图形衬底上应变SiGeSi超晶格的结构及光致发光研究

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1、 第20卷第5期 半 导 体 学 报 Vol . 20,No. 5 1999年5月 CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORS M ay, 1999 司俊杰 男, 1963年出生,博士,现从事硅基低维半导体材料和结构的光学性质研究 杨沁清 男, 1938年出生,研究员,现从事硅基光电子器件研究 郭丽伟 女, 1962年出生,博士,现从事硅基薄膜材料生长研究 1998207217收到, 1998212229定稿图形衬底上应变SiGe?Si超晶格 的结构及光致发光研究司俊杰 杨沁清 高俊华 滕 达 王启明(中国科学院半导体研究所 北京 100083)郭丽伟 周均铭(

2、中国科学院物理研究所 北京 100080)摘要 本文研究了在Si的图形衬底上生长应变SiGe?Si超晶格的结构和其光致发光性质.图形衬底由光刻形成的类金字塔结构组成.发现在组成倒金字塔结构的(111)面的交界处有富Ge的SiGe量子线出现.对相同条件下图形衬底和平面衬底上的应变SiGe层的光致发光谱进行了比较,图形衬底上总的发光强度相对提高了512倍.认为这种提高同富Ge的SiGe量子线的产生相关.PACC:7855, 6116, 68551 引言能够在Si衬底上以同现有的大规模集成电路工艺相兼容的方式,制作出发光器件,是光电集成领域中的重要研究课题.这将使我们实现硅单片光电集成,完成由微电子

3、向光电子的转变1.硅材料的能带属于间接带隙结构,所以它的光跃迁复合效率比起直接带隙材料要 低很多.量子结构利用能带工程的方法,提供了改善其发光效率的一种手段.应变SiGe?Si量子结构中,尽管SiGe材料仍具有间接带隙的特点,但SiGe价带与Si价 带间较大的带边偏移,提高了对空穴载流子的限制.不规则分布的Ge在SiGe应变层中加 强了电子与空穴波函数的交叠,使得无声子辅助光跃迁几率大大增加2.平面衬底上生长应变SiGe?Si量子阱结构的无声子参与的N P峰跃迁已经得到证实和广泛研究3.为了增加SiGe?Si应变量子阱的发光效率,我们曾在选择性腐蚀构造的Si的非平面衬底上生长应变SiGe?Si

4、结构,并得到了发光效率的明显改善4,预期这种改善同SiGe的低维量子结构相关.事实上,低维量子结构是提高Si基材料发光性能的重要手段之一. Ohno及Sanders等 人报道了对Si量子线结构,当尺度小于018nm时,由于X带和L带的混合,可使材料变为准直接带隙材料5, 6.而量子点的形成,更由于打破了光跃迁需要动量守恒的限制,将使光跃 迁几率有明显提高.为了进一步核实低维量子结构对发光的贡献,我们采用光刻工艺,制作了Si衬底上规则均匀分布的倒金字塔结构,期望在这样的结构里,由晶面交界处得到均匀 的低维结构,并观察其对发光性能的影响.2 实验取n型(100)CZ2Si为衬底,直径为50. 8m

5、m ,电阻率为358cm.在1050下热氧化生成约150nm厚的Si O2,光刻掩膜后由Plasma Therm 520?540型反应离子刻蚀机(R IE)干法腐蚀得到均匀分布的22m2的窗口.再由碱性各向异性腐蚀剂湿法腐蚀得到倒金字 塔结构.为对比测量的需要,同一衬底上一部分为图形衬底,另一部分为平面衬底.去除Si O2后用MBE在700下生长标称值为200nm Si缓冲层?11(215nm Ge0. 3Si0. 7?3nmSi)?30nm Si盖帽层的结构,用Shi madzu SPM 9500型原子力显微镜(A FM)和JEM 200CX型透射电镜(TEM)观察其形貌.测试了该结构在平面

