Оптические свойства Si и SiGe нанокристаллов – моделирование и эксперимент / Герт А.В., Авдеев И.Д., Белолипецкий А.В., Нестоклон М.О., Яссиевич И.Н., Nguyen Huy Viet, Tran Van Quang, Ngo Ngoc Ha

Большинство устройств современной микроэлектроники построены на базе кремниевой технологии. Среди массы достоинств у этого материала есть недостаток, который затрудняет его использование в устройствах оптоэлектроники, а именно, непрямозонность. Нанокристаллы на основе кремния и германия достаточно исследованы и, хотя их использование позволяет существенно улучшить оптические свойства, потенциал их применения ограничен. В то же время, недавно начались исследования более перспективных нанокристаллов на основе твёрдых растворов SiGe, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с чисто кремниевыми наноструктурами. В работе представлен новый метод получения многослойных периодических структур, в которых слои кремний-германиевого сплава отделены друг от друга слоями аморфного диоксида кремния. Были получены серии образцов многослойных периодических структур SiGe/SiO2 c разной толщиной сплава SiGe и концентрацией германия в нём. Во всех образцах толщина слоев SiO2 составляла 3 нм. Толщина слоя сплава кремний-германий для разных структур была 3 и 5 нм. Число бислоев SiGe/SiO2 менялось от одного до 15. Теоретическое моделирование состояний электронов и дырок, локализованных в кремниевых и кремний-германиевых нанокристаллах проводилось на основе эмпирического метода сильной связи. Для учёта возможности туннелирования электронов и дырок аморфная матрица SiO2 рассматривалась как виртуальный кристалл с зонной структурой, подобной зонной структуре β-кристобалита. В результате расчёта была получена зависимость ширины запрещённой зоны и энергий нижних уровней размерного квантования электронов от состава раствора Si1-xGex для нанокристаллов с диаметрами от 2 до 6.5 нм. Область, выделенная цветом, соответствует тем нанокристаллам, в которых нижний уровень зоны проводимости лежит в окрестности точки L зоны Бриллюэна. Развитый метод позволяет наглядно увидеть на какое расстояние волновые функции электронов и дырок проникают в матрицу за границы нанокристаллов за счёт туннелирования. Расчёт позволил выделить интервалы энергий, где возможны прямые оптические переходы между электронными и дырочными состояниями. Также для нанокристаллов кремния и германия-кремния были выполнены вычисления сечения оптического поглощения. Результаты вычислений согласуются с экспериментальными данными [PRB 93, 161413 (2016)].