ìýÂ
cì
S
,
11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5
10
–7
10
–6
10
–5
10
–4
10
–3
T, K
,
ñ
75808590
E4
E3
E2
E1
–1T ,10 /K3
i
Ðèñ. 6. Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü âðåìåíè ýìèññèè äû-
ðîê ñ âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ â êâàíòîâûå òî÷êè. Íà
âñòàâêå — çàâèñèìîñòü ñå÷åíèÿ çàõâàòà íà óðîâíè â
êâàíòîâûõ òî÷êàõ îò ýíåðãèè çàëåãàíèÿ óðîâíåé.
íîñòü îñòðîâêîâ � 108 ñì–2. Àâòîðû [29] èñïîëüçî-
âàëè ïîäëåãèðîâàíèå îñòðîâêîâ Ge áîðîì ñ òåì, ÷òî-
áû çàñåëèòü îñíîâíîå ñîñòîÿíèå ÊÒ äûðêàìè. Â
ñïåêòðàõ ïîãëîùåíèÿ â îáëàñòè äëèí âîëí 5–6 ìêì
íàáëþäàëàñü øèðîêàÿ (�100 ìýÂ) ëèíèÿ, àìïëèòó-
äà êîòîðîé ñèëüíî óìåíüøàëàñü ïðè ïåðåõîäå ê ïî-
ëÿðèçàöèè ñâåòà, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïëîñêîñòè ñëî-
åâ, è áûëà îáúÿñíåíà ïåðåõîäàìè ìåæäó äâóìÿ
íèçøèìè óðîâíÿìè ïîïåðå÷íîãî êâàíòîâàíèÿ òÿæå-
ëûõ äûðîê â ÊÒ. Â ðàáîòå [30] äëÿ àêòèâèçàöèè îï-
òè÷åñêèõ ïåðåõîäîâ âíóòðè íåëåãèðîâàííîé ÊÒ èñ-
ïîëüçîâàíà äîïîëíèòåëüíàÿ ñâåòîâàÿ íàêà÷êà.
Ôîòîèíäóöèðîâàííîå ïîãëîùåíèå, ïîëÿðèçîâàííîå
ïàðàëëåëüíî ïëîñêîñòè ñëîåâ, èìåëî àñèììåòðè÷íûé
ìàêñèìóì â ðàéîíå 4,2 ìêì è ñâÿçûâàëîñü ñ ïåðåõî-
äîì äûðîê èç îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ ÊÒ â ðàñïðîñòðà-
íåííûå ñîñòîÿíèÿ âàëåíòíîé çîíû. Íåîáû÷àéíî âû-
ñîêèì îêàçàëîñü îïðåäåëåííîå àâòîðàìè [30]
çíà÷åíèå ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ (2�10–13 ñì2), ÷òî ïðå-
âûøàåò ïî êðàéíåé ìåðå íà ïîðÿäîê èçâåñòíûå ñå÷å-
íèÿ ôîòîèîíèçàöèè äëÿ ëîêàëüíûõ öåíòðîâ â Si [31]
è íà òðè ïîðÿäêà àíàëîãè÷íóþ âåëè÷èíó äëÿ ÊÒ
InAs/GaAs [32]. Ýòè äàííûå ñâèäåòåëüñòâóþò î ïåð-
ñïåêòèâíîñòè ñèñòåìû Ge/Si äëÿ ÈÊ-äåòåêòîðîâ.
