One-Stage Formation of Two-Dimensional Photonic Crystal and Spatially Ordered Arrays of Self-Assembled Ge(Si) Nanoislandson Pit-Patterned Silicon-On-Insulator Substrate

Abstract

A new approach to improve the light-emitting efficiency of Ge(Si) quantum dots (QDs) by the formation of an ordered array of QDs on a pit-patterned silicon-on-insulator (SOI) substrate is presented. This approach makes it possible to use the same pre-patterned substrate both for the growth of spatially ordered QDs and for the formation of photonic crystal (PhC) in which QDs are embedded. The periodic array of deep pits on the SOI substrate simultaneously serves as a template for spatially ordering of QDs and the basis for two-dimensional PhCs. As a result of theoretical and experimental studies, the main regularities of the QD nucleation on the pre-patterned surface with deep pits were revealed. The parameters of the pit-patterned substrate (the period of the location of the pits, the pit shape, and depth) providing a significant increase of the QD luminescence intensity due to the effective interaction of QD emission with the PhC modes are found.

Зависимость люминесцентных свойств упорядоченных групп Ge(Si) наноостровков от параметров ямок на структурированной поверхности подложки "кремний на изоляторе"

“…Нами было показано, что в определенных случаях формирование ФК и массива пространственно упорядоченных Ge(Si) КТ может быть объединено в один этап [16,17]. Такой подход позволяет использовать одну и ту же подложку с предварительно созданными глубокими ямками (отверстиями), как для роста пространственно упорядоченных КТ, так и для формирования фотонного кристалла.…”

“…В работе [17] нами были получены эпитаксиальные структуры с пространственно упорядоченными Ge(Si) КТ, в которых выполнялись оба из вышеуказанных условий. Это позволило наблюдать существенное усиление интенсивности сигнала фотолюминесценции (ФЛ) КТ с характерными для фотонного кристалла узкими пиками, обусловленными взаимодействием излучения КТ с модами ФК [17].…”

“…В работе [17] нами были получены эпитаксиальные структуры с пространственно упорядоченными Ge(Si) КТ, в которых выполнялись оба из вышеуказанных условий. Это позволило наблюдать существенное усиление интенсивности сигнала фотолюминесценции (ФЛ) КТ с характерными для фотонного кристалла узкими пиками, обусловленными взаимодействием излучения КТ с модами ФК [17]. Однако при встраивании КТ в ФК, в рамках одноэтапного подхода, было обнаружено, что с увеличением периода между отверстиями ФК сильно возрастает вероятность их зарастания в процессе формирования эпитаксиальной структуры.…”

“…Однако при встраивании КТ в ФК, в рамках одноэтапного подхода, было обнаружено, что с увеличением периода между отверстиями ФК сильно возрастает вероятность их зарастания в процессе формирования эпитаксиальной структуры. В результате спектры ФЛ от структур с периодом между отверстиями > 1 мкм перестают демонстрировать особенности, характерные для массивов КТ, встроенных в ФК [17].…”

“…Установлено, что для структур с наибольшим диаметром ямок, полученных в наших экспериментах, усиленный сигнал ФЛ от КТ с характерными для ФК узкими пиками наблюдается вплоть до комнатной температуры. Связь наблюдаемых узких линий в спектрах микро-ФЛ с модами ФК подтверждается расчeтами дисперсионных зависимостей мод ФК [17].…”