WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Процессы самоорганизации и оптическая активация ионов Er в пленках аморфного гидрированного кремния, легированного Er © М.М. Мездрогина, Г.Н. Мосина, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 ноября 2000 г. Принята к печати 30 ноября 2000 г.) Исследован процесс формирования оптически активных центров в пленках a-Si : H Er, полученных методом магнетронного распыления мозаичной мишени, содержащей Er с примесью кислорода. В результате исследования микроструктуры пленок методом электронной микроскопии обнаружены кристаллиты с размерами от 5 до 50 нм в зависимости от концентрации Er. Сделано предположение о влиянии на величину полосы интенсивности фотолюминeсценции в области 1.54 мкм не только локального окружения иона Er, но и процессов самоорганизации.

Проблема оптической активации ионов эрбия (Er3+) в до 1.08% — в коротковолновую, а при дальнейшем матрице кремния представляет большой интерес в связи увеличении концентрации — в длинноволновую область.

с возможностью разработки на основе этого материала Совокупность полученных авторами данных позволяет излучателей на длину волны = 1.54 мкм, используе- сделать предположение о влиянии на величину интенсивмых в волоконно-оптических линиях связи.

ности ФЛ = 1.54 мкм не только локального окружения Оптически активными центрами в пленках аморфного иона Er, но и размеров кластеров.

гидрированного кремния, легированного Er, a-Si : H Er, Цель данной работы — исследование влияния разсогласно данным работы [1], являются кластеры [Er–O] меров кластеров (процесса самоорганизации) при обрас локальной симметрией окружения Er3+, аналогичной зовании комплексов [Er–O] на оптическую активацию таковой в Er2O3. В то же время имеется некоторое ионов Er3+ в пленках a-Si : H Er.

различие в локальной симметрии окружения атомов В работе [3] рассматривается влияние размеров наEr в кластерах [Er–O] в аморфном и кристаллическом нопроволок от 9.5 нм до нескольких сотен нанометров кремнии, что объясняется разной структурой матриц.

на сдвиг положения максимума ФЛ при уменьшении Показано также, что отжиг пленок a-Si : H Er не диаметра, что объясняется наличием квантового эффекта приводит к изменениям локальной структуры в ранее в нанопроволоках. Следует отметить, что спектры ФЛ [3] сформированных кластерах [Er–O], что возможно при не имеют каких-либо особенностей и пиков при изменеусловии образования достаточно большого кластера с нии положения максимума интенсивности ФЛ от 624 нм размерами порядка постоянной решетки Er2O3. Из(1.99 эВ) до 783 нм (1.58 эВ), причем полуширина на вестно, что постоянная решетки Er2O3 в кубической полувысоте (FWHM) составляет 160 нм для 1.99 эВ.

сингонии равна 10.548.

В работе [2] FWHM равна 23 нм при оптимальной B работе [2] исследован процесс формирования оптиконцентрации Er, позволяющей иметь максимальное значески активных центров в пленках a-Si : H Er, получение интенсивности полосы ФЛ 1.54 мкм.

ченных различными методами осаждения. Показано, что Таким образом, авторы данной работы, как и в автотолько при использовании метода магнетронного распыры [3], предполагают наличие влияния квантовых размерления мозаичной мишени, содержащей Er с примесью ных эффектов на процессе оптической активации ионов кислорода (не менее 0.10–0.12%), наблюдается конценEr3+ в пленках a-Si : H Er.

трационная зависимость интенсивности полосы фотолюминесценции (ФЛ) = 1.54 мкм от содержания Er. В случае использования особо чистого Er концен- Эксперимент трационной зависимости не наблюдается. Также было Микроструктура пленок a-Si : H Er была исследована показано, что, поскольку реакция образования комплекс помощью метода просвечивающей электронной микросов [Er–O] в газовой фазе маловероятна, преимущество скопии. На рис. 1, a представлена микроструктура и примагнетронного метода распыления состоит в большой ведены дифрактограммы пленок a-Si : H Er с различныскорости роста пленок, а при использовании мозаичной мишени с достаточной концентрацией примеси кисло- ми концентрациями эрбия. Зависимости интенсивности полосы ФЛ = 1.54 мкм от концентрации эрбия CEr рода — в существовании сформированных комплексов [Er–O]. Спектр ФЛ в области = 1.54 мкм при опти- приведены на рис. 2.

мальной концентрации Er, когда наблюдается максималь- На рис. 1, a показана микроструктура пленок ная интенсивность ФЛ, имеет ряд пиков. Кроме того, a-Si : H Er с концентрацией эрбия CEr = 1.08%. Видно, можно отметить, что при изменении концентрации мак- что в аморфной пленке присутствует мелкокристаллисимум интенсивности полосы ФЛ = 1.54 мкм имеет ческая структура второй фазы. Размеры кристаллитов немонотонный сдвиг: при увеличении концентрации Er изменяются от 5 до 50 нм. Дифрактограмма этой Процессы самоорганизации и оптическая активация ионов Er в пленках... Рис. 1. Микроструктура пленок a-Si : H Er с концентрациями эрбия CEr, %: a — 1.08, b — 0.79, c, d — 0.34. На вставках — микродифракционная картина.

