WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 К вопросу о температурной зависимости фотолюминесценции пористого кремния © П.К. Кашкаров, Е.А. Константинова, С.А. Петрова, В.Ю. Тимошенко, А.Э. Юнович Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 26 июня 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) Исследована фотолюминесценция пористого кремния в интервале температур от 300 до 400 K. Обнаружено, что экспериментальные результаты хорошо объясняются в рамках модели излучательной рекомбинации экситонов в кремниевых наноструктурах. Энергии связи экситонов по численным оценкам, полученным из сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей, составили 0.2эВ.

Введение уменьшение IPL при дальнейшем понижении T либо не происходило [8,9], либо наблюдалось при T < 70 K [10].

Возможно, часть противоречий объясняется различием В последние несколько лет интенсивно исследуются использованных образцов. Действительно, в нашей расвойства люминесцирующего пористого кремния (ПК) боте [11] установлено, что по мере уменьшения харак(см., например, обзоры [1–4]). Установлено, что одним терных размеров наноструктуры ПК и сдвига исходной из важнейших признаков ПК является наличие нанополосы ФЛ в коротковолновую область резко уменьшаструктуры в виде сети кремниевых нитей или частичется влияние температуры на интенсивность ФЛ, а также но изолированных участков (фракталов). Минимальные на ее спектр. Другим фактором, влияющим на темпераразмеры фракталов составляют порядка 1 3нм [1], турные вариации ФЛ, может являться наличие дефектов, что достаточно для реализации заметного эффекта разучаствующих в безызлучательной рекомбинации.

мерного квантования [2,3]. Последний, как считаетЗависимости S-линий ФЛ от температуры при ее увеся в большинстве исследований, изменяет оптические личении выше комнатной изучались в [5,9,12]. Однако свойства ПК, сдвигая край оптического поглощения в корректно интерпретировать эти результаты сложно, сторону больших энергий квантов. Однако в отношении явления люминесценции и, в частности, фотолюминес- поскольку нагрев ПК выполнялся на воздухе. При этом весьма вероятны изменения поверхностного покрытия ценции (ФЛ) в ПК такой ясности нет. Хотя большая часть исследователей полагает, что излучательная ре- наноструктуры, влияющие на ФЛ [1]. Действительно, хорошо известно, что при нагреве свежеприготовленного комбинация носителей заряда происходит в измененной ПК выше 500 K интенсивность ФЛ необратимо падает вторичным квантованием зонной структуре ПК [1,2], вследствие потери водородного покрытия [1,3]. Подобв отношении деталей механизма рекомбинации много ные эффекты, вероятно, присутствовали в упомянутых различных точек зрения. Рассматривается возможность выше работах в виде остаточного уменьшения IPL [5] или прямой рекомбинации свободных электронов и дырок [2], ее температурного гистерезиса [12].

связывание последних в экситоны, аннигилирующие с испусканием оптических квантов [1,4], а также излу- Таким образом, в настоящее время отсутствуют начательная рекомбинация на поверхностных состояниях дежные данные о зависимости IPL(T ) при температурах наноструктуры [1]. Кроме того, в ряде работ предпола- выше комнатной. В то же время такая информация гается, что главный вклад в люминесценцию ПК дают могла бы быть полезна при идентификации механизмов процессы оптического возбуждения и его релаксации в ФЛ. Так, в теоретических работах [13,14] утверждамолекулярном покрытии фракталов [1,3,4]. ется о возможности существования в нанометрических кремниевых нитях размерами в нанометры экситонов с Одной из важных характеристик люминесценции ПК, энергиями связи Eexc. Для нитей квадратного сечения со знание которой позволило бы сделать выбор между стороной d от 1.5 до 3.1 нм величина Eexc варьируется различными ее моделями, является температурная завиот 140 до 70 мэВ соответственно [14]. Излучательные симость. Во многих работах исследуется так называемая переходы между экситонными уровнями обусловливают S-полоса ФЛ в видимой области спектра при понижеФЛ ПК. Значительные величины Eexc позволяют сущении температуры ПК ниже комнатной [1,4–9]. Однако ствовать экситонам при комнатной температуре и могут полученные данные и их интерпретация весьма протиопределять температурное гашение ФЛ.

