WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Излучательная рекомбинация в пленках SiO2, имплантированных ионами Ge+ и отожженных в условиях гидростатического сжатия © И.Е. Тысченко¶, Л. Реболе Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Nanoparc GmbH, D-01454 Dresden-Rossendorf, Deutschland (Получена 5 ноября 2003 г. Принята к печати 3 декабря 2003 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции и спектры возбуждения фотолюминесценции при комнатной температуре в пленках SiO2, имплантированных ионами Ge+ и отожженных в условиях гидростатического сжатия при температуре Ta = 450-1100C и давлении P = 12 кбар. Установлено, что появление особенностей в спектрах эмиссии и спектрах возбуждения фиолетовой и зеленой полос фотолюминесценции коррелирует с формированием однородно напряженных нанокристаллов Ge. Выскокоэнергетичный сдвиг полос фотолюминесценции с ростом Ta 800C объясняется смещением энергетических уровней формирующихся центров излучательной рекомбинации за счет возрастающих деформационных потенциалов.

Наблюдаемая фотолюминесценция объясняется увеличением вероятности прямых излучательных переходов в нанокристаллах Ge с X-подобной зоной проводимости.

1. Введение мер, рекомбинация квантово-ограниченных электронов и дырок в нанокластерах Ge с размерами порядка или Возрастающий интерес к созданию и изучению менее 2 нм, не имеющих кристаллической структуры [7].

свойств нанокристаллического Ge (nc-Ge) —материала, С другой стороны, в нашей предыдущей работе [13,14] излучающего в видимой области спектра эмиссии и было показано, что пленки SiO2, содержащие аморфные способного конкурировать с прямозонными полупровод- нанокластеры германия с размерами около 2 нм, не никами (например, GaAs, AlGaAs), обусловлен особен- люминесцируют в видимой области спектра эмиссии.

ностями его зонной структуры. Во-первых, достаточно Граница раздела nc-Ge– матрица SiO2 также указывабольшими значениями ширины запрещенной зоны [1]; лась в литературе в качестве возможного источника во-вторых, близостью энергий прямых и непрямых полосы ФЛ 2.38 эВ [8], хотя другая группа автопереходов, способных обеспечивать короткие време- ров [2,9] рассматривает границу раздела как канал на излучательной рекомбинации квантово-ограниченных безызлучательной рекомбинации электронов и дырок, электронов и дырок в nc-Ge [1,2]. Согласно имею- генерируемых в nc-Ge. Ранее нами было обнаружено, щимся экспериментальным данным [2–9], фотолюми- что появление зеленой полосы ФЛ пленок SiO2 с достаточно низким содержанием Ge (0.67–3ат% Ge), несценция (ФЛ) в фиолетовой (3.1–4.3 эВ) и зеленой ( 2.2 - 2.4эВ) областях энергетического спектра на- отожженных при высоких температурах (Ta = 1130C) в условиях гидростатического сжатия (P = 12 кбар), блюдались в пленках SiO2, содержащих Ge. Свойства коррелирует с формированием однородно напряженных этих полос сильно зависели от содержания Ge в матрице нанокристаллов Ge [13,14]. Цель данной работы состоит диоксида кремния и условий последующих термических в более детальном исследовании спектров эмиссии и воздействий. Фиолетовые пики ФЛ с максимумами 3.возбуждения ФЛ в видимом спектральном диапазоне и 4.3 эВ доминировали в спектрах пленок SiO2 с небольпленок SiO2, имплантированных ионами Ge+ иотожженшим содержанием Ge ( 3ат%), подвергнутых термиченых под давлением.

