WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 4 Фотолюминесценция пленок нанокристаллического кремния, полученных импульсным лазерным осаждением с введением углерода © Э.Б. Каганович¶, И.П. Лисовский, Э.Г. Манойлов, С.А. Злобин Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03928 Киев, Украина (Получена 6 июня 2005 г. Принята к печати 5 сентября 2005 г.) Исследуется влияние углерода на фотолюминесцентные свойства пленок состава: Si квантово-размерные нанокристаллы / SiOx (x 2) матрица. Измерены спектры фотолюминесценции с временным разрешением в диапазоне энергий 1.4-3.2 эВ и спектры инфракрасного поглощения в диапазоне волновых чисел 650-1500 см-1. Установлено, что введение углерода в присутствии кислорода при импульсном лазерном осаждении пленок приводит к бело-голубому спектру, увеличению интенсивности и стабильности фотолюминесценции. Влияние углерода на фотолюминесцентные свойства связывается с формированием SiO2-барьерной фазы взамен SiOx (1 < x < 2), насыщением оборванных связей кремния на поверхности Si нанокристаллов более крупных размеров и механическим укреплением Si нанокристаллов более мелких размеров.

PACS: 78.66.Db, 61.72.Tt 1. Введение Si, полученных с введением углерода, могут быть объяснены в рамках структурной модели Si-НК/SiO2 без В настоящее время наметился подход к улучшению образования квантово-размерных SiC-НК или C-фазы.

фотолюминесцентных (ФЛ) [1–12] и электролюминес- Цель данной работы — установление механизма центных [13–15] свойств нанокристаллического кремния влияния введения углерода на ФЛ свойства пленок (nc-Si), основанный на внедрении углерода, как для nc-Si, полученных импульсным лазерным осаждением.

слоев пористого кремния (por-Si), формируемых ано- В работе выясняются взаимосвязи между условиями дизацией [1–7], так и для пленок нанокомпозитного со- формирования пленок и спектрами ФЛ с временным става: Si квантово-размерные нанокристаллы (НК)/SiOx разрешением и ИК-поглощения. Показано, что введение (1 < x 2) матрица, получаемых различными метода- углерода в присутствии кислорода приводит к увеличеми [8–12]. Существуют проблемы, связанные с рас- нию интенсивности ФЛ в бело-голубой области спектра ширением спектрального диапазона фотолюминесцен- и ее стабильности из-за формирования Si–C-связей и ции (ФЛ) в голубую область спектра, с ее нестабильно- SiO2-барьерной фазы взамен SiOx (1 < x 2). Предпостью как во времени, так и, например, при лазерном воз- лагается, что трансформация ФЛ свойств при введении действии, с улучшением характеристик переключения и углерода обусловлена увеличением эффективности окисдр. [3–6]. Предполагается, что введение атомов углерода ления кремния, миграцией атомов углерода к границе в nc-Si может приводить к формированию монослоев, раздела Si/SiOx, что приводит соответственно к уменьсодержащих Si–C-, O–Si–C-, Si–CHn-связи, и тонких шению размеров Si-НК, пассивации оборванных связей пленок карбида кремния (SiC) на поверхности Si-НК, кремния не только атомами кислорода, но и углерода, к к получению пленок, содержащих SiC-HK в SiO2 и Si- повышению высоты потенциального барьера Si/SiOx.

НК в алмазоподобной матрице. Выяснение механизмов ФЛ свойств затрудняется рядом причин. Во-первых, 2. Методика эксперимента сложностью состава и структуры исследуемых объектов, неоднозначностью их определения. Во-вторых, тем, что Пленки получали методом импульсного лазерного при разной природе излучения спектры ФЛ перекрыосаждения (ИЛО) на кремниевую подложку, используя ваются в диапазоне длин волн 400-700 нм. При этом в качестве мишени кремний и углерод, соотношение анализируются, как правило, стационарные спектры ФЛ, C/Si варьировали. Луч YAG : Nd3+-лазера (длина вола не с временным разрешением (ВР) при возбужде ны 1.06 мкм, энергия и длительность импульса 0.2 Дж и нии различными источниками излучения. В-третьих, не 10 нс, частота повторения импульсов 25 Гц), работающевсегда подтверждаются выводы о механизмах ФЛ рего в режиме модулированной добротности, сканировал зультатами исследования состава и структуры пленок.

