WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

В разделе 4.2 рассмотрено влияние обработки поверхности на рекомбинацию неравновесных носителей заряда в ЩКС. Установлено, что обработка поверхности ЩКС может привести к многократному росту интенсивности сигнала межзонной ФЛ. Данный рост объясняется существенным уменьшением скорости поверхностной рекомбинации для ЩКС.

Для детального исследования влияния обработки поверхности на величину сигнала межзонной ФЛ в ЩКС образцы были подвергнуты различным физикохимическим обработкам. Обнаружено, что наибольший рост интенсивности ФЛ наблюдается при обработке поверхности микроструктур раствором HF:C2H5OH, что указывает на высокий уровень пассивации поверхностных центров безызлучательной рекомбинации. При химическом окислении в растворе HNO3:H2O наблюдалось уменьшение интенсивности ФЛ практически до уровня исходного образца, что говорит о существенном увеличении концентрации дефектов на поверхности стенок ЩКС. Проведенное методом ЭПР спектроскопии исследование позволило установить, что доминирующими дефектами в ЩКС являются, так называемые, Pb – центры, которые представляют собой оборванную связь кремния на границе раздела Si/SiO2.

Рассчитанные из спектров ЭПР концентрации Pb – центров в расчете на единицу поверхности ЩКС, хорошо объясняют изменение интенсивности межзонной ФЛ при различных обработках поверхности.

В разделе 4.3 представлены результаты исследования влияния равновесных СНЗ на оптические характеристики ЩКС в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра. Учитывая, что характерные размеры кремниевых слоев в изучаемых образцах составляют единицы микрометров, для рассмотрения такого влияния была использована классическая модель Друде-Лоренца, согласно которой частотная зависимость диэлектрической проницаемости может быть записана в виде:

p ( ), (3) i g где – высокочастотная диэлектрическая проницаемость полупроводника, m* – эффективная масса СНЗ, а p и g – плазменная частота и параметр затухания, соответственно. Для ЩКС с низкой концентрацией СНЗ (NСНЗ ~ 1015 см-3) величины показателей преломления и двулучепреломления оказываются практически константами на всем протяжении рассматриваемого спектрального диапазона. Для образцов, - no полученных на подложках c- ne Si с умеренным и высоким - n уровнем легирования (NСНЗ = 1018–1019 см-3), наблюдается сильная модификация спектральных зависимостей показателей преломления и 200 400 600 800 величины, см-двулучепреломления (см. рис.

Рис. 7. Зависимости показателей преломления (no, ne) 7). В обоих случаях на и величины двулучепреломления (n) от волнового числа для ЩКС (А = 5 мкм), полученной на подложке спектральных зависимостях с =1-10 мОм·см. Сплошные линии – расчет по показателей преломления модели эффективной среды (пористость p = 0.56, NСНЗ = 1·1019 см-3, g = 420 см-1).

наблюдается участок аномальной дисперсии, обусловленный вкладом СНЗ в эффективную диэлектрическую проницаемость гетеросистемы. Из рис. 7 также видно, что экспериментальные спектры хорошо описываются расчетными кривыми, полученными с использованием модели эффективной среды для слоистой системы, дополненной моделью Друде-Лоренца.

В разделе 4.4 рассмотрено влияние фотовозбужденных СНЗ на двулучепреломление ЩКС. Вклад СНЗ в эффективную диэлектрическую o e n, n, n проницаемость ЩКС может приводить к существенной модификации оптических свойств образцов и, в частности, величины двулучепреломления.

Фотовозбуждение носителей заряда осуществлялось линейно поляризованным излучением с = 1.064 мкм. Обнаружено, что с увеличением концентрации фотовозбужденных СНЗ происходит уменьшение коэффициента пропускания ЩКС в дальнем ИК диапазоне спектра, что хорошо описывается увеличением поглощения на СНЗ. При увеличении концентрации фотовозбужденных СНЗ наблюдалась существенная модификация спектральной зависимости величины двулучепреломления, а также уменьшение его абсолютного значения. При использованных интенсивностях фотовозбуждения до 10 Вт/см2 удавалось достичь изменения величины двулучепреломления до 3%. Полученные экспериментальные данные хорошо описываются в рамках модели эффективной среды с учетом влияния СНЗ по модели Друде-Лоренца.

Пятая глава посвящена исследованию ФЛ и КРС в наноструктурированных ЩКС (нано-ЩКС). В разделе 5.1 представлены экспериментальные данные по ФЛ и КРС в изученных структурах.