воречивы. Общим выводом, пожалуй, является только факт роста интенсивности ФЛ (IPL) при уменьшении Данная наша работа посвящена экспериментальному температуры T от 300 до 200 150 K. При дальнейшем исследованию зависимости ФЛ ПК при повышении темохлаждении ПК рядом авторов наблюдалось падение пературы от 300 до 420 K. Полученные данные анализиIPL [5,6], что связывалось с уменьшением населенности руются с позиций модели излучательной рекомбинации синглетного и ростом населенности метастабильного экситонов в квантовых нитях наносструктуры пористого триплетного состояний экситонов [6]. В других работах кремния.

746 П.К. Кашкаров, Е.А. Константинова, С.А. Петрова, В.Ю. Тимошенко, А.Э. Юнович Методика эксперимента Исследовались образцы ПК на подложке p-Si с удельным сопротивлением = 10 Ом · см с ориентацией поверхности (100). Использовалась электролитическая реация анодирования в смеси HF : C2H5OH : H2O (1 : 2 : 1) при плотности тока j = 30 мА/см2 в течение t = 10 мин.

До начала экспериментов образцы несколько месяцев находились на воздухе.

Непосредственно перед измерениями ФЛ образцы ПК подвергались многочасовому вакуумированию (при остаточном давлении P = 10-3 10-4 Па) и нагревам при T = 450 K. Такая предварительная подготовка позволила стабилизировать адсорбционное покрытие ПК, изменение которого может значительно влиять на ФЛ [1].

При использованной обработке с поверхности полупроводников удаляются, в частности, слабо связанные Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пористого кремния.

молекулы воды [15]. Последние могут влиять на рекомT, K: 1 — 300, 2 — 340, 3 — 370, 4 — 420.

бинацию в ПК при оптическом возбуждении [11,16].

При измерениях ФЛ возбуждение осуществлялось излучением аргонового лазера с длиной волны = 488 нм и интенсивностьюI0 =0.1Вт/см2. При такой интенсивНа рис. 2 приведены зависимости в полулогарифмености возбуждения, как было установлено ранее [17], ческом масштабе интенсивности ФЛ от обратной темне происходит значительного нагрева пористого слоя.

пературы, полученные для длин волн 1 и 2. Видно, Эксперименты выполнялись в вакууме при температучто наиболее резкая температурная зависимость имеет рах T = 300 420 K.

место для 2, т. е. для наноструктур большего размера d2.

Качественно это хорошо соответствует меньшим значениям Eexc и может быть объяснено в рамках модели реЭкспериментальные результаты и их комбинации экситонов. Однако аппроксимация зависимостей IPL(1/T ) экспоненциальными законами с энергиями обсуждение активации Eexc, рассчитанными в работе [14], невозможна. В полулогарифмическом масштабе угол наклона соИзмеренные спектры ФЛ ПК при некоторых фиксированных температурах приведены на рис. 1. Видно, что при T = 300 K спектр ФЛ ПК характеризуется широкой полосой с максимумом m 760 нм (кривая 1). С повышением температуры интенсивность ФЛ уменьшается и наблюдается незначительный сдвиг ( 10 нм) полосы в коротковолновую область. Отмеченные изменения в ФЛ ПК были полностью обратимы и воспроизводимы при последующих циклах термообработки.

В соответствии с предложенной в [11] моделью полоса ФЛ ПК представляет собой суперпозицию излучений от наноструктур различных размеров. Предположим для простоты, что исследуемый пористый слой представляет собой набор нитей с поперечными размерами порядка нескольких нанометров. Это соответствует использованному нами типу подложки и режиму получения ПК, когда пористый слой имеет высокопористую кораллоподобную структуру [18]. Тогда в пределах погрешности, определяемой конкретной формой и ориентацией кремниевой нити [19], каждой энергии (длине волны) в спектре ФЛ соответствует определенный поперечный размер нити d.

