WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 Кинетика экситонной фотолюминесценции в низкоразмерных структурах кремния © А.В. Саченко, Э.Б. Каганович¶, Э.Г. Манойлов, С.В. Свечников Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 5 марта 2001 г. Принята к печати 11 мая 2001 г.) Измерены спектры фотолюминесценции с временным разрешением в видимой области спектра в диапазоне температур 90-300 K для пористых пленок нанокристаллического кремния, полученных лазерным осаждением. Энергетический и временной диапазоны спектров перекрывают соответственно пределы 1.4-3.2эВ и 50 нс–10 мкс. Изучены взимосвязи между характеристиками фотолюминесценции (интенсивностью, спектром излучения, временами релаксации, их температурными зависимостями) и структурными, диэлектрическими свойствами (размером и формой нанокристаллов Si, оксидной фазой их оболочек, пористостью пленок).

Принята модель фотолюминесценции, в которой поглощение и излучение фотонов происходит в квантоворазмерных нанокристаллах, а в излучательной рекомбинации участвуют кинетически связанные подсистемы электронно-дырочных пар и экситонов. Предложены возможные механизмы экситонной оже-рекомбинации в низкоразмерных структурах кремния.

1. Введение В данной работе для установления механизмов видимой ФЛ в пленках nc-Si, полученных лазерным осаждением, во-первых, изучаются взаимосвязи между хаНанокристаллический кремний (nc-Si) с эффективной рактеристиками ФЛ в видимой области спектра с врефотолюминесценцией (ФЛ) в видимой области спектра менным разрешением (интенсивностью, спектром излу при комнатной температуре представляет собой наночения, временами релаксации, их температурными завикомпозит, как минимум двухфазный, в котором наносимостями) в диапазоне температур T = 90-300 K и кристаллы (НК) кремния (размеры которых соответструктурными свойствами (размерами и формой кремствуют тем, при которых реализуется эффект размернониевых нанокристаллов, оксидной фазы их оболочек, пого квантования) расположены в матрице, чаще в виде ристостью пленок). Во-вторых, обсуждаются экситонные оксида кремния, в том числе пористого SiOx (поримеханизмы излучательной и безызлучательной рекомбистый кремний — por-Si)). Начиная с работ Кэнема нации в квантовых структурах nc-Si, рассмотрены мес сотр. [1,2], во многих работах (см., например, [3,4]) ханизмы экситонной оже-рекомбинации. В-третьих, для рассматривается связь медленной полосы ФЛ por-Si с объяснения полученных экспериментальных результатов излучательной аннигиляцией экситона. Еще в работах рассматривается модель ФЛ, в которой и поглощение, Келдыша с сотр. (см. [5]) было показано, что в низи излучение фотонов происходит в квантово-размерных коразмерных полупроводниковых структурах экситоны НК Si. В рекомбинации принимают участие кинетичеобладают большими энергиями связи из-за помещения ски связанные подсистемы электронно-дырочных пар и их в среду с меньшей диэлектрической проницаемостью 2, чем диэлектрическая проницаемость НК 1 экситонов. Так как энергии связи основных состояний экситонов в НК малых размеров могут достигать зна(2 < 1) (эффект диэлектрического усиления). В личений вплоть до 1 эВ, считается, что доля экситонной тературе дискутируется связь медленной составляющей рекомбинации велика и характеристики ФЛ связаны красной ФЛ por-Si с низкоразмерной фазой Si : O : H с рекомбинацией экситонов, локализованных в НК Si.

интерфейса НК/SiOx [6] и с электронными состояниями, Более того, предполагается, что и безызлучательная обусловленными Si=O-связями для малых размеров НК рекомбинация в рассматриваемом случае определяется (d < 3нм) [7]. Рассмотрена модель, учитывающая модиэкситонной оже-рекомбинацией. Высокая интенсивность фикацию квантовых состояний в НК поверхностным поФЛ nc-Si по сравнению с массивным кристаллическим тенциалом [8]. Нет единого мнения и по поводу природы кремнием (