WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 О влиянии процесса окисления на эффективность и спектр люминесценции пористого кремния © Б.М. Булах, Н.Е. Корсунская¶, Л.Ю. Хоменкова, Т.Р. Старая, М.К. Шейнкман Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 11 июля 2005 г. Принята к печати 18 октября 2005 г.) Исследованы спектры люминесценции пористого кремния, их температурные зависимости, а также трансформация в процессе старения. Показано, что инфракрасная полоса, преобладающая в свежеприготовленных образцах, обусловлена рекомбинацией экситонов в кремниевых кристаллитах. В процессе старения наблюдалось появление с коротковолновой стороны хорошо выделенной дополнительной полосы.

Предполагается, что она обусловлена рекомбинацией носителей, возбужденных в кремниевых кристаллитах, через центры в окисле. Показано, что широкая полоса, обычно наблюдающаяся в окисленном пористом кремнии, является суперпозицией двух указанных полос. Получены зависимости положений их максимумов и интенсивностей от времени старения и температуры, а также информация о распределении окисных центров по глубине пористого слоя.

PACS: 81.65.Cf, 81.05.Rm, 78.55.Mb 1. Введение Такое уменьшение размеров кристаллитов имеет место при окислении, что должно сопровождаться голубым Несмотря на большой интерес к созданию оптоэлек- смещением полосы ФЛ. Однако в работах [17–19] было тронных приборов на основе кремниевых квантово- показано, что в процессе старения или термического размерных систем, физика последних изучена недоста- окисления максимум полосы ФЛ в образцах с разным его исходным положением может смещаться не только точно. Например, имеются значительные расхождения в высокоэнергетическую сторону, но и в низкоэнергетимежду теоретическими расчетами зависимости ширины ческую, достигая в конечном счете одного и того же зназапрещенной зоны от размеров кремниевых кристалличения 2.1 эВ [8] или 1.7 эВ [17,20]. Максимум при 1.7 эВ тов [1–4] и экспериментальными данными [5–8]. Более в термически окисленных образцах наблюдался также в того, сами экспериментальные зависимости значительно работе [21].

различаются в работах разных авторов.

Отклонения от теории были обнаружены и в темОдной из систем с квантово-размерными кремниевыпературной зависимости положения максимума полосы ми кристаллитами является пористый кремний, облаФЛ. Так, в [20] было показано, что в зависимости от дающий яркой фотолюминесценцией (ФЛ) при комнатрежима получения образцов может наблюдаться как ной температуре. Спектр его излучения, как правило, длинноволновое, так и коротковолновое его смещение представляет собой одну широкую полосу, положение с ростом температуры.

которой может смещаться от 1.4 до 2.5 эВ при изменении Поэтому был предложен ряд моделей, которые объясрежимов травления в процессе получения пористого няли люминесценцию пористого кремния либо суперкремния. Обычно эта полоса приписывалась рекомбипозицией полос, обусловленных кристаллитами и ценнации экситонов в кремниевых кристаллитах [9–12] трами на их поверхности, либо предполагали, что по(квантово-размерная модель свечения).

верхностный канал рекомбинации является доминируДействительно, имеются достаточно веские доказа- ющим [7,8,22,23]. Большинство из этих моделей святельства участия в свечении пористого кремния реком- зывают люминесценцию с присутствием окисла на побинации экситонов в квантово-размерных кремниевых верхности кристаллитов, в частности с рекомбинацией кристаллитах. Об этом свидетельствует, в частности, носителей через центры в окисле [20–22] или экситонов на связах Si=O [8,23], а также в потенциальной яме на наличие в спектре ФЛ при резонансном возбуждении границе Si/SiO2 [14].

особенностей, связанных с фононным спектром кремОднако ни одну из указанных выше моделей нельзя ния [9,13–16]. Вместе с тем имеется ряд экспериментальсчитать доказанной, поскольку авторам не удалось выных фактов, полученных в основном для окисленных обделить компоненты, связанные с разными каналами разцов, которые можно объяснить существенным вкларекомбинации, и исследовать характеристики каждой из дом в люминесценцию пористого кремния веществ или них. Это не только затрудняет доказательство сущесостояний на поверхности кремниевых кристаллитов.

ственного вклада поверхностных каналов рекомбинации, К таким фактам в первую очередь относится нарушение но и может быть одной из причин расхождения между в этих образцах предсказываемого квантово-размерной результатами разных авторов в определении ширины замоделью высокоэнергетического смещения максимума прещенной зоны кристаллитов. Поэтому вопрос о вкладе полосы ФЛ с уменьшением размеров кристаллитов.

в свечение пористого кремния каналов рекомбинации ¶ E-mail: korsunska@ukr.net разной природы является важной задачей.

О влиянии процесса окисления на эффективность и спектр люминесценции пористого кремния В настоящей работе наряду с полосой, обусловленной рекомбинацией экситонов в кремниевых кристаллитах, наблюдалось появление при 77 K дополнительной более коротковолновой полосы в результате хранения образцов на воздухе (в процессе старения). Показано, что широкая полоса, обычно наблюдающаяся в окисленном пористом кремнии, является суперпозицией указанных полос ФЛ.