3.2. Ôîòîïðîâîäèìîñòü
Âïåðâûå î ðåãèñòðàöèè ôîòîòîêà, ãåíåðèðîâàí-
íîãî ôîòîíàìè ñ ýíåðãèåé, ìåíüøåé øèðèíû çàïðå-
ùåííîé çîíû êðåìíèÿ, â ãåòåðîñòðóêòóðàõ Ge/Si ñ
ñàìîîðãàíèçóþùèìèñÿ ÊÒ ñîîáùàëîñü â ðàáîòàõ
[33,34]. Âîçìîæíîñòü ðåàëèçàöèè ôîòîïðèåìíèêà ñ
ÊÒ, ïåðåñòðàèâàåìîãî ïîä áëèæíèé è ñðåäíèé ÈÊ
äèàïàçîíû, áûëà ïðîäåìîíñòðèðîâàíà â ðàáîòå
[35]. Ôîòîïðèåìíèê ïðåäñòàâëÿë ñîáîé êðåìíèåâûé
pin-äèîä, â áàçó êîòîðîãî áûë ââåäåí äâóìåðíûé
ìàññèâ íàíîêëàñòåðîâ Ge. Ñðåäíèé ëàòåðàëüíûé
ðàçìåð ÊÒ ñîñòàâëÿë 15 íì, âûñîòà 1,5 íì. Ñïåêòðû
ôîòîòîêà ïðè ðàçëè÷íîì îáðàòíîì ñìåùåíèè ïîêà-
çàíû íà ðèñ. 7. Â îáðàçöå ñî ñïëîøíîé ïëåíêîé Ge
(6 ML) ôîòîîòêëèê îòñóòñòâóåò. Â ñòðóêòóðå ñ ÊÒ
ïðè ýíåðãèÿõ, ìåíüøèõ êðàÿ ñîáñòâåííîãî ïîãëîùå-
íèÿ â êðåìíèè (� 1,12 ýÂ), íàáëþäàþòñÿ äâà ìàêñè-
ìóìà íà äëèíàõ âîëí 1,7 è 2,9 ìêì. Èíòåíñèâíîñòü
îáîèõ ìàêñèìóìîâ ñèëüíî çàâèñèò îò âåëè÷èíû îá-
ðàòíîãî ñìåùåíèÿ, ïðè÷åì ýòè çàâèñèìîñòè êîððå-
ëèðóþò ìåæäó ñîáîé. Ïðè óâåëè÷åíèè ñìåùåíèÿ äî
âåëè÷èíû 1,4  ïðîèñõîäèò èñ÷åçíîâåíèå îòêëèêà â
ñðåäíåì ÈÊ äèàïàçîíå (ïðè 2,9 ìêì, ëèíèÿ Ò1) è
ïîÿâëÿåòñÿ ñèãíàë â áëèæíåé ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà
(ïðè 1,7 ìêì, ëèíèÿ Ò2). Çíà÷åíèå ýíåðãèè â ìàêñè-
ìóìå Ò1 (430 ìýÂ) ñîîòâåòñòâóåò ýíåðãèè çàëåãàíèÿ
îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ äûðêè â ÊÒ [36]. Ïîýòîìó ïðî-
öåññ Ò1 áûë èäåíòèôèöèðîâàí êàê ïåðåõîä äûðêè èç
îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ, ëîêàëèçîâàííîãî â Ge ÊÒ, â
ðàñïðîñòðàíåííûå ñîñòîÿíèÿ âàëåíòíîé çîíû. Ïî
ìåðå óâåëè÷åíèÿ îáðàòíîãî ñìåùåíèÿ äûðî÷íûå
óðîâíè â ÊÒ çàïîëíÿþòñÿ ýëåêòðîíàìè. Â îáëàñòè
íàïðÿæåíèé îêîëî 1,4 Â ïðîèñõîäèò ïîëíàÿ ðàçðÿä-
êà ÊÒ äûðêàìè, è ïåðåõîä Ò1 ñòàíîâèòñÿ «çàïðå-
ùåííûì». Íà÷èíàÿ ñ ýòîãî ìîìåíòà âîçíèêàåò âîç-
ìîæíîñòü ìåæçîííûõ ïåðåõîäîâ ýëåêòðîíîâ èç
âàëåíòíîé çîíû â çîíó ïðîâîäèìîñòè (ïðîöåññ Ò2).
Ïîñêîëüêó èññëåäóåìàÿ ñèñòåìà îòíîñèòñÿ ê ãåòåðî-
ñòðóêòóðàì âòîðîãî ðîäà — äûðêè ëîêàëèçóþòñÿ à
îáëàñòÿõ Ge, â òî âðåìÿ êàê äëÿ ýëåêòðîíîâ îáëàñòè
Ge ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð [37],
— òàêîé îïòè÷åñêèé ïåðåõîä ÿâëÿåòñÿ íåïðÿìûì â
êîîðäèíàòíîì ïðîñòðàíñòâå è ñîïðîâîæäàåòñÿ ïåðå-
áðîñîì ýëåêòðîíà èç Ge â Si. Ýíåðãèÿ ïåðåõîäà
äîëæíà îïðåäåëÿòüñÿ ðàçíèöåé ìåæäó øèðèíîé çà-
ïðåùåííîé çîíû Si (1,12 ýÂ) è ýíåðãèåé äûðî÷íîãî
ñîñòîÿíèÿ â Ge ÊÒ (0,43 ýÂ), ò.å. ðàâíÿòüñÿ 700 ìýÂ,
÷òî ñîãëàñóåòñÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûì ïîëîæåíèåì
ëèíèè Ò2 (� 730 ìýÂ).
