WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Интенсивная фотолюминесценция пористых слоев пленок SiC, выращенных на кремниевых подложках © А.М. Данишевский, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук, А.Ю. Рогачев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 июня 1996 г. Принята к печати 5 июня 1996 г. ) На пленках SiC, выращенных на кремниевых подложках, получены люминесцирующие пористые слои. В результате электролитического окисления пористых слоев интенсивность фотолюминесценции весьма существенно увеличивается. Спектр импульсной фотолюминесценции представляет собой ряд перекрывающихся полос в диапазоне от 1.8 до 3.3 эВ. Проведенные исследования исходных пленок SiC показали, что они являются нестехиометричными и сильно разупорядоченными, тем не менее интенсивность фотолюминесценции окисленных пористых слоев оказывается значительно более высокой, чем удается получить при соответствующей обработке кристаллов или кристаллических пленок SiC.

В работах [1–8] сообщалось о различных электрохи- Для определения ширины запрещенной зоны и отсюмических способах получения пористых слоев SiC на да — политипа на данных пленках SiC (кремниевая подоснове кристаллов и кристаллических пленок SiC, выра- ложка стравливалась) проводились измерения спектров щенных на подложках 6H-SiC, исследованиях их структу- пропускания в окрестности края поглощения. На рис. 1 приведены зависимости (h)0.5 = f (h), где — ры, фононных спектров и спектров фотолюминесценции коэффициент поглощения, полученные на двух пленках (ФЛ). В частности, в [7,8] высказывалась гипотеза о том, разной толщины (d = 3.5 и 2.15 мкм). Следует, однако, что основное свечение возникает из приповерхностных отметить, что пленки различались не только толщиной, слоев мелких пор, где в результате электрохимическоно и режимами осаждения. Из рисунка видно, что укаго травления происходит разрыв межслоевых связей в занные зависимости достаточно хорошо могут быть апструктуре кристалла 6H-SiC и образуются тонкие обопроксимированы двумя прямыми с разными наклонами, лочки пор, состоящие из мелкодисперсной кубической из чего легко определяются характерные энергетические фазы SiC. Вывод о наличии кубической фазы в пористом зазоры в области непрямого края поглощения. Они окаслое был сделан на основании спектров рамановского зались равными 1.88 эВ для образца Ш49 и 1.76 эВ рассеяния, и в дальнейшем он был подтвержен прядля образца Ш65. Столь малые даже для кубического мыми электронно-микроскопичекими наблюдениями. ХаSiC величины энергетических зазоров можно объяснить рактер спектра ФЛ в этом случае определяется квантоволишь тем, что пленки не только сильно разупорядочены, размерными эффектами в мелкодисперсной кубической но также и нестехиометричны. Данный вывод в какой-то фазе SiC. Интенсивность ФЛ пористого слоя увеличимере подтверждается тем, что при электрохимическом валась до 200 300 раз по сравнению с исходной при травлении и окислении, проводившихся с целью изго300 K, но максимум в спектрах непрерывной ФЛ был, товления пористого люминесцирующего слоя, процессы как правило, [2–6] в окрестности 2.4 2.5эВ, что для травления и окисления на пленках проходили значителькристаллов 6H-SiC, на которых формировались пористые но быстрее, чем на кристаллах или кристаллических слои, соответствует области ФЛ с участием дефектов, пленках SiC.

что и послужило причиной объяснения в [5] наблюдаПроведенные измерения рамановского рассеяния емого интенсивного свечения как связанного с резко (кремниевая подложка пленок стравливалась) подтверувеличенной концентрацией дефектов в пористом слое.

дили наличие в исследуемых пленках нанокристаллитов В спектрах импульсной разрешенной во времени ФЛ [8] кремния (полосы 513 и 517 см-1), а также не соответмаксимум широкой полосы ФЛ смещался до 2.8 эВ, и при ствующих стехиометрии связей кремния с углеродом этом отчетливо наблюдалась некая структура полосы, (полоса 532 см-1) [10]. Слабые полосы 791 и 955 см-1, что наряду с другими фактами подтверждает механизм, относительно близкая к энергии LO-фонона 3C-SiC попредложенный в [7,8].

