WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11 Фотолюминесценция кремниевых нанокристаллов под действием электрического поля ¶ © Е.Н. Вандышев, А.М. Гилинский, Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 10 марта 2005 г. Принята к печати 24 апреля 2005 г.) Исследовано влияние электрического поля на фотолюминесценцию кремниевых нанокристаллов, сформированных в оксиде кремния методом ионной имплантации с последующим отжигом. Обнаружено, что приложение электрического поля приводит к возрастанию интенсивности фотолюминесценции нанокристаллов при низких температурах на величину до 10% при напряженности поля 12 кВ / см и ее понижению при температурах свыше 20 K. Возгорание экситонной фотолюминесценции нанокристаллов под действием электрического поля противоречит модели рекомбинации размерно-квантованных экситонов в нанокристаллах и описывается в рамках модели рекомбинации автолокализованных экситонов, формирующихся на границе нанокристалл кремния–оксид кремния.

Несмотря на значительное количество публикаций, от поверхности пьезоэлектрического кристалла, в качепоявившихся в последние годы, вопрос о механизме стве которого применялся LiNbO3, в котором встречноизлучательной рекомбинации в полупроводниковых кри- штыревыми преобразователями (ВШП) возбуждается сталлах нанометровых размеров до сих пор остается от- поверхностная акустическая волна (ПАВ) [8]. Исследукрытым. Эффективную люминесценцию нанокристаллов емый образец при этом находится под действием пере(НК) связывают как с влиянием размерного квантования менного электрического поля ПАВ, а возбуждение и рев кристаллитах с размерами менее боровского радиуса гистрация ФЛ производятся сквозь прозрачный в испольэкситона, так и с рекомбинацией с участием дефектов зуемом спектральном диапазоне кристалл ниобата лития или посторонних веществ на поверхности НК. Наиболь(см. вставку к рис. 1). Такой способ приложения элекшее количество усилий было затрачено на исследоватрического поля не требует изготовления контактов к ние механизма рекомбинации в нанокристаллитах на образцу и обеспечивает возможность исследования разоснове кремния — пористом кремнии [1], нанокристалличных образцов в идентичных условиях. К недостаткам лах, формируемых эпитаксиальным выращиванием [2] методики следует отнести ограничение на длину волны или методами самоформирования [3,4], однако механизм люминесценции кремниевых нанокристаллов продолжает вызывать споры. Так, результаты [5] указывают на большую роль эффектов поверхности НК в наблюдаемой ФЛ, в то время как авторы [3,6] указывают, что люминесценция кремниевых НК в видимой области вызвана квантово-размерным эффектом. В данной работе мы приводим результаты исследования фотолюминесценции (ФЛ) кремниевых нанокристаллов в матрице оксида кремния под действием электрического поля, показывающие, что ФЛ НК не связана с рекомбинацией экситонов на уровнях размерного квантования в НК, и обсуждаем механизм рекомбинации с учетом состояний дефектов структуры, формирующихся вблизи НК, используя модель формирования автолокализованных экситонов.

В работе исследовались образцы НК, сформированных имплантацией ионов кремния в полученный окислением кремниевой подложки слой SiO2 толщиной 0.5 мкм и последующим отжигом [7]. Имплантация проводилась с энергиями 200 и 100 кэВ и дозами соответственно 6.3 · 1016 и 3.9 · 1016 см-2. Постимплантационный отжиг Рис. 1. Спектры стационарной ФЛ кремниевых НК, измеренные без поля (сплошная линия) и при (точки) приложепроводился при температуре 1130C в течение 5 ч.

нии электрического поля напряженностью 12 кВ / см. СпекДля приложения электрического поля была испольтры нормированы на спектр чувствительности системы резована бесконтактная методика, основанная на распогистрации. На вставке — схема проведения эксперимента:

ложении исследуемого образца на малом расстоянии IDT — встречно-штыревой преобразователь, нанесенный на ¶ E-mail: vandyshev@thermo.isp.nsc.ru пьезокристалл, RF — высокочастотное напряжение.

