А.И. Якимов, А.И.Никифоров, А.А.Блошкин, А.В.Двуреченский

Впервые применен метод модуляционной спектроскопии электроотраже- ния в ближней и средней областях ИК-диапазона для выявлении электронной структуры слоев самоорганизующихся квантовых точек Ge (КТ) в Si. Квантовые точки формировались с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии по механизму Страского-Крастанова. Для экспериментов 20 слоев квантовых точек Ge были встроены в базовую область кремниевого pin-диода, в котором электрическое поле контролируется приложением обратного смещения. КТ имели форму hut-кластеров с размером основания 15 нм и высотой 1.5 нм. Для сравнения были выращены аналогичные структуры либо не содержащие Ge вообще, либо содержащие только сплошные «смачивающие» слои Ge толщиной 0.5 нм.

Энергия фотона (эВ) Рис. 1. (а) Спектры электроотражения для контрольных образцов (не содержащего Ge и содержащего только сплошные смачивающие слои - WL), а также для образца с квантовыми точками Ge, измеренные при обратном смещении 1.5 В. (б) Экспериментальный спектр электроотражения (кружки) и результаты аппроксимации первой производной функции Гаусса (сплошные линии).	Рис. 2. Рассчитанные профили краев зон валентной (Г) и проводимости (Δ и L) для напряженной квантовой точки Ge/Si вдоль направления [001]. Возможные оптические переходы показаны стрелками, приведены также их энергии.

В обоих образцах сравнения сигнала электроотражения не было зафиксировано вообще (рис.1), тогда как в структуре с квантовыми точками обнаружены три линии с энергиями 450 мэВ, 832 мэВ и 1207 мэВ. Анализ экспериментальных спектров проводился с помощью функции, соответствующей первой производной комплексной диэлектрической функции с учетом неоднородного уширения, вызванного разбросом размеров квантовых точек (сплошные линии на рис.1б). Для идентификации особенностей спектров электроотражения был выполнен теоретический анализ электронной структуры в рамках 6-зонной k·p -модели с гамильтонианом Бира-Пикуса (рис. 2). С помощью метода конечных элементов учтено неоднородное пространственное распределение упругих деформаций в среде, возникающих из-за различия параметров решетки Ge и Si и приводящее к модификации зонной структуры кристалла. Деформации растяжения в плоскости структур приводит к расщеплению Δ-минимумов зоны проводимости Si, в результате которого низшими минимумами в деформированном Si оказываются две из шести Δ-долин (Δ2-долины), расположенными вдоль направления [001] в зоне Бриллюэна. Было показано, что сила осциллятора для пространственно непрямого межзонного перехода Δ2-Г на порядок меньше силы осциллятора прямого перехода Δ4-Г. Основываясь на модельных расчетах, обнаруженный в эксперименте низкоэнерге- тичный резонанс с энергией 450 мэВ был связан с внутризонным переходом дырки из связанного в КТ состояния в сплошной континнум валентной зоны Si. Сигналы электроотражения с энергиями ~830 мэВ и 1200 мэВ идентифицированы как пространственно прямые межзонные переходы внутри КТ Ge между электронами Δ4 и L-долин зоны проводимости и дырочными состояниями, локализованными в точке.