структуры (вставка в верхней части рисунка) диапазону 50–250 нм. В микродифракционную картину представляет собой набор колец. Расшифровка картины пленки кристаллиты не вносят своего вклада, поскольку показала, что межплоскостные расстояния d на в ней наблюдаются только два диффузионных кольца от дифракционной картине соответствуют межплоскостным аморфной фазы (таблица).

расстояниям Er2O3 (см. таблицу). Средняя плотность частиц составляет 5 · 1010 см-2.

Межплоскостные расстояния по данным просвечивающей элекНа рис. 1, b показана микроструктура пленок тронной микроскопии a-Si : H Er с концентрацией эрбия CEr = 0.79%.

В этом случае пленка a-Si : H Er имеет ячеистую CEr = 1.08% CEr = 0.79% CEr = 0.34% структуру. В ячейках кристаллизуется новая фаза, d, d (Er2O3), d, d (Er2O3), d, d (Si), повторяющая форму ячеек. Размеры частиц изменяются от 50 до 250 нм, плотность их составляет 5 · 109 см-2.

2.59 2.631 2.6 2.631 3.20 3.На микродифракционной картине этой пленки также 2.23 2.243 2.466 2.48 0.95 0.имеются рефлексы фазы Er2O3 (таблица).

1.526 1.521 2.24 2.На рис. 1, c показана микроструктура пленок 1.50 1.49 1.526 1.1.343 1.349 1.51 1.a-Si : H Er с концентрацией эрбия CEr = 0.34%.

1.343 1.Поры в этой пленке, в отличие от предыдущих с концентрациями эрбия CEr = 1.08 и 0.79%, — более Примечание. d — экспериментальные значения, полученные из дифрокрупные. На фоне пор наблюдается слабо выраженное актограмм; d (Er2O3) — табличные значения для кубического Er2Oформирование второй фазы. На рисунке хорошо видны с постоянной решетки 10.548 ; d (Si) — табличные значения для малоконтрастные кристаллиты с размерами, близкими к кубического Si.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 716 М.М. Мездрогина, Г.Н. Мосина, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова относительно низкой температуры подложки (300C), большого размера комплексов и, вероятно, неполного насыщения оборванных связей. Наибольшую подвижность по поверхности подложки имеют комплексы SiH3- с полностью насыщенными связями, но их концентрация относительно мала при большой скорости осаждения, что характерно для метода магнетронного распыления. Все реакции, происходящие на поверхности подложки [5], будут приводить к образованию комплексов [Si–O], для которых характерна наиболее низкая энергия образования и наибольшая вероятность процесса, а также к образованию силицидов эрбия — комплексов [Er–Si], обладающих большей энергией образования. Лимитирующей стадией протекания данных процессов является наличие кислорода на поверхности растущей пленки, который может уходить в газовую фазу вследствие реакций с атомарным водородом, поступающим на поверхность растущей пленки из плазменного разряда.

Очевидно, что при изменении концентрации кислорода будет меняться и тип связей кремния с кислородом в пленке a-Si : H Er : вместо связей Si–O–Si, характерных для пленок a-Si : H, будут наблюдаться связи O–Si–O, Рис. 2. Изменение интенсивности фотолюминесценции при характерные для соединений Si1-xOx. Размеры кристал300 K для пленок a-Si : H Er с концентрацией эрбия CEr, %:

литов будут определяться величинами поверхностных 1 — 1.08, 2 — 0.79, 3 — 0.34, 4 — 1.42.

энергий и концентраций компонентов. Если рассматривать процессы, протекающие с большими скоростями нанесения пленок — при магнетронном распылении Тип микроструктуры пленок достаточно хорошо корна постоянном токе и высокочастотном распылении, релирует с видом спектров ФЛ = 1.54 мкм, что то первый метод явно предпочтительнее для формивидно при сравнении рис. 1 и 2: уменьшение размеров рования оптически активных центров. При использокристаллитов приводит к увеличению интенсивности ФЛ.