ским обработкам при температуре Ta 500C [8]. Большинство авторов [10–12] объясняет природу этих пиков излучательными переходами между синглетными (S) и 2. Методика экспериментов триплетными (T ) состояниями S1 S0 и T1 S0 в системе энергетических уровней нейтральной кислородНанокристаллы Ge были сформированы в пленной вакансии, связанной с двумя атомами Ge в матрице ках SiO2 толщиной 500 нм, термически выращенных SiO2. Относительно природы зеленой полосы ФЛ до на пластинах Si n-типа, с удельным сопротивлением сих пор нет единодушного мнения исследователей. Ее 5-10 Ом · см, с ориентацией (100). Сначала пленки происхождение иногда связывают с излучательной реокисла были имплантированы ионами Ge+ с энергией комбинацией квантово-ограниченных электронов и ды450 кэВ, затем с энергией 230 кэВ, дозами 3.0 · рок в nc-Ge [2,5,6]. Однако отсутствие четкой корреи 1.8 · 1016 см-2 соответственно. Использованные энерляции между размерами нанокристаллов и положением гии и дозы ионов позволяли сформировать в пленмаксимума ФЛ явилось основной причиной для поиска ке SiO2 равномерное распределение Ge на глубине альтернативных источников зеленой полосы ФЛ. Напри- 0.1-0.35 мкм. Содержание Ge в этом слое состав¶ ляло 3 ат%. После имплантации образцы отжигались E-mail: tys@isp.nsc.ru Fax: 3832332771 при температурах Ta = 450-1100C в течение 5 ч в Излучательная рекомбинация в пленках SiO2, имплантированных ионами Ge+... атмосфере Ar. Отжиг проводился в печи высокого давления при гидростатическом сжатии P = 12 кбар, а также в печи при атмосферном давлении. Отжиг в печи высокого давления проводился по следующей схеме.

После помещения образца в печь, в ней повышалось давление до 12 кбар, затем осуществлялся нагрев образца до требуемой температуры. Заключительная стадия проводилась в обратном порядке: сначала выключался нагрев, а затем проводилось снятие давления. Такой порядок позволял исключить стадию возврата и зафиксировать при комнатной температуре эффект структурных превращений, достигнутый в условиях нагрева под давлением. Спектры ФЛ и возбуждения ФЛ измерялись при комнатной температуре, используя спектрометр Spex Fluromax в комбинации с фотоприемником R928 фирмы Рис. 2. Интенсивности пиков фотолюминесценции при энерHamamatsu.

гиях 4.3 (1, 3) и 3.1 эВ (2, 4) в зависимости от температуры отжига Ta при атмосферном давлении (1, 2) и давлении 3. Результаты P = 12 кбар (3, 4).

На рис. 1, a представлены нормированные на максимум интенсивности спектры ФЛ, возбуждаемые изтированных ионами Ge+, до и после отжигов при лучением с энергией 5.16 эВ в пленках SiO2, импланTa = 450-1100C под давлением 12 кбар. Видно, что сразу после имплантации Ge+ в спектрах ФЛ формируются два пика ФЛ с максимумами при 3.1 и 4.3 эВ с шириной на полувысоте 0.6 и 0.53 эВ соответственно.

Эти пики остаются единственными в спектрах ФЛ после отжигов при Ta = 450 и 600C. В результате увеличения температуры отжига до 800C, наряду с вышеупомянутыми пиками ФЛ, происходит формирование нового пика в зеленой области спектра с максимумом 2.3эВ.

Дальнейшее увеличение Ta до 1100C сопровождается исчезновением четких пиков, наблюдавшихся после отжига при более низких температурах, и формированием одной широкой полосы ФЛ в диапазоне от 2 до 4 эВ.

При этом наблюдается увеличение интенсивности ФЛ в низкоэнергетичной (< 3эВ) области спектра, а пик 4.3 эВ практически исчезает. Отжиг при атмосферном давлении не приводил к аналогичной трансформации пиков ФЛ (рис. 1, b). Вплоть до Ta = 1000C в спектрах эмиссии наблюдаются лишь 2 пика с максимумами при 3.1 и 4.3 эВ, а увеличение Ta сопровождается лишь изменением их интенсивности.

