[論文レビュー] Effect of interdiffusion and quantum confinement on Raman spectra of the Ge/Si(100) heterostructures with quantum dots

И. В. Кучеренко, V. S. Vinogradov+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2009

Silicon Nanostructures and Photoluminescence被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、分子線エpitaxyで成長したGe/Si(100)自己組織的量子ドットにおける相互拡散と量子閉じ込め効果の相乗的影響をラマン分光法を用いて調査した。励起子共鳴が、超薄膜Ge層（約10 Å）からのラマン信号を強化することを示し、Ge-GeおよびSi-Geの振動モードを検出可能にした。Ge層厚さが10 Åから6 Åに減少するに従い、Ge-Geモード周波数が10 cm⁻¹赤方シフトする現象が観察され、これはフォノンサイズ閉じ込め効果によるものであり、同時にSiのGeドットへの相互拡散が定量的に評価された。

ABSTRACT

We used Raman scattering for study the phonon modes of self-organized Ge/Si quantum dots, grown by a molecular-beam epitaxy method. It is revealed, that Ge-Ge and Si-Ge vibrational modes considerably intensify at excitation of exciton between the {Lambda}3 valence and {Lanbda}1 conduction bands (transitions E1 and E1+{Delta}1), that allows to observe Raman scattering spectrum from extremely small volumes of Ge, even from one layer of quantum dots with the layer thickness of ~ 10 A. It is shown that Si diffuses into the Ge quantum dots from the Si spacer layers forming Ge_xSi_{1-x} solid solution, and Si concentration was estimated. It is revealed, that the frequency of Ge-Ge mode decreases in 10 1/cm at decreasing of the Ge layer thickness from 10 up to 6 A as a result of phonon size confinement effect.

研究の動機と目的

• 自己組織的量子ドットを有するGe/Si(100)ヘテロ構造における量子閉じ込め効果と相互拡散効果がラマンスペクトルに与える影響を調査すること。
• Ge量子ドットへのSi拡散の程度を特定し、それによって生じるGeₓSi₁₋ₓ固体溶液の組成を推定すること。
• Ge層厚さの減少に伴うフォノンサイズ閉じ込め効果によるGe-Ge振動モード周波数の変化を分析すること。
• 励起子共鳴（E1およびE1+Δ1遷移）を介したラマン散乱強度の増幅が、超薄膜Ge層からの検出を可能にする仕組みを調査すること。

提案手法

• 自己組織的量子ドットを有するGe/Si(100)ヘテロ構造のフォノンモードをプローブするためにラマン散乱分光法が用いられた。
• Λ₃価電子帯とΛ₁導体帯間のE1およびE1+Δ1電子遷移に合わせた励起エネルギーを用いた共鳴ラマン測定が実施された。
• Ge層厚さ（10 Åから6 Å）の関数としてGe-Ge振動モード周波数のシフトを分析し、フォノンサイズ閉じ込め効果を定量化した。
• 共鳴励起下でのGe-GeおよびSi-Geモードの強度増幅により、極めて薄いGe層（約10 Å）からのラマン信号検出が可能となった。
• Si-Ge振動モードのスペクトル解析とピークシフトを用いて、Ge量子ドットへのSi相互拡散度を推定した。
• 観測されたGe-Geモード周波数の赤方シフトを解釈するために、フォノン閉じ込め効果の理論的モデルが用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドット内におけるフォノンサイズ閉じ込め効果により、Ge層厚さが減少するに従い、Ge-Ge振動モード周波数はどのように変化するか？
• RQ2 Siはどの程度Ge量子ドットへ拡散するのか。この現象はラマンスペクトルにおいてどのように定量的に評価されるか？
• RQ3 なぜ超薄膜Ge層（約10 Å）におけるラマン散乱が共鳴励起下で顕著に増幅されるのか？
• RQ4 ラマンスペクトルにおけるSi-Ge振動モードは、GeₓSi₁₋ₓ固体溶液の形成をどのように反映しているか？
• RQ5 励起子遷移（E1およびE1+Δ1）は、低次元Geナノ構造からのラマン信号強度増幅にどのように寄与するか？

主な発見

• Ge層厚さが10 Åから6 Åに減少するに従い、Ge-Ge振動モード周波数が約10 cm⁻¹赤方シフトする。これはフォノンサイズ閉じ込め効果を示している。
• E1およびE1+Δ1遷移での共鳴励起下では、Geからのラマン散乱強度が顕著に増幅され、単層量子ドット（約10 Å）からのフォノンモード検出が可能となった。
• SiはSiスパーサ層からGe量子ドットへ拡散し、GeₓSi₁₋ₓ固体溶液を形成する。Si含有量はスペクトル解析から推定された。
• 共鳴励起下ではSi-Ge振動モードの強度が増加し、Geドット内にSiが存在し、合金領域が形成されていることが確認された。
• 観測された周波数シフトと強度増幅は、低次元Geナノ構造における量子閉じ込め効果と共鳴ラマン効果の理論的予測と整合的である。
• 本研究では、共鳴ラマン分光法が、Ge/Siヘテロ構造におけるナノスケールGe層および相互拡散のプローブに非常に有効であることが示された。