WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Синхротронные исследования особенностей электронно-энергетического спектра кремниевых наноструктур © Э.П. Домашевская, В.А. Терехов, В.М. Кашкаров, Э.Ю. Мануковский, С.Ю. Турищев, С.Л. Молодцов, Д.В. Вялых, А.Ф. Хохлов, А.И. Машин, В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия Institut fr Oberflchen- und Mikrostrukturphysik, Technische Universitt, Dresden, Germany Institut fr Experimentalphysik, Freie Universitt Berlin, Berlin, Germany Нижегородский государственный университет, 603600 Нижний Новгород, Россия E-mail: root@ftt.vsu.ru (Поступила в Редакцию 11 февраля 2003 г.) С использованием синхротронного излучения впервые получены спектры ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения в области Si L2,3-краев для наноматериалов в виде пористого кремния и наноструктур с эпитаксиальными слоями кремния, легированными эрбием или содержащими квантовые точки германия. Модель фотолюминесценции пористого кремния на базе полученных данных позволяет объяснить ее появление вследствие зона-зонных переходов между уровнями крсталлической фазы и оксидных фаз, покрывающих нанокристаллы кремния. Напряжения в поверхностных нанослоях кремния, вызванные Ge-квантовыми точками или кластерами с внедренными атомами эрбия, являются причиной появления тонкой структуры спектров вблизи края зоны проводимости и могут приводить к возникновению люминесценции в этих наноструктурах.

1. Введение состояния в зоне проводимости [2] µ(E) 3 |M |2(Ef - Ei - h), (1) f f i Кристаллические и аморфные материалы, содержащие наноразмерные кластеры, привлекают серьезное внигде M = H i dr — матричный элемент вероятноf i f мание в силу своих уникальных физических свойств.

сти перехода электрона с остовного уровня с волновой Эти кластеры характеризуются квазиатомной энергетифункцией i и собственным значением Ei на состояния ческой структурой валентных электронных состояний, в зоне проводимости с волновой функцией f. H — высокой адсорбционной способностью и химической оператор возмущения, h — энергия поглощаемого активностью. Однако основные закономерности изменекванта СИ.

ния электронного спектра и других физических свойств Полученные спектры БТСРП сопоставлялись со спекпри переходе к наноразмерным объектам до сих пор трами, полученными методом ультрамягкой рентгеновдетально не исследованы. Специфические особенности ской эмиссионной спектроскопии. Ультрамягкие рентвзаимодействия между нанокластерами и материалом геновские эмиссионные спектры (УМРЭС) позволяют окружающей их матрицы, которая используется для определить LP DOS занятых состояний в валентной зоне пассивации этих кластеров и для стабилизации и свойств исследуемого материала во времени, также не изучены.

I(E) 3 |Mi j|2(Ei - Ejh), (2) j Цель настоящей работы — получение и исследование спектров квантового выхода электронов вблизи L2,3-края где Mi j = i H jdr — матричный элемент вероятнопоглощения с помощью синхронного излучения (СИ) сти перехода электрона из валентной зоны с волновой в материалах, содержащих наноразмерные образования функцией j и собственным значением Ej на вакансию в пористом кремнии, и в наноструктурах, включающих внутреннего уровня с волновой функцией i. H —опеслои с Ge-квантовыми точками или легированные Er.

ратор возмущения, h — энергия излучаемого кванта.

Известно, что спектр квантового выхода электронов Сопоставление спектров БТСРП и УМРЭС в единой соответствует спектру ближней тонкой структуры рентэнергетической шкале относительно остовного 2p-уровгеновского поглощения (БТРСП или XANES) [1] и отра- ня для L2,3-спектров позволяет оценить значение ширижает распределение локальной парциальной плотности ны запрещенной зоны по распределению парциальных состояний (LP DOS), соответствующей незанятым со- s + d-состояний.

