WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Поляризационная память в пористом окисленном слое SiC © А.М. Данишевский, А.Ю. Рогачев, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 21 января 1997 г. Принята к печати 25 февраля 1997 г.) Обнаружена поляризация и поляризационная память импульсной фотолюминесценции на пористых слоях, полученных на микрокристаллических пленках кубического SiC, осажденных на кремниевые подложки.

Пористый слой подвергнут электрохимическому окислению. Предложена качественная модель, поясняющая механизм возникновения поляризации фотолюминесценции при линейно поляризованном возбуждении.

Пористые наноразмерные полупроводниковые матери- степень поляризации регистрировалась для ФЛ термолиалы привлекают к себе внимание исследователей бла- зованных носителей, и она довольно слабо зависела как годаря возможности наблюдения интенсивной широко- от энергии кванта возбужения, так и от энергии кванта полосной фотолюминесценции (ФЛ), возникновение ко- высвечивания. Это, на наш взгляд, делает приведенное торой связывают с квантово-размерными эффектами в объяснение не очень правдоподобным.

нанокристаллах. Исследования поляризации и поляриза- В связи с вышеизложенным вопрос о наличии поляционной памяти ФЛ в образцах пористого Si [1–4] дали ризационной памяти и ее характеристиках интересен с возможность сделать выводы о геометрических очерта- точки зрения указанных выше проблем и для пористого ниях кристаллитов (модель более или менее вытянутых SiC. В исследованиях пористого SiC [9–13], опублиэллипсоидов) при том или ином способе приготовления кованных до настоящего времени, вопрос о наличии материала, о распределении их в случае создания по- поляризационной памяти не обсуждался. Между тем исристого слоя на разных кристаллографических плоско- следование этой проблемы может помочь в разрешении стях исходного кристалла. Однако теоретическая модель, вопроса о наличии и форме наноструктурных кристаллиописывающая механизм возникновения поляризации ФЛ, тов, обусловливающих проявление квантово-размерных представленная в работе [3], является чисто классиче- эффектов в ФЛ. Дело в том, что в упомянутых выше ской (хаотически расположенные эллипсоидальные кри- работах [9–13] спектральный максимум наблюдаемого сталлиты в поле световой волны), и она не объясняет из пористых слоев излучения находился в окрестности ни спектральной, ни временной зависимости степени 2.452.6 эВ. Поскольку данные слои приготовлялись на поляризации ФЛ. кристаллах 6H-SiC, ширина запрещенной зоны которого Поляризационная память наблюдалась и в ряде аморф- порядка 3.1 эВ, в работе [13] было сделано заключение о ных полупроводников, таких как a-Si1-xCx : H, a-C : H, том, что появление данной полосы ФЛ связано с созданиa-As2S3 [5–7]. Авторы указанных работ связывают ем дефектов в процессе анодного травления кристалла.

природу данного эффекта с наличием малых кластеров В наших работах [14,15] высказывалось предположение более узкозонного состава, находящихся в остове более о том, что природа данного свечения связана с наноширокозонного материала. Это, например, имеет место размерными слоями кубической фазы, появляющейся на в a-C : H [6] или a-Si1-xCx : H [5], где кластеры, включа- границах пор при электролитическом травлении гексающие графитоподобные (sp2) углеродные связи, встра- гонального 6H-SiC, использованного для создания порииваются в структурную сетку с углеродными связями стого слоя. Расширение полосы ФЛ в коротковолновую sp3. Авторы считают, что если фотовозбужденные пары сторону, достигаемое вариацией условий приготовления локализованы в малых кристаллитах, поляризационная слоя, можно связать при этом с квантово-размерными память может сохраняться достаточно длительное время, эффектами, но уже в кубических кристаллитах (ширина в результате чего излучение ФЛ оказывается поляри- запрещенной зоны объемного 3C-SiC Eg = 2.3эВ).

зованным. Таким образом, поляризационная память как В связи с изоженным в работе [15], нами были проведебы отражает степень локализации возбужденных светом ны исследования пористых слоев, полученных на кубиносителей [5]. В работе [5] указывалось, что перво- ческих поликристаллических пленках SiC, выращенных причиной возникновения поляризационной зависимости на кремниевых подложках [16]. С целью пассивации ФЛ является анизотропия валентных связей, поскольку разветвленной пористой поверхности указанные слои валентная зона аморфного SiC построена из p-орбиталей покрывались пленкой окисла с помощью электролитиSi и C. Таким образом, по существу подразумевается эф- ческого процесса в водном растворе HCl. В этом случае фект ”выстраивания” неравновесных носителей, иссле- наблюдалась интенсивная и очень широкополосная ФЛ, дованный в кристаллических объемных полупроводниках коротковолновый край которой достигал 3.4 3.5эВ.