Çàêëþ÷åíèå
Ïðîâåäåííûå èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ ïîëó÷åíèÿ
è èçìåðåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è îïòè÷åñêèõ õàðàêòå-
ðèñòèê ìàññèâîâ íàíîîñòðîâêîâ Ge â Si ïîçâîëÿþò
ñäåëàòü âûâîä î ôîðìèðîâàíèè ìàññèâîâ èñêóññò-
âåííûõ «àòîìîâ», îáëàäàþùèõ äèñêðåòíûì ýíåðãå-
òè÷åñêèì ñïåêòðîì, êîòîðûé ïðîÿâëÿåòñÿ âïëîòü äî
êîìíàòíîé òåìïåðàòóðû. Îñíîâíûìè ôàêòîðàìè,
îïðåäåëÿþùèìè ñïåêòð ñîñòîÿíèé, ñëóæàò ðàçìåð-
íîå êâàíòîâàíèå è êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå íî-
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11 1177
300 400 500 600 700 800 900
Ýíåðãèÿ ôîòîíà, ìýÂ
Äëèíà âîëíû, ìêì
4,0 3,5 2,5 2,0 1,5
15
10
5
0
300 Ê 1,4 Â
1,2 Â
1,0 Â
0,5 Â
0,1 Â
Ò2
Ò1
3,0
Ðèñ. 7. Ñïåêòðû ôîòîòîêà êðåìíèåâîãî pin-äèîäà ñ
êâàíòîâûìè òî÷êàìè Ge ïðè ðàçëè÷íûõ îáðàòíûõ ñìå-
ùåíèÿõ. Ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ äåìîíñòðèðóåò îòñóòñòâèå
ôîòîòîêà â ñòðóêòóðå ñî ñïëîøíûì ñëîåì Ge.
ñèòåëåé. Íîâûì ôàêòîðîì, âîçíèêàþùèì â ìàññèâå
ÊÒ è îòëè÷àþùèì åãî îò ñèòóàöèè îäèíî÷íîé ÊÒ,
ÿâëÿåòñÿ êóëîíîâñêèå êîððåëÿöèè ìåæäó îñòðîâêà-
ìè. Îïðåäåëåíû ñêîðîñòè èñïóñêàíèÿ, ñå÷åíèÿ çà-
õâàòà äûðîê â çàâèñèìîñòè îò ãëóáèíû çàëåãàíèÿ
ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé. Âåëè÷èíû ñå÷åíèé ïðåâû-
øàþò íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ èçâåñòíûå çíà÷åíèÿ â
Si. Ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò âäîëü ñëîåâ ÊÒ îñóùå-
ñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðûæêîâîé ïðîâîäèìîñòè, âå-
ëè÷èíà êîòîðîé îñöèëëèðóåò ïðè èçìåíåíèè ñòåïå-
íè çàïîëíåíèÿ îñòðîâêîâ äûðêàìè, ÷òî ìîæåò ëå÷ü â
îñíîâó ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ öåïåé ïåðåäà÷è èí-
ôîðìàöèè íà ÊÒ. Ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ
ïåðåñòðàèâàåìîãî ïîä áëèæíèé è ñðåäíèé ÈÊ äèà-
ïàçîí ôîòîäåòåêòîðà ñ Ge êâàíòîâûìè òî÷êàìè.
Âûïîëíåííûå èññëåäîâàíèÿ ïîääåðæàíû Ðîññèé-
ñêèì ôîíäîì ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé (ãðàí-
òû 99-02-17019, 03-02-16506, 03-02-16468), ãðàíòîì
Ìèíïðîìíàóêè ÍØ-533-2003-2, ïðîåêò Ìèíïðîì-
íàóêè ¹37.029.11.0041, Ìåæîòðàñëåâîé íàó÷íî-òåõ-
íè÷åñêîé ïðîãðàììîé «Ôèçèêà òâåðäîòåëüíûõ íàíî-
ñòðóêòóð» (ãðàíò 98-1100) è ìåæâóçîâñêîé íàó÷íîé
ïðîãðàììîé «Óíèâåðñèòåòû Ðîññèè — ôóíäàìåí-
òàëüíûå èññëåäîâàíèÿ» (ãðàíò 4103).