1366 Е.Н. Вандышев, А.М. Гилинский, Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев лазерного излучения, возникающее из-за требования прозрачности пьезоэлектрического кристалла и сделавшее в нашем случае невозможным измерение кинетики ФЛ с помощью импульсного азотного лазера (длина волны 337 нм). Измерения проводились в парах гелия в диапазоне температур 5-120 K с использованием режима бегущей ПАВ, однако в тестовых измерениях возможно было использовать режим стоячей ПАВ. Частота ПАВ составляла 71 МГц, что соответствует длине волны около 40 мкм. Максимальная напряженность электрического поля, индуцированного в образце, определялась расчетом из измерения эффективности дифракции света на ПАВ и составляла 12 кВ / см. Для снижения средней мощности, подаваемой на пьезокристалл, возбуждение ПАВ производилось в импульсном режиме с периодом повторения и длительностью импульсов 320 и 64 мкс со- Рис. 2. Температурная зависимость интегральной интенсивности ФЛ НК в отсутствие и при приложении электрического ответственно. Регистрация ФЛ производилась в течение поля напряженностью 12 кВ / см. Сплошные линии показаны временного окна, соответствующего распространению для удобства.

ПАВ по области возбуждения ФЛ. Для возбуждения стационарной ФЛ использовался Ar+-лазер мощностью 20 мВт, работающий на длине волны 488 нм. Кроме стационарной ФЛ под действием электрического поля, исследовалась кинетика низкотемпературной ФЛ НК, для возбуждения которой использовался N2-лазер. Излучение ФЛ регистрировалось спектрометром на основе двойного монохроматора, оснащенного охлаждаемым фотоэлектронным умножителем, работающим в режиме счета фотонов.

Наиболее важный результат эксперимента по влиянию электрического поля ПАВ на ФЛ нанокристаллов иллюстрируется на рис. 1. Обнаружено, что при температуре 5 K приложение электрического поля приводит к увеличению интенсивности стационарной ФЛ НК, достигающему 10% при напряженности поля 12 кВ / см.

При этом форма спектра ФЛ, представляющего собой широкую полосу с максимумом около 770 нм, практиРис. 3. Частотная зависимость величины изменения интенчески не изменяется. На рис. 2 показаны температурсивности ФЛ НК при подаче ПАВ в режиме стоячей волны ные зависимости интегральной интенсивности ФЛ НК при температуре 5 K (квадраты). Штрихпунктирная линия — в отсутствие и при приложении электрического поля.

аппроксимация частотного отклика дифракции света в моде Эти зависимости подобны и содержат участок почти стоячей волны ПАВ. На вставке — зависимость величины постоянной интенсивности при T = 5-15 K, участок изменения интенсивности ФЛ НК от напряженности электрироста интенсивности в диапазоне температур до 70 K и ческого поля.

участок падения интенсивности при температуре выше 80 K. Как видно из рисунка, на первом участке температурной зависимости приложение электрического поля подаче ПАВ в режиме стоячей волны (рис. 3). В этом приводит к росту интенсивности ФЛ, в то время как при режиме многократные отражения ПАВ от ВШП фортемпературе более 25 K наблюдается тушение ФЛ под мируют амплитудно-частотную характеристику, сильно действием поля.