стояниям в зоне проводимости с точностью до множите- С использованием СИ было проведено исследование ля вероятности, равного квадрату матричного элемента наноматериалов двух типов. К первому типу относиперехода электрона с основного уровня на свободные лись образцы пористого кремния (por-Si), полученного 336 Э.П. Домашевская, В.А. Терехов, В.М. Кашкаров, Э.Ю. Мануковский, С.Ю. Турищев, С.Л. Молодцов...

Рис. 1. Si L2,3-спектры БТСРП пористого кремния, полученного на подложках c-Si ориентаций 100 (a) и 111 (b), при разных временах травления (Ec — дно зоны проводимости). Время травления, min: 1 —1, 2 —3, 3 —5, 4 — 10, 5 —10 с последующим дотравливанием, в HCl.

электрохимическим травлением монокристаллического стой металлической кассеты нагреванием в вакукремния двух ориентаций 100 и 111. Второй тип уме 2.6 · 10-6 Pa и температуре 450-500C со скообразцов включал наноструктуры с эпитаксиальными ростью роста 0.5 µm/h.

слоями кремния, легированными эрбием или содер- Нанослои Si, содержащие квантовые точки Ge, были жащими квантовые точки германия. И те и другие выращены аналогичным методом в среде GeH4 на бутакже выращивались на монокристалличеких пластинах ферном слое кремния толщиной 100 nm. В качестве кремния 100. подложек для наноструктур с квантовыми точками Ge и эпитаксиальными слоями, легированными Er, использовался монокристаллический кремний 100.

2. Эксперимент Исследования ближней тонкой структуры рентгенов- 3. Результаты и их обсуждение ского поглощения БТСРП вблизи L2,3-краев кремния 3.1. П о р и с т ы й к р е м н и й. Спектры БТСРП побыли проведены на российско-германском канале синристого кремния вблизи Si L2,3-краев, выращенного на хротрона BESSY II. Рентгенооптическая схема БТСРП монокристаллических пластинах c-Si 111 и 100, предизмерений включает четыре зеркала с золотым покрытием и четыре решетки, покрытые золотом, с штрихами на миллиметр. Энергетическое разрешение составляло 0.03 eV. Толщина информативного слоя исследуемых образцов, лимитируемая глубиной выхода электронов, не превышала 20 nm.

Пористый кремний был получен стандартным методом электрохимического травления монокристаллических пластин S 100 и 111 в спиртовом растворе плавиковой кислоты при различных временах травления.

Известно, что время травления определяет толщину пористого слоя, а также средний размер пор в нем [3]. Так, например, для исследованных образцов при времени травления 10 min и плотности тока 15 mA/cm2 средний размер пор составляет 2-3 nm. Более того, при последующей обработке (дотравливании) пористого кремния в соляной кислоте его свойства стабилизируются, и интенсивность фотолюминесценции в видимой части спектра (1.8-2.2eV) значительно увеличивается [4].

Рост эпитаксиальных нанослоев Si, легированРис. 2. Si L2,3-края поглощения эталонных образцов:

ных эрбием, проводился методом сублимационной cSi + SiO2, SiO2, -SiO2 (кварц) [6] и спектр БТСРП -Si : H молекулярно-лучевой эпитаксии [5]. Er испарялся с чи- с включением нанокристаллов Si.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Синхротронные исследования особенностей электронно-энергетического спектра кремниевых... Таблица 1. Энергетические положения основных особенностей БТСРП и УМРЭС пористого кремния, выращенного на подложках c-Si 111 и 100.