1. L. Jacak, P. Hawrylak, and A. Wojs, Quantum Dots.
Berlin, Springer (1998), p. 196.
2. Í.Í. Ëåäåíöîâ, Â.Ì. Óñòèíîâ, Â.À. Ùóêèí, Ï.Ñ.
Êîïüåâ, Æ.È. Àëôåðîâ, Ä. Áèìáåðã, ÔÒÏ 32, 385
(1998).
3. À.I. Yakimov, V.A. Markov, A.V. Dvurechenskii, and
O.P. Pchelyakov, Philos. Mag. B65, 701 (1992).
4. T.I. Kamins, G. Medeiros-Ribeiro, D.A.A. Ohlberg,
and R. S. Williams, J. Appl. Phys. 85, 1159 (1999).
5. M. Kastner and B. Voigtlander, Phys. Rev. Lett. 82,
2745 (1999).
6. D.J. Eaglesham and M. Cerullo, Phys. Rev. Lett. 64,
1943 (1990).
7. Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Þ.Á. Áîëõîâèòÿíîâ, Ë.Â. Ñîêîëîâ,
À.È. Íèêèôîðîâ, Á. Ôîéõòëåíäåð, Èçâåñòèÿ ÀÍ,
Ñåð. ôèç. 64, 205 (2000).
8. K. Brunner, Rep. Prog. Phys. 65, 27 (2002).
9. G. Capellini, M. De Seta, and F. Evangelistib, Appl.
Phys. Lett. 78, 3 (2001).
10. O.P. Pchelyakov, Yu.B. Bolkhovityanov, A.I. Niki-
forov, B.Z. Olshanetsky, L.V. Sokolov, S.A. Teys, and
B. Voigtlaender, Atomistic Aspects of Epitaxial
Growth, M. Kortla et al. (eds.), Kluwer Academic
Publishers (2002), p. 371.
11. O.P. Pchelyakov, Yu.B. Bolkhovityanov, A.V.
Dvurechenskii, A.I. Nikiforov, A.I. Yakimov, and B.
Voigtlaender, Thin Solid Films 367, 75 (2000).
12. J. Li, J. Jia, X. Liang, X. Liu, J. Wang, Q. Xue, Z.
Li, J. Tse, Z. Zhang, and S. Zhang, Phys. Rev. Lett.
88, 066101-1 (2002).
13. J.J. Landerb and L. Morrison, J. Appl. Phys. 33, 2098
(1962).
14. A.A. Shklyaev, M. Shibata, and M. Ichikawa, Phys.
Rev. B62, 1540 (2000).
15. A. Barski, M. Derivaz, J.L. Rouviere, and D. Buttard,
Appl. Phys. Lett. 77, 3541 (2000).
16. A.I. Nikiforov, V.A. Cherepanov, O.P. Pchelyakov,
A.V. Dvurechenskii, and A.I. Yakimov, Thin Solid
Films 380, 158 (2000).
17. A.I. Yakimov, V.A. Markov, A.V. Dvurechenskii, and
O.P. Pchelyakov, J. Phys. Condens. Matter 6, 2573
(1994).
18. U. Meirav and E.B. Foxman, Semicond. Sci. Technol.
10, 255 (1995).
19. R.C. Ashoori, H.L. Stormer, J.S. Weiner, L.N.
Pfeiffer, S.J. Pearton, K.W. Baldwin, and K.W.
West, Phys. Rev. Lett. 68, 3088 (1992).
20. À.È. ßêèìîâ, À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ,
Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ïèñüìà â ÆÝÒÔ 68, 125 (1998).
21. G. Medeiros-Ribeiro, D. Leonard, and P.M. Petroff,
Appl. Phys. Lett. 66, 1767 (1995).
22. A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov,
and O.P. Pchelyakov, Thin Solid Films 336, 332
(1998).
23. A.I. Yakimov, C.J. Adkins, R. Boucher, A.V. Dvure-
chenskii, A.I. Nikiforov, O.P. Pchelyakov, and G.
Biskupskii, Phys. Rev. B59, 12598 (1999).
24. Á.È. Øêëîâñêèé, À.Ë. Ýôðîñ, Ýëåêòðîííûå ñâîé-
ñòâà ëåãèðîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, Íàóêà, Ìîñêâà
(1979).