лоса 971 см-1 наблюдались в спектрах рамановского В данной работе приводятся результаты эксперименрассеяния для исходной пленки Ш65. Для образца Штов, проведенных на пленках SiC, полученных методом в окрестности указанной энергии наблюдались также три химического осаждения из газовой фазы (CVD) на крем- слабых частично перекрывающихся полосы — 908, ниевые подложки диаметром 76 мм [9]. Рентгеновские и 955 см-1. Очень слабая полоса TO-фонона 795 см-измерения показали, что данные пленки не являлись также регистрировалась.

монокристаллическими и состояли из разупорядоченных Тем не менее спектры инфракрасного (ИК) отражения, областей размером менее 10 мкм. В исходных пленках измеренные на исходных пленках (рис. 2, 3), показали ФЛ практически не наблюдалась. наличие фононной структуры, характерной для карбида Интенсивная фотолюминесценция пористых слоев пленок SiC, выращенных на кремниевых подложках Рис. 1. Спектры краевого поглощения исследованных исходных пленок SiC, освобожденных от кремниевых подложек:

a — образец Ш49, d = 3.5мкм; b — образец Ш65, d = 2.15 мкм.

Рис. 2. Спектры ИК отражения пленок Ш65: 1 —исходный Рис. 3. Спектры ИК отражения пленок Ш49: 1 —исходный образец; 2 — пленка после анодного травления; 3 — пористая образец; 2 — пленка после создания пористого слоя; 3 — пленка, электрохимически окисленная в водном растворе HCl пористая пленка, окисленная в течение 6 мин; 4 — спектр в течение 4 мин; 4 — пористая пленка, окисленная в течение отражения термического окисла SiO2 на кремнии.

8мин.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 422 А.М. Данишевский, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук, А.Ю. Рогачев причем наиболее интенсивное свечение наблюдалось от границ зерен (двойников) с размерами 10 15 мкм. По интенсивности оно существенно превосходило свечение пористых слоев, полученых на кристаллах или кристаллических пленках SiC, и приближалось по яркости к свечению лучших образцов пористого кремния. При этом в отличие от того, что наблюдалось на кремнии, свечение было бело-голубым.

Под действием интенсивного ультрафиолетового (УФ) излучения импульсного лазера ФЛ полученных слоев весьма медленно деградировала до определенного значения, если удавалось получить достаточно плотный окисел. Количественные измерения скорости деградации ФЛ проводились при температуре T = 90 K и возбуждении излучением импульсного азотного лазера с энергией фотона h = 3.68 эВ, длительностью импульса ti = 10 нс, частотой повторения импульсов f = 50 с-1, Рис. 4. Деградационные характеристики ФЛ. 1, 2 — пленки интенсивностью 106 Вт/см2. На рис. 4 приведены заШ65, окисление 8 мин (1) и 4 мин (2); 3, 4 — пленки Ш49, висимости интенсивности ФЛ в окрестности спектральокисление 6 мин (3) и 7 мин (4).

ного максимума поосы, измеренной в момент времени, соответствующий максимуму импульса ФЛ от времени.

Максимальные интенсивности ФЛ здесь приведены к единому значению, чтобы сопоставить скорости деградакремния. Для образца Ш49 спад полосы отражения в окрестности TO-фонона недостаточно резкий и имеет- ции ФЛ при разных длительностях окисления образцов.