Интенсивности пиков 3.1 и 4.3 эВ как функция температуры отжига при атмосферном давлении и давлении P = 12 кбар представлены на рис. 2. Видно, что характер этих зависимостей различен для образцов, отожженных при давлениях 1 бар и 12 кбар. В первом случае полученные результаты совпадают с ранее опубликованными данными [8], т. е. заметное падение интенсивности ФЛ наблюдается лишь при Ta выше 600C. В случае отжига образцов при P = 12 кбар интенсивность фиолетовых Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пленок SiO2, импланпиков ФЛ уменьшалась почти на порядок величины уже тированных ионами Ge+, до (1) и после (2–5) отжига в после Ta = 450C и продолжала слабо падать с ростом течение 5 ч в атмосфере Ar: a — под давлением 12 кбар, Ta до 800C. Дальнейшее увеличение Ta до 1100C при температуре Ta, C: 2 — 450, 3 — 600, 4 — 800, сопровождалось вновь ростом интенсивности пика ФЛ 5 — 1100; b — при атмосферном давлении и температуре Ta, с максимумом при 3.1 эВ, в то время как пик 4.3 эВ C: 2 — 600, 3 — 1000. Энергия возбуждающего излучения практически исчезал.

составляла 5.16 эВ.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 854 И.Е. Тысченко, Л. Реболе Рис. 3. Спектры возбуждения пика фотолюминесценции с энергией 3.1 эВ для пленок SiO2, имплантированных ионами Ge+, до (1) и после (2–5) отжига в течение 5 ч в атмосфере Ar: a — под давлением 12 кбар. Ta, C: 2 — 450, 3 — 600, 4 — 800, 5 — 1100.

На вставке представлены спектры возбуждения пиков фотолюминесценции с энергией 3.1 эВ (1) и 2.3 эВ (2) для пленок SiO2, имплантированных ионами Ge+ и отожженных при Ta = 1100C; b — при атмосферном давлении. Ta, C: 2 — 600, 3 — 1000. На вставке представлена энергия максимума возбуждения пика фотолюминесценции 3.1 эВ в зависимости от температуры отжига Ta под давлением 12 кбар (1) и 1 бар (2).

Чтобы выяснить природу наблюдаемых пиков ФЛ, эмиссии (см. рис. 1, a). Примечательно, что пики 4.мы исследовали их спектры возбуждения. На рис. 3 и 3.7 эВ также присутствуют в спектре возбуждения представлены спектры возбуждения пика эмиссии ФЛ с зеленой полосы ФЛ (см. вставку на рис. 3, a), в то максимумом при 3.1 эВ. В спектрах возбуждения ФЛ, на- время как четко выраженный высокоэнергетичный пик блюдавшейся в образцах сразу после имплантации ионов (5.24 эВ) в нем не наблюдается. Следует отметить, что Ge+, присутствует лишь один пик с максимумом при пики 4.5 и 3.7 эВ, наблюдаемые в спектре возбужде 5.0 эВ. Последующий отжиг в условиях гидростатиче- ния зеленой полосы ФЛ, несколько шире, чем таковые ского сжатия (рис. 3, a) сопровождается голубым сме- в спектре возбуждения фиолетовой ФЛ. Кардинальное щением его положения, а после отжига при Ta = 800C изменение спектра возбуждения фиолетовой ФЛ наблюэнергия максимума возбуждения фиолетовой полосы далось после отжига при Ta = 1100C (см. рис. 3, a).

ФЛ составляет 5.24 эВ. При этом следует отметить, При этом в нем отсутствуют четко выраженные пики, что в области относительно низких температур отжига а интенсивность фиолетовой эмиссии экспоненциально (< 800C) вид спектра возбуждения фиолетовой ФЛ не возрастает с увеличением энергии возбуждающего изизменяется по сравнению со спектром неотожженных лучения. В случае отжига при атмосферном давлении образцов. После отжига при Ta = 800C, наряду с основ- (рис. 3, b), как уже отмечалось, спектр возбуждения финым максимумом при 5.24 эВ, в спектре возбуждения олетовой полосы ФЛ представляет собой одиночный пик появляются два менее интенсивных пика 4.5 и 3.7 эВ. с максимумом 5.1 эВ. Никаких смещений положения Появление этих двух пиков коррелирует с формиро- этого максимума с ростом Ta от 600 до 1000C не ванием пика зеленой ФЛ в соответствующем спектре наблюдалось (см. вставку на рис. 3, b).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Излучательная рекомбинация в пленках SiO2, имплантированных ионами Ge+... 4. Обсуждение формирование в спектре эмиссии слабо интенсивного пика с максимумом около 2.3 эВ может быть свидеПри обсуждении природы наблюдаемых нами полос тельством начала формирования нанокристаллов Ge.