вании магнетрона при большой скорости нанесения не происходит интенсивной бомбардировки растущей пленки, как в случае ВЧ распыления. Таким образом, Обсуждение результатов именно при использовании магнетронного распыления Вработе [4] рассматривается механизм передачи энер- при оптимальной концентрации Er и O в мишени сугии возбуждения ионам эрбия с помощью методик время- щественную роль играют процессы самоорганизации, разрешенной фотолюминесценции и экситонной спек- т. е. переход ”беспорядок”–”порядок” вследствие структроскопии, в результате чего была предложена фено- турной неустойчивости, когда происходит уменьшение энтропии. Показано, что процесс самоорганизации — менологическая модель возбуждения. Не рассматривая последовательность неравновесных фазовых переходов, детально эту сложную модель, остановимся на одном из основных ее выводов — обязательное наличие ми- возникающих при неаддитивном уменьшении одного или нескольких бифуркационных параметров [6]. Изкрокристаллитов. Отличительной особенностью наличия вестно, что величина поверхностной энергии окислов микрокристаллитов, как известно, являются необычные электрические и магнитные характеристики, обусловлен- типа Si1-xOx, Er1-xOx больше поверхностной энергии ные большими отношениями поверхности к объему. Со- силицидов Si1-xErx, Si, Er. Размеры кристаллитов, по-видимому, также будут изменяться в соответствии гласно модели, предложенной в вышеупомянутой работе, энергия возбуждения передается от экситонов в нано- с разницей в величинах поверхностных энергий [7,8].

кристаллитах к иону Er3+, где осуществляется излуча- Можно предположить, что наибольшие размеры будут у тельная рекомбинация, в результате которой происходит комплексов [Er–O], [Si–O]; наименьшие размеры в этом внутрицентровой переход на незаполненной 4 f -оболочке ряду соединений будут у [Er–Si]. Вероятно, комплексы Er и наблюдается ФЛ = 1.54 мкм. [Si–Er] с минимальными размерами обладают необхоВ исследуемых в данной работе пленках a-Si : H Er димой и достаточной для передачи энергией экситопри использовании не очищенного от примеси кисло- нов [4], т. е. служат своего рода ”спусковым крючком” рода Er наиболее вероятным механизмом образования в сложном процессе формирования процесса передачи кристаллитов является следующий: комплексы [Er–O], энергии ионам Er3+ при оптимальной концентрации поступающие на подложку непосредственно из мише- последних. Роль окислов [Si–O] при этом состоит лишь ни, имеют малую подвижность по поверхности в силу в формировании оптимальной концентрации и размеров Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Процессы самоорганизации и оптическая активация ионов Er в пленках... комплексов [Er–O]. Согласно данным работы [9], ближайшим окружением эрбия в пленках a-Si : H Er является кислород; следующим в окружении будет кремний.

Показано также, что с возрастанием концентрации кислорода среднее координационное число увеличивается.

Если рассматривать ионы Er3+ в ближайшем окружении, то комплексы [Er3+–O] обладают более низкой симметрией, чем 6-координированный [Er3+–Si]; [Er3+–O] слабо связаны с неупорядоченной структурной сеткой вследствие наличия сильной внутренней связи. Таким образом, наблюдается большая интенсивность полосы ФЛ = 1.54 мкм и слабое температурное гашение ФЛ.

При реализации задачи инжекционной накачки требуется решение сложной технологической проблемы оптимизации концентраций вышеупомянутых комплексов.

Список литературы [1] В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, П.П. Серегин, Е.И. Теруков, М.М. Мездрогина. ФТП, 32, 709 (1998).

[2] М.М. Мездрогина, М.П. Аннаоразова, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова. ФТП, 33, 1260 (1999).

[3] Y.F. Zhang, Y.H. Tang, H.Y. Peng, N. Wan. Appl. Phys. Lett., 75 (13), 1842 (1999).

[4] G. Franzo, V. Vinciduerro, F. Priolo. Appl. Phys. A, 69 (1), (1999).

[5] М.М. Мездрогина, А.Ф. Бардамид, О.А. Голикова, В.Х. Кудоярова, М.М. Казанин. Неорг. матер., 27, 667 (1991).

[6] Н. Пригожин. От существующего к возникающему (M., Наука, 1985) c. 120.

[7] А.Г. Хачатурян. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов (М., Наука, 1974) с. 122.

[8] A. Piamonteze, A.C. Juigiez, L.R. Tesler. Phys. Rev. Lett., 81 (21), 4652 (1998).

[9] Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алфёров. ФТП, 32 (4), 385 (1998).

Редактор Л.В. Шаронова Self-organizing processes and optical activation of Er3+-ions in amorphous hydrogenated Er-doped a-Si : H films M.M. Mezdrogina, G.N. Mosina, I.N. Trapeznikova, E.I. Terukov Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

The process of forming optically active centers in a-Si : H Er films has been studied. Films were deposited by magnetron sputtering of a mozaic-type target containing Er with oxygen impurity. Electron microscopy structural study allowed to find the presence of crystalline inclusions of (5–50 nm), the size depending on Er concentration. Suggestion has been made that the influence on the 1.54µm photoluminescence intensity is exerted by not only Er3+-ion local surrondings, but also self-organizing prosesses, i. e. transition processes the ”order”–”disorder” state under reducing entropy contribution.




© 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.