ся некая дополнительная слабая полоса в окрестности При увеличении времени электрохимического окисле860 см-1. На рис. 2, 3 показаны также спектры ИК отра- ния в некоторых пределах интенсивность ФЛ существенжения от пористых и специально окисленных пористых но возрастала, а скорость ее деградации под действием слоев. Видно, что при создании пористого слоя спектры УФ излучения лазера значительно уменьшалась. При ИК отражения пленок изменяются относительно слабо. этом для образца Ш49 с большим энергетическим заВместе с тем окисление поверхности приводит к очень зором (более стехиометричная пленка) скорость дегразначительным изменениям структуры этих спектров. дации при тех же режимах окисления оказалась ниже и Край полосы отражения, соответствующий частоте LO- интенсивность ФЛ меньше, чем для образца Ш65.

фононов, как бы ”проваливается”, кроме того, возникают Увеличение интенсивности ФЛ пористого слоя при полосы в окрестности 1080 1100 см-1. На рис. создании более плотного и более стехиометрического показан для сравнения спектр (кривая 4) ИК отражеокисла связано, естественно, с уменьшением скорости ния от толстого (0.5 мкм) термического (полученного поверхностной рекомбинации. Скорость деградации ФЛ при 1100 C) окисла на кремнии. Там имеется полоса определяется скоростью увеличения плотности состоя 1130 см-1. Отсюда, следует, что отмеченные выше ний в запрещенной зоне полупроводника на его границе с полосы 1080 1100 см-1 на исследовавшихся пленках окислом под действием УФ излучения. Процессы такого SiC (спектры 3, 4 на рис. 2 и спектр 3 на рис. 3) соотрода для границы Si–SiO2 рассматривались неоднократветствуют вероятнее всего нестехиометричному окислу, но [11,12]. Предлагались различные модели образования часто условно обозначаемому как SiOx.

дефектов. Все они так или иначе связывают этот процесс После создания на пленках Ш49, Ш65 пористого с наличием водорода вблизи границы и разрушением УФ слоя (анодное травление в стандартной водно-спиртовой излучением кремний-водородных связей. На всех пленсмеси с HF) при исследовании в люминесцентном микроках, исследовавшихся нами после создания пористого скопе (Люмам P-2) свечение образцов при 300 K практислоя, полосы кремний-водородных связей ( 2070 см-1) чески не наблюдалось. Однако оно возникало после того, также наблюдались в спектрах рамановского рассеяния.

как с целью пассивации поверхности пористого слоя проПоэтому можно предполагать, что процессы создания водилось даже кратковременное (12мин) электролитидефектов в окрестности интерфейса на наших образцах ческое окисление образцов (в водном растворе соляной в значительной степени аналогичны исследованным на кислоты), и оно очень заметно усиливалось с увеличеструктурах Si–SiO2.

нием времени окисления1. При этом было замечено, что На рис. 5 показаны спектры импульсной времяповерхность пористого слоя имеет зернистую стуктуру, разрешенной ФЛ, полученные при T = 90 K с возбуждением от импульсов излучения азотного лазера в моменты Окисление проводилось и на пористых слоях, полученных на времени, соответствующие ее максимальному значению.

основе монокристаллических пленок 6H-SiC, но в этом случае оно оказалось гораздо менее эффективным. Интенсивность возбуждения 106 Вт/см2. Для того Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Интенсивная фотолюминесценция пористых слоев пленок SiC, выращенных на кремниевых подложках Рис. 5. Спектры импульсной разрешенной во время ФЛ. a — пленки Ш65, окисление 8 мин (1) и 4 мин (2). b — пленки Ш49, окисление 6 мин (3), 7 мин (4), 9 мин (5); спектр 5 получен при интенсивности возбуждения в 3 раза меньшей, чем в 1–4.

чтобы уменьшить проявление в спектрах нестационар- свечения слоя почти во всем спектральном диапазоне.

ных эффектов деградации, образцы перед измерением Некоторая асимметрия кривых 3, 4, 5 и подъем короткоподвергались воздействию лазерного излучения в тече- волнового крыла полосы ФЛ с увеличением длительноние времени, необходимого для того, чтобы выйти на сти окисления на рис. 5, b связаны, на наш взгляд, с тем, приблизительно стационарный участок деградационной что при создании более толстого окисла уменьшается характеристики. Для образца Ш49 это время составляло размер ”мостиков” между порами и наблюдаемое поведе40 мин, а для образца Ш65 15 мин.

