WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

() d, (7) Сравним рассчитанные выше энергии основных по(E - )2 + ()2/лос ФЛ кремниевых НК с экспериментальными значенигде величина JPL(, t) определяется выражением (5). ями. В работах [9–11] наблюдались полосы ФЛ пленок Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 880 А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, И.О. Соколовский, О.М. Сресели пористого кремния с энергиями 1.3-1.4, 1.7-1.9, 2.1, также считалось, что nx = n0(D/3)2, n0 = 3 мкс. Как 2.3, 2.9 эВ, а в работах [12,13] было показано, что видно из рис. 1, при малых значениях спектральная зависимость ФЛ содержит три из пяти указанных в спектре ФЛ пленок нанокристаллического кремния (с нанокристаллами в виде квантовых точек) реализу- выше полос, возникающих вследствие осцилляций в зависимости rx(D). С увеличением на рассчитанются практически все отмеченные выше полосы. Таким ных спектральных зависимостях ФЛ сначала исчезают образом, наблюдаемые энергии переходов попадают в провалы и остаются только точки перегиба, а при диапазон рассчитанных выше энергий основных полос достаточно большой величине спектр ФЛ становится кремниевых НК, возникающих благодаря немонотонбесструктурным.

ной зависимости rx(D). Ряд рассчитанных выше поНа рис. 2, a приведены рассчитанные спектры стациолос, в частности полосы с энергией 1.3-1.4, 1.92, 2.нарной ФЛ для случая, когда распределение квантовых и 2.84 эВ, наблюдался в спектрах электроотражения нитей по размерам описывается двумя гауссианами с кремниевых НК [14,15], а некоторые (например, полосы центрами при D = 1.0 и D = 2.4 нм. Как видно из с энергией 2.1 и 2.4 эВ) — в спектрах поглощения [16].

данного рисунка, благодаря учету мезоскопического Следует отметить, что для корректного сравнения уширения высокоэнергетическая полоса ФЛ оказывается спектров ФЛ со спектрами поглощения (или электрозначительно шире низкоэнергетической. На рис. 2, b отражения) кремниевых НК необходимо учитывать осоприведены полученные в работе [11] экспериментальбенности, связанные с их возбуждением. Как правило, ные спектральные зависимости стационарной ФЛ для ФЛ возбуждается азотным лазером, благодаря чему квантовых точек в матрице SiOx, из которых видно, что практически во всех квантовых нитях (за исключением высокоэнергетическая полоса действительно является разве что тех, толщины которых меньше одного насущественно более размытой, чем низкоэнергетическая.

нометра) вначале происходит возбуждение свободных Для наблюдения двух полос в спектрах стационарэлектронно-дырочных пар, а затем их связывание в экной ФЛ необходимо, чтобы количество НК малых размеситоны. Коэффициент поглощения лазерного излучения при этом достаточно большой (> 104 см-1), что и дает возможность ограничиться при анализе ФЛ случаем сильного поглощения. Если же возбуждать те же самые НК квантами, энергия которых попадает в экситонную полосу поглощения, то величина коэффициента поглощения света будет существенно зависеть как от диаметра нити, так и точности попадания в максимум полосы поглощения нити соответствующего размера. Для квантовых точек имеются свои особенности, в частности, связанные с тем, что в этом случае принципиально не может быть реализован случай сильного поглощения.

Отметим, что оценки для энергий переходов в кремниевых квантовых точках без учета экситонного эффекта дают значения, сильно сдвинутые в коротковолновую область по сравнению с наблюдаемыми в эксперименте. Так, в частности, согласно расчетам, максимальная энергия перехода между чисто электронным и чисто дырочным состоянием в квантовых точках исследуемых в эксперименте наноструктур должна быть около 3.8-4 эВ, а минимальная — около 1.5 эВ, в то время как экспериментальные значения лежат в диапазоне 2.8-3.0 и 1.2-1.4 эВ соответственно.

