直接带隙锗的张应变

一、直接带隙锗的张应变摘要：我们提出在InGaAs/GaAs缓冲层上生长2.3％双向张应变Ge层。低温下的光致发光现象显示当Ge的张应变2％时会产生一个显著的变化，由此确认了Ge层直接带隙的存在。1.介绍已经使用在现代硅场效应管的锗(Ge),由于其直接带隙性质及与硅CMOS的兼容性受到了光电子学的青睐。基于直接带隙的吸收实验表明，给Si衬底激光器和光放大器掺入增益介质是可能的。Fischetti和Laux提出锗在双向张应变约2%时会变成直接带隙材料,这将使大量光子得到应用。Liu等人，利用Ge和Si之间扩散系数的不同实现0.3％的锗层张应变，并且观察到高浓度n型掺杂样品的光致发光现象。Bai等人通过有机—-金属化学汽相淀积的方法在InGaAs缓冲层上生长张应变Ge层并实现了1.37%的应变。当尝试更高的应变时产生了锗量子点。本文报告了我们在低温下通过分子束外延（MBE）技术和该结构强烈的光致发光（PL）光谱对生长在InGaAs缓冲层的张应变锗的尝试。2.样品制备这个结构用于实现在半绝缘性GaAs晶片（100）晶面上生长张应变Ge。首先，阶梯中的一些层，比如生长在III-V族分子束外延系统中晶格松弛的InGaAs缓冲层，提供了一个很大的晶格常数模板。通过高温退火操作使得生长的每个InGaAs层线性位错密度被降低了。然后,晶片从超高真空环境下被转移到第四族MBE室，此时10nm的锗层生长结束。最后,再生长一个InGaAs覆盖层,消除锗的表面态并且保护锗层免受氧化。3.样本描述在In0.3Ga0.7As层之间的10nm张应变锗如插图1。在透射电子显微镜（TEM）的图像中没有观察到锗层中的缺陷。InGaAs顶部覆盖层的裂缝是反相域的形成导致的。表面粗糙度的有效值是0.58纳米，内有一个1x1区域。在（004）和（224）晶面的倒格子X射线衍射2D图中可以确定铟的浓度，InGaAs内面缓冲层的晶格常数和倾斜图如图2。Ge层的应变是可以被计算的，前提假设是10纳米的Ge层必须连续生长在缓冲层顶部。图3显示了拉曼光谱在室温下反向散射的几何图像。锗的峰值变化对应锗层的张应变。同时由X射线衍射和拉曼变换计算的锗层中的应变与理论吻合，如图4。以In0.4Ga0.6As作为缓冲层实现了张应变为2.3%的锗层。据我们所知,这是迄今为止最高的Ge张应变的实现。图5示显示出了来自5K温度下不同程度的张应变Ge层中的PL光谱。光谱在1600纳米处截止是由于探测器响应的限制。锗层的张应变分别是0.34％（绿点划线的曲线），0.92％（蓝圆点曲线），1.81％（红色划线曲线）和2.33％（黑线）。被PL信号记录下来的有应变达到1.81%的锗张应变，还有一个显著增长的变化，是锗层的应变达到了2.33%。这个结果与理论期望是一致的,表明在高应变层可以产生直接带隙锗。