WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА Физический факультет

На правах рукописи

Мамичев Дмитрий Александрович ВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ СЛОЕВ Специальность 01.04.10 Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Тимошенко Виктор Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Белогорохов Александр Иванович кандидат физико-математических наук, доцент Федотов Андрей Борисович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО)

Защита состоится “ 15 ” октября 2009 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ 11 ” сентября 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70 доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы представленных исследований, обусловлена доминирующей ролью полупроводниковых микро- и наноструктур в современных оптоэлектронных технологиях. Изучение структур на основе кристаллического кремния (c-Si) весьма актуально, поскольку данный материал является базовым для современной микроэлектроники. В качестве примеров кремниевых микро- и наноструктур в работе рассмотрены щелевые кремниевые структуры (ЩКС) и пористый кремний (ПК). ЩКС представляют собой периодическую слоистую структуру, состоящую из пустот (щелей) и слоев c-Si [1]. Известно, что ЩКС характеризуются исключительно сильной анизотропией оптических свойств [2], а также проявляют свойства одномерных фотонных кристаллов (ФК) в инфракрасной (ИК) области спектра [3]. ПК, полученный методом электрохимического травления, представляет собой композитный материал, состоящий из кремниевых остатков – нанокристаллов, разделенных пустотами – порами [4]. Многослойные структуры на основе ПК могут проявлять свойства одномерных ФК с фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ), перестраиваемой в зависимости от толщин слоев, их эффективных показателей преломления и угла падения излучения на образец [5].

Эффективный показатель преломления такой структуры сильно изменяется на границе ФЗЗ, что может привести к росту эффективности нелинейных оптических процессов и комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС) [6]. Важным фактором, влияющим как на интенсивность КРС, так и на анизотропию показателя преломления в структурах на основе c-Si, является присутствие свободных носителей заряда (СНЗ), которые могут вносить существенный вклад в эффективную диэлектрическую проницаемость системы, определяющую ее оптические характеристики [7]. Известно, что наноструктурирование c-Si приводит к появлению интенсивной фотолюминесценции (ФЛ) в видимом диапазоне спектра [8], что в комбинации со свойствами ФК открывает новые возможности для создания кремниевых светоизлучающих устройств [9]. Все это обуславливает актуальность задачи по исследованию влияния микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев.

К моменту постановки данного диссертационного исследования в научной литературе отсутствовали надежные данные по КРС в многослойных кремниевых микроструктурах. Не было изучено влияние СНЗ на интенсивность КРС, величину показателя преломления и двулучепреломление в ЩКС.

Отсутствовали данные по межзонной ФЛ в ЩКС и, в частности, по поляризационным характеристикам ФЛ. Не был изучен вопрос о влиянии физико-химических обработок, таких как химическая пассивация поверхности и наноструктурирование на оптические свойства ЩКС.

Целью работы являлось исследование влияния структурных параметров и вклада свободных носителей заряда в щелевых кремниевых микроструктурах и многослойных структурах на основе пористого кремния на их оптические свойства, а именно, эффективность комбинационного рассеяния света, дисперсию показателя преломления, двулучепреломление и фотолюминесценцию.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние структурных характеристик щелевых кремниевых микроструктур и многослойных структур на основе пористого кремния на эффективность комбинационного рассеяния света в них.

2. Изучить комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых микроструктурах, заполненных различными диэлектрическими веществами.

3. Исследовать межзонную фотолюминесценцию и ее поляризационные характеристики для щелевых кремниевых микроструктур с различной степенью пассивации поверхностных дефектов.

4. Исследовать влияние равновесных и неравновесных носителей заряда на комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых микроструктурах.

5. Экспериментально и теоретически исследовать влияние свободных носителей заряда на эффективный показатель преломления щелевых кремниевых микроструктур.

6. Изучить влияние наноструктурирования щелевых кремниевых микроструктур на их фотолюминесцентные свойства и эффективность комбинационного рассеяния света.

Для решения поставленных задач был применен комплекс различных методов исследования, включающий поляризационно-чувствительную ИК Фурье-спектроскопию, сканирующую электронную микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света и фотолюминесценцию, а также спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Достоверность полученных результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, а также детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих оптические свойства исследуемых структур. В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей.

Автор защищает:

1. Вывод о возможности усиления комбинационного рассеяния света на краю фотонной запрещенной зоны в периодических слоистых структурах, сформированных на основе пористого кремния.

2. Вывод о многократном возрастании интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на фононах кристаллической решетки кремния в щелевых кремниевых микроструктурах с толщиной стенок от до 7 мкм и периодом от 4 до 24 мкм при возбуждении светом с длинами волн 0.488, 0.633 и 1.064 мкм по сравнению с пластинами c-Si.

3. Утверждение о линейной зависимости интенсивности комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см-3.

4. Вывод об усилении сигнала комбинационного рассеяния света на колебательных модах молекул, конденсированных в щелевых кремниевых микроструктурах.

5. Утверждение о росте концентрации фотовозбужденных носителей заряда и возрастании интенсивности межзонной фотолюминесценции в щелевых кремниевых микроструктурах по сравнению с подложкой с-Si при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм, а также результаты по влиянию обработки поверхности кремниевых микроструктур на интенсивность их фотолюминесценции.