мишень. Подложка была расположена на расстоянии в И наконец, можно предположить, что в определенных 30 мм по нормали к мишени, и формирование пленки условиях эксперимента улучшенные ФЛ свойства ncпроисходило из высокоэнергетических частиц эрози¶ E-mail: dept_5@isp.kiev.ua онного факела в атмосфере кислорода при давлении 5 450 Э.Б. Каганович, И.П. Лисовский, Э.Г. Манойлов, С.А. Злобин в 6.5 Па или в вакууме при давлении остаточных газов в 10-3 Па (см. также [16]). Толщины пленок составляли около 1 мкм.

Спектры ФЛ с ВР измеряли в диапазоне энергий 1.4-3.2 эВ при возбуждении излучением азотного лазера (длина волны 337 нм, длительность импульса 8 нс) при стробоскопической регистрации сигнала в режиме счета фотонов. Ширина строба составляла 250 нс. Стабильность ФЛ оценивали по изменению ее интенсивности как во времени при хранении на воздухе, так и в процессе облучения азотным лазером.

ИК спектры измеряли в диапазоне волновых чисел 650-1500 см-1 на автоматизированном спектрометре ИКС-25М. Был проведен анализ формы полосы поглощения на валентных колебаниях атомов мостикового Рис. 1. Спектры ФЛ с временным разрешением для пленок, кислорода в осциллирующей молекуле Si–O–Si, который осажденных в атмосфере кислорода (1–4), при остаточном позволяет оценить содержание молекулярных комплекдавлении в вакууме (5) и при содержании углерода в мишени, сов Si–Oy –Si4-y (1 y 4). Для этого полоса погло%: 1 —0; 2 —1; 3 — 10; 4, 4 — 50; 5 — 100, в диапазоне щения (максимум вблизи 1050-1080 см-1) математивремен релаксации ФЛ, нс: 1 — 100, 2 — 150, 3 — 500, чески разлагалась на составляющие гауссовой формы, 4 — 300, 4 — 400, 5 — < 50. 4 — спектр 4 после двух положение которых позволяло определить угол связи месяцев хранения на воздухе.

Si–O–Si и выделить указанные выше элементы структуры пленки в рамках модели случайной связи. Детали этой процедуры и анализа однозначности полученных трической проницаемости () SiOx (x < 2) по сравнению результатов описаны ранее (см., например, [17–19]) для с таковыми для SiO2). Такие значения и определяют пленок термической двуокиси кремния, а также для малые величины энергии связи экситонов, а следонапыленных слоев SiOx, в том числе и содержащих вательно, и низкую эффективность их излучательной нановключения кремния. Среднеквадратичное отклонеаннигиляции [21].

ние суммы гауссовых профилей от экспериментальной Было замечено, что интенсивность ФЛ увеличивалась, кривой не превышало 10-2.

