[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用拉曼光谱研究了Ge/Si(100)自组织量子点中互扩散与量子限制的相互作用。结果表明，激子共振可增强极薄Ge层（约10 Å）的拉曼信号，从而实现对Ge-Ge和Si-Ge振动模式的检测；当Ge层厚度从10 Å减小到6 Å时，Ge-Ge模式频率出现10 cm⁻¹的红移，表明声子尺寸限制效应；同时量化了Si向Ge点中扩散形成GeₓSi₁₋ₓ固溶体的程度。

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.

研究动机与目标

• 研究自组织量子点的Ge/Si(100)异质结构中，量子限制与互扩散对拉曼光谱的影响。
• 确定Si扩散进入Ge量子点的程度，并估算由此形成的GeₓSi₁₋ₓ固溶体的组成。
• 分析Ge层厚度减小导致的Ge-Ge振动模式频率偏移，以量化声子尺寸限制效应。
• 探讨通过激子共振（E1和E1+Δ1跃迁）增强极薄Ge层拉曼散射的机制。

提出的方法

• 采用拉曼散射光谱技术探测分子束外延生长的Ge/Si(100)异质结构中自组织量子点的声子模式。
• 通过调节激发能量至Λ₃价带与Λ₁导带之间的E1和E1+Δ1电子跃迁，进行共振拉曼测量。
• 分析Ge层厚度（从10 Å到6 Å）变化时Ge-Ge振动模式的频率偏移，以量化声子尺寸限制效应。
• 在共振激发下，Ge-Ge和Si-Ge模式的强度增强，使极薄Ge层（约10 Å）的拉曼信号得以检测。
• 通过Si-Ge振动模式的光谱分析及峰位偏移，估算Si向Ge量子点中扩散的程度。
• 利用声子限制效应的理论模型，解释观察到的Ge-Ge模式频率红移现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于量子点中声子尺寸限制效应，Ge-Ge振动模式频率如何随Ge层厚度减小而变化？
• RQ2 Si向Ge量子点中扩散的程度如何？如何在拉曼光谱中进行量化？
• RQ3 为何在共振激发下，极薄Ge层（约10 Å）的拉曼散射显著增强？
• RQ4 拉曼光谱中的Si-Ge振动模式如何反映GeₓSi₁₋ₓ固溶体的形成？
• RQ5 激子跃迁（E1和E1+Δ1）在增强低维Ge纳米结构拉曼信号强度方面起什么作用？

主要发现

• 当Ge层厚度从10 Å减小到6 Å时，Ge-Ge振动模式频率红移约10 cm⁻¹，表明存在声子尺寸限制效应。
• 在E1和E1+Δ1跃迁的共振激发下，Ge的拉曼散射强度显著增强，使得单层量子点（约10 Å厚）的声子模式得以检测。
• Si从Si间隔层向Ge量子点中扩散，形成GeₓSi₁₋ₓ固溶体，其Si浓度通过光谱分析估算得出。
• 在共振激发下，Si-Ge振动模式的强度增加，证实了Ge点中存在Si以及合金区域的形成。
• 观察到的频率偏移与强度增强与低维Ge纳米结构中量子限制和共振拉曼效应的理论预测一致。
• 本研究证明，共振拉曼光谱是探测Ge/Si异质结构中纳米尺度Ge层及互扩散的有力工具。