WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Электронные и излучательные свойства пористого кремния, легированного золотом © В.Е. Примаченко¶, Я.Ф. Кононец, Б.М. Булах, Е.Ф. Венгер, Э.Б. Каганович, И.М. Кизяк, С.И. Кириллова, Э.Г. Манойлов, Ю.А. Цыркунов Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 15 июня 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) Исследованы температурные зависимости фотоэдс при возбуждении ее импульсами красного и белого света большой интенсивности и разрешенные по времени релаксации спектральные зависимости фотолюминесценции на структурах пористого кремния (ПК–p-Si), полученных анодным травлением p-Si и легированных затем золотом с концентрацией его ионов в водном растворе 10-4 и 10-3M. После нанесения на пористый кремний полупрозрачных золотых электродов исследованы также вольт-амперные характеристики и электролюминесценция структур ПК–p-Si и ПК Au -p-Si. Показано, что легирование золотом изменяет граничный потенциал p-Si с положительного на отрицательный, изменяет величину и знак фотоэдс в пленках пористого кремния, ликвидирует явления фотопамяти, связанные с захватом неравновесных электронов в приграничные ловушки и в ловушки пористого кремния. Вольт-амперные и фотолюминесцентные характеристики существенно изменялись вследствие формирования в пористом кремнии нанокристаллов золота. На структурах Au–ПК Au, 10-3M –p-Si–Al обнаружена электролюминесценция, обусловленная свечением этих нанокристалов.

1. Введение островков (нанокристаллов) металла [3,4]. В результате окислительно-восстановительного процесса пленка ПК Нанокристаллы кремния имеют уникальные свойства, после легирования ее металлом с положительным станобусловленные квантово-размерным ограничением двидартным потенциалом содержит более окисленные наножения в них электронов, дырок и экситонов [1,2].

кристаллы кремния, а также нанокристаллы металла.

В частности, нанокристаллы кремния обусловливают суМодифицированная металлом пленка ПК может быть ществование фото- и электролюминесценции в видимой интересна для различных практических ее применений.

области спектра нанокомпозитных систем, в которые Во-первых, она может быть использована при создании они включены, что связано с увеличением ширины эффективных электролюминесцентных и эмитирующих запрещенной зоны в нанокристаллах и увеличением в электроны приборов, так как введение нанокристаллов них квантового выхода люминесценции по сравнению с металла улучшает токопрохождение через пленку ПК, непрямозонным мoнокристаллическим кремнием.

кроме того, излучать свет могут не только нанокриОдним из видов нанокомпозитных систем является сталлы кремния, но и нанокристаллы металла. Свечение пористый кремний (ПК), где нанокристаллы кремния и эмиссию электронов из „двумерных“ островковых распределены хаотично или в виде цепочек (нитей) с пленок металла, напыленных в вакууме на диэлеквозможным наличием воздушных (вакуумных) прометрические подложки, наблюдали при введении в них жутков (пор) между ними. При этом в зависимости разными способами электрической мощности в рабоот условий изготовления и хранения пленок ПК наноте [5]. При легировании пленок ПК металлами их накристаллы покрыты в основном водородной и окисной нокристаллы размещены в „трехмерном“ пространстве, (SiOx, 0 < x < 2) оболочкой. Слои ПК обычно находятся поэтому можно ожидать более эффективной эмиссии на монокремниевой подложке, на которой они образуютэлектронов и свечения с единицы поверхности пленки ся в результате ее электрохимического (анодного) или ПК, содержащей нанокристаллы кремния и металла.

химического (окрашивающего) травления.

Во-вторых, пленка ПК вследствие большой общей плоОпределенный научный и практический интерес предщади имеющих специфические каталитические свойства ставляет собой модификация слоев ПК путем ввода в нанокристаллов кремния и металла может эффективно них различных примесей, в частности примесей металиспользоваться в гетерогенном катализе и при создании лов. Наиболее простым способом легирования слоев ПК различного вида сенсоров путем подбора определенного металлами является их обработка в растворах, содержаметалла и режима легирования им пленки ПК.

щих ионы легирующего металла. Известно, что ионы В данной работе исследованы электронные и излуметаллов, имеющих более положительный электрохичательные свойства пленок ПК, полученных анодным мический (стандартный) потенциал, чем кремний, осатравлением, после их легирования золотом из растворов ждаясь на поверхности моно- или нанокремния, нейтрас концентрациями ионов 10-4 и 10-3 M. Отметим, что лизуются путем отбора электронов от поверхностных ранее [6,7] нами были исследованы свойства пленок атомов кремния и являются зародышами роста на них ПК, полученных окрашивающим травлением, при ле¶ E-mail: pve18@isp.kiev.ua гировании их золотом с концентрацией (1-2) · 10-5M 6 596 В.Е. Примаченко, Я.Ф. Кононец, Б.М. Булах, Е.Ф. Венгер, Э.Б. Каганович, И.М. Кизяк...