модулированную с периодом около 100 кГц, определяеПоскольку интенсивность ФЛ НК возрастает при помым расстоянием между ВШП. В случае влияния на вышении температуры (рис. 2, см. также [9,10]), можно ФП нагрева ВШП степень нагрева образца не должна было бы предположить, что рост интенсивности при зависеть от частоты ПАВ. Как видно из рисунка, в подаче ПАВ не связан с эффектом электрического поля, эксперименте, однако, амплитуда влияния стоячей ПАВ а вызван нагревом исследуемого образца из-за омичена интенсивность ФЛ изменяется с частотой возбуских потерь во встречно-штыревых преобразователях, ждающего радиочастотного напряжения синхронно с формируемых на пьезоэлектрическом кристалле. Для оценки влияния нагрева была измерена частотная за- эффективностью дифракции света на ПАВ, что позволявисимость величины изменения интенсивности ФЛ при ет исключить из рассмотрения влияние нагрева ВШП.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Фотолюминесценция кремниевых нанокристаллов под действием электрического поля Это заключение подтверждается также показанной на вставке рис. 3 почти линейной зависимостью изменения интенсивности ФЛ от напряженности электрического поля, которая следовала бы квадратичному закону в случае, если бы причиной роста интенсивности ФЛ был нагрев образца.

Рассмотрим вопрос о соответствии наблюдаемого в эксперименте возрастания интенсивности ФЛ под действием электрического поля модели рекомбинации размерно-квантованных экситонов в нанокристаллах.

В отсутствие расчетов эффективности излучательной рекомбинации для кремниевых НК в электрическом поле будем опираться на результаты, полученные в других системах. Пренебрежем вначале влиянием тонкой структуры экситонных уровней. Как известно, в Рис. 4. Эволюция спектра нестационарной ФЛ НК со вреобъемных структурах и квантовых ямах наблюдается менем задержки после импульсного возбуждения в отсутствие тушение экситонной ФЛ при приложении электриче(сплошные линии) и при приложении магнитного поля (точки) ского поля, уменьшающего перекрытие волновых функнапряженностью 5.6 T. Температура 4.3 K, времена задержки ций электрона и дырки в экситоне [11,12]. Аналопосле импульса лазера, сверху вниз: 0.2, 1.4, 4, 8.5, 16, 32, гичное поведение было предсказано, в частности, для 55, 110 мс.

CdS- и CdSSe-квантовых точек (КТ) [13] и наблюдалось экспериментально в оптическом поглощении в КТ CdS [14] и люминесценции КТ InP [15]. Нет, пов магнитном поле (рис. 4). Как видно из рисунка, мы не видимому, оснований полагать, что в кремниевых КТ наблюдаем изменения кинетики ФЛ НК при приложении влияние электрического поля приводит к обратному магнитного поля, что указывает на отсутствие перерезультату. Учтем теперь тонкую структуру экситонных распределения экситонов между различными спиновыми состояний, которая в кремниевых НК приводит к возниксостояниями.

