Спектро-кинетические характеристики излучения самоформирующихся Ge(Si)-наноостровков в двумерных фотонных кристаллах с различной глубиной отверстий

Яблонский А.Н., Юрасов Д.В., Захаров В.Е., Перетокин А.В., Степихова М.В., Шалеев М.В., Шенгуров Д.В., Родякина Е.Е., Смагина Ж.В., Новиков А.В.

Ссылка для цитирования:

Яблонский А.Н., Юрасов Д.В., Захаров В.Е., Перетокин А.В., Степихова М.В., Шалеев М.В., Шенгуров Д.В., Родякина Е.Е., Смагина Ж.В., Новиков А.В. Спектро-кинетические характеристики излучения самоформирующихся Ge(Si)-наноостровков в двумерных фотонных кристаллах с различной глубиной отверстий // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 10. С. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-50-59

Yablonskiy A.N., Yurasov D. V., Zakharov V E., Peretokin A.V., Stepikhova M. V., Shaleev M.V., Shengurov D. V., Rodyakina E.E., Smagina Z.V., Novikov A. V. Spectral and kinetic properties of radiation of self-assembled Ge(Si) nanoislands in two-dimensional photonic crystals with different hole depths [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 10. P. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-50-59

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. SiGe-гетероcтруктуры с самоформирующимися Ge(Si)-наноостровками, встроенными в двумерные фотонные кристаллы. Цель работы. Установление зависимости спектральных и временных характеристик излучения структур с Ge(Si)-островками в двумерных фотонных кристаллах от глубины отверстий, формирующих фотонный кристалл. Определение характерных времён спада люминесценции островков в фотонных кристаллах и основных механизмов, определяющих их зависимость от глубины травления отверстий фотонных кристаллов. Метод. Исследуемые структуры были получены с использованием методов молекулярно-пучковой эпитаксии, электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления. Исследование оптических свойств полученных структур осуществлялось методом спектроскопии микрофотолюминесценции с высоким спектральным (0,5 нм) и временным (50 пс) разрешением. Основные результаты. Определены зависимости интенсивности, вида спектров и характерных времён спада фотолюминесценции самоформирующихся Ge(Si)-островков в двумерных фотонных кристаллах с гексагональной решёткой от глубины травления отверстий фотонного кристалла. Обнаружено монотонное падение характерного времени спада люминесценции островков в фотонных кристаллах при комнатной температуре с увеличением глубины отверстий от 9 нс для исходной структуры без фотонных кристаллов до 0,6 нс при травлении отверстий на всю глубину выращенной структуры (335 нм), которое связывается с возрастанием безызлучательной рекомбинации носителей заряда на границах отверстий. Определено оптимальное соотношение глубины отверстий и толщины активной области структуры, позволяющее получить максимальное увеличение интенсивности люминесценции Ge(Si)-островков в двумерных фотонных кристаллах по сравнению с планарными структурами без фотонных кристаллов. Практическая значимость. Полученные результаты могут иметь существенную значимость для разработки эффективных источников излучения ближнего инфракрасного диапазона для кремниевой интегральной оптоэлектроники.

Ключевые слова:

SiGe-гетероструктуры, Ge(Si)-островки, двумерные фотонные кристаллы, спектроскопия микро-фотолюминесценции, кинетика люминесценции, безызлучательная рекомбинация

Коды OCIS: 310.6628, 300.6470, 050.5298, 250.5230

Список источников:

1. Wang J., Long Y. On-chip silicon photonic signaling and processing: a review // Science Bulletin. 2018. V. 68. P. 1267–1310. https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.05.038
2. Fan S., Villeneuve P.R., Joannopoulos J.D., Schubert E.F. High extraction efficiency of spontaneous emission from slabs of photonic crystals // Phys. Rev.Lett. 1997. V. 78. № 17. P. 3294–3297. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.3294
3. Boroditsky M., Vrijen R., Krauss T.F., Coccioli R., Bhat R., Yablonovitch E. Spontaneous emission extraction and Purcell enhancement from thin-film 2D photonic crystals // J. Lightwave Technol. 1999. V. 17. № 11. P. 2096–2112. https://doi.org/10.1109/50.803000
4. Rutckaia V., Heyroth F., Novikov A., Shaleev M., Petrov M., Schilling J. Quantum dot emission driven by mie resonances in silicon nanostructures // Nano Lett. 2017. V. 17. № 11. P.6886–6892. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b03248
5. Mengtao Liu, Qingchun Zhou. Absorption characteristics of one-dimensional graphene photonic crystals (Характеристики поглощения в одномерном фотонном кристалле на основе графена) [на англ.яз.] // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 3. С. 3–9. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-03-03-09
Liu M., Zhou Q. Absorption characteristics of one-dimensional graphene photonic crystals // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. № 3. P. 116–120. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000116
6. Saito S., Al-Attili A., Oda K., Ishikawa Y. Towards monolithic integration of germanium light sources on silicon chips // Semicond. Sci. Technol. 2016. V. 31. P. 043002. https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/4/043002
7. Reboud V., Gassenq A., Hartmann J., Widiez J., Virot L., Aubin J., Guilloy K., Tardif S., Fedeli J., Pauc N., Chelnokov A., Calvo V. Germanium based photonic components toward a full silicon/germanium photonic platform // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2017. V. 63. № 2.P. 1–24. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2017.04.004
8. Vescan L., Stoica T., Chretien O., Goryll M., Mateeva E., Muck A. Size distribution and electroluminescence of selfassembled Ge dots // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. P. 7275. https://doi.org/10.1063/1.372980
9. Krasilnik Z.F., Novikov A.V., Lobanov D.N., Kudryavtsev K.E., Antonov A.V., Obolenskiy S.V., Zakharov N.D., Werner P. SiGe nanostructures with self-assembled islands for Si-based optoelectronics // Semicond. Sci. Technol. 2011. V. 26. P. 014029. https://doi.org/10.1088/0268-1242/26/1/014029
10. David S., El Kurdi M., Boucaud P., Chelnokov A., Le Thanh V., Bouchier D., Lourtioz J.-M. Two-dimensional photonic crystals with Ge/Si self-assembled islands // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. P. 2509–2511. https://doi.org/10.1063/1.1612892
11. Shiraki Y., Xu X., Xia J., Tsuboi T., Maruizumi T. Electroluminescence from microcavities of photonic crystals, microdisks and -rings including Ge dots formed on SOI substrates // ECS Transactions. 2012. V. 45. № 5. P. 235–246. https://doi.org/10.1149/1.3700432
12. Schatzl M., Hackl F., Glaser M., Rauter P., Brehm M., Spindlberger L., Simbula A., Galli M., Fromherz T., Schäffler., F. Enhanced telecom emission from single group-IV quantum dots by precise CMOS-compatible positioning in photonic crystal cavities // ACS Photon. 2017. V. 4. P. 665–673. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b01045
13. Jannesari R., Schatzl M., Hackl, F., Glaser M., Hingerl K., Fromherz T., Schäffler F. Commensurate germanium light emitters in silicon-on-insulator photonic crystal slabs // Optics Express. 2014. V. 22. № 21. P. 25426. https://doi.org/10.1364/OE.22.025426
14. Dyakov S.A., Stepikhova M.V., Bogdanov A.A., Novikov A.V., Yurasov D.V., Shaleev M.V., Krasilnik Z.F., Tikhodeev S.G., Gippius N.A. Photonic bound states in the continuum in Si structures with the self-assembled Ge nanoislands // Laser Photonics Rev. 2021. V. 15. P. 2000242. https://doi.org/10.1002/lpor.202000242
15. Purcell E.M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Phys. Rev. 1946. V. 69. P. 681. https://doi.org/10.1103/PhysRev.69.674.2
16. Joannopoulos J., Johnson S.G., Meade R., Winn J. Photonic crystals: molding the flow of light. 2nd ed. N.J: Princeton University Press, 2007. 286 p.
17. Юрасов Д.В., Яблонский А.Н., Шалеев М.В., Шенгуров Д.В., Родякина Е.Е., Смагина Ж.В., Вербус В.А., Новиков А.В. Люминесцентный отклик фотонных кристаллов со встроенными Ge наноостровками с различной глубиной травления отверстий // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. № 10. С. 29–32. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.10.55431.19511
Yurasov D.V., Yablonskiy A.N., Shaleev M.V., Shengurov D.V., Rodyakina E.E., Smagina Zh.V., Verbus V.A., Novikov A.V. Luminescent response of photonic crystals with embedded Ge nanoislands with different hole etching depths // Technical Physics Letters. 2023. V. 49. № 5. P. 68–72. http://dx.doi.org/10.21883/TPL.2023.05.56033.19511
18. Яблонский А.Н., Юрасов Д.В., Захаров В.Е., Перетокин А.В., Степихова М.В., Шалеев М.В., Шенгуров Д.В., Родякина Е.Е., Смагина Ж.В., Дьяков С.А., Новиков А.В. Влияние условий оптического возбуждения на спектральные и временные характеристики излучения двумерных фотонных кристаллов с Ge(Si) наноостровками // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. № 4. С. 251–258. https://doi.org/10.21883/FTP.2023.04.55894.08k
Yablonskiy A.N., Yurasov D.V., Zakharov V.E., Peretokin A.V., Stepikhova M.V., Shaleev M.V., Shengurov D.V., Rodyakina E.E., Smagina Zh.V., Dyakov S.A., Novikov A.V. Effect of optical excitation conditions on the spectral and temporal characteristics of the radiation from two-dimensional photonic crystals with Ge(Si) nanoislands // Semiconductors. 2023. V. 57. № 4. P. 248–255. https://doi.org/10.61011/SC. 2023.04.56421.08k