как в процессе создания пленок, так и после их со- режиме одиночных импульсов или их цуга с частотой здания. Результаты, полученные в данной работе и в 1 Гц. Температурные зависимости фотоэдс измеряли при работах [6,7], существенно отличаются, что связано как понижении температуры от 300 до 100 K в криостате, в с различными свойствами пленок ПК, полученных двумя котором поддерживали вакуум 10-4 Па. Для повышения разными методами [8,9], так и с большей концентрацией температуры конденсатора в криостат был вмонтирован легирующей примеси золота в данной работе. электрический нагреватель.

Фотоэдс измеряли на импульсах как белого, так и красного света. В последнем случае применяли свето2. Методы исследования фильтр КС-19, пропускающий свет в интервале длин волн 700–2700 нм. При освещении импульсами красного Слои ПК толщиной 1–5 мкм изготавливались на света, поглощающегося в основном лишь в p-Si [11], химико-механически полированной поверхности (100) измеряется фотоэдс, которая возникает только в кремp-Si (кремний КДБ, 10 Ом · см) путем анодизации обниевой подложке и с противоположным знаком равна разцов в растворе HF : H2O: C2H5OH = 1 : 1 : 2 при плотграничному потенциалу p-Si (с учетом калибровочного ности тока 8–20 мА/см2 в течение 10–20 мин. Предвакоэффициента схемы измерения фотоэдс [9]). Отметим, рительно на тыльную сторону образцов наносился и что интенсивность света в импульсе достаточна для вжигался при 400C контакт из алюминия, который спрямления энергетических зон p-Si и позволяет пренеперед анодизацией покрывался лаком, а образцы кратбречь фотоэдс Дембера из-за уравнивания подвижности ковременно обрабатывались в HF и промывались в неравновесных электронов и дырок вследствие их взаимдистиллированной воде.

ного рассеивания друг на друге при их большой конценИсследовались контрольные нелегированные образцы трации [12]. При освещении же импульсами белого света кремния со слоем ПК, а также образцы после их легирования золотом в течение 1 ч из водных растворов AuCl3 измеряется суммарная фотоэдс, возникающая как в p-Si, так и в ПК, в котором поглощается коротковолновая с концентрациями 10-4 и 10-3M. Непосредственно печасть света. Измерения показали, что сигнал фотоэдс, ред легированием образцы обрабатывались в течение полученный на первом импульсе света, может отличать1 мин в 0.5% водном растворе HF для удаления оксида ся по значению от сигнала, полученного на втором или на слое ПК.

любом последующем импульсе в их цуге. Это связано На нелегированных и легированных золотом образцах с захватом неравновесных носителей заряда на ловушки исследовались при комнатной температуре спектры фограницы раздела ПК–p-Si или в ловушки в ПК. В случае толюминесценции (ФЛ) с временным разрешением [10], использования красного света, когда на границе раздела температурные зависимости конденсаторной фотоэдс, ПК–p-Si наблюдался захват неравновесных электронов, возникающей при освещении образца со стороны ПК после каждого измерения производился отогрев образца импульсами белого и красного света [9], а также подо температуры, при которой ловушки освобождались сле напыления в вакууме на ПК слоя полупрозрачот захваченных электронов, затем образец вновь охланого золота вольт-амперные характеристики структур ждался до температуры измерения фотоэдс на первом Au–ПК/p-Si–Al и Au–ПК Au /p-Si–Al и их электролюи втором импульсах. Отметим, что сигналы фотоэдс на минесценцию (ЭЛ) при приложении импульсного напрявтором и последующих импульсах света не различались жения.

между собой, что свидетельствует о том, что ловушки Возбуждение ФЛ осуществляли излучением азотного насыщались неравновесными носителями уже при дейлазера ( = 337 нм, = 8нс, Pimp 2кВт). Стробоскоствии первого импульса света.

пическую регистрацию сигнала ФЛ проводили в режиме Для наблюдения электролюминесценции (ЭЛ) ПК и счета фотонов. Длительность измерительного строба, ПК Au и измерения вольт-амперных характеристик на в котором проходило накопление фотонов, составляла 250 нс. В данной работе приведены спектральные зави- ПК наносили напылением в вакууме полупрозрачные (d = 20-40 нм) золотые электроды, площадь которых симости ФЛ, полученные в первом стробе (t 250 нс) варьировалась в пределах 1–10 мм2. Вольт-амперные после возбуждения ФЛ, и интегральные спектральные характеристики и ЭЛ исследовались при приложении зависимости ФЛ, полученные за время релаксации ФЛ к структурам чередующихся положительных и отрицаот t 250 нс до полного ее затухания. Определяли тельных импульсов напряжения длительностью 15 мкс, также времена релаксации ФЛ.