Края, eV Энергии спектральных Образец / Подложка особенностей, eV УМРЭС, E БТСРП, Ec 1min/ 111 99.2 100.3 101.7 106.2; 106.8 3min/ 111 99.5 100.4 101.7 106.1; 106.7 108.5min/ 111 - 100.4 102.0 106.2; 106.8 108.10 min, дотравливание в HCl 111 99.9 100.3 101.8 105.8; 106.4 108.1min/ 100 - 100.2 101.7 106.1; 106.5 108.3min/ 100 - 100.3 101.9 106.2; 106.6 108.5min/ 100 - 100.3 102.0 106.1; 106.7 108.10 min/ 100 - 100.5 102.3 106.3; 106.9 109.10 min, дотравливание в HCl/ 100 - 100.1 102.0 105.8; 106.5 108.a-Si : H(включения нанокристаллического Si) 99.2 100.2 101.2 106.2; 106.7 108.SiO2 98.5 105.3 - 106.2/106.6 108.-SiO2 98.5 105.4 - 106.1/106.4 108.Таблица 2. Фазовый состав пористого кремния, выращенного на подложке c-Si Время травления Глубина Фазовый состав образцов пористого кремния, % подложки c-Si при анализа данных получении por-Si, min УМРЭС, nm c-Si a-Si : H a-Si(lc) SiO1,3 SiO1 10 42.8 6.0 36.8 2.9 11.2 10 21.1 40.4 38.0 0.5 0.10 18 11.0 15.8 29.0 16.0 22.ставлены на рис. 1. Для сравнения на рис. 2 приведены Полученные результаты (рис. 1, табл. 1) показываSi L2,3-спектр БТСРП аморфного гидрогенезированного ют, что энергетические особенности спектров БТСРП кремния a-Si : H, полученный нами на СИ, а также por-Si, выращенного на монокристаллах кремния двух абсорбционные Si L2,3-края некоторых оксидов кремния: различных ориентаций 111 и 100, практически не c-Si+SiO2, кварца -SiO2 и термического SiO2 [6]. Энер- отличаются. Из сравнения этих спектров с эталонными гии характеристических особенностей спектров БТСРП (рис. 2) следует, что поверхностные слои por-Si соотносительно остовного 2p1/2,3/2-уровня кремния пред- держат три основные фазы: аморфный кремний, оксид ставлены в табл. 1. кремния [6] и кристаллический кремний [6].

Рис. 3. a —Si L2,3-рентгеновские эмиссионные спектры пористого кремния, полученного при разных временах травления (1 —1, 2 —2, 3 —10 min). Штриховая линия — экспериментальные спектры, сплошная линия — модельные спектры. b —Si L2,3-рентгеновские эмиссионные спектры эталонных образцов, используемые при моделировании.

10 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 338 Э.П. Домашевская, В.А. Терехов, В.М. Кашкаров, Э.Ю. Мануковский, С.Ю. Турищев, С.Л. Молодцов...

Рис. 4. Si L2,3-спектры БТСРП-наноструктур с эпитаксиальными слоями кремния, легированными эрбием (a), и Si L2,3-спектры БТРСП-наноструктур Si с квантовыми точками Ge (b).

Рис. 5. Морфология поверхности наноструктур со слоями кремния, легированными Er (a) исодержащимиквантовые точки Ge (b), по данным атомно-силовой микроскопии.

Однако после дотравливания пористого кремния заключается в увеличении относительной интенсивности в растворе HCl происходит заметная реконструкция края поглощения кремния. В этом проявляется разспектров БТСРП (рис. 1). Наклон спектров становится личный тип химической активности атомов кремния, более крутым, а тонкая структура спектров в области оказавшихся в неэквивалентных позициях в поверхностэнергий, соответствующей оксидной фазе, становится ном слое por-Si, в зависимости от ориентации кристалболее выраженной. Этот эффект проявляется наиболее лической подложки, подвергнутой электрохимическому заметно в образце, полученном на подложке 100, и травлению [7].