6. Вывод о зависимости эффективных показателей преломления и величины двулучепреломления в щелевых кремниевых микроструктурах в ИК диапазоне спектра от значения концентрации свободных носителей заряда, а также предложенное теоретическое описание экспериментальных результатов на основе модели эффективной среды с учетом влияния свободных носителей заряда по модели Друде-Лоренца.

7. Новые данные по влиянию наноструктурирования щелевых кремниевых микроструктур на фотолюминесценцию и комбинационное рассеяние света в них, которые заключаются в появлении интенсивной фотолюминесценции в диапазоне 550 – 900 нм, связанной со слоем кремниевых нанокристаллов на поверхности кремниевых стенок и увеличении интенсивности комбинационного рассеяния света на TOфононах кристаллической решетки кремния.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1) Экспериментально и теоретически продемонстрирована возможность увеличения эффективности комбинационного рассеяния света на краю фотонной запрещенной зоны в периодических структурах, сформированных на основе пористого кремния.

2) Обнаружено многократное увеличение интенсивности комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах, полученных методом реактивного ионного травления, при возбуждении их видимым или инфракрасным излучением по сравнению с пластинами c-Si.

3) Установлено, что усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении светом с длиной волны 1.064 мкм связано с эффектом слабой локализации излучения в кремниевых стенках толщиной порядка нескольких микрометров.

4) Обнаружено многократное увеличение эффективности рамановского рассеяния света на локальных колебаниях молекул, адсорбированных на поверхности стенок в щелевых кремниевых микроструктурах, что позволяет использовать их для построения высокочувствительных сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации.

5) Экспериментально найдена зависимость интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на длине волны 1.064 мкм в щелевых кремниевых микроструктурах от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см-3.

6) Обнаружено, что щелевые кремниевые микроструктуры при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм обладают более интенсивной по сравнению с подложкой c-Si фотолюминесценцией, обусловленной межзонной излучательной рекомбинацией носителей заряда.

7) Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободных носителей заряда на величину двулучепреломления и дихроизм в щелевых кремниевых микроструктурах.

8) Впервые исследовано влияние наноструктурирования поверхности кремниевых стенок щелевых кремниевых микроструктур на их фотолюминесцентные свойства и явление комбинационного рассеяния света в таких структурах.

Научная и практическая значимость работы заключается в получении новых данных, которые являются важными как для понимания влияния структурных параметров многослойных кремниевых микро- и наноструктур на их электронные и оптические свойства, так и в прикладном плане – для создания сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации и новых элементов для управления светом на основе кремния.

Личный вклад. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях и теоретическом анализе полученных результатов является определяющей.

Апробация результатов работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 10 работах, из которых 4 статьи в научных журналах и сборниках и 6 тезисы в сборниках докладов и трудов конференций. Апробация работы проходила на следующих конференциях: Ломоносовские чтения 2006, секция Физика, Москва, Россия 2006; 5th International Conference on Porous Semiconductors – Since and Technology (PSST 2006), Sitges-Barcelona 2006; 3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau, Moldova 2006; 3rd International Conference on Micro-Nanoelectronics, Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007), Athens, Greece 2007; XI Всероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах”, Звенигород, Россия 2008; 4th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2008), Chisinau, Moldova 2008.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка цитируемой литературы, содержащей 122 наименования. Общий объем работы составляет 149 страниц машинописного текста, включая 80 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности, приведены положения, выносимые на защиту, а также представлен перечень конференций, в рамках которых проходила апробация работы, и список публикаций.

Первая глава является обзором литературы и посвящена изложению основных методов формирования щелевых кремниевых микроструктур, а также имеющихся в научной литературе данных по оптическим свойствам ЩКС и ПК. В разделе 1.1 обсуждаются основные методы формирования ЩКС, такие как анизотропное жидкостное химическое и реактивное ионное травление, позволяющие получать полупроводниковые структуры микронного и субмикронного размеров. В разделе 1.2 содержится информация об оптических свойствах ЩКС. Делается вывод, что в дальнем ИК диапазоне спектра ЩКС представляют собой одноосный двулучепреломляющий кристалл с оптической осью, направленной перпендикулярно кремниевым стенкам. Наблюдаемая анизотропия оптических свойств ЩКС является проявлением явления двулучепреломления формы [10]. Ранее в ЩКС с субмикронным периодом был обнаружен значительный рост интенсивности КРС, однако причины данного эффекта не были окончательно установлены [11]. В целом, имеющиеся литературные данные свидетельствуют о возможности значительной модификации оптических свойств микронных и субмикронных слоистых структур по сравнению с c-Si. Раздел 1.3 посвящен описанию оптических свойств одномерных слоистых кремниевых структур. Показано, что ЩКС, а также периодические многослойные структуры на основе ПК, обладают свойствами ФК с высоким оптическим качеством. В разделе 1.рассматриваются ФЛ свойства субмикронных структур и наноструктур на основе c-Si. Как следует из литературных данных, для кремниевых наноструктур с характерными размерами менее 10 нм может наблюдаться ФЛ в видимом диапазоне спектра, которая обусловлена проявлением квантоворазмерного эффекта. В разделе 1.сформулированы выводы из обзора литературы и поставлены задачи исследования.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»