Рис. 2. Зависимости фотолюминесценции пористого кремния Если учесть энергию связи экситонов в кремниевых от обратной температуры для длин волн 1 = 700 нм (1) и нитях, то тогда в соответствии с [14] длинам волн 2 = 850 нм (2). Точки — эксперимент, кривые — расчет 1 = 700 нм и 2 = 850 нм отвечает излучение из нитей согласно (4) с подгоночными параметрами nr = 0.07 мкс, d1 = 2нм и d2 = 3 нм соответственно.

Eexc1 = 0.2эВ(1) и Eexc2 = 0.18 эВ (2).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № К вопросу о температурной зависимости фотолюминесценции пористого кремния ответствующих прямых не согласуется с экспериментом. взгляд, возможны две причины такого расхождения. ВоСложно также объяснить различия в экспериментальных первых, как видно из (4), наличие активационного хазависимостях IPL для 1 и 2 рекомбинацией свободных рактера безызлучательной рекомбинации с энергией Ea носителей заряда или излучательной рекомбинацией на вида nr exp(Ea/kT ) даст свой вклад в температурное дефектах. гашение ФЛ. Во-вторых, энергия связи экситонов в Для количественного анализа полученных экспери- кремниевых нитях будет больше, если учесть разлиментальных данных рассмотрим систему пересекающих- чие диэлектрических проницаемостей вещества нити и ся кремниевых нитей в условиях слабого непрерывно- окружающего их пустого пространства [20]. Последго возбуждения. Будем считать, что существуют две ний фактор, согласно нашим оценкам, основанным на подсистемы невзаимодействующих носителей заряда — расчетах [14] и [20], дает увеличение энергии связи свободные электроны и дырки с концентрацией пар n в 1.5 2 раза, что согласуется с результатами расчета в и экситоны с концентрацией N. Тогда можно записать изложенной модели. Для окончательного выбора между следующие кинетические уравнения: представленными выше двумя возможностями необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее отметим, dN/dt = Cn - AN - N/r, что хорошее соответствие экспериментальных точек и (1) зависимостей, рассчитанных в рамках экситонной модеdn/dt = g - Cn + AN - n/nr, ли, свидетельствует в пользу последней.

Таким образом, в работе экспериментально исследовагде C и A — вероятности связывания носителей в ны зависимости ФЛ ПК в интервале температур от экситон и его термического распада соответственно, до 420 K. Полученные результаты свидетельствуют о g — темп генерации электронно-дырочных пар, r и более сложном, чем простой термоактивационный закон, nr — времена излучательной аннигиляции экситона и характере температурного гашения ФЛ и могут быть безызлучательной рекомбинации электронно-дырочных объяснены в рамках экситонной модели люминесценпар соответственно.

ции ПК.

В (1) пренебрегается в соответствии с [14] вкладом экситонных процессов в возбуждение носителей заряда Данная работа была поддержана в рамках пропри поглощении света.

граммы ”Физика твердотельных наноструктур” (проект В стационарных условиях (d/dt = 0) получим № 1-064).

g = n/nr + N/r. (2) Список литературы Предположим больцмановскую статистику, [1] K. Jung, S. Shih, D. Kwong. J. Electrochem. Soc., 140, (1993).

n/N = exp - Eexc/kT. (3) [2] М.С. Бреслер, И.Н. Яссиевич. ФТП, 27, 871 (1993).

[3] С.В. Свечников, А.В. Саченко, Г.А. Сукач, А.М. ЕвстигнеИз (2) и (3) получим ев, Э.Б. Каганович. Оптоэлектрон. и полупроводн. техн., 27, 3 (1994).

N = gr 1 +(r/nr) exp(-Eexc/kT ). (4) [4] J.B. Xia, K.W. Cheah. Appl. Phys. A, 59, 227 (1994).

[5] C. Perry. Appl. Phys. Lett., 60, 3117 (1992).

