Влияние времени отжига на структурные и оптические характеристики микрорезонаторов на основе германия-кремния

Кукенов О.И., Лозовой К.А., Дирко В.В., Майер К.А., Ворсин О.И., Смородин К.И., Катренко В.Д., Шабанов Г.А., Коханенко А.П.

Ссылка для цитирования:

Кукенов О.И., Лозовой К.А., Дирко В.В., Майер К.А., Ворсин О.И., Смородин К.И., Катренко В.Д., Шабанов Г.А., Коханенко А.П. Влияние времени отжига на структурные и оптические характеристики микрорезонаторов германий-кремний // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 12. С. 116–123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-116-123

Kukenov O.I., Lozovoy K.A., Dirko V.V., Maier X.A., Vorsin O.I., Smorodin K.I., Katrenko V.D., Shabanov G.A., Kokhanenko A.P. The effect of annealing time on the structural and optical characteristics of germanium-silicon microresonators [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 12. P. 116–123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-116-123

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В статье рассматривается влияние ростовых параметров на характеристики микрорезонаторов на основе германия-кремния, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии посредством самоорганизации. Цель работы — установить зависимости геометрических и оптических характеристик от параметров роста микрорезонаторов на основе материалов Ge и Si. Методы. На подложку Si(001) с оксидным слоем (SiO2) методом молекулярно-лучевой эпитаксии наносился слой твёрдого раствора GeSi с последующим высокотемпературным отжигом. Исследование геометрических характеристик проводилось методом атомно-силовой микроскопии. Оптические характеристики получены методом спектроскопии на пропускание и диффузное отражение. Численные расчёты характеристик микрорезонаторов проведены с использованием программного обеспечения Lumerical. Основные результаты. В работе получена серия образцов с микроструктурами германий-кремний на окисленной поверхности кремния путём изменения времени отжига твёрдого раствора. Исследование образцов методом атомно-силовой микроскопии показало, что латеральный размер, высота, форма, а также плотность микрорезонаторов варьируются в зависимости от времени отжига. Посредством численного моделирования получены спектры пропускания и отражения для микрорезонаторов с заданными геометрическими характеристиками. Спектрометрия на пропускание и отражение позволила экспериментально получить оптические характеристики образцов и сравнить их с расчётными данными. Практическая значимость. Результаты работы вносят вклад в создание микрорезонаторов с заданными свойствами и позволяют управлять геометрическими и оптическими характеристиками с помощью изменения времени отжига кремний-германиевого твёрдого раствора.

Ключевые слова:

микрорезонаторы, молекулярно-лучевая эпитаксия, атомно-силовая микроскопия, спектры пропускания, спектры отражения, кремний, германий

Благодарность:

исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 25-12-20004, https://rscf.ru/project/25-12-20004/ и администрации Томской области.

Коды OCIS: 230.5750, 160.6030, 310.6860

Список источников:

1. Singh N., Kingshuk S., Ajay K. et al. Challenges and opportunities in engineering next-generation 3D microelectronic devices: improved performance and higher integration density // Nanoscale Advances. 2024. V. 6. № 24. P. 6044–6060. DOI:10.1039/D4NA00578C
2. Cao W., Bu H., Vinet M. et al. The future transistors // Nature. 2023. V. 620. № 7974. P. 501–515. DOI:10.1038/s41586-023-06145-x
3. Lozovoy K.A., Dirko V.V., Kukenov O.I. et al. RHEED study of the epitaxial growth of silicon and germanium on highly oriented pyrolytic graphite // C (Journal of Carbon Research). 2024. V. 10. № 2. P. 36. DOI:10.3390/c10020036
4. McMahon P.L. The physics of optical computing // Nature Reviews Physics. 2023. V. 5. № 12. P. 717–734. DOI:10.1038/s42254-023-00645-5
5. Ma T., Xue N., Muhammad А. et al. Recent progress in photodetectors: From materials to structures and applications // Micromachines. 2024. V. 15. P. 1249. DOI:10.3390/mi15101249
6. Yan T., Li L., Zhang Y. et al. High-performance Ge photodetectors on silicon photonics platform for optical interconnect // Sensors and Actuators: A. Physical. 2024. V. 376. P. 115535. DOI:10.1016/j.sna.2024.115535
7. Mitchell C.J., Hu T., Sun S. et al. Mid-infrared silicon photonics: From benchtop to real-world applications // APL Photonics. 2024. V. 9. P. 080901. DOI:10.1063/ 5.0222890
8. Margalit N., Xiang C., Bowers S. M. et al. Perspective on the future of silicon photonics and electronics // Applied Physics Letters. 2021. V. 118. P. 220501. DOI:10.1063/5.0050117
9. Konstantatos G., Sargent E.H. Nanostructured materials for photon detection // Nature nanotechnology. 2010. V. 5. № 6. P. 391–400. DOI:10.1038/nnano. 2010.78
10. Kuznetsov A.I., Miroshnichenko A.E., Brongersma M.L. et al. Optically resonant dielectric nanostructures // Science. 2016. V. 354. № 6314. P. aag2472. DOI:10.1126/science.aag2472
11. Aladim A.K., Aouassa M., Bouabdellaoui M. et al. SiGe/Ge core-multishell nanocrystals grown by solidstate dewetting and Ge thermal condensation for photodetection and solar cell applications // Journal of Alloys and Compounds. 2025. P. 184169. DOI:10.1016/j.jallcom.2025.184169
12. Aouassa M., Bouabdellaoui M., Pessoa W. B. et al. SiGe Mie resonators grown on photoactive silicon nanodisks for high-performance photodetection // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2025. V. 36. P. 394. DOI:10.1007/s10854-025-14447-1
13. Baranov D.G., Zuev D.A., Lepeshov S.I. et al. All-dielectric nanophotonics: the quest for better materials and fabrication techniques // Optica. 2017. V. 4. № 7. P. 814–825. DOI:10.1364/OPTICA.4.000814
14. Shklyaev A.A., Utkin D.E., Tsarev A.V. et al. Array of dielectric Mie particles with optical surface resonances as a promising coating for thin-film photoelectronic device applications // Vacuum. 2025. V. 233. P. 113976. DOI:10.1016/j.vacuum.2024.113976
15. Shklyaev A.A., Latyshev A.V. Dewetting behavior of Ge layers on SiO2 under annealing // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 13759. DOI:10.1038/s41598-020-70723-6
16. Lozovoy K.A., Dirko V.V., Vinarskiy V.P. et al. Twodimensional materials of group IVA: Latest advances in epitaxial methods of growth // Russian Physics Journal. 2022. V. 64. P. 1583–1591. DOI:10.1007/s11182-022-02495-7
17. Dirko V.V., Lozovoy K.A., Kokhanenko A.P. et al. Peculiarities of the 7×7 to 5×5 superstructure transition during epitaxial growth of germanium on silicon (111) surface // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 2. P. 231. DOI:10.3390/nano13020231
18. Tambo T., Shimizu A., Matsuda A. et al. In-situ annealing of thin SrO films grown on Si (001)-2×1 by molecular beam epitaxy // Japanese Journal of Applied Physics. 2000. V. 39. № 11R. P. 6432. DOI:10.1143/JJAP.39.6432
19. Hasegawa S. Reflection high-energy electron diffraction // Characterization of Materials. 2012. V. 97. P. 1925–1938. DOI:10.1002/0471266965.com139
20. Kukenov O.I., Dirko V.V., Sokolov A.S., Lozovoy K.A., Shvaleva K.I., Kokhanenko A.P., Voitsekhovskii A.V. Effect of changing the growth mechanism on the synthesis of two-dimensional germanium layers and quantum dots on silicon // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. P. 416–420. DOI:10.1364/JOT.91.000416
21. Shklyaev A.A., Shegai O.A., Nakamura Y., Ichikawa M. Impact ionization of excitons in Ge/Si structures with Ge quantum dots grown on the oxidized Si(100) surfaces // Journal of Applied Physics. 2014. V. 115. P. 203702. DOI:10.1063/1.4875101
22. Yang C.-S., Chang C.-H., Lin M.-H., Yu P., Wada O., Pan C.-L. THz conductivities of indium-tin-oxide nanowhiskers as a graded-refractive-index structure // Optics Express. 2012. V. 20. P. A441–A451. DOI:10.1364/oe.20.00a441