типа GaAs [8], Ga1-xAlxAs. Но поляризация в последнем Анодное окисление поверхности пористого слоя исслучае наблюдается только для ”горячей” ФЛ, так как пользовалось многократно и при создании излучающих достаточно испускания нескольких фононов, чтобы поля- в зелено-голубой области (hmax = 2.4эВ) образцов поризационная память исчезла. В a-SiC достаточно большая ристого Si. Интенсивность ФЛ в этом случае возрастала 1388 А.М. Данишевский, А.Ю. Рогачев, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук Рис. 1. Спектры фотолюминесценции пористого SiC при температуре T, K: 90 (a) и 300 (b) и их аппроксимация двумя гауссовскими контурами. На вставке — характеристика импульса фотолюминесценции в процессе спада.

на несколько порядков. Однако, если в первых работах энергиях квантов возбуждающего излучения. Исследовасчиталось, что данный эффект связан с пассивацией ний поляризационных характеристик ФЛ в работе [18] не поверхности слоя [17] и существенным уменьшением проводилось. Между тем именно наличие поляризационскорости поверхностной рекомбинации, то в дальнейшем ной памяти, а также зависимость степени поляризации появились работы (см., например, [18]), где делался вы- от направления поляризации возбуждающего излучения, вод о том, что источники излучения находятся в пленке существенно различная для разных кристаллографичеокисла или на его интерфейсе с кристаллитами. Этот ских плоскостей Si (данные характеристики исследованы вывод делался на основе исследования как разрешенных для пористого Si в работе [19]), свидетельствует о во времени спектров, так и кинетики ФЛ при различных том, что и в окисленных слоях пористого Si основным Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Поляризационная память в пористом окисленном слое SiC источником излучения являются анизотропные по форме фазовой пластины. На вставке к рис. 2 показаны харакнаноразмерные кристаллиты. терные зависимости, дающие возможность определить Поэтому в настоящей работе, помимо спектров ФЛ, степень поляризации ФЛ для данной длины волны. Зазор исследовались явления поляризационной памяти, зависи- между центральными линиями обеих синусоид связан с мости степени поляризации от длины волны излучения, поляризационной зависимостью чувствительности спека также от времени. трометра.

Измерения проводились на пористом слое, полученном на поликристаллической пленке кубического SiC Методика эксперимента толщиной 2.15 мкм, осажденной на кремниевую подложку. Исходная пленка была существенно не стеИсследования ФЛ проводились с возбуждением хиометрична. Ширина ее запрещенной зоны, полуобразца излучением импульсного азотного лазера ченная из спектров краевого поглощения, составляла (h = 3.68 эВ), имеющего длительность импульсов 1.76 эВ [16]. Анодное травление пленки проводилось 10 нс и частоту следования 50 имп/с. Спектры излучев водно-спиртовой смеси HF в течение 1 мин, затем ния (рис. 1) исследовались с помощью двойного спекполученный пористый слой подвергался электрохимичетрометра ДФС-12 и фотоумножителя ФЭУ-79. После скому окислению в водном растворе HCl в течение 8 мин.

широкополосного усиления и импульсного синхронного Окисленные пленки интенсивно люминесцировали при детектирования со стробом 4 нс сигналы поступали в наблюдении их в люминесцентном микроскопе ”Люмам ЭВМ. Для измерения поляризационных характеристик Р-2”. Поскольку при воздействии на образец ультраперед входной щелью спектрометра устанавливался плефиолетового излучения импульсного азотного лазера ночный анализатор, а на пути возбуждающего луча — наблюдалась заметная деградация ФЛ [16], образец до призма Глана и полуволновая фазовая пластина. Поворот измерения спектров выдерживался под лучом лазера в поляризации лазерного излучения приводил к повороту течение 20 мин, после чего сигнал ФЛ уже слабо менялся плоскости поляризации ФЛ, что вызывало модуляцию во времени.

интенсивности ФЛ после прохождения через анализатор.

Далее анализатор поворачивался на 90 и повторно измеРезультаты экспериментов рялась зависимость интенсивности ФЛ от угла поворота и их обсуждение На рис. 1 приведены спектры ФЛ, полученные от вышеупомянутого образца при T = 90 (a) и 300 K (b), в момент времени, соответствующий максимумам импульсов возбуждения и ФЛ (максимумы указанных импульсов и их характеристики в процессе спада (см.

вставку к рис. 1, a) практически совпадают в пределах временного разрешения системы регистрации порядка 15 нс). Указанные спектры довольно похожи, они хорошо описываются двумя гауссовыми контурами с энергиями максимумов в окрестности 2.7 и 3.1 эВ. Однако параметры указанных контуров (см. таблицу) заметно различаются для двух температур, при которых получены спектры.

Температурные сдвиги пиков существенно неодинаковы (0.101 эВ для более длинноволновой голубой полосы (2) и 0.039 эВ для более коротковолновой фиолетовой (1)), что говорит о различной физической природе той и другой системы излучателей. Очень различны и температурные изменения ширин h и амплитуд Imax указанных контуров. С понижением T и амплитуда, и ширина полосы 2 существенно возрастают, тогда как для коротковолновой полосы 1 амплитуда возрастает незначительно, и ширина полосы изменяется слабо.