2. Методика эксперимента Слои пористого кремния были изготовлены методом электрохимического травления кремниевой подложки КДБ-10 с ориентацией (100) в электролите на основе плавиковой кислоты состава HF : C2H5OH = 2 : 1. Плотность тока и время анодирования составляли 20 мА/сми 10 мин соответственно. При этом полученные образцы не содержали макропор. Спектры ФЛ и спектры возбуждения ФЛ исследовались в области температур T = 77-300 K на установке, описанной в [24]. Для возбуждения ФЛ использовался азотный лазер ЛГИ-и ксеноновая лампа с решеточным монохроматором МДР-23.

3. Экспериментальные результаты Спектры ФЛ свежеприготовленных слоев пористого кремния при 77 K, измеренные при возбуждении излуРис. 1. a — трансформация спектра ФЛ пористого кремния в чением с длиной волны 337 нм, содержат одну полосу процессе старения при 77 K (1–5) и 300 K (3 –5 ). Время став инфракрасной области спектра (далее ИК-полоса) рения: 1 —0 дней (свежеприготовленный образец), 2 —3 дня, с шириной на половине высоты 0.14 эВ (рис. 1, a, (3, 3 ) — 14 дней, (4, 4 ) — 3 месяца, (5, 5 ) —1 год.

кривая 1). Хранение образцов на воздухе в течение b — разложение спектров 3 и 4 на гауссианы.

2 недель приводит к уменьшению интенсивности ФЛ, а также постепенному уширению полосы (до 0.17 эВ) и смещению ее максимума в высокоэнергетическую Оказалось, что спектры ФЛ исследованных образцов область (кривые 2, 3). Одновременно появляется с зависят от энергии фотонов возбуждения Eexc. Для коротковолновой стороны дополнительная красная посвежеприготовленного образца при 77 K максимум ФЛ лоса люминесценции (далее К-полоса). Как следует из при изменении Eexc от 3.68 до 2.48 эВ смещается от 1.разложения кривой 3 (рис. 1, b), максимум этой полосы до 1.37 эВ (не показано). После старения это смещение находится при 1.69 эВ, а ширина составляет 0.2эВ.

становится более заметным: через 7 дней при таком же Через 3 месяца интенсивность ФЛ существенно возрасизменении Eexc ИК-полоса смещается с 1.44 до 1.38 эВ.

тает, причем ее спектр снова содержит только одну поПоявление в спектре ФЛ хорошо выделенной долосу. Однако ее ширина на полувысоте (0.35–0.4 эВ) суполнительной полосы является доказательством присутщественно превышает ширину исходной инфракрасной ствия в пористом кремнии, как минимум, двух каналов полосы, а максимум смещен в высокоэнергетическую излучательной рекомбинации, один из которых возникасторону до 1.55 эВ (кривая 4). При более длительном ет в процессе старения. Существенно следующее: хотя старении (1 год) полоса смещается в высокоэнергетипри более длительном старении в спектре наблюдается ческую область до 1.69 эВ и продолжает возрастать по снова одна полоса, ее значительная ширина позволяинтенсивности (кривая 5).

ет предположить, что она является суперпозицией КПри 300 K в свежеприготовленных образцах ФЛ, как и ИК-полос.

правило, не регистрируется, но появляется в процессе старения и постепенно возрастает по интенсивности. Информация, подтверждающая это предположение, При этом в спектре наблюдается всегда одна полоса, содержится в температурных зависимостях энергии маккоторая сначала смещается в низкоэнергетическую, а симума (Emax) широкой полосы и интенсивности ее ИКзатем в высокоэнергетическую сторону (кривые 3 –5 ). и К-крыльев (рис. 2, a, b).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 616 Б.М. Булах, Н.Е. Корсунская, Л.Ю. Хоменкова, Т.Р. Старая, М.К. Шейнкман возбуждении светом с Eexc = 2.48 эВ. Видно, что для образца в исходном состоянии зависимости, измеренные при возбуждении светом с разными Eexc, совпадают (кривые 1, 6), в то время как после старения — существенно различаются (кривые 4, 7).

Зависимости интенсивности ФЛ от температуры приведены на рис. 2, b. Для свежеприготовленного образца температурная зависимость интенсивности люминесценции измерялась при регистрации в максимуме полосы ФЛ. В остальных случаях для анализа поведения компонент широкой полосы эти зависимости измерялись для энергий фотонов 1.4 эВ (ИК-крыло) и 1.8 эВ (К-крыло).

Выбор указанных значений энергий детектирования определяется тем, что они находятся за пределами области перекрытия К- и ИК-полос независимо от времени старения, что видно из разложения спектров (рис. 1, b).