Обнаружено, что для всех исследованных образцов наблюдалась интенсивная ФЛ в виде широкой полосы в диапазоне 550–900 нм с максимумом на 650–нм. Данная ФЛ объясняется излучательной рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокристаллах в слое микропористого кремния (микро-ПК), покрывающего стенки нано-ЩКС. Характерные спектры ФЛ нано-ЩКС и слоя микро-ПК, образовавшегося на подложке c-Si после химического травления при аналогичных условиях, представлены на рис. 8. Интенсивность сигнала ФЛ для нано-ЩКС многократно (~ 10 раз) превосходит интенсивность сигнала ФЛ для слоя микро-ПК. Помимо ФЛ в видимом диапазоне спектра, для нано-ЩКС наблюдалась межзонная ФЛ при возбуждении излучением с = 1.064 мкм, которая существенно (~ 3 раз) превышала сигнал ФЛ для исходных образцов ЩКС. Данное увеличение интенсивности межзонной ФЛ можно объяснить уменьшением скорости поверхностной рекомбинации после процесса химического травления. Исследование КРС в образцах нано-ЩКС при возбуждении излучением с = 1, - нано- ЩКС 0.488 мкм показало, что - микро- ПК - ЩКС 0,интенсивность сигнала КРС для нано-ЩКС оказывается 0,существенно больше, чем для 0,исходных образцов ЩКС и слоя 0,ПК, полученного при тех же условиях. Рост интенсивности 0,500 600 700 800 сигнала КРС для нано-ЩКС, нм можно объяснить уменьшением Рис. 8. Спектры ФЛ для образца ЩКС, нано-ЩКС, и слоя микро-ПК на подложке c-Si, полученного поглощения излучения в при тех же условиях. Длина волны возбуждающего структуре, что увеличивает излучения 0.337 мкм.

объем вещества, взаимодействующего с излучением. Помимо многократного роста интенсивности сигнала КРС для образцов нано-ЩКС, полученных посредством химического травления ЩКС с наименьшей толщиной кремниевых стенок, наблюдалось существенное уширение линии КРС (~ 2 см-1), а также ее низкочастотный сдвиг до значения ~ 519 см-1, что указывает на присутствие нитевидных кремниевых нанокристаллов с диаметрами 7 - 8 нм. Это говорит о том, что в полученных образцах пористый слой, покрывающий поверхность нано-ЩКС, представляет, по-видимому, двухфазную систему, состоящую из тонкого слоя люминесцирующих нанокристаллов и слоя более крупных нанокристаллов.

Раздел 5.2 посвящен изучению поляризационных зависимостей интенсивности ФЛ в видимом диапазоне спектра для нано-ЩКС. Установлено, что ФЛ таких структур имеет преимущественную поляризацию вдоль кристаллографического направления, совпадающего с направлением кремниевых стенок в ЩКС, что можно объяснить анизотропией формы щелевой кремниевой микроструктуры.

ФЛ I, отн. ед.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ В работе были изучены оптические свойства щелевых кремниевых микроструктур, сформированных и модифицированных различными методами, включая наноструктурирование поверхности кремниевых слоев, а также многослойных структур на основе пористого кремния, и выявлены основные закономерности влияния структурных параметров образцов и концентрации свободных носителей заряда в них на эффективные показатели преломления, двулучепреломление, дихроизм и эффективность комбинационного рассеяния света в таких системах. Были получены следующие основные результаты:

1. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность многократного увеличения эффективности комбинационного рассеяния света ближнего инфракрасного диапазона спектра на краю фотонной запрещенной зоны в периодических слоистых структурах на основе пористого кремния.

2. Обнаружено увеличение (до 8 раз) интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра в щелевых кремниевых микроструктурах с периодом от 4 до 24 мкм по сравнению с подложкой c-Si, что объясняется эффектами слабой локализации излучения в щелях и кремниевых слоях.

3. Установлено, что для щелевых кремниевых микроструктур интенсивность комбинационного рассеяния света при возбуждении светом с длиной волны 1.064 мкм практически линейно зависит от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от до 1019 см-3, что объясняется поглощением света на свободных носителях заряда и эффектом Фано.

4. Обнаружено многократное (в 10-20 раз) увеличение интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на локальных колебаниях молекул (бензола, четыреххлористого углерода, этанола, ацетона), помещенных в щелевые кремниевые микроструктуры, что открывает возможность использования таких структур для построения высокочувствительных сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации.

5. Установлено, что величина сигнала межзонной фотолюминесценции в щелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм в 10-50 раз выше, чем для подложки с-Si, к тому же фотолюминесценция кремниевых микроструктур обладает преимущественной поляризацией, задаваемой ориентацией кремниевых структур.

6. Методом поляризационно-чувствительной инфракрасной спектроскопии исследованы спектральные зависимости показателей преломления и величины двулучепреломления в дальнем и среднем инфракрасном диапазонах спектра щелевых кремниевых микроструктур с различной концентрацией равновесных и неравновесных носителей заряда и установлено, что экспериментальные результаты для рассматриваемого диапазона спектра хорошо описываются в рамках модели эффективной среды с учетом взаимодействия света со свободными носителями заряда по модели Друде-Лоренца.

7. Исследованы оптические свойства модифицированных щелевых кремниевых микроструктур со слоями микропористого кремния на поверхности кремниевых стенок и обнаружено, что наноструктурирование поверхности стенок приводит к дополнительному росту интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света при возбуждении видимым излучением, а также к появлению интенсивной фотолюминесценции в диапазоне 550 – 900 нм, обусловленной излучательной рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокристаллах в микропористых слоях.