6、衬底和图形衬底上的低温光致发 光(PL)谱,测试是在低温(10K)下进行的,用A r+激光器复合谱线激发, SPEX 1404双光栅单色仪分光,低温Ge探测器探测信号,以常规锁相技术放大后采集处理.图1 A FM所测非平面衬底的表面像插图为单个倒金字塔结构示意图.3 结果与讨论图1为由A FM测得的所构造的倒金字塔结构.它近似为四个(111)晶面和上、 下两个(100)晶面构成.控制腐蚀时间可控制倒金字塔的高度,即下底面的大小.腐蚀时间足够长可达到自终止极限,此时为四个(111)面相交,底面为点状.在我们的结构中,底面未腐蚀到终 点,下底面宽为550nm ,上底面宽为3195m.结构示意图由图

7、1中的插图所示.上底面比掩 膜图形的增宽是由于湿法腐蚀中的横向钻蚀所致. 图2为同一Si晶片上图形衬底区域及平面 衬底区域上的SiGe?Si应变层的PL谱图.由图中 可以清楚地看到,当激发功率相同(均为20mW?mm2)时,图形衬底区域上的应变SiGe?Si量子结 构较相应平面衬底区域上的应变SiGe?Si量子结 构发光效率有明显提高.由积分强度的计算得出, 总的发光强度提高了512倍.这种提高显然同发 光面积的增加相关,然而由简单的几何关系可知,面积增加最多为3倍,故发光强度的提高显然 还同其它增强机制相关. 这种增强机制应是同SiGe?Si低维量子结构 相关.图3给出了由TEM得到的图形衬

8、底上SiGe?Si结构的俯视图和截面图.首先由俯视图可 以看出,在(111)晶面的交界处,衬度图像显示有 量子线结构出现.这种衬度上的差别有两种可能 来源,一是交界处SiGe层厚度增大,结果是产生 几何上的量子线结构.另一个可能是交界处的Ge 含量增大,结果是产生组分上的量子线结构.尽管 有大量V形槽中生长几何形量子线的报道7, 8,453 半 导 体 学 报 20卷图2 同一晶片上图形衬底区域及平面衬底区域应变SiGe?Si超晶格的PL谱虚线为由Gaussian线型模拟的(100)面与(111)面的PL发光峰.但这里我们倾向于该量子线结 构主要还是以组分量子线为主. 它是由(111)面和(1

9、00)面上SiGe阱层中Ge组分向量子线 内扩散所致. Hartmann曾报道过相似的观察结果9.有两个理 由支持我们的看法.第一,如果 是几何上的量子线,衬度像上从 阱到线之间应是单调变化,而不 应该有极值出现.但若是组分量子线,则由于阱中的Ge向线内 扩散的缘故,紧靠量子线区域内 的Ge含量减小,出现Ge的耗尽 区,故在晶面上阱的中部和晶面 交界处量子线内的Ge含量较高,导致这种衬度变化的出现. 第二,A FM的测量也显示,晶面交界处外延层的厚度相对于晶面上外延层的厚度,差别在2%以内.显然,衬度像上的变化不会由此厚度上的不一致所造成.图3 图形衬底上SiGe?Si的TEM像(a)俯视图;

10、 (b)截面图. 这种SiGe阱层中Ge扩散形成量子线是由平面生长SiGe合金的生长动力学所决定 的.理论和实验均已表明,在相同生长条件下,表面上Ge原子的迁移速率大于Si原子的迁 移速率;而晶面凹形交界处无疑是台阶密集处,可提供给入射原子更多同衬底结合生长的机 会,所以该处表面自由能最小.这两点决定了Ge原子更倾向于在晶面交界处富集,形成富Ge量子线.PL谱图中也可观察到SiGe量子线的贡献.在PL谱的低能端有一个小的峰位,由上述 应变SiGe结构中存在富Ge量子线的分析知,尽管(111)面与(111)面和(111)面与(100)面 的交界都会有量子线产生,但由于(111)面与下底面(100

11、)面的交界通常较短,在量子线中所 占比例小,可以指认此低能端的发光峰为来源于(111)面交界处富Ge量子线的发光.显然, 在(111)面与(100)面的交界处也会有富Ge量子线产生,在下底面的四边形顶点,还会有富5535期 司俊杰等: 图形衬底上应变SiGe?Si超晶格的结构及光致发光研究 Ge量子点出现.它们都会对光生载流子的俘获及光复合跃迁几率的增加有作用. 值得注意的是,在图形衬底上测得的PL谱上, SiGe量子线的发光峰强度相对较低.但 我们认为总发光强度512倍的提高同量子线的存在相关.一种可能的解释是, SiGe量子线图4 图形衬底上应变SiGe层中光生载流子的激发和能量转移图图中