Для измерения фотоэдс на образцах ПК/p-Si и следующих с частотой 1 кГц, при изменении их амплитуПК Au /p-Si монтировали измерительный конденсатор ды в пределах 0–150 В. Регистрация величин напряжения образец–слюда, на другую сторону которой был нанесен импульсов на структурах ПК и ПК Au, тока через них и полупрозрачный проводящий слой SnO2 Sb. Фотоэдс, интенсивности ЭЛ от них производилась одновременно возникающую в конденсаторе SnO2–ПК–p-Si–Al при на четырехканальном осциллографе С1-103. При этом освещении его импульсами света, регистрировали на свет от структур при измерении ЭЛ подавался по запоминающем осциллографе. Импульсы света генери- световоду из затемненной камеры на фотоэлектронный ровала лампа-вспышка ИСШ-100 с интенсивностью в умножитель ФЭУ-79, сигнал с которого затем регистриимпульсе 1021 квант/(см2 · c) и длительностью 10 мкс в ровали осциллографом.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электронные и излучательные свойства пористого кремния, легированного золотом 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Исследование релаксации ФЛ во времени после ее возбуждения показало, что релаксацию можно описать в первом приближении тремя временными промежутками, как в и случае исследования химически полученного ПК и его легирования небольшой (2 · 10-5M) концентрацией золота [7]. Преимущественный спад интенсивности ФЛ I на исходном и легированных образцах происpl ходит уже в первом временном стробе (t < 250 нс), затем I примерно на порядок величины уменьшается pl со временем 1 (этa релаксация ФЛ вносит основной вклад в определенную нами интегральную величину ФЛ), а также наблюдается „хвост“ релаксации ФЛ (он составляет примерно 10% интегральной величины ФЛ) со временем 2. Оказалось, что на нелегированном и легированном золотом с концентрацией 10-4M образцах 1 и 2 практически совпадают и равны 100 и 300 мкс, а после легирования с концентрацией 10-3M — уменьшаются до 1 35 мкс и 2 = 230 мкс.

На рис. 1, a, b приведены спектральные зависимости I (h), полученные в первом стробе (a) (быстрая ФЛ, pl t < 250 нс) и в интегральном временном промежутке от 250 нс до полного затухания ФЛ (b). Отметим, что нелегированные образцы перед измерением обрабатывались в 0.5% HF водном растворе для стравливания оксидной пленки ПК, как и образцы, легированные затем золотом, Рис. 1. Спектральные зависимости ФЛ, полученные в первом чтобы были одинаковые условия для обнаружения влиявременном стробе (t < 250 нс) (a), и интегральные спектры, ния легирующего металла. Из рис. 1, a, b видно, что леполученные за время релаксации ФЛ с t > 250 нс до ее полного гирование золотом из раствора с концентрацией 10-4M затухания (b). 1 — нелегированная структура ПК–p-Si, несколько увеличивает ФЛ как в первом стробе, так и и 3 — структуры, легированные золотом из растворов с интегральную ФЛ, что может быть связано с окислениконцентрациями его ионов 10-4 и 10-3M.

ем нанокристаллов кремния, происходящим вследствие окислительно-восстановительных процессов при легировании металлом. При этом максимумы зависимостей I (h) в первом стробе находятся в области 2–2.05 эВ, Совсем другая ситуация реализуется на легированных pl а интегральных зависимостей I (h) — в области золотом образцах при его концентрации в растворах pl 1.85–1.90 эВ. Если зависимости I (h) в первом стробе 10-3M. Наблюдается значительное уменьшение интенpl на нелегированном и легированном золотом с концен- сивности ФЛ, особенно ее интегральной части (рис. 1, трацией 10-4M образцах характеризуют в основном кривая 3). Кроме того, после легирования на зависиизлучательную рекомбинацию свободных и связанных в мостях I (h) первого строба максимум ФЛ широкий pl экситоны электронно-дырочных пар, возбужденных лазе- и находится в области 2.2–2.6 эВ, тогда как положение ром в нанокристаллах кремния разного размера, то инте- максимума интегральной зависимости I (h) не измеpl гральные зависимости I (h), релаксирующие в основ- няется (1.85 эВ). Все это дает основание полагать, что в pl ном со временем 1, можно связать с излучательной этом случае основной вклад в ФЛ вносит не рекомбирекомбинацией экситонов, связанных с Si = 0 центра- нация свободных или связанных в экситоны электронноми на поверхности нанокристаллов кремния. Причины дырочных пар в нанокристаллах кремния, а испускание такого подразделения ФЛ подробно проанализированы света горячими электронами, возбужденными лазером в работе [7]. Что касается релаксации „хвоста“ ФЛ со в нанокристаллах золота [5]. Импульсы используемого временем 2, то это длительное время, мы полагаем, как нами азотного лазера имеют для этого достаточную и в [7], обусловлено захватом неравновесных носителей мощность (2 · 104 Вт/см2). При таких вводимых в остров(в нашем случае для полученного анодизацией ПК — ковую пленку золота мощностях наблюдали свечение и электронов) из нанокристаллов кремния на ловушки эмиссию электронов в случае использования СO2-лазеих оболочки и обратным их транспортом в нанокри- ра [5]. Мы полагаем, что нанокристаллы золота вносят сталлы для последующей излучательной рекомбинации свой вклад в ФЛ и в случае легирования золотом электронно-дырочных пар. при концентрации его 10-4M. Об этом свидетельствует Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 598 В.Е. Примаченко, Я.Ф. Кононец, Б.М. Булах, Е.Ф. Венгер, Э.Б. Каганович, И.М. Кизяк...

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.