Работа направлена на решение фундаментальной проблемы, связанной c поиском и возможностью практической реализации физических механизмов, позволяющих значительно повысить эффективность излучательной рекомбинации в непрямозонных полупроводниках, таких как кремний и германий. Цель работы заключалась в экспериментальной и теоретической проверке гипотезы о существовании локализованных электронных состояний в напряженных слоях Si в окрестности самоорганизующихся квантовых точек Ge. Ранее считалось, что в гетероструктурах Ge/Si(001) с квантовыми точками Ge существуют связанные состояния только для дырок и расположены они в нанокластерах Ge, тогда как электроны находятся в делокализованных состояниях зоны проводимости Si.
В модели поля валентных сил с использованием межатомного потенциала Китинга рассчитаны механические напряжения в многослойных гетероструктурах Ge/Si(001) с вертикально совмещенными нанокластерами Ge. Обнаружено, что неоднородное пространственное распределение упругих деформаций в такой среде приводит к появлению в напряженных слоях Si вблизи нанокластеров Ge трехмерной потенциальной ямы для электронов. Рассчитаны энергии связи электронов в этой яме и пространственное распределение плотности электронного заряда. Основное состояние имеет s-образную симметрию и характеризуется энергией связи электрона от 60 мэВ до 90 мэВ при изменении элементного состава Ge в нанокластерах от 70% до 100% (Рис. а).

Рис. (а) Энергия связи электронов для первых шести связанных состояний и различного состава Ge в нанокластерах. Число слоев квантовых точек Ge равно 4. (б) Температурные зависимости емкости (C) и проводимости (G) диодов Шоттки с четырьмя слоями нанокластеров Ge и одним слоем (показана только проводимость). Частота зондирующего напряжения 1 МГц, напряжение смещения 0 В. Размеры нанокластеров в плоскости роста 20 нм. Для многослойной структуры толщины Si прослоек между Ge составляют 3 нм, 5 нм и 3 нм, соответственно.

Экспериментально исследован отклик комплексной проводимости кремниевых диодов Шоттки со встроенными в базовую область слоями квантовых точек Ge на внешнее переменное электрическое поле. В многослойных структурах на зависимостях высокочастотной проводимости и емкости от температуры при различных частотах и напряжениях смещения обнаружены соответственно максимумы и ступени (Рис. б), обусловленные перезарядкой электронных уровней вследствие эмиссии электронов из связанных состояний в отщепленных деформацией - долинах Si вблизи нанокластеров Ge в делокализованные состояния зоны проводимости ненапряженного Si. Экспериментально определена энергия связи электронов в основном состоянии, равная 50 мэВ и 70 мэВ для состава Ge в нанокластерах 70% и 80%, соответственно. Близкие величины получены в результате моделирования распределения упругих напряжений и электронной структуры исследуемых образцов, выполненного в рамках атомистического подхода Китинга и приближения эффективной массы. В структурах с одним слоем квантовых точек связанных электронных состояний не наблюдалось. Показано, что причиной возникновения локализованных электронных состояний в напряженных многослойных гетероструктурах Ge/Si является расщепление долин в зоне проводимости напряженного Si, вызванное упругими деформациями в среде.