WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 3 Особенности поглощения в наноструктурах a-Si / ZrOx © А.Ф. Хохлов, И.А. Чучмай, А.В. Ершов¶ Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 7 октября 1999 г. Принята к печати 7 октября 1999 г.) Исследовано поведение спектров коэффициента поглощения ( ) в области края фундаментального поглощения многослойных наноструктур a-Si / ZrOx, полученных испарением, при уменьшении толщины слоев аморфного кремния от 10 до 3 нм. Число периодов структур составляло от 7 до 14. Периодичность контролировалась методами малоугловой рентгеновской дифракции и сканирующей зондовой микроскопии.

Обнаружены участки линейной зависимости = f ( ) в спектрах коэффициента поглощения ( ) и увеличение эффективной оптической щели при толщине слоев a-Si 5 нм. Результат интерпретирован как проявление эффекта размерного квантования.

Введение ке ВУ-1A с использованием системы ”косвенного” фотометрического контроля толщины. В таблице предстаВ последнее время важным направлением физики влены толщины слоев аморфного кремния W и оксида полупроводников является разработка новых материалов циркония B, а также число периодов в структуре.

и устройств на основе аморфного кремния. ИсследоПериод структур dDXR был измерен методом малования в этой области стимулировали создание аморфугловой рентгеновской дифракции на линии излучения ных многослойных структур с нанометровым периоCuK (длина волны = 1.54 ). Расчет проводился по дом — аналогов кристаллических сверхрешеток. Таформуле Вульфа–Брэгга с учетом эффектов поглощения кие структуры часто рассматриваются как новый сини преломления рентгеновского излучения в образцах.

тезированный материал, имеющий необычные электриПериодичность исследовалась методом сканируюческие и оптические свойства. Они сочетают в себе щей зондовой микроскопии на атомно-силовом микроособенности, присущие неупорядоченным системам — скопе TMX-2100 ”Accurex” в режиме бесконтактной аморфным полупроводникам, и в то же время проамплитудно-частотной модуляции (Non-contact AFM, являют эффекты размерного квантования носителей в Periodic contact). Для этого на образцах получали системе искусственно созданных чередующихся потенклин травления с рельефом, отображающим чередование циальных ям и барьеров. В настоящее время наислоев в структурах.

большее внимание уделяется структурам на основе гиСпектральные зависимости коэффициента поглощения дрогенизированного аморфного кремния (a-Si : H), хаструктур () рассчитывались из экспериментальных рактерзующегося низкой плотностью состояний в щезависимостей коэффициентов отражения R() и пропусли подвижности, который нашел важные применекания T () в видимой области спектра (0.4-0.75 мкм), ния в области создания активных пленочных прибоизмеренных при углах падения, близких к нулевому, ров [1]. С другой стороны, эффекты размерного кванна двухлучевом спектрофотометре. При расчете мнотования наблюдались в многослойных наноструктурах гослойная структура рассматривалась как эффективная a-Si / SiO2 [2], т. е. на основе негидрогенизированного среда с показателем преломления neff, коэффициентом аморфного углерода.

экстинкции keff и общей толщиной d. Дисперсии neff() Настоящая работа посвящена исследованию многослойных нанопериодических структур на основе негидрогенизированного аморфного кремния. Нами были Параметры многослойных структур a-Si / ZrOx получены структуры a-Si / ZrOx и изучена зависимость спектров их оптического поглощения от толщины слоев № Число W, нм B, нм dDXR, нм Eg, эВ барьеров и ям.

образца периодов 1 10 35 9 – 2.2 10 17 9 – – Методика эксперимента 3 10 12 9 – 2.4 10 6 9 17 2.Многослойные структуры, представляющие системы 5 5 17 9 – 2.периодически чередующихся слоев аморфного кремния 6 5 12 9 22 2.и оксида циркония с периодом от 45 до 6 нм и числом пе7 5 6 7 15 2.риодов от 7 до 14, были получены методом электронно8 3 6 14 13 2.лучевого испарения. Напыление проводилось на установ9 3 3 14 9 2.¶ E-mail: ershov@phys.unn.runnet.ru 350 А.Ф. Хохлов, И.А. Чучмай, А.В. Ершов и keff() находились решением системы уравнений [3] T (neff, keff, d, ns, ks, ds, ) - Texp = 0, (1) R(neff, keff, d, ns, ks, ds, ) - Rexp = 0, где ns, ks, ds — оптические постоянные и толщина подложки; T, Texp и R, Rexp — соответственно расчетные и экспериментальные значения коэффициентов пропускания и отражения; при этом учитывалось влияние подложки и интерференции света в пленках. В качестве первого приближения использовали значения neff, keff и d, найденные из эллипсометрических измерений на длине волны = 0.63 мкм (эллипсометр ЛЭФ-3М).