Таблица 3. Энергетические положения основных особенностей БТСРП спектров многослойных кремниевых наноструктур, легированных Er, и наноструктур с квантовыми точками (QD) Ge Образец Края БТРСП Ec, eV Энергии спектральных особенностей БТРСП, eV n-Si/Si : Er/n-Si/c-Si 100.2 101.4; 101.9 103.0; 103.8 106.2; 106.7 108.Si/Si : Er/c-Si 100.2 101.4; 101.9 103.2; 103.8 106.3; 106.8 108.Si : Er/n-Si/c-Si 100.2 101.6 103.2; 103.8 106.2; 106.8 108.Si/Ge QD in Si : Er/Si/c-Si 100.1 101.3; 101.8 103; 103.7 106.2; 106.6 108.Si/Ge QD in Si/Si/c-Si 100.1 101.3; 101.8 103; 103.7 106.2; 106.7 108.Si/Ge QD in Si : Er/Si/c-Si 100.2 101.3; 101.9 - - 108.Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Синхротронные исследования особенностей электронно-энергетического спектра кремниевых... Ранее нами был разработан метод определения фа- Как показывают результаты, приведенные на рис. зового состава поверхностных слоев por-Si путем раз- и в табл. 3, спектры всех наноструктур со слоями, ложения экспериментальных ультрамягких рентгенов- содержащими квантовые точки, а также легированными ских эмиссионных спектров Si L2,3 на эталонные и эрбием, характеризуются специфической тонкой струксопоставления модельных спектров с эксперименталь- турой при энергиях 101-104 eV. Такая тонкая структура вблизи главного L2,3-края поглощения получена вперными [8]. На рис. 3 представлены УМРЭС Si L2,3 для вые. Соответствующие энергетические уровни в зоне образцов пористого кремния (a) вместе с эталонными проводимости могут принимать участие в спектре люспектрами (b). Результаты определения фазового состава минесценции. Здесь наиболее интересен тот факт, что по методике [8] представлены в табл. 2. В качестве эталонных Si L2,3-спектров при моделировании исполь- спектры образцов с квантовыми точками очень схожи со спектрами наноструктур, включающих слой, легирозовались спектры следующих фаз: кристаллического ванный Er. При этом следует помнить, что поверхность кремния c-Si, аморфного гидрогенезированного кремния наноструктур обеих серий закрыта тонким защитным a-Si : H, низкокоординированого кремния a-Si(1c) (эта эпитаксиальным слоем кремния 50 nm, а глубина анафаза с координационныи числом 2.5-3 наблюдалась лизируемого слоя 20 nm. Это означает, что напряженами в аморфных пленках Si [9]) и двух типов оксида ния, возникающие на границах Ge-квантовых точек или кремния–субоксида SiO1.3 и двуокиси кремния SiO2.

нанокластеров с Er, распространяются через весь закрыОтметим, что приведенные фазы отбирались на основе вающий слой, если он достаточно тонок (< 50 nm). Если компьютерного моделирования и с учетом данных друмногослойная наноструктура с квантовыми точками Ge гих методов исследования пористого кремния [8].

закрыта наиболее толстым слоем Si (около 100 nm), она Согласно данным УМРЭС, в пористом слое обнаимеет наименее выраженную тонкую структуру (нижняя руживаются следующие фазы: a-Si : H, SiO2, c-Si, а кривая на рис. 4, b).

также низкокоординированный кремний Si(lc) и фаза Результаты исследования морфологии образцов субокиси кремния SiO1.3. Таким образом, кроме фаз с квантовыми точками и слоями, легированными эрбием, c-Si, a-Si : H и SiO2, метод УМРЭС обнаруживает две полученные методом атомно-силовой спектроскопии дополнительные фазы в отличие от метода БТСРП:

представлены на рис. 5.

низкокоординированного кремния и субоксида SiO1.3.

Следует также отметить, что образцы всех кремниеИз результатов сопоставления данных БТСРП-спектвых наноструктур были более или менее окислены, о ров и УМРЭС, следует, что пористый кремний представчем свидетельствуют пики спектров БТСРП в области ляет собой многофазную систему, содержащую нанокриэнергий 106.2-108.8 eV, характерные для оксидов кремсталлические образования кремния, покрытые аморфныния (ср. рис. 2 и 3).

ми и оксидными фазами. При лазерном возбуждении видимой фотолюминесценции электроны могут переходить из состояний вблизи потолка валентной зоны 4. Заключение оксидных фаз (98.5 eV) в состояния зоны проводимости кремния (101-102 eV), что приводит к появлению шиТаким образом, в работе получены следующие основрокой полосы люминесценции в области 1.8-2.4eV [10].

ные результаты.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.