Proprietà ottiche di eterostrutture silicio-germanio ad alto contenuto in germanio

Abstract

In questa tesi è stato studiato il profilo di banda e le transizioni intersottobanda in QWs s- Ge/SiGe con allineamento di tipo I, in cui pozzi di Ge deformati compressivamente sono confinati tra barriere Si0.2Ge0.8 depositate coerentemente ad un substrato virtuale rilassato di SiGe ad alto contenuto in Germanio. L’attività di ricerca ha coinvolto tutte le fasi del processo, a partire dalla pulizia dei substrati di Si(001), seguita dalla deposizione tramite UHV-CVD del substrato virtuale rilassato ad alto contenuto in Ge, fino alla deposizione degli strati attivi e alla loro caratterizzazione ottica tramite spettroscopia infrarossa. Una parte molto rilevante del presente lavoro di tesi è rappresentato dall’ottimizzazione dei parametri di crescita, specifici dell’apparato di crescita utilizzato, al fine di depositare un substrato virtuale e delle MQWs di buona qualità cristallina, con interfacce ben definite, e bassa densità di difetti.La caratterizzazione ottica del profilo di banda e degli stati elettronici in MQWs s- Ge/SiGe a deformazione parzialmente compensata, è avvenuta tramite spettroscopia in trasformata di Fourier (FTIR). In particolare sono state studiate le transizioni interbanda al punto Γ, nel vicino infrarosso e l’evoluzione della transizione intersottobanda fondamentale al punto L, nel THz, al variare dei parametri strutturali delle MQWs. Le misure di assorbimento interbanda effettuate a T=10K e T=77K, in incidenza normale, sono state confrontate con simulazioni atomistiche con modello tight binding (TB), nelle quali sono stati utilizzati come dati di input i parametri strutturali misurati nei diversi campioni, e sono stati inclusi gli effetti di tipo eccitonico. L’ottimo accordo riscontrato tra gli spettri di assorbimento misurati e le simulazioni, ha dimostrato da un lato l’accuratezza delle caratterizzazioni ottiche e strutturali dei campioni, e dall’altro l’adeguatezza del modello teorico TB nel descrivere gli stati elettronici sia in banda di valenza che in banda di conduzione in eterostrutture SiGe deformate. Le energie delle transizioni intersottobanda sono state confrontate con simulazioni ottenute con metodo autoconsistente a multi banda basato su approssimazione parabolica k·p. Queste simulazioni sono state sviluppate in collaborazione con l’Università di Pisa e consentono tempi di calcolo molto ridotti rispetto a simulazioni con metodo TB. Entrambi i metodi di calcolo si sono dimostrati molto efficaci nel riprodurre l’andamento dell’energia delle transizioni intersottobanda una volta considerati i principali fattori di non idealità quali la correzione al potenziale dovuta alla presenza di carica ionizzata nelle barriere SiGe e il contributo collettivo di depolarizzazione. Le simulazioni hanno permesso di calcolare un parametro importante quale la discontinuità di banda ad L DeltaEC(L)=124meV, un valore che risulta adeguato allo sviluppo di dispositivi optoelettronici nel dominio spettrale dei THz. La presente tesi ha permesso quindi di ottenere una serie di risultati innovative e fortemente incoraggianti sul futuro ruolo delle MQWs Ge/SiGe nello sviluppo dispositivi optoelettronici ad alta efficienza integrabili con l’attuale tecnologia del silicio. Questi risultati sono sicuramente una solida base di partenza per futuri esperimenti volti alla realizzazione di dispositivi a cascata quantica che sfruttino le proprietà del Ge.