ние спектров может быть объяснено влиянием квантовоНа рис. 5, a показаны два спектра ФЛ, полученные от размерных эффектов.

пористых слоев (Ш65) с различными длительностями Различное уширение спектров в коротковолновую стоокисления (4 и 8 мин). В спектрах наблюдается ряд рону и различные интенсивности ФЛ для образцов Шшироких частично перекрывающихся полос, охватываюи Ш49, на наш взгляд, в первую очередь объясняются щих область от красного до ближнего ультрафиолетотем, что при создании пористого слоя процессы травого излучения ( 3.5эВ). На рис. 5, b показаны два вления в указанных образцах осуществляются неодиспектра ФЛ (3, 4) для слоев Ш49 с различным временаково. Сильнее, по-видимому, растравливается более нем окисления (6 и 7 мин), полученных в аналогичных нестехиометричный образец Ш65. У него получается условиях, и спектр 5, измеренный при уменьшенной в 3 раза интенсивности возбуждения. В последнем случае длительность окисления составляла 9 мин.2 Излучение этих слоев слабее, и максимумы его локализованы в окрестности 2.52.95 эВ. ”Хвосты” УФ люминесценции здесь также имеются, но они слабее по сравнению с максимальными значениями, чем это имеет место для спектров 1, 2 (рис. 5, a). Интересно, что, несмотря на различный характер приведенных спектров, большинство проявляющихся в них особенностей совпадает по энергии. Этот факт, а ткаже наличие фиолетового и УФ участков спектра ФЛ достаточно убедительно свидетельствуют, что квантово-размерные эффекты оказывают определяющее влияние на характер излучательной рекомбинации в данных пористых слоях.

Возможное предположение о вкладе в УФ участок спектра ФЛ излучения окисла, покрывающего пористую поверхность слоев, опровергается тем фактом, что с увеличением времени окисления возрастает интенсивность Рис. 6. Временные характеристики спада импульсов ФЛ.

1, 2 — пленки Ш65, окисление 8 мин (1) и 4 мин (2).

Наличие окисла приводит к напряжениям в пленке, при более 3 — пленка Ш49, окисление 7 мин. 4 — характеристика спада длительном окислении пленка отслаивается от подложки и вследствие своей хрупкости крошится.

импульса рассеянного излучения лазера.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 424 А.М. Данишевский, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук, А.Ю. Рогачев более развитая поверхность и более мелкие мостики [5] А.А. Лебедев, А.А. Лебедев, Ю.В. Рудь. Письма ЖТФ, 21, 64 (1995).

между порами, что и определяет параметры ФЛ. По[6] A.O. Konstantinov, A. Henry, C.I. Harris, E. Janzen. Appl.

видимому, процессы окисления на образцах Ш65 и ШPhys. Lett., 66, 2250 (1995).

также осуществляются с разной скоростью, в связи с чем [7] А.М. Данишевский, В.Б. Шуман, А.Ю. Рогачев, П.А. Ивана образце Ш65 при тех же режимах и длительностях нов. ФТП, 29, 2122 (1995).

окисления может возникать более плотный окисел.

[8] А.М. Данишевский, В.Б. Шуман, А.Ю. Рогачев, Е.Г. Гук, На рис. 6 показаны характеристики спада импульсов П.А. Иванов, А.А. Мальцев. ФТП, 30, 1064 (1996).

ФЛ, измеренные в тех же условиях, что и приведенные [9] И.М. Баранов, Н.А. Белов, В.А. Дмитриев, Н.Г. Иванова, выше спектры. Там же для сравнения приведена аналоТ.С. Кондратьева, И.П. Никитина, В.Е. Челноков, В.Ф. Шагичная зависимость для рассеянного света (РС) лазера, талов, Р.Н. Эрлих. Письма ЖТФ, 15, вып. 12, 50 (1989).

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.