Как видно из рис. 2, b, начиная с 77 K интенсивность исходной полосы ФЛ (кривая 1) монотонно уменьшается с ростом температуры (температурное гашение). При старении начало области температурного гашения ФЛ смещается в область более высоких температур (кривые 2-5). Однако детальное поведение ИК- и К-крыльев различается. Для 3 дней старения К-крыло начинает гаситься при более высоких температурах и менее резко, чем ИК-крыло. При дальнейшем старении ситуация меняется на противоположную: К-крыло гасится раньше и более резко, чем ИК-крыло, причем перед Рис. 2. a — температурные зависимости энергии максимума ФЛ свежеприготовленного образца (1, 6), после 3 дней (2), началом гашения интенсивность последнего возрастает 3 месяцев (3) и 1 года (4, 7) старения; (1–4) — Eexc = 3.68 эВ, (кривые 4, 5).

(6, 7) — Eexc = 2.48 эВ; 5 — температурная зависимость шириКак видно из сопоставления кривых на рис. 2, a, b, ны запрещенной зоны Eg объемного кремния. b — зависимость характер смещения положения максимума широкой поинтенсивности ИК-полосы в свежеприготовленном образце лосы определяется перераспределением интенсивностей (1), а также ИК-крыла (2, 4) и К-крыла (3, 5) суммарной ИК- и К-крыльев. В случае высокоэнергетического смеполосы после 3 дней (2, 3) и 1 года (4, 5) старения.

щения максимума с ростом температуры относительный вклад К-крыла возрастает, а ИК-крыла уменьшается (рис. 2, b, кривые 2, 3); в случае низкоэнергетического Температурные зависимости энергии максимума ис- смещения — наоборот. Отметим, что одновременно ходной и широкой полос ФЛ, измеренные при воз- происходит уменьшение ширины полосы, что согласубуждении светом с энергией фотона Eexc = 3.68 эВ, ется с преимущественным уменьшением интенсивности представлены кривыми 1–4 на рис. 2, a. Важной осо- одной из компонент. Таким образом, широкая полоса бенностью этих зависимостей является то, что характер действительно является суперпозицией разных полос.

смещения максимума широкой полосы с ростом тем- Как видно из рис. 2, a (кривая 4), положение максипературы сложным образом зависит от времени старе- мума суммарной полосы после длительного старения ния. Максимум исходной полосы ФЛ при повышении не смещается с температурой вплоть до 250 К, когда температуры смещается в низкоэнергетическую сторону начинается ее температурное гашение, сопровождающе(кривая 1), причем величина этого смещения близка еся уменьшением вклада в спектр К-компоненты. Это к изменению ширины запрещенной зоны объемного позволяет утверждать, что К-компонента при T < 250 K кремния (кривая 5 [25]). При малых временах старения доминирует в спектре ФЛ, а ее положение не зависит знак смещения максимума полосы изменяется на про- от температуры. При этом оно совпадает с положением тивоположный (кривые 2, 3), а при больших временах К-полосы, наблюдающейся при 77 K после старения в его положение до 250 K не зависит от температуры, течение 2 недель. Последнее позволяет отождествить а затем он смещается в низкоэнергетическую сторону К-компоненту с К-полосой и свидетельствует также о (кривая 4). том, что положение последней не изменяется в процессе На рис. 2, a приведены также температурные зави- старения. Отождествить ИК-компоненту с ИК-полосой симости положения максимума полосы ФЛ для све- позволяют одинаковые температурные смещения их макжеприготовленного образца (кривая 6) и после его симумов, что свидетельствует об их общей природе.

старения в течение 1 года (кривая 7), измеренные при Отметим, что причиной перекрытия К- и ИК-полос Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. О влиянии процесса окисления на эффективность и спектр люминесценции пористого кремния является смещение ИК-полосы в процессе старения в оценивалась из энергии максимума суммарной полосы высокоэнергетическую сторону (рис. 2, a, кривые 1, 2, 3). при 370 K. При этой температуре вклад К-компоненты Отметим, что ИК-полоса отличается от К-полосы зави- существенно уменьшается, что и является причиной симостью положения максимума от температуры, что низкоэнергетического смещения максимума. Поэтому в свидетельствует об их различной природе. качестве верхнего предела положения ИК-полосы было взято значение энергии максимума суммарной полосы при T = 370 K, которое затем пересчитывалось для 77 K 4. Обсуждение результатов с учетом температурного смещения ИК-полосы.

Для получения зависимости интенсивности ИК-поло4.1. Зависимость характеристик ИК- и К-полос сы от времени старения во всем исследованном диаот времени старения пазоне времен мы использовали значения интенсивноЗависимость положения максимума и интенсивности стей на низкоэнергетическом крыле суммарной полосы ИК-полосы от времени старения может быть получена (1.4 эВ при 77 K) с учетом смещения положения максииз спектров ФЛ в тех случаях, когда она в них домимума ИК-полосы от времени старения. Полученная танирует. Это имеет место для разных времен старения ким образом зависимость приведена на рис. 3 (кривая 3).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.