WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

гии возбуждения. Аналогичная зависимость появляется Спектры ФВ для разных длин волн наблюдения приведедля анодирования ПК после травления (рис. 4, b). Такой ны на рис. 6. Все они имеют пологий экстремум в районе ПК, как мы видели, не является стабильной системой и 275–280 нм. Он коррелирует с положением одного из относительно быстро в отличие от свежеприготовленных двух коротковолновых максимумов мнимой части псевобразцов эволюционирует к некоторому равновесному додиэлектрической функции 2 монокристаллического состоянию, близкому к исходному (рис. 3). кремния (293 нм [21]), сдвинутого в коротковолновую Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Спектры фотолюминесценции и фотовозбуждения пористого кремния... жен кремниевый остов, покрытый оксидной оболочкой.

Они изменяю симметрию кристаллической решетки (согласно [25], постоянная решетки ПК увеличивается в направлении нормали к границе пленки), что должно кардинальным образом сказываться на характеристиках процесса ФЛ. Этим, в частности, можно объяснить отсутствие обсуждаемого максимума в спектрах ФВ исходных анодированных образцов. После стравливания оксида напряжения в кремниевом остове (или кристаллитах) значительно снижаются, т. е. к нему могут быть применимы результаты расчетов [22]. Однако это не касается кристаллитов малого размера, для которых изза малости отношения объема к поверхности влияние поверхностных напряжений остается существенным. ПоРис. 5. Эволюция спектров ФВ образца 2 после травления при окислении на воздухе в течение следующего времени, ч: этому для коротковолновой части спектра ФЛ, которая 2 — 0.13, 3 —1.5, 4 — 47, 5 — 144, 6 — 336. 1 —исходный при квантово-размерном механизме ее интерпретации спектр до травления.

обусловлена кристаллитами малого размера, влияние структурных особенностей в спектрах ФВ монокристаллического кремния оказывается затушеванным. Добавим также, что с напряжениями мы связываем частичную часть спектра в результате эффекта размерного квантоваполяризацию излучения ПК [10], которая как раз выше в ния. Измерения авторов работы [22] подтверждают наликоротковолновой части спектра ФЛ и монотонно падает чие единственного максимума функции 2 ПК вблизи его с увеличением длины волны излучения [10,26]. Если одположения, соответствующего прямым межзонным переним аргументом в пользу такой интерпретации является ходам E2 в монокристалле кремния. Таким образом, не аморфный, а монокристаллический кремний определяет особенности функции 2 и спектра поглощения ПК. Этот вывод справедлив и для спектров ФВ анодированного ПК, приведенных на рис. 6. Имеются основанные на первых принципах теоретические расчеты спектра поглощения и псевдодиэлектрической функции 2 при наличии эффекта размерного квантования [23,24]. В первой из этих работ рассматривались квантовые нити кремния, во второй учитывалась пассивация поверхности нитей водородом. Сложный многопичковый спектр, полученный в [23], пока трудно сравнивать с имеющимися экспериментальными результатами. В то же время из расчетов работы [24] следует, что в случае квантовых нитей с поперечником 0.76–1.14 нм функция 2 имеет ярко выраженный максимум в районе 340–366 нм, слабо зависящий от поперечных размеров нитей. В монокристаллическом кремнии он соответствует прямозонному переходу 15- 25 (366 нм). Однако ни спектры поглощения ПК [22], ни спектры ФВ, приведенные на рис. 6, не обнаруживают этого пика, обусловленного кристаллической структурой квантовой нити.

Совершенно иная ситуация возникает после травления (рис. 6, b). Если спектры ФВ для коротковолнового крыла спектра ФЛ существенно не изменяются, то спектры ФВ для длинноволнового его крыла имеют после травления хорошо выраженный максимум именно в той области, где, согласно расчетам [24], должен лежать максимум функции 2. Почему этот максимум отсутствует в спектре ФВ на коротких длинах волн спектра Рис. 6. Спектры ФВ образца 2 до травления (a) и после ФЛ, где казалось бы, эффект размерного квантования травления (b) для разных длин волн ФЛ, нм: 1 — 550, 2 — 600, должен проявляться более ярко На наш взгляд, причина 3 — 650, 4 — 700, 5 — 750. Нормировочные множители для заключается в упругих напряжениях, которым подвер- спектров a: 1 — 10, 2 —2.5, 3 — 1.25, 4 —1.0, 5 —1.5.