новению низшего оптически неактивного триплетного и Мы можем заключить, таким образом, что возгорание расположенного выше по энергии оптически активного ФЛ НК под действием электрического поля не соотсинглетного состояний [16]. В этом случае перераспреветствует модели рекомбинации размерно-квантованных деление экситонов между состояниями при приложении экситонов в НК. В то же время возгорание ФЛ момагнитного поля [17] или повышении температуры [6] жет быть вызвано наличием в системе потенциального приводит к изменению вероятности излучательной ребарьера, преодоление которого носителями облегчается комбинации и, при наличии конкурирующих каналов при приложении электрического поля, например, как рекомбинации, интенсивности ФЛ. Насколько нам изэто было ранее нами продемонстрировано при изучении вестно, в настоящее время данные об изменении времен ФЛ GaAs, связанной с захватом электронов мелкими и интенсивностей экситонных переходов в кремниевых донорами [8]. Наблюдаемое поведение ФЛ НК при НК в электрическом поле с учетом тонкой структуры приложении электрического поля и изменении темпеэкситонных состояний отсутствуют, поэтому мы обраратуры, иллюстрируемое на рис. 2, находит объяснение тимся к результатам, полученным в системе с радиусом в предложенной в работе [22] модели, основанной на экситонного состояния, близким к размерам НК — предположении о формировании на Si-Si-димере на органическим полупроводниковым материалам, интенгранице нанокристалла состояния автолокализованного сивно исследуемым в последнее время. В структурах экситона. Конфигурационная диаграмма системы в этом на основе органических полупроводников приложение электрического поля приводит к тушению люминесцен- случае приведена на рис. 5. Здесь Q — конфигурационная координата, характеризующая растяжение связи ции синглетных экситонов [18,19]. В [20] наблюдалось Si-Si, в основном G и возбужденном Exc состоянии тушение фосфоресценции триплетных экситонов при приложении поля, а в [21] на основе изучения оптиче- экситон принадлежит нанокристаллу, а состояние STE (self-trapped exciton), отделенное от возбужденного соского поглощения триплетных экситонов сделан вывод об уменьшении сечения их образования при приложе- стояния потенциальным барьером, соответствует автолокализованному экситону, расположенному на Si-Siнии поля. Основываясь на этих данных, мы приходим к заключению, что рост интенсивности ФЛ НК под димере. Автолокализованный экситон образуется из действием электрического поля не связан с эффектами экситона в возбужденном состоянии Exc в НК при тонкой структуры экситонных состояний в НК. преодолении им потенциального барьера. Увеличить Незначительность вклада тонкой структуры экситон- вероятность преодоления барьера может повышение ных уровней в ФЛ кремниевых НК подтверждается температуры либо понижение барьера при приложении также данными кинетики низкотемпературной ФЛ НК электрического поля. При этом ненулевой эффект в Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1368 Е.Н. Вандышев, А.М. Гилинский, Т.С. Шамирзаев, К.С. Журавлев рекомбинации размерно-квантованных экситонов в нанокристаллах и описывается в рамках модели рекомбинации автолокализованных экситонов, формирующихся на границе нанокристалл кремния–оксид кремния.

Авторы благодарны Российскому фонду фундаментальных исследований за поддержку работы (гранты № 02-02-17719 и МАС № 03-02-06874).

Список литературы [1] A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.J. Calcott. J. Appl. Phys., 82, 909 (1997).

[2] P. Photopoulos, A.G. Nassiopoulou, D.N. Kouvatsos, A. Travlos. Appl. Phys. Lett., 76, 3588 (2000).

[3] М.Д. Ефремов, В.А. Володин, Д.В. Марин, С.А. АржанРис. 5. Конфигурационная диаграмма нанокристалла с Si-Siникова, С.В. Горяйнов, А.И. Корчагин, В.В. Черепков, димером на границе нанокристалл–аморфная матрица.

А.В. Лаврухин, С.Н. Фадеев, Р.А. Салимов, С.П. Бардаханов. Письма ЖЭТФ, 80 (8), 619 (2004).

[4] P. Muttia, G. Ghislotti, S. Bertoni, L. Bonoldi, G.F. Cerofolini, L. Meda, E. Grilli, M. Guzzi. Appl. Phys. Lett., 66, усредненной по времени интенсивности ФЛ при прило(1995).

жении знакопеременного поля обеспечивается благодаря [5] Y. Kanemitsu. Phys. Rev. B, 49, 16 845 (1994).

нелинейности отклика системы. Отметим, что наличие в [6] V. Vinciguerra, G. Franzo, F. Priolo, F. Iacona, C. Spinella.

температурных зависимостях рис. 2 низкотемпературноJ. Appl. Phys., 87, 8165 (2000).

го участка постоянной интенсивности ФЛ требует учета [7] K.S. Zhuravlev, I.E. Tsychenko, E.N. Vandyshev, N.V. Bulytova, A. Misiuk, L. Rebohle, W. Skorupa. Acta Phys. Polon.

также возможности туннельного перехода экситона из A, 102, 337 (2002).

Exc в STE-состояние. Отметим также, что изменение [8] К.С. Журавлев, А.М. Гилинский, А.В. Царев, А.Е. Николаинтенсивности ФЛ возможно только при учете конкуенко. ФТП, 35, 932 (2001).

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.