ИК-фотолюминесценция плёнок GexSiyOz: вклад дефектов и нанокластеров германия

Abstract

Нанокристаллы и аморфные нанокластеры кремния и германия в диэлектрических плёнках интересны как с фундаментальной точки зрения (квантовые точки), так и для применения в нано- и оптоэлектронике, а также в элементах энергонезависимой памяти. Недавно в плёнках германосиликатного нестехиометрического стекла GexSiyOz была обнаружена фотолюминесценция в ИК диапазоне, предположительно обусловленная дефектами (избыточными атомами германия) [1]. Нестехиометрические оксидные плёнки двух типов GeO[SiO] и GeO[SiO2] были получены соиспарением порошков GeO2 и либо SiO, либо SiO2 в высоком вакууме, и напылением на холодную подложку Si(001). Исходные и подвергнутые отжигам (550 и 650 oC, 1 час) образцы исследовали методами ИК-спектрокопии, электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и фотолюминесценции (ФЛ). Из анализа спектров КРС установлено, что исходная плёнка GeO[SiO2] не содержала кластеров германия, а исходная плёнка GeO[SiO] содержала кластеры аморфного германия. По данным ИКспектроскопии, плёнки содержали Si-O, Ge-O и Si-OGe связи. После отжига 550 oC в обеих плёнках были обнаружены кластеры аморфного германия, а после отжига 650 oC в них были обнаружены нанокристаллы германия. В исходных плёнках обнаружена фотолюминесценция с максимумом 1050 нм (см.рис.) при низких температурах, вероятно связанная с дефектами – вакансиями кислорода и избыточными атомами германия. Отжиги вызывают трансформацию структуры плёнок, и, соответственно, меняют вид спектров ФЛ. В плёнках, содержащих нанокластеры германия, наблюдается ФЛ с максимумом 1500-1600 нм (см.рис.). При этом уменьшился сигнал ФЛ от дефектов. Исследована температурная зависимость интенсивности пиков ФЛ, она падала с ростом температуры, но проявлялась при температурах до 200 K.