8 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1140 В.В. Филиппов, В.П. Бондаренко, П.П. Першукевич падение степени поляризации после травления, а затем ФЛ. Учет в рамках этой модели упругих напряжений повозвращение ее к значению, близкому к тому, которое зволяет объяснить такой характер спектров ФВ, а также было до травления. обнаруженную ранее степень поляризации ФЛ ПК и ее Причиной появления экстремума в спектрах ФВ тра- изменение при травлении. Различный характер квантововленного ПК может являться аморфная фаза кремния. размерных структур, рассматриваемых в [22] (квантовые Известно, что обработанные в плавиковой кислоте по- нити с пассивацией поверхности водородом) и в нашей верхности монокристаллического кремния имеют по- работе, исключает более строгие количественные соповерхностный слой сильно разориентированных атомов ставления, такие как сечение нитей и кристаллитов в кремния, образующих неупорядоченную аморфизован- ПК и т. п. Однако это различие не затрагивает вывода ную фазу [27,28]. В слое ПК, обработанном в HF, общего характера о проявлении в спектрах ФВ ПК доля этой фазы будет не малой. Ее роль в механиз- особенностей структурно связанных с поглощением в ме люминесценции ПК обсуждалась в [29,30]. В не- кристаллическом кремнии остова ПК. Аморфная фаза которых работах непосредственно с аморфной фазой кремния, представляющая собой поверхностные слои связывается ФЛ пленок ПК [31,32]. Для нас здесь кристаллитов с разориентированными атомами кремния, важно то, что спектры мнимой части псевдодиэлектри- которая возникает в результате травления, несущественческой функции аморфного кремния имеют максимум на в процессах ФВ. Однако ее влияние сказывается при ex = 355 нм [33]. Очевидно, что если фотовоз- на ФЛ ПК, что проявляется прежде всего в падении буждение ПК идет через аморфную фазу, то размеры интенсивности ФЛ и уширении длинноволнового крыла кристаллитов несущественны. Поэтому этот максимум, спектра ФЛ.

если он обязан аморфной фазе, должен присутствовать Авторы считают своим приятным долгом выразить в спектрах ФЛ для всех длин волн ФЛ, чего, однако, признательность В.А. Яковцевой и А.В. Бондаренко за не наблюдается. Этот и приведенные выше аргументы помощь в подготовке работы к публикации позволяют заключить, что аморфная фаза кремния несущественна в процессах фотовозбуждения ПК. Тем не менее поверхностные состояния и состояния в хвостах Список литературы зон аморфного кремния имеют значение в процессах ФЛ пленок ПК. Именно ими обусловлено наблюдаемое [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57, 1046 (1990).

уширение длинноволнового крыла спектра ФЛ после [2] R. Kumar, Y. Kitochi, K. Hara. Appl. Phys. Lett., 63, травления, о чем говорилось в разд. 2.2. Более суще(1993).

ственна их роль как центров безызлучательной релакса[3] J.M. Lavine, S. Sawan, Y.T. Shieh, A.J. Balezza. Appl. Phys.

ции фотовозбужденных носителей. Действительно, после Lett., 62, 1099 (1993).

травления оксидной оболочки интенсивность ФЛ падает, [4] K.H. Jung, S. Shin, D.L. Kwong, C.C. Cho, B.E. Gnade. Appl.

иногда значительно (см. рис. 3). Затем, по мере ее обра- Phys. Lett., 61, 2467 (1992).

[5] S.M. Prokes, W.E. Carlos, P.M. Bermudez. Appl. Phys. Lett., зования и при постепенном окислении неупорядоченных 61, 1447 (1992).

поверхностных слоев кристаллитов, интенсивность ФЛ [6] Y.M. Weng, Zn.M. Fan, X.F. Zong. Appl. Phys. Lett., 63, частично, а после второго и последующих травлений (1993).

обычно полностью, восстанавливается.

[7] S. Shih, K.H. Jung, D.L. Kwong, M. Kovar, J.M. White. Appl.

Phys. Lett., 62, 1904 (1993).

[8] J. Vial, F. Bsiesy, F. Gaspard, R. Herino, M. Ligeon, F. Muller, Заключение R. Romestain, R. Macfarlane. Phys. Rev. B, 45, 14171 (1992).

[9] M.B. Robinson, A.C. Dillon, S.M. George. Appl. Phys. Lett., Исследованы спектры ФЛ и ФВ пленок анодирован62, 1493 (1993).

ного ПК до и после травления в водном растворе HF, [10] V.V. Filippov, P.P. Pershukevich, V.P. Bondarenko, A.M. Doа также их эволюция. Отсутствие кремний-водородных rofeev. Phys. St. Sol. (b), 184, 573 (1994).

соединений на поверхности кремниевых кристаллитов в [11] Y.G. Chabal, G.S. Higashi, N. Raghavachari, V.A. Burrows. J.

пленке анодированного ПК позволило исключить влиVac. Sci. Techn. A, 7, 2104 (1989).

яние полигидридов из возможных механизмов ФЛ ПК. [12] W.B. Pollard, G. Lucowski. Phys. Rev. B, 26, 3172 (1982).