Полученные в результате решения системы (1) спектральные зависимости коэффициента поглощения структур () были глобально аппроксимированы для по- Рис. 1. Дифракционная картина, полученная на структуре aSi / ZrOx с толщиной слов a-Si и ZrOx соответственно 5 и 6 нм лучения аналитических зависимостей = f () и (образец 7).

d/d = f (). Аппроксимация осуществлялась кубическим сплайном [4] при минимизации функционала p I = [ (i)]2d + [(i) - i]2Wi, (2) i=где 1 и 2 — границы исследуемого диапазона по ; i — экспериментальные точки; (i) — точки аналитической кривой; (i) — вторая производная;

p — число экспериментальных точек; — коэффициент, характеризующий отношение гладкости кривой к отклонению от экспериментальных точек (при 0 результат аппроксимации — прямая линия, при — интерполяционная кривая); Wi — индивидуальный вес экспериментальной точки. Первый член правой части (2) является условием гладкости кривой, а второй описывает наименьшее квадратичное отклонение аналитической Рис. 2. Профиль клина травления структуры a-Si / ZrOx с кривой от экспериментальных точек.

толщинами слоев a-Si и ZrOx соответственно 3 и 3 нм и числом периодов 14 (образец 9), полученный методом сканирующей зондовой микроскопии.

Результаты и обсуждение В таблице представлены усредненные по объему значения периода dDXR наноструктур a-Si / ZrOx, определенступеней обусловлено различными скоростями травленые методом малоугловой рентгеновской дифракции. На ния слоев аморфного кремния и слоев оксида циркорис. 1 в качестве примера приведена дифракционная ния. Высота ступени соответствует периоду структуры, картина, полученная на образце 7 (см. таблицу). На а число ступеней — числу периодов. К сожалению, ней можно видеть дифракционные пики относительной полученные результаты позволяют только качественно интенсивности I/I0 порядков m = 2, 3 и 4, которые судить о периоде структур. Для точного определения возникли в результате периодичности структуры. Они периода необходим более тщательный подбор травителя расположены вблизи значений углов 2 = 0.88, 1.09 и и получение идеально резкого клина травления. Тем 1.37 соответственно. Период структуры составил прине менее этот результат позволяет наглядно увидеть близительно 15 нм. Аналогичные картины были получечередование слоев в структуре.

ны для других образцов. Следует отметить, что достаточНа рис. 3 представлены спектры края поглощения но широкие дифракционные пики были характерны для многослойных структур a-Si / ZrOx. Эти данные свивсех образцов вследствие разброса периода по толщине.

детельствуют о разном характере зависимости от На рис. 2 в качестве примера представлен профиль клина травления, который был получен методом скани- энергии фотонов при разной толщине слоев кремния рующей зондовой микроскопии на образце 9. Появление в структуре.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Особенности поглощения в наноструктурах a-Si / ZrOx и в аморфных пленках, при этом эффекты, связанные с размерным квантованием, не наблюдаются.

Аномальные спектры поглощения наблюдались в структурах с толщиной слоев кремния 5 и 3 нм (рис. 3, b).

На них были обнаружены участки линейной зависимости коэффициента поглощения = f ( ) и отсутствие хвоста Урбаха на крае поглощения. Характер такой зависимости предполагает квантованную плотность состояний в слоях a-Si. Это означает, что переходы возбужденных носителей происходят между состояниями энергетических подзон валентной зоны и зоны проводимости. Поэтому коэффициент поглощения подчиняется линейной зависимости [6] ( - En)U( - En), n = 1, 2, 3,..., (4) n где En — энергетическое расстояние между краями подзон с квантовым числом n в зоне проводимости и валентной зоне, U(E) — ступенчатая функция. Согласно выражению (4), квантование приводит к изменению наклона при каждой энергии перехода En. На кривых рис. 3, b можно выделить несколько таких линейных участков. Однако оценить по ним значения энергий переходов с достаточной точностью представляется затруднительным из-за слабой выраженности линейных участков. Как правило, экспериментально обнаружить подобную линейную зависимость не удается, поскольку связанные с квантованием слабые особенности спектров поглощения размываются за счет уширения, обусловленного беспорядком [6].

Спектры, представленные на рис. 3, c, носят именно такой ”смешанный” характер. С одной стороны, они подчиняются квадратичной зависимости Тауца (3), а с другой — на них наблюдается сдвиг края поглощения в сторону более высоких энергий, что указывает на увеличение эффективной оптической щели. Последнее Рис. 3. Спектральные характеристики коэффициентов погломожет быть также обусловлено частичным окислением щения структур a-Si / ZrOx. Номера кривых соответствуют слоев a-Si.

номерам образцов в таблице. Пояснения в тексте.

Интересно также отметить, что в структурах с толщиной слоев a-Si 3 и 5 нм на форму края поглощения оказывает влияние толщина барьерных слоев ZrOx. Мы В структурах с толщиной слоев a-Si, равной 10 нм, полагаем, что это связано со свойствами границ раздела, (рис. 3, a) зависимость ( ) описывается законом Тауоднако для получения однозначного ответа требуются ца, характерным для однородных ”объемных” аморфных дальнейшие исследования.