Используем выражение (4) для анализа эксперименталь[6] G. Mauckner, K. Thonke, T. Baier, T. Walter, R. Sauer. J. Appl.

ной зависимости ФЛ от температуры. Будем полагать, Phys., 75, 4167 (1994).

что IPL N g. Последнее хорошо согласуется с на[7] J. Oswald, J. Pastrnak, A. Hospodkova, J. Pangrac. Sol. St.

шими [17] и литературными [1,4] данными о линейной Commun., 89, 297 (1994).

зависимости интенсивности ФЛ от уровня возбуждения [8] G.W.’t. Hooft, Y.A.R.R. Kessener, G.L.J.A. Rikken, A.H.J. Venвплоть до 1 Вт/см2, когда уже существен светоиндуhuizen. Appl. Phys. Lett., 61, 2344 (1992).

цированный нагрев. Далее, согласно [14], для d1 и d2 [9] А.А. Лебедев, А.Д. Ременюк, Ю.В. Рудь. ФТП, 27, времена излучательной рекомбинации составляют соот- (1993).

[10] T. Suemoto, K. Tanaka, A. Nakajima. Phys. Rev. B, 49, 11 ветственно r1 = 70 мкс и r2 = 170 мкс и слабо зависят (1994).

от температуры. Отметим, что из литературы неизвест[11] П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко, Е.А. Константинова, ны однозначные и достоверные данные о nr, поэтому С.А. Петрова. ФТП, 28, 100 (1994).

данный параметр в нашем описании подгоночный.

[12] В.Г. Гайворон, Ю.Ф. Огрин, Т.П. Колмыкова, В.И. Сидоров.

На рис. 2 приведены кривые, рассчитанные по форПисьма ЖТФ, 20, вып. 8, 70 (1994).

муле (4). Наилучшее совпадение расчетных зависи[13] P.D.J. Calcott, K.J. Nash, L.T. Canham, M.J. Kane, D. Brumмостей и экспериментальных точек было достигнуто head. J. Phys.: Condens. Matter., 5, L91 (1993).

для величины nr = 0.07 мкс, Eexc1 = 0.2эВ (для 1) и [14] G.D. Sanders, Y.-C. Chang. Phys. Rev. B, 45, 9202 (1992).

Eexc2 = 0.18 эВ (для 2). Два последних значения пре[15] В.Ф. Киселев, О.В. Крылов. Электронные явления в адвышают величины энергий связи экситонов, полученные сорбции и катализе на поверхности полупроводников в работе [14] — Eexc1 0.1эВ, Eexc2 0.07 эВ. На наш и диэлектриков (М., Наука, 1979).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 748 П.К. Кашкаров, Е.А. Константинова, С.А. Петрова, В.Ю. Тимошенко, А.Э. Юнович [16] Th. Dittrich, V.Yu. Timoshenko. J.Appl. Phys., 75, (1994).

[17] Th. Dittrich, P.K. Kashkarov, E.A. Konstantinova, V.Yu. Timoshenko. Thin Sol. Films, 255, 74 (1995).

[18] R.L. Smith, S.D. Collins. J. Appl. Phys., 70, R1 (1992).

[19] C. Delerue, G. Allan, M. Lanoo. Phys. Rev. B, 48, 11 (1993).

[20] В.С. Бабиченко, Л.В. Келдыш, А.П. Силин. ФТТ, 22, (1980).

Редактор Л.В. Шаронова Temperature dependence of porous silicon photoluminescence P.K. Kashkarov, E.A. Konstantinova, S.A. Petrova, V.Yu. Timoshenko, A.E. Yunovich M.V. Lomonosov Moscow State University, 119899 Moscow, Russia

Abstract

Porous silicon photoluminescence in temperature range from 300 to 420 K was investigated. Experimental results were discovered to be in good agreement with a model of radiative recombination of excitons in silicon nanostructures. Numerical estimations of exciton binding energies, obtained from comparison of experemental and calculated dependencies, were about 0.2 eV.




© 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.