25. Íãóåí Âàí Ëèåí, ÔÒÏ 18, 335 (1984).
26. A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, A.I. Nikiforov,
and O.P. Pchelyakov, Phys. Low-Dim. Struct. 3/4,
99 (1999).
27. S. Anand, N. Carlsson, M.-E. Pistol, L. Samuelson,
and W. Seifert, J. Appl. Phys. 84, 3747 (1998).
28. M. Sugawara, K. Mukai, and H. Shoji, Appl. Phys.
Lett. 71, 2791 (1997).
29. J.L. Liu, W.G. Wu, A. Balandin, G.L. Jin, and K.L.
Wang, Appl. Phys. Lett. 74,185 (1999).
30. P. Boucaud, V. Le Thanh, S. Sauvage, D. Debarre,
and D. Bouchier, Appl. Phys. Lett. 74, 401 (1999).
31. Ä.Ê. Øðåäåð, Â êí.: Ïðèáîðû ñ çàðÿäîâîé ñâÿçüþ,
Ä.Ô. Áàðáà (ðåä.), Ìèð, Ìîñêâà (1982), ñ. 70.
32. S. Sauvage, P. Boucaud, J.-M. Gerard, and V. Thier-
ry-Mieg, Phys. Rev. B58, 10562 (1998).
33. G. Abstreiter, P. Schittenhelm, C. Engel, E. Silveira,
A. Zrenner, D. Meertens, and W. Jager, Semicond.
Sci. Technol. 11, 1521 (1996).
34. P. Schittenhelm, C. Engel, F. Findeis, G. Abstreiter,
A.A. Darhuber, G. Bauer, A.O. Kosogov, and P. Wer-
ner, J. Vac. Sci. Technol. B16, 1575 (1998).
35. A.I. Yakimov, A.V. Dvurechenskii, Yu.Yu. Prosku-
ryakov, A.I. Nikiforov, O.P. Pchelyakov, S.A. Teys,
and A.K. Gutakovskii, Appl. Phys. Lett. 75, 1413
(1999).
36. S.K. Zhang, H.J. Zhu, F. Lu, Z.M. Jiang, and Xun
Wang, Phys. Rev. Lett. 80, 3340 (1998).
37. Â.ß. Àëåøêèí, Í.À. Áåêèí, Í.Ã. Êàëóãèí, Ç.Ô.
Êðàñèëüíèê, À.Â. Íîâèêîâ, Â.Â. Ïîñòíèêîâ, Õ. Ñåé-
ðèíãåð, Ïèñüìà â ÆÝÒÔ 67, 46 (1998).
1178 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11
À.Â. Äâóðå÷åíñêèé, À.È. Íèêèôîðîâ, Î.Ï. Ï÷åëÿêîâ, Ñ.À. Òèéñ, À.È. ßêèìîâ
Molecular beam epitaxy and electron properties of
Ge/Si heterosystems with quantum dots
A.V. Dvurechensky, A.I. Nikiforov, O.P. Pchelyakov,
S.A. Teys, and A.I. Yakimov
The experimental data are reported for elec-
trical and optical characteristics of Ge
nanoislands in Si (artificial «atoms») which
have a discrete energy spectrum down to room
temperature. The modern ideas of the mecha-
nisms of the initial stage of self-formation and
ordering of nanoclasters ensembles under hetero-
epitaxy of Ge in Si are briefly considered. The
main factors determining the energy spectrum
are size quantization and Coulomb interaction of
carriers. It is shown that a new factor which oc-
curs in the array of quantum dobs (QD) and is
different from that in the case of a single QD is
Coulomb correlation between nanoislands. The
emission rates and the hole capture cross-sections
are determined as a function of energy level
depth. The cross-section values are by several or-
der of magnitude higher than those known for
Si. The electron transport along the QD layers is
realized via hopping conductivity whose value
oscillates with changing the hole occupancy of
islands. This may lie at the basis of productivity
QD electronic circuits for data transmission. It
is shown that the design of a photodetected with
Ge quantum dots tunable to near and intermedi-
ate IR region is quite possible.
Ìîëåêóëÿðíàÿ ýïèòàêñèÿ è ýëåêòðîííûå ñâîéñòâà ãåòåðîñèñòåì Ge/Si ñ êâàíòîâûìè òî÷êàìè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 11 1179
|