Молекулярная эпитаксия и электронные свойства гетеросистем Ge/Si с квантовыми точками

Abstract

Изложены результаты исследования процессов получения и определения электрических и оптических характеристик массивов наноостровков Ge в Si (искусственных «атомов») с дискретным энергетическим спектром, который проявляется вплоть до комнатной температуры. Проведен краткий анализ современного состояния представлений о механизмах начальной стадии самоформирования и упорядочения ансамблей нанокластеров при гетероэпитаксии Ge на Si. Основными факторами, определяющими спектр состояний, служат размерное квантование и кулоновское взаимодействие носителей. Показано, что новым фактором, возникающим в массиве квантовых точек (КТ) и отличающим его от ситуации одиночной КТ, являются кулоновские корреляции между островками. Определены скорости испускания, сечения захвата дырок в зависимости от глубины залегания энергетических уровней. Величины сечений на несколько порядков превышают известные значения в Si. Электронный транспорт вдоль слоев КТ осуществляется с помощью прыжковой проводимости, величина которой осциллирует при изменении степени заполнения островков дырками, что может лечь в основу создания электронных цепей передачи информации на КТ. Показана возможность создания перестраиваемого под ближний и средний ИК диапазон фотодетектора с Ge квантовыми точками.

Викладено результати дослідження процесів одержання та визначення електричних і оптичних характеристик масивів наноострівців Ge у Si (штучних «атомів») з дискретним енергетичним спектром, що виявляється аж до кімнатної температури. Проведено короткий аналіз сучасного стану представлень про механізми початкової стадії самоформування й упорядкування ансамблів нанокластерів при гетероепітаксії Ge на Si. Основними факторами, що визначають спектр станів, служать розмірне квантування і кулонівська взаємодія носіїв. Показано, що новим фактором, що виникає в масиві квантових точок (КТ) і відрізняє його від ситуації одиночної КТ, є кулонівські кореляції між острівцями. Визначено швидкості випущення, перетину захоплення дірок у залежності від глибини залягання енергетичних рівнів. Величини перетин ів на кілька порядків перевищують відомі значення в Si. Електронний транспорт уздовж шарів КТ здійснюється за допомогою стрибкової провідності, величина якої осцилює при зміні ступеня заповнення острівців дірками, що може лягти в основу створення електронних ланцюг ів передачі інформації на КТ. Показано можливість створення фотодетектора з Ge квантовими точками, що перебудовується під ближній і середній ІЧ діапазон.

The experimental data are reported for electrical and optical characteristics of Ge nanoislands in Si (artificial «atoms») which have a discrete energy spectrum down to room temperature. The modern ideas of the mechanisms of the initial stage of self-formation and ordering of nanoclasters ensembles under heteroepitaxy of Ge in Si are briefly considered. The main factors determining the energy spectrum are size quantization and Coulomb interaction of carriers. It is shown that a new factor which occurs in the array of quantum dobs (QD) and is different from that in the case of a single QD is Coulomb correlation between nanoislands. The emission rates and the hole capture cross-sections are determined as a function of energy level depth. The cross-section values are by several order of magnitude higher than those known for Si. The electron transport along the QD layers is realized via hopping conductivity whose value oscillates with changing the hole occupancy of islands. This may lie at the basis of productivity QD electronic circuits for data transmission. It is shown that the design of a photodetected with Ge quantum dots tunable to near and intermediate IR region is quite possible.