особенно в высокоэнергетической части спектра при загрязнении вакуумной камеры парами масляного насоса 3. Результаты и их обсуждение (рис. 1, кривая 1). При целенаправленном введении углерода эффект усиливался (рис. 1, кривая 2). Значения Пленки, осажденные из кремниевой мишени без увеличивались от менее 50 до 150 нс. При введении в введения кислорода, не обладали ФЛ. С введением Si-мишень 10% углерода интенсивность проходила через кислорода возникала ФЛ в видимой области спектра, максимум (рис. 1, кривая 3). Времена релаксации увелиее интенсивность достигала максимума при давлении чивались, но не превышали 500 нс. При дальнейшем увекислорода в 6.5 Па и при последующем увеличении личении содержания углерода в мишени интенсивность содержания кислорода резко уменьшалась до полно- ФЛ уменьшалась, изменялась и форма спектра, более го исчезновения. Максимум спектра ФЛ лежал при резко падала интенсивность в высокоэнергетической 2.1-2.3 эВ, времена релаксации ФЛ были менее 50 нс, области (2.3-3.2эВ) (рис. 1, кривая 4). При осаждении интенсивность излучения была слабой. В наших преж- пленок из углеродной мишени эффективность излучения них работах (см., например, [16,20–22]) было показано, была чрезвычайно слабой (рис. 1, кривая 5). Спектр ФЛ что структурная модель этих ФЛ пленок содержит две лежал в области энергий 1.4-2.2 эВ, значения были фазы: Si-НК с размерами, близкими к 3 нм, и барьерную менее 50 нс. Важно отметить, что фотолюминесцентныSiOx (1 < x < 2). Было установлено, что характеристики ми всегда были только те пленки, которые осаждались ФЛ определяются квантовым ограничением экситонов в при оптимальном давлении кислорода. Тот факт, что при Si-НК. Слабая интенсивность ФЛ определяется высокой концентрациях углерода, превышающих 10%, как правиэффективностью безызлучательного канала рекомбина- ло, интенсивность ФЛ уменьшалась, и особенно резко в ции, связанного с ненасыщенными оборванными связями области энергий, превышающих 2.3 эВ, свидетельствует кремния как на поверхности более крупных Si-НК, так и о малой вероятности природы ФЛ, связанной с SiC-НК.

в SiOx -фазе. Очевидно, что в условиях данного эксперимента в видиДругая, не менее важная причина малой интенсив- мую ФЛ не вносит свой вклад и C-фаза.

ности ФЛ обусловлена нестехиометричностью состава Для пленок, полученных без введения углерода в барьерной фазы (малая высота потеницального барье- атмосфере кислорода, интенсивность ФЛ при непрерывра () Si-НК/SiOx (x < 2) и высокое значение диэлек- ном (в течение десятков минут) облучении азотным Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Фотолюминесценция пленок нанокристаллического кремния, полученных импульсным лазерным... (10%) приводит к увеличению интенсивности ФЛ и ее стабильности, к бело-голубому спектру ФЛ, времена релаксации ФЛ не превышают сотен наносекунд.

На рис. 3 представлены спектры ИК пропускания исследуемых nc-Si пленок. Спектр ИК пропускания пленки, полученной без введения углерода в присутствии кислорода (рис. 3, кривая 1), содержит основную полосу с пиком при 1055 см-1, которая обусловлена валентными колебаниями Si–O-связи в SiOx (x 1.5) фазе [23].

С введением углерода (10%) в присутствии кислорода спектр ИК пропускания (рис. 3, кривая 2) характеризуется рядом полос: основной — при 1070 см-1, связанной с валентными колебаниями Si–O-связи, а также полос с минимумами прозрачности при 790-и 1280 см-1. Природа последней обусловлена, скорее Рис. 2. Нестабильность интенсивности ФЛ пленок, полувсего, симметричной модой деформационных колебаний ченных без введения углерода (1, 3) и при 10% содержании углерода в мишени (2, 4), при облучении импульсами азотного связи Si–CH3 [24]. Полоса с пиком при 790-830 см-лазера (1, 2) и при выдержке на воздухе (3, 4).

может быть вызвана колебаниями как Si–O- [25], так и Si–C-связей [26]. Для пленок, полученных в вакууме (рис. 3, кривая 3), полоса при 1070 см-1, естественно, отсутствует, но имеется полоса в области 790-830 см-1.

Этот факт позволяет заключить, что поглощение в области 790-830 см-1 возникает в результате образования именно Si–C-связей.

Рис. 3. ИК спектры пропускания пленок, осажденных в атмосфере кислорода (1, 2), при остаточном давлении в вакууме (3) и при содержании углерода в мишени, %: 1 — 0, 2 — 10, 3 — 50.

лазером уменьшалась на 40–45% за первые 20 мин воздействия (рис. 2, кривая 1). При хранении на воздухе в течение длительного времени (полгода) интенсивность ФЛ в них увеличилась на 30% (рис. 2, кривая 3).