ФЛ обратим внимание на то, что заметные разлиИсходя из этого появление двух дополнительных полос чия спектров ФЛ, наблюдаемые в случае термических в спектре возбуждения пика 3.1 эВ может быть обусвоздействий при атмосферном давлении и гидростатиловлено дополнительным забросом носителей из зоны ческом сжатии, начинают проявляться после отжига формирующихся нанокристаллов Ge на уровни нейпри Ta 800C. В области относительно низких Ta в тральных кислородных вакансий, расположенных вблизи спектрах наблюдаются лишь два пика ФЛ вблизи 3.границы раздела нанокристалл– матрица SiO2. Стоит и 4.3 эВ, независимо от величины давления. В обоих отметить, что в случае обычного отжига при 800C случаях максимум интенсивности этих пиков достигался образуются лишь не имеющие четкой кристаллической при возбуждении с энергией 5.1 эВ. Различным было структуры нанокластеры Ge со средними размерами лишь поведение интенсивности пиков фиолетовой ФЛ около 2 нм [16].

в зависимости от Ta при низких температурах отжиКардинальные различия в спектрах ФЛ образцов, га (см. рис. 2).

отожженных в обычных условиях и под давлением, В литературе [8,15] природа полос ФЛ 3.1 и 4.3 эВ наблюдались в области Ta = 1000-1100C (рис. 1). Если связывается соответственно с переходами между уровв случае P = 1 бар спектры эмиссии не претерпевают нями триплетного и основного синглетного (T1 S0) и каких-либо качественных изменений, а происходит лишь между уровнями возбужденного синглетного и основпадение интенсивности пиков ФЛ, связанных с рекомного синглетного (S1 S0) состояний молекулярнобинацией на центре Ge–Ge, то после отжига под подобного центра Ge–Ge, или, иными словами, нейдавлением спектр ФЛ изменяется существенно. Вместо тральной кислородной вакансии, связанной с двумя одиночных пиков в фиолетовой и ближней ультрафиолеатомами Ge, в матрице диоксида кремния [15]. Наблютовой областях формируется широкая полоса ФЛ, передаемые различия зависимости интенсивности ФЛ от Ta крывающая практически всю видимую область спектра.

в области 20–600C могут быть объяснены следующим Стоит особо обратить внимание на то, что в последнем образом. В случае обычного отжига интенсивность ФЛ случае пик с максимумом при энергии 4.3 эВ не наблюэтих пиков сначала увеличивается по мере упорядочедается. Это свидетельствует о том, что ФЛ в фиолетовой ния матрицы SiO2 и формирования центров Ge–Ge области связана, скорее всего, не с центром Ge–Ge, вплоть до Ta 500C, а затем, при более высоких а с другими центрами.

температурах отжига, в процессе стягивания атомов Ge Отсутствие четких пиков в спектре возбуждения, в нанокластеры с последующей их кристаллизацией, зарегистрированном после отжига при Ta = 1100C интенсивность фиолетовой ФЛ начинает падать [8,15].

(спектр 5 на рис. 3, a), также указывает на участие в В условиях отжига под давлением процесс кластеривозбуждении излучательной рекомбинации целого спекзации Ge происходит ускоренно [13,14]. Ускоренное тра других центров. В предыдущей работе [13,14] мы формирование конкурирующих центров излучательной показали, что отжиг при 1100C под давлением 12 кбар или безызлучательной рекомбинации в результате отстимулирует формирование однородно сжатых наножига может быть причиной снижения эффективности кристаллов Ge с более широким распределением по излучательной рекомбинации через центр Ge–Ge.

размерам, чем после обычного отжига. После остывания Как следствие, мы наблюдаем падение интенсивности среднее значение величины гидростатического давления ФЛ для полос 3.1 и 4.3 эВ уже начиная с Ta = 450C.

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.