пленок кремния [5]:

Для более детального изучения особенностей кривых поглощения были построены производные d/d. Как ( )1/2 ( - Eg), (3) и ожидалось, в структурах с линейными участками в спектрах поглощения на зависимости d/d проявились где Eg — ширина оптической щели по определению ступени, которые, согласно выражению (4), соответствуТауца. Кроме того, при < Eg в этих структурах ют значениям энергий переходов En:

наблюдается хвост поглощения, описываемый законом Урбаха:

d U( - En), n = 1, 2, 3,... (5) exp( - E0)/kT, d n где E0 — размытие краев зон (параметр Урбаха) [5].

Таким образом, поглощение в структурах с толщиной На рис. 4 в качестве примера представлена производная слоев a-Si 10 нм описывается теми же законами, что от спектра поглощения для кривой 5 на рис. 3. ЗнаФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 352 А.Ф. Хохлов, И.А. Чучмай, А.В. Ершов нее связано с нарушением резкости границ раздела структур, но доказательство этого требует дальнейших исследований.

Заключение Таким образом, для периодических структур a-Si / ZrOx, полученных испарением, при толщине слоев a-Si 5 нм обнаружены участки линейной зависимости = f ( ) в спектрах поглощения и увеличение эффективной оптической щели, которые обусловлены проявлением эффекта размерного квантования в этих структурах.

Авторы выражают благодарность С.С. Андрееву за Рис. 4. Производная от спектра поглощения d/d для проведение измерений малоугловой рентгеновской диобразца 5. Стрелками отмечены энергии переходов En.

фракции и Ю.А. Семину за помощь в обработке экспериментальных результатов.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта чения En для нее составили: E1 = 2.36, E2 = 2.53 и Госкомвуза РФ по фундаментальным и прикладным исE3 = 2.89 эВ. Согласно выражению (5), в случае размерследованиям в области электроники и радиотехники, ного квантования [6] должно выполняться соотношение проект 97-5-3.1-12 и гранта RESC-01-02 Фонда гражданских исследований и разработок США (CRDF).

EnS(En)/E1S(E1) =n, (6) где S(En) =d/d — значения производной при каждой Список литературы пороговой энергии перехода = En. После подстанов[1] J.P. Conde, V. Chu, D.S. Shen, S. Wagner. J. Appl. Phys., 75, ки значения левой части (6) составили 1.87 и 2.92 для 1638 (1994).

n = 2 и 3 соответственно, что доказывает проявление [2] Е.А. Виноградов, А.В. Заяц, Ф.А. Пудонин. ФТТ, 33, размерного квантования. Несоответствие результатов (1991).

подстановки целочисленным значениям n мы объясняем [3] А.Ф. Хохлов, А.В. Ершов, А.И. Машин, Ю.А. Мордвинова, тем, что расчеты проводились в предположении строН.И. Машин. ФТП, 20, 1288 (1986).

гой периодичности прямоугольных потенциальных ям и [4] Д.Э. Форсайт, М.А. Малькольм, К.Б. Моулер. Машинбарьеров, без учета разброса слоев по толщине, чего, ные методы математических вычислений (М., Мир, очевидно, не было достигнуто в эксперименте. 1980) [Пер. с англ.: G.E. Forsythe, M.A. Malcolm, C.B. Moler.

Computer Methods for Mathematical Computations Минимальные значения энергий переходов E1, най(Englewood Cliffs, N. J., 1977)].

денные для структур с толщиной слоев a-Si 5нм [5] Н. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некрикак значения эффективной оптической щели Eg, предсталлических веществах (М., Мир, 1982). [Пер. с англ.:

ставлены в таблице (образцы 5, 7, 9). Видно, что N.F. Mott, E.A. Davis. Electronic Processes in Non-Crystalline Eg увеличивается с уменьшением толщины слоев a-Si.

Materials (Clarendon Press, Oxford, 1979)].

Этот результат хорошо согласуется с данными [1,2,6] [6] К. Хаттори, Т. Морри, Х. Окамото, Й. Хамакава. В кн.:

и подтверждает связь особенностей оптического поАморфный кремний и родственные материалы, под ред.

глощения в этих структурах с эффектом размерного Х. Фрицше (М., Мир, 1991) с. 443. [Пер. с англ.: Amorphous квантования. Silicon and Related Materials, ed by H. Fritzsche (Singapore– N. Y.–London–Hong Kong, World Scientific, 1989)].

В таблице представлены значения оптической щели и для структур, где выполняется закон Тауца (3), опреРедактор Л.В. Шаронова деленные стандартным для этого закона способом [3].

Так, для структур с толщиной слоев a-Si, равной 10 нм, оптическая щель составляет 2.1 эВ независимо от толщины слоев ZrOx. Для образцов 6, 8 значение Eg оказывается больше (см. таблицу), что отражает смещение края поглощения в сторону высоких энергий в соответствии с рис. 3, c. Отметим, что в случае толщины слоев a-Si 5 нм наблюдается изменение величины оптической щели в зависимости от толщины слоев барьерных ZrOx. Мы полагаем, что последФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Особенности поглощения в наноструктурах a-Si / ZrOx Peculiarities of absorption in a-Si / ZrOx nanostructures A.F. Khokhlov, I.A. Chuchmai, A.V. Ershov N.I. Lobachevsky State University, 603600 Nizhni Novgorod, Russia

Abstract

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.