12、:h 为激发光;h1为阱区发光;h2为线区发光.由于实际所占几何尺寸比例相对于SiGe阱层很小,它的发光峰并不占主导 地位.但它的存在对阱层中的载流子俘 获和复合有增强作用.图4给出了量子 线和量子阱结构中,光生载流子被激发 和复合时能量转移的示意图.量子线中 的光生载流子由于隧穿和热激发作用,会再进入阱层中复合,从而明显提高了SiGe量子阱层的发光强度. 来自(100)面和来自(111)面的发 光峰位与通常GS2MBE生长的材料的 带边峰相比处于低能位置,它可能是由于生长时Ge含量与标称值偏离所致,也可能是如Noel所述10,来自每一SiGe层中富Ge 的相互间隔的园盘状结构.由截面图可以看

13、出, (100)面SiGe层的厚度比(111)面上SiGe层 的厚度要大,约为后者的114倍.说明(100)面SiGe层生长速率高于(111)面SiGe层的生长 速率.这种生长速率的差别来源于入射原子在不同晶面上迁移速率的差别,即在(100)面的 原子迁移速率慢, (111)面上的原子趋于迁移到(100)面而使(100)晶面外延层增加.这个结 论同N akagaw a的推论不同11,而同本文作者之一以前的研究结果相符12.在图2中,平面衬底上可分辨出来自SiGe层的无声子辅助光跃迁峰(N P峰)和由横向 光学声子辅助的光跃迁峰(TO峰).而在图形衬底上,由于存在(100)和(111)两种晶面取

14、向 上的SiGe应变层,且(111)面上SiGe层厚度较小,故(111)面SiGe的N P峰和TO峰相对 于(100)面的N P、TO峰,处于高能端.两种晶面上SiGe层的发光使得峰位较难辨认,形式 上,我们对四个峰(100)面的N P、TO峰和(111)面的N P、TO峰)进行了线形模拟,组成最终的PL谱线形. Christen和Bi mberg曾对量子阱中激子复合的线形进行了详细的研究13, 指出PL谱峰的展宽存在寿命展宽和统计展宽两种机制.前者同声子散射和载流子散射相 关,在高温时占主导地位,谱线符合Lorentz线形.后者同界面起伏和合金无序相关,低温时 占主导作用,谱线符合Gauss

15、ian线形.我们模拟时采用Gaussian线形得到了来自(100)面 和(111)面SiGe层对PL谱峰的贡献如图2所示.虽然用四个Gaussian线形来模拟实测所得的发光峰数学上可有多种形式,但我们模拟时遵循了:(1)非平面衬底上的(100)面的N P、TO峰和平面衬底上的N P, TO峰峰位一致; (2)N P峰和TO峰的峰位间隔固定,即相 差一个硅TO声子的能量(5718meV);(3) (111)面的N P峰相对于(100)面的N P处于高能端位置.4 结论我们在所构造的倒金字塔结构的图形衬底上生长了应变SiGe?Si超晶格,得到了明显 增加的发光效率,总的发光强度提高了512倍.图形

16、衬底上生长的SiGe?Si应变结构主要由653 半 导 体 学 报 20卷组成倒金字塔的(111)晶面和(100)晶面上的量子阱层和它们交界处的量子线所组成.发光 强度的提高同量子线对发光的贡献相关.该量子线是富Ge的,由其周围阱区中Ge向量子 线中扩散所致.致谢 作者感谢吴巨副研究员在透射电镜测量上给予的帮助.参考文献 1 K. D. Hirschman, L. Tsybeskov, S. P. Duttaguptaet al. , Nature, 1996, 384: 338341. 2 J. W eber andM.I . A lonso, Phys. Rev. B, 1989, 40: 56835693. 3 U. M enczigar, J. Brunner, E. Friesset al. , Thin Solid Film, 1992, 222: 22723