Найдены оптимальные параметры гетероструктур Ge/Si с электронным типом проводимости, обеспечивающие эффективный фотоприем в длинноволновой (8–14 мкм) области ИК спектра излучения при нормальном падении электромагнитной волны. Численное моделирование распределения механических напряжений в такой системе показывает, что максимальная деформация в Si достигается именно в окрестности вершины островков Ge и представляет собой сжатие в направлении роста [001] (ось z) и растяжение в плоскости структуры. Такая деформация приводит к расщеплению шестикратно вырожденной Дельта-долины зоны проводимости Si, в результате которого низшими минимумами в деформированном Si оказываются две из шести Дельта-долин, расположенные на оси z в зоне Бриллюэна. В ходе вычислительных экспериментов было обнаружено возникновение в напряженных слоях Si вблизи вершин нанокластеров Ge трехмерных потенциальных ям для электронов и формирование в них связанных электронных состояний (рис.1). Показано, что причиной локализации электронных состояний в напряженных многослойных гетероструктурах Ge/Si является расщепление шести Дельта-долин в зоне проводимости Si, вызванное локальным растяжением кремния вблизи нанокластеров Ge.
Рис.1. (а) Двумерное изображение модельной структуры, состоящей из шести вертикально-совмещенных пирамидальных квантовых точек Ge, разделенных слоями Si. Красным цветом показана волновая функция электрона в основном состоянии в плоскости симметрии x-z, проходящей через вершины пирамид. Профили связывающего электроны потенциала U, сформированного полями деформаций вдоль различных крсталлографический направлений, показаны на панелях (б) и (в) относительно края зоны проводимости ненапряженного Si. Распределения волновых функций электрона представлены красным цветом.
Рис.2. Определенная в ходе моделирования энергия связи электрона в основном состоянии Eb и соответствующая длинноволновая граница детектирования фотонов в колонках из шести КТ Ge как функция латерального размера пирамид Ge и средней доли Ge в КТ.
Установлено, что энергия связи электронов достигает величины 100 мэВ по отношению к к краю зоны проводимости ненапряженного Si (соответствующий длинно-волновый край чувствительности 12 мкм, рис.2) при определенной конструкции вертикальной колонки квантовых точек: (1) средняя доля Ge в квантовых точках должна быть не ниже 80–100% (низкие температуры эпитаксии); (2) латеральные размеры нанокластеров Ge от 15 до 25 нм (это требование можно реализовать только при формировании хат-кластеров в режиме роста Странского-Крастанова), (3) расстояние между слоями Ge от 3 до 6 нм, (4) число вертикально совмещенных слоев нанокластеров Ge от 4 до 10.
Рис.3. (а) Спектры фототока в латеральном направлении, измеренные при температуре 85 К при нормальном падении ИК излучения и (б) для ТЕ- и ТМ-поляризации. На панели (а) приложенное к образцу напряжение меняется от 1 В дл 5 В. На вставке показана геометрия измерений поляризационно-зависимой фотопроводимости. Гетероструктура представляла собой шесть слоев КТ Ge пирамидальной формы (рис.3а и 3б). |
Изготовлены образцы для измерений спектральных характеристик фотопроводимости в вертикальной и латеральной геометрии. Измерены спектры фототока для нормального падения излучения, а также для TE-поляризации (излучение поляризовано в плоскости гетероструктуры) и TM-поляризации (вектор электрического поля направлен вдоль направления роста) (рис.3). Пик фототока в области длин волн 12-15 мкм, появляющийся при нормальном падении света, а также для ТЕ-поляризации объяснен переходами электронов из состояний, локализованных в кремнии вблизи вершин квантовых точек, в состояния сплошного спектра Si. В вертикальной поляризации доминирует полоса в области 5-14 мкм, связанная с возбуждением электронов через отщепленные деформацией Дельта-долины германия. В гетероструктурах с квантовыми точками большего размера спектральный состав фотопроводимости более широкий и занимает область 1-25 мкм.