Влияние режима формирования покровного слоя на фотолюминесценцию квантовых точек арсенида индия InAs в кремнии

Лендяшова В.В., Илькив И.В., Талалаев В.Г., Шугабаев Талгат, Резник Р.Р., Цырлин Г.Э.

Ссылка для цитирования:

Лендяшова В.В., Илькив И.В., Талалаев В.Г., Шугабаев Т., Резник Р.Р., Цырлин Г.Э. Оптические свойства квантовых точек арсенида индия InAs в кремнии // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 4. С. 14–21. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-14-21

Lendyashova V.V., Ilkiv I.V., Talalaev V.G., Shugabaev T., Reznik R.R., Cirlin G.E. Optical properties of InAs quantum dots in a Si matrix beam [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 14–21. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-14-21

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Эпитаксиальные слои кремния Si с внедрёнными квантовыми точками арсенида индия InAs. Цель работы. Экспериментальное исследование люминесцентных характеристик квантовых точек InAs в матрице Si и установление зависимости интенсивности фотолюминесценции гетероструктуры от температуры и методики роста покровного слоя кремния. Метод. Эпитаксиальные слои Si с внедрёнными квантовыми точками InAs получены технологией молекулярно-пучковой эпитаксии. Оптические свойства исследовались методом низкотемпературной фотолюминесценции при 10–120 К. Основные результаты. Исследовано влияние режимов роста покровного слоя кремния на оптические свойства гетероструктур с субмонослойными квантовыми точками InAs, внедрёнными в матрицу кремния. Получен сигнал фотолюминесценции от субмонослойных квантовых точек на 1,65 мкм при пониженных температурах вплоть до 120 K. Установлено, что применение двухстадийного способа заращивания InAs наноостровков кремнием позволяет повысить интенсивность фотолюминесценции за счёт улучшения кристаллического качества гетероструктур. Анализ температурной зависимости позволил рассчитать энергию активации электронов, удерживаемых в потенциальной яме квантовой точки, сравнимую с термической энергией при комнатной температуре (30 и 25 мэВ соответственно). Практическая значимость. Полученные в работе результаты исследования оптических свойств гетероструктур с субмонослойными квантовыми точками InAs могут послужить основой для разработки новых оптоэлектронных приборов на основе кремниевых технологий.

Ключевые слова:

квантовые точки, арсенид индия, молекулярно-пучковая эпитаксия, полупроводники, кремний, гетероструктуры

Благодарность:

работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 23-79-01117 в части проведения оптических измерений. Эксперименты по росту экспериментальных образцов выполнены при поддержке СПбГУ, шифр проекта 87465891. Исследования структурных свойств выращенных образцов были выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442 (код научной темы FSER-2020-0013)

Коды OCIS: 130.5990, 040.6040, 130.0250, 130.3120, 060.4510

Список источников:

1. Luo W., Cao L., Shi Y. et al. Recent progress in quantum photonic chips for quantum communication and internet // Light Sci. Appl. 2023. V. 12. № 1. P. 175. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01173-8
2. Lake D.P., Mitchell M., Jayakumar H. et al. Efficient telecom to visible wavelength conversion in doubly resonant gallium phosphide microdisks // Appl. Phys.   Lett. 2016. V. 108. № 3. https://doi.org/10.1063/1.4940242
3. Ko Y.-H., Kim K.-J., Han W.S. Monolithic growth of GaAs laser diodes on Si (001) by optimal AlAs nucleation with thermal cycle annealing // Opt. Mater. Express. 2021. V. 11. № 3. P. 943–951. https://doi.org/10.1364/OME.411328
4. Wang T., Liu H., Lee A. et al. 1.3-μm InAs/GaAs quantum-dot lasers monolithically grown on Si substrates // Opt. express. 2011. V. 19. № 12. P. 11381–11386. https://doi.org/10.1364/OE.19.011381
5. Piriyev M., Loget G., Leger Y. et al. Photoelectrode/electrolyte interfacial band lineup engineering with alloyed III–V thin films grown on Si substrates //J. Mater. Chem. C. 2024. V. 12. № 3. P. 1091–1097. https://doi.org/10.1039/D3TC02556J
6. Fedorov V.V., Dvoretckaia L.N., Mozharov A.M. et al. Dual-functional light-emitting and photo-detecting GaAsPN heterostructures on silicon // Mater. Sci. Semicond. Process. 2023. V. 168. P. 107867. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107867
7. Alzoubi T., Usman M., Benyoucef M, Reithmaier J. Growth of InAs quantum dots and dashes on silicon substrates: Formation and characterization // J. Cryst. Growth. 2011. V. 323. № 1. P. 422–425. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2010.11.170
8. Benyoucef M., Usman M., Reithmaier J. Bright light emissions with narrow spectral linewidths from single InAs/GaAs quantum dots directly grown on silicon      substrates // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. № 13. P. 132101. https://doi.org/10.1063/1.4799149
9. Benyoucef M., Reithmaier J. Direct growth of III–V quantum dots on silicon substrates: structural and optical properties // Semicond. Sci. Technol. 2013. V. 28. № 9. P. 094004. https://doi.org/10.1088/0268-1242/28/9/094004
10. Cirlin G.E., Dubrovskii V.G., Petrov V.N. et al. Formation of InAs quantum dots on a silicon (100) surface // Semicond. Sci. Technol. 1998. V. 13. № 11. P. 1262. https://doi.org/10.1088/0268-1242/13/11/005
11. Илькив И.В., Лендяшова В.В., Бородин Б.Б. и др. Формирование наноостровков InAs на поверхности кремния и гетероструктур на их основе // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. № 5. С. 332–336. https://doi.org/10.21883/FTP.2023.05.56199.26k
Ilkiv I.V., Lendyashova V.V., Borodin B.B. et al. Formation of InAs nanoislands on silicon surfaces and heterostructures based on them // Semiconductors. 2023. V. 57. № 5. P. 322. https://doi.org/10.21883/0000000000
12. Ishizaka A., Shiraki Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE // J.Electrochem. Soc. 1986. V. 133. № 4. P. 666. https://doi.org/10.1149/1.2108651
13. Hansen L., Bensing F., Waag A. InAs quantum dots embedded in silicon // Thin Solid Films. 2000. V. 367. № 1–2. P. 85–88. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)00700-8
14. Yitamben E., Butera R.E., Swartzentruber B.S. et al. Heterogeneous nucleation of pits via step pinning during Si (100) homoepitaxy // New J. Phys. 2017. V. 19. № 11. P. 113023. https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa9397
15. Bekhouche H., Rahou D., Gueddim A. et al. Electron states, effective masses and transverse effective charge of InAs quantum dots // Optical and Quantum Electronics. 2018. V. 50. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/s11082-018-1576-z
16. Денисов Д.В., Серенков И.Т., Сахаров В.И. и др. Молекулярно-пучковая эпитаксия и свойства гетероструктур с InAs нанокластерами в Si матрице // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 11. С. 2090–2098. https://doi.org/10.1134/1.1626762
Denisov D.V., Serenkov I.T., Sakharov V.I. et al. Molecular-beam epitaxy and properties of heterostructures   with InAs nanoclusters in an Si matrix // Physics of the solid state. 2003. V. 45. № 11. P. 2194–2202. https://doi.org/10.1134/1.1626762
17. Benyoucef M., Alzoubi T., Reithmaier J.P. et al. Nanostructured hybrid material based on highly mismatched III–V nanocrystals fully embedded in silicon // Physica status solidi (a). 2014. V. 211. № 4. P. 817–822. https://doi.org/10.1002/pssa.201330395
18. Chen Q., Zhang L., Song Y. et al. Highly tensilestrained self-assembled Ge quantum dots on InP substrates for integrated light sources // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 1. P. 897–906. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c03373
19. Шкляев А.А., Латышев А.В., Ичикава М. Фотолюминесценция в области длин волн 1,5–1,6 мкм слоев кремния с высокой концентрацией кристаллических дефектов // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44. № 4. С. 452–457. http://doi.org/10.1134/S1063782610040044
Shklyaev A.A., Latyshev A.V., Ichikawa M. 1.5–1.6 μM photoluminescence of silicon layers with a high density of lattice defects // Semiconductors. 2010. V. 44. № 4. P. 432–437. http://doi.org/10.1134/S1063782610040044
20. Зегря Г.Г, Самосват Д.М. Механизмы оже-рекомбинации в полупроводниковых квантовых точках // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2007. Т. 131. № 6. С. 1090–1106. https://doi.org/10.1134/S1063776107060131
Zegrya G.G., Samosvat D.M. Mechanisms of Auger recombination in semiconducting quantum dots // Journal of experimental and theoretical physics. 2007. V. 104. № 6. P. 951–965. https://doi.org/10.1134/S1063776107060131