На рис. 1 изображены спектральные зависимости стационарной ФЛ кремниевых квантовых нитей, рассчитанные по формуле (4) для случая, когда распределение размеров НК описывается функцией ГаусРис. 2. Рассчитанные (a) и экспериментальные (b) спектры са с центром при D = 2.1 нм и достаточно больстационарной ФЛ кремниевых наноструктур. Кривые на шой дисперсией ( = 0.4нм). При расчете спектров рис. 2, a получены по формуле (4) для случая распределена рис. 1-4 мезоскопический эффект, связанный с ния нитей по размерам, описываемого двумя гауссианами флуктуациями структуры гетерограниц, приближенно (a1 = 2.5, D1 = 1.2нм; a2 = 1.0, D2 = 2.1нм) с одной и той же учитывался путем использования зависящего от развеличиной дисперсии = 0.1 нм. Параметр уширения, эВ:

мера НК (т. е. от энергии перехода E(D) из-за кван1 — 0.04, 2 — 0.07. На рис. 2, b различные кривые соответтово-размерного эффекта) параметра уширения экси- ствуют различным распределениям НК по размерам; по мере тонных полос (E) = (D0/D)3, D0 = 3 нм. При этом увеличения номера кривой средний размер НК возрастает.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Проявление квантово-размерных осцилляций времени излучательной экситонной рекомбинации... распределение нитей по их толщинам является таким же, как и на рис. 3. Как видно из рис. 4, кинетика ФЛ в этом случае хорошо аппроксимируется „растянутыми“ экспонентами, что согласуется с экспериментальными результатами. Чем больше, тем быстрее происходит релаксация ФЛ на начальном этапе и тем сильнее она замедляется на конечном этапе. Чем меньше размер НК, тем при меньших величинах релаксация ФЛ становится неэкспоненциальной. В то же время при определенных условиях релаксация ФЛ может быть близка к экспоненциальной, в частности при достаточно больших размерах НК и не очень больших величинах (вставка на рис. 4).

Остановимся далее на анализе зависимости положения полос ФЛ кремниевых наноструктур от размера НК Рис. 3. Рассчитанные спектры ФЛ кремниевых наноструктур, с учетом осцилляций rx (D) и фактора уширения эксисостоящих из кремниевых квантовых нитей, при различных тонных полос (D). Как видно из рис. 5, при больших временах задержки td. Кривые получены по формуле (7) для средних размерах НК спектральные полосы ФЛ, соотслучая распределения нитей по размерам, описываемого двумя ветствующие минимумам в зависимости rx (D), распо гауссианами (a1 = 3.0, D1 = 1.0нм; a2 = 1.0, D2 = 1.7нм) ложены довольно густо по шкале энергии и при малой с одной и той же величиной дисперсии = 0.1 нм. Параметры величине дисперсии НК по размерам одновременно расчета: = 0.07 эВ; времена задержки td, нс: 1 — 100, достаточно хорошо разделены. Поэтому уменьшение 2 — 200, 3 — 500, 4 — 1300. На вставке изображено соответсреднего размера НК приводит к обычному смещению ствующее использованному размерному распределению нитей центра полосы излучения в спектре ФЛ в сторону их распределение по энергиям экситонных излучательных больших энергий (кривые 1 и 2). При меньших средних переходов.

размерах отдельные полосы уширяются и перекрываются (кривые 3 и 4). И наконец, при самых малых размерах НК полосы еще более уширяются (как из-за ров было достаточно велико. Несколько иная ситуация мезоскопического эффекта, учитываемого параметром, реализуется в спектрах ФЛ, фиксируемых с врементак и из-за относительного увеличения роли дисперсии ной задержкой. В этом случае при малых временах размеров НК), а энергетическое положение максимузадержки td вклад НК меньших размеров в спектр ФЛ ма ФЛ стабилизируется, т. е. перестает зависеть от даже при относительно малом количестве таких НК размера (кривые 5-7). В некоторых случаях в принможет оказаться определяющим из-за малости времен излучательной рекомбинации таких НК по сравнению с аналогичными временами НК больших размеров. По мере увеличения td соотношение вкладов в ФЛ от различных НК изменяется в пользу НК больших размеров и в случае, когда количество НК малых размеров относительно невелико (по сравнению с количеством НК больших размеров), в спектрах остается только длинноволновая полоса. Это иллюстрирует рис. 3, на котором изображены рассчитанные по формуле (7) спектры ФЛ с временной задержкой для кремниевых квантовых нитей в случае, когда распределение нитей по их толщинам D описывается двумя гауссианами (соответствующее распределение нитей по энергии излучательных экситонных переходов E(D) изображено на вставке к рис. 3). Как видно из рисунка, с увеличением td полосы ФЛ действительно сдвигаются в длинноволно вую сторону, а при достаточно больших td остается Рис. 4. Кинетика релаксации интегральной интенсивности ФЛ только одна длинноволновая полоса. Подобный вид ансамбля квантовых нитей, описываемого двумя распределеспектров ФЛ, полученных с временным разрешением, ниями Гаусса. Параметры расчета: D1 = 1нм, D2 = 1.7нм;