С введением 10% углерода в мишень наблюдалось резкое увеличение стабильности ФЛ при воздействии излучения азотного лазера. За 60 мин облучения интенсивность ФЛ уменьшалась не более чем на 3–5% (рис. 2, кривая 2). При длительном хранении на воздухе у этих пленок интенсивность и спектр ФЛ практически не изменялись (рис. 2, кривая 4); в пленках с большим и меньшим содержанием углерода ФЛ была Рис. 4. Разложение на гауссовы кривые спектров оптической менее стабильной (см., например, рис. 1, кривые плотности, соответствующих ИК спектрам пропускания на и 4 ). Итак, введение углерода в малой концентрации рис. 3 (кривые 1, a, 2, b).

5 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 452 Э.Б. Каганович, И.П. Лисовский, Э.Г. Манойлов, С.А. Злобин Таблица 1. Параметры элементарных составляющих основной полосы поглощения барьерного слоя SiOx (x 1.5) nc-Si пленки, полученной без введения углерода Положение Угол связи Тип Структурный Удельный Полоса максимума, см-1 Si–O–Si, град колебаний элемент вклад, % 1 1000 ± 5 116 TO SiOSi3 16.2 1035 ± 2 127 TO SiO2Si2 3 1065 ± 2 136 TO SiO3Si 51.4 1095 ± 4 145 TO SiO4 9.5 1145 ± 3 114 LO SiOSi6 1200 ± 3 124 LO SiO2SiТаблица 2. Параметры элементарных составляющих основной полосы поглощения барьерного слоя SiO2 nc-Si пленки, полученной c введением 10% углерода Положение Угол связи Тип Структурный Удельный Полоса максимума, см-1 Si–O–Si, град колебаний элемент вклад, % 1 1055 ± 5 132 TO 4-членные 48.кольца SiO2 1095 ± 5 144 TO 6-членные 16.кольца SiO3 1145 ± 3 180 TO Линейные 34.цепочки Si–O–Si и O–Si–C 4 1200 ± 4 126 LO 4-членные кольца SiOНа рис. 4 представлены результаты разложения основ- держащей примесь углерода, полосу при 1150 см-ной полосы поглощения на элементарные составляющие объясняют также колебаниями в цепочкаях O–Si–C, обгауссовой формы для двух пленок, полученных в присут- разующихся из мостиков Si–O–Si при замещении атомов ствии кислорода без введения (рис. 4, a) и с введением кислорода на углерод [29]. В нашем случае составляю10% углерода (рис. 4, b). Параметры составляющих и щая 1150 см-1 имеет, скорее всего, комбинированную их вероятная природа представлены в табл. 1 и 2. природу, что и объясняет ее относительно высокий Приведенные данные позволяют заключить, что основ- вклад в основную полосу поглощения. Этот факт наная полоса поглощения для первой пленки описывается ряду с усилением моды продольных колебаний (что четырьмя составляющими поперечной оптической (TO) свойственно поглощению кремний-кислородной фазой, моды колебаний, характерными для пленок SiOx [19,27], содержащей включения кремния [19,30]) приводит к но не может быть представлена как суперпозиция гаус- весьма необычному для двуокиси кремния виду основсовых профилей, присущих стехиометрическому диок- ной полосы поглощения при нормальном падении ИК сиду кремния. Для описания же полосы второй пленки света —она расщепляется (см. рис. 3 и 4, b).

достаточно двух основных составляющих TO-моды ко- Итак, по данным ИК спектроскопии, вывод о влиянии лебаний, характеризующих SiO2-фазу [17,28]. Этот факт углерода на состав и структуру исследуемых пленок свидетельствует в пользу того, что введение углерода заключается в том, что углерод способствует формив процессе нанесения пленки стимулирует создание рованию стехиометричной SiO2-барьерной фазы взамен тетраэдров SiO4. нестехиометричной SiOx (x 1.5), а также вызывает Элементарная составляющая с положением макси- образование Si–C-связей.

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.