[13] M.H. Bordski, M. Cardona, J.J. Cuomo. Phys. Rev. B, 26, Поэтому особенности спектров ФЛ и ФВ и их временная (1977).

эволюция после травления целиком обусловлены оксид[14] Y. Ogata, H. Niki, T. Sakka, M. Iwasaki. J. Electrochem. Soc., ной оболочкой кремниевых кристаллитов и ее изменени42, 195 (1995).

ями. Все наблюдаемые особенности указанных спектров [15] M.S. Brandt, H.D. Fuchs, M. Stutzmann, J. Weber, M. Carи их эволюция не могут быть полностью интерпретироdona. Sol. St. Commun., 81, 307 (1992).

ваны в рамках модели размерного квантования, в част[16] A. Nakajima, T. Itakura, S. Watanable, N. Nakayama. Appl.

ности отсутствие в спектрах ФВ максимума, связанного Phys. Lett., 61, 46 (1992).

с пиком мнимой части псевдодиэлектрической функции [17] T. Motohiro, T. Kachi, F. Miura, Y. Takeda, S. Hyodo, S. Noda.

ПК, предсказываемого теорией [24], и его появление Jpn. J. Appl. Phys., 31, L207 (1992).

после травления для длинноволнового крыла спектра [18] N. Ookubo. J. Appl. Phys., 74, 6375 (1993).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Спектры фотолюминесценции и фотовозбуждения пористого кремния... [19] Y.H. Xie, W.L. Wilson, F.M. Ross, J.A. Mucha, E.A. Fitzgerald.

J. Appl. Phys., 71, 2403 (1992).

[20] J. Shah, A. Pinczuk, F.B. Alexander, B.G. Bagley. Sol. St.

Commun., 42, 717 (1982).

[21] D.E. Aspnes, A.A. Studnia. Phys. Rev. B, 27, 985 (1983).

[22] N. Koshida, H. Koyama, Y. Yamamoto, G.J. Collins. Appl.

Phys. Lett., 63, 2655 (1993).

[23] G.D. Sanders, Y.C. Chang. Phys. Rev. B, 45, 9202 (1002).

[24] F. Buda, J. Kohanoff, M. Parrinello. Phys. Rev. Lett., 69, (1992).

[25] Л.П. Авакянц, В.М. Авдохина, Г.Б. Демидович и др. Поверхность, вып. 5, 94 (1989).

[26] А.Н. Старухин, А.А. Лебедев, Б.С. Разбирин, Л.М. Капитонова. Письма ЖТФ, 18, 160 (1992).

[27] G. Renand, P. Fuoss, A. Ourmazd, J. Bevk, B. Freer, P. Hahn.

Appl. Phys. Lett., 58, 1272 (1991).

[28] T. Konishi, K. Uesugi, K. Takoka, S. Kawano, M. Yoshimuta, T. Yao. Jpn. J. Appl. Phys., 32, 3131 (1993).

[29] N. Noduchi, I. Suemune, M. Yamanishi. Jpn. J. Appl. Phys., 31, L490 (1992).

[30] F. Koch. Microelectronic Engeneering, 28, 237 (1995).

[31] T. George, M.S. Anderson, W.T. Pike, T.L. Lin, R.W. Fathaner, K. Jung, D.L. Kwong. Appl. Phys. Lett., 60, 2354 (1992).

[32] J.P. Perez, J.V. Malobes, P. McNeill, J. Prosad, R. Cheek, J. Kelber, J.P. Estrera, P.D. Stevens, R. Glosser. Appl. Phys.

Lett., 61, 563 (1992).

[33] D.T. Pierce, W.E. Spicer. Phys. Rev. B, 5, 3017 (1972).

Редактор В.В. Чалдышев Spectra of photoluminescensce and photoexcitation of porous silicon subjected to anodic oxidation and etching V.V. Filippov, V.P. Bondarenko, P.P. Pershukevich Institute of Physics, Belorusian Academy of Sciences, 220072 Minsk, Republic Belarus Belorusian State University of Informatics and Radioelectronics, 220027 Minsk, Republic Belarus

Abstract

Photoluminescence (PL) and photoexcitation (PE) spectra of porous silicon (PS) films, which had the initial porosity 50–60% and were formed on p-type substrates and subjected to anodic oxidation and chemical etching, are investigated. It is found that the amorphous phase of etched PS does not manifest itself on PE spectra but influences PL spectra of PS. Features of PE spectra before and after etching and PL as well as PE spectra time evolution can be interpreted within a framework of the model of quantum confinement, in which mechanical stresses of silicon crystallites of PS are taken into account.

Fax: 0172-39 31 31 (Filippov) E-mail: ifanbel%bas03.basnet.minsk.by@demos.su (Filippov) Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №

Pages:     | 1 ||



© 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.