Цитируемая литература 1. D. L. Kendall // Ann. Rev. Mater. Science, 1979, v. 9, pp. 373-403.

2. E.В. Астрова, T.S. Perova, В.А. Толмачев, А.Д. Ременюк, J. Vij, A. Moore // ФТП, 2003, т. 37, вып. 4, с. 417–421.

3. В.А. Толмачев, Л.С. Границына, Е.Н. Власова, Б.З. Волчек, А.В. Нащекин, А.Д. Ременюк, Е.В. Астрова // ФТП, 2002, т. 36, вып. 8, с. 996–1000.

4. O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surface Science Report, 2000, v. 38, pp. 1–126.

5. А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах, 1987, М.: Мир.

6. J. B. Renucci, R. N. Tyte, M. Cardona // Phys. Rev. B, 1975, v. 11, pp. 38853895.

7. Л.А. Осминкина, Е.В. Курепина, А.В. Павликов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // ФТП, 2004, т. 38, в. 5, с. 603-609.

8. A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.G. Calcott // J. Appl. Phys, 1997, v. 82, pp. 909 – 964.

9. B. Bulakh, N. Korsunska, L. Khomenkova, T. Stara, Ye. Venger, T. Kryshtab, A. Kryvko // J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 2009, v. 20, pp. 226–229.

10. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, 1973, М.: Наука.

11. S. H. Zaidi, An-Sh. Chu, S. R. J. Brueck // J. Appl. Phys., 1996, v. 80, pp. 6997– 7008.

12. Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // УФН, 2007, т. 177, № 6, с. 619-673.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

A1. L.A. Osminkina, A.S. Vorontsov, S.A. Kutergin, A.E. Tkachenko, D.A.

Mamichev, A.V. Pavlikov, E.A. Konstantinova, V.Yu. Timoshenko, P.K.

Kashkarov “Influence of iodine molecule adsorption on electronic properties of porous silicon studied by FTIR and EPR spectroscopy” // Phys. Status Solidi (c), 2007, v. 4, Issue 6, pp. 2121-2125.

A2. Н.А. Пискунов, С.В. Заботнов, Д.А. Мамичев, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров “Модификация двулучепреломляющих свойств наноструктурированного кремния при изменении уровня легирования подложки бором” // Кристаллография, 2007, т. 52, № 4, стр.

711–715.

A3. А.В. Зотеев, Л.А.Головань, Е.Ю. Круткова, А.В. Лактюнькин, Д.А.

Мамичев, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко, Е.В. Астрова, Т.С. Перова “Усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых структурах” // ФТП, 2007, т. 41, вып. 8, стр. 989–991.

A4. D.A. Mamichev, V.Yu. Timoshenko, A.V. Zoteyev, L.A. Golovan, E.Yu.

Krutkova, A.V. Laktyunkin, P.K. Kashkarov, E.V. Astrova, T.S. Perova “Enhanced Raman scattering in grooved silicon matrix” // Phys. Status Solidi (b), 2009, v. 246, Issue 1, pp. 173-176.

A5. Е.Ю. Круткова, Д.А. Мамичев, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко.

“Оптическая анизотропия кремниевых микро- и наноструктур” // Ломоносовские чтения – 2006, Москва, 18-25 апреля, 2006, с. 80-82.

A6. L.A. Osminkina, A.S. Vorontsov, S.A. Kutergin, A.E. Tkachenko, D.A.

Mamichev, A.V. Pavlikov, E.A. Konstantinova, V. Yu. Timoshenko, P.K.

Kashkarov “Influence of iodine molecule adsorption on electronic properties of porous silicon studied by FTIR and EPR spectroscopy” // Book of

Abstract

of 5th International Conference on Porous Semiconductors – Since and Technology, Sitges-Barcelona, Spain, 12-17 March, 2006, p. 326.

A7. E.V. Astrova, L.A. Golovan, B.P. Gorshunov, P.K. Kashkarov, E.Yu.

Krutkova, D.A. Mamichev, T.S. Perova, V.Yu. Timoshenko, A.A. Volkov “Optical anisotropy of silicon micro- and nanostructures” // 3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics, Chisinau, Moldova, 3-6 October, 2006, p. 227.

A8. P.K. Kashkarov, L.A. Golovan, S.V. Zabotnov, D.A. Mamichev, V.Yu.

Timoshenko “Novel photonic media based on nanostructured semiconductors and dielectrics” // 3rd International Conference on Micro-Nanoelectronics, Nanotechnology & MEMs, Athens, Greece, 18-21 November, 2007, abstract MN127.

A9. Д.А. Мамичев, В.Ю. Тимошенко, Е.В. Астрова “Оптические свойства щелевых кремниевых структур” // XI Всероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах”, Звенигород, Россия, 26-мая, 2008, с. 7.

Pages:     | 1 | 2 ||






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