Такая относительно слабая температурная зависимость Рис. 2. Спектральная зависимость степени поляризации фотополосы 1 указывает на локализацию избыточных нолюминесценции пористого SiC при температуре T, K: 1 — 300, сителей, дающих вклад в излучательную, по-видимому, 2 — 90. На вставке — зависимость интенсивности фотолю”близнецовую” рекомбинацию, а энергетические харакминесценции (hper = 2.8эВ) от угла поворота полуволновой теристики — на существенную роль квантово-размерных фазовой пластины для двух взаимно перпендикулярных полоэффектов.

жений анализатора.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1390 А.М. Данишевский, А.Ю. Рогачев, В.Б. Шуман, Е.Г. Гук сеяния должны обязательно получить добавочную энерT, K №пика hmax, эВ h, эВ Imax, отн.ед. I, отн.ед.

гию, чтобы преодолеть энергетический барьер. В резуль90 1 3.12 0.447 78.07 43.тате в каждом кристаллите создается ориентированное 2 2.727 0.679 83.76 71.в импульсном пространстве распределение избыточных 300 1 3.081 0.486 54.68 33.носителей. Следует учесть, что темп генерации носите2 2.626 0.483 33.66 20.лей зависит от угла между направлением поляризации Примечание. hmax — положение пика люминесценции, h — возбуждающего света и большой осью кристаллита. Темп его ширина, Imax — интенсивность люминесценции при hmax, I — рекомбинации должен зависеть как от концентрации (в интегральная фотолюминесценция (площадь под расчетными кривыми случае преимущественно излучательной рекомбинации), спектра).

так и от направления скорости носителей.

Степень поляризации излучения ФЛ На рис. 2 приведены зависимости степени поляризации rel от энергии кванта излучения ФЛ при T = 90 и, rel + 300 K. При наибольшей энергии кванта (3.4 эВ) для обеих температур регистрируются наибольшие значенигде rel — время релаксации ориентированного состояния ния степеней поляризации. Они постепенно спадают от носителей в кристаллите, 0 — время их жизни; усред0.23 до 0.13 (300 K) при уменьшении энергии кванта нение берется по ансамблю кристаллитов. Для термоизлучения от 3.4 до 2.2 эВ, причем при 300 K значения лизованных избыточных носителей указанные величины оказываются большими, а спад их — более медленным.

могут быть в принципе одного порядка, но их темпераПри 90 K этот спад не совсем монотонный.

турные зависимости, по-видимому, различны и должны Сравнительно слабые температурные зависимости стеопределять температурную зависимость. Уменьшение пени поляризации, а также амплитуды широкой полосы степени поляризации с увеличением длины волны ФЛ с энергией в максимуме порядок 3.12 эВ, выделенной может быть связано с излучением более крупных крив спектрах ФЛ, и быстрый временной спад импульсов сталлитов (возможно также, что более крупные кристалФЛ — весь комплекс указанных фактов позволяет заклюлиты имеют меньшую анизотропию формы). Кроме того, чить, что источниками излучения в данном случае являконечно, возможны излучательные процессы, связанные ются локализованные в малых анизотропных кристалс примесными уровнями, дефектами, состояниями на литах электронно-дырочные пары, т. е. локализованные границе кристаллитов. Выяснить и проследить, каким экситоны. При этом существенное расширение спектра образом сохраняется поляризованность излучения ФЛ и в коротковолновую область указывает на проявление в этом случае — дело дальнейших исследований.

квантово-размерных эффектов в этих кристаллах.

Авторы благодарны В.Е. Челнокову за внимание к В работе [20], где изучался пористый Si, из эллипсоработе.

метрических измерений было выяснено, что для пористого слоя, созданного на плоскости (100), величины Работа выполнена благодаря финансовой поддерждиэлектрических контант и оказываются неравны- ке Российского фонда фундаментальных исследований ми. Из электронно-микроскопических измерений [21,22] (грант 95-02-04115), а также частичной поддержке Миизвестно, что вытянутые кристаллиты в данном слу- нистерства науки России (проект 1-079/4) и Аризонского чае преимущественно ориентированы в направлении университета США.

[100] и, таким образом, неравенство и отражает, по-видимому, различную структуру электронного энерСписок литературы гетического спектра вдоль и поперек оси кристаллита.

Можно предполагать, что это и определяет наличие [1] А.В. Андрианов, Д.И. Ковалев, Н.Н. Зиновьев, И.Д. Яростепени поляризации ФЛ, сохраняющейся в течение шецкий. Письма ЖЭТФ, 58(6), 417 (1993).

достаточно большого времени ( 10 мкс). В случае ис[2] A.V. Andrianov, D.I. Kovalev, I.D. Yaroshetskii. Phys. Sol. St., следованных в данной работе образцов SiC время жизни 35, 1323 (1993).

носителей оказывается достаточно малым (< 15 нс). Тем [3] D. Kovalev, M. Ben Chorin, J. Diener, F. Koch, Al.L. Efros, M. Rosen, M.A. Gippius, S.G. Tikhodeev. Appl. Phys. Lett., не менее, учитывая другие вышеупомянутые особенно67, 1585 (1995).

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.