достаточно типичен как для пленок пористого кремния, a1 = 1, a2 = 1;, нм: 1 —0.1, 2 —0.3, 3 — 0.5. На вставке — так и для структур с кремниевыми квантовыми точками.

кинетика релаксации интегральной интенсивности ФЛ ансамбНа рис. 4 приведены рассчитанные по формуле (6) ля квантовых нитей, описываемого одним распределением кинетические зависимости интегральной интенсивно- Гаусса. Параметры расчета и D, нм: 1 —0.1 и 1, 2 —0.сти ФЛ для кремниевых квантовых нитей в случае, когда и 1.4, 3 —0.3 и 1.8, 4 —0.4 и 2.2, 5 —0.5 и 3.

8 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 882 А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, И.О. Соколовский, О.М. Сресели удалось согласовать положение максимума низкоэнергетической полосы, ее форму, сдвиг и уменьшение интенсивности полосы при увеличении времени задержки (результаты расчета иллюстрируют пунктирные кривые на рис. 6).

В то же время, рассматривая пористый кремний как совокупность лишь квантовых нитей, принципиально не удается согласовать с теорией положение высокоэнергетической полосы спектров ФЛ на рис. 6, b и уменьшение ее интенсивности с увеличением времени задержки.

Поэтому, ориентируясь на результаты, приведенные в обзоре [17], мы предположили, что высокоэнергетическая полоса с энергией 2.95 эВ в исследованных нами пленках пористого кремния связана с наличием в них наряду с квантовыми нитями и квантовых точек малых Рис. 5. Рассчитанные спектры стационарной ФЛ нанострукразмеров. Модификация нашего подхода применительно туры, состоящей из кремниевых квантовых нитей, в случае одномодового гауссова распределения нитей по их толщинам. к случаю квантовых точек заключалась в следующем:

Параметры расчета: = 0.02 эВ; и D, нм: 1 — 0.1 и 3.0, 1) замене D2 на (D)D3 в уравнениях (1)-(3); 2) замене 2 — 0.1 и 2.5, 3 — 0.15 и 2.1, 4 — 0.2 и 1.8, 5 — 0.3 и 1.5, матричного элемента излучательного перехода, рассчи6 — 0.4 и 1.3, 7 —0.5 и 1.2.

танного для квантовых нитей, на матричный элемент, рассчитанный для квантовых точек, и 3) использовании зависимости энергии экситонных оптических переходов для квантовых точек от их размера, полученной на ципе возможно даже уменьшение энергии наблюдаемой полосы ФЛ. Это может происходить по ряду причин, в частности, вследствие: а) аморфизации НК наименьших размеров; б) реализации в отдельных НК условия Eg > h, где Eg — перенормированная благодаря квантово-размерному эффекту ширина оптической энергетической щели, а h — энергия квантов возбуждающего света; в) полного окисления НК минимальных размеров.

С целью проверки вышеизложенной теоретической модели нами были изготовлены и исследованы два разных образца пористого кремния: образец 1 — из сильно легированного кремния p-типа с ориентацией (100), = 10-20 мОм · см (p = 4 · 1018-1019 см-3), полученный травлением в электролите с небольшим количеством воды HF : Et : H2O = 1: 2: 1, и образец 2 —из кремния p-типа с ориентацией (100) и удельным сопротивлением = 12 Ом · см (p = 1015 см-3), полученный травлением в стандартном электролите HF : Et = 1: 1.

Образцы характеризовались различной степенью окисления; менее окисленным был образец 1, более окисленным — образец 2 благодаря постанодной обработке.

Исследовались спектры ФЛ с временным разреше нием (задержкой момента фиксации ФЛ относительно импульса возбуждения). ФЛ возбуждалась импульсами лазера с длиной волны = 337 нм, длительностью 10 нс и частотой повторения 100 Гц. Спектры ФЛ измерялись при комнатной температуре с помощью компьютеризованной установки на базе монохроматора МДР-2, стробоскопического преобразователя напряжения В9-Рис. 6. Экспериментальные (сплошные кривые) и полученные (ширина строба — 4 нс) и детектора излучения — в результате расчета (пунктирные кривые) спектры ФЛ с фотоумножителя ФЭУ-79.

временной задержкой для структур пористого кремния. a) обПолученные нами экспериментальные спектры ФЛ разец 1, времена задержки td, мкс: 1 —0.2, 2 —0.5, 3 —0.8, пористого кремния с временной задержкой изображены 4 — 1.3. b) образец 2, времена задержки td, мкс: 1 —0.1, сплошными кривыми на рис. 6, a (образец 1) и рис. 6, b 2 —0.2, 3 — 0.3, 4 — 0.4. Средняя толщина квантовых (образец 2). В рамках нашего теоретического подхода нитей — 1.75 нм; средний размер квантовых точек — 0.7 нм.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Проявление квантово-размерных осцилляций времени излучательной экситонной рекомбинации... основе результатов работ [7,8]. Такая модификация поз- [4] G.D. Sanders, Y.C. Chang. Phys. Rev. B, 45, 9202 (1992).

[5] М.С. Бреслер, И.Н. Яссиевич. ФТП, 27, 871 (1993).

волила согласовать в первом приближении теорию с [6] А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко. ФТП, 38, 102 (2004).

экспериментом как для низкоэнергетической, так и для [7] D. Delley, E.F. Steigmeyer. Appl. Phys. Lett., 67, 2370 (1995).

высокоэнергетической части спектров ФЛ на рис. 6, b.

[8] T. Takahagara. Phys. Rev. B, 47, 45 (1993).

[9] Г. Полисский, О.М. Сресели, А.В. Андрианов, Ф. Кох.

ФТП, 31, 365 (1997).

4. Заключение [10] H. Miruno, H. Koyama, N. Koshida. Appl. Phys. Lett., 69, 3779 (1996).

Таким образом, можно сделать вывод, что наблюдае[11] Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, И.Р. Базылюк, С.В. Свечмая на эксперименте в спектрах ФЛ пористого кремния ников. ФТП, 37, 353 (2003).

и пленок SiOx с кремниевыми квантовыми точками [12] M. Baran, B. Bulakh, N. Korsunska, L. Khomenkova, „быстрая“ полоса 2.9-3 эВ связана не с люминесценV. Yukhymchuk, M. Sheinkman. Semicond. Phys., Quant.

цией SiOx, а с ФЛ кремниевых квантовых точек очень Electron. & Optoelectron., 6, 282 (2003).

малых размеров (диаметром 1нм). Наша теоретиче[13] N. Koshida, N. Matsumoto. Mater. Sci. Eng., R 40, ская модель позволяет объяснить энергетическое поло(2003).

жение максимума этой полосы, ее большую ширину и [14] T. Toyama, Y. Kotani, A. Shimodo, H. Okamoto. Appl. Phys.

практически полное отсутствие смещения ее максимума Lett., 74, 3323 (1999).

с увеличением времени задержки. Более того, можно [15] Е.Ф. Венгер, Р.Ю. Голиней, Л.А. Матвеева, А.В. Васин.

ФТП, 37, 104 (2003).

предположить, что эту же природу имеет аналогичная [16] F. Buda, J. Kohanoff, M. Parrinello. Phys. Rev. Lett., 69, полоса, наблюдаемая в обычном SiOx (в том числе и в (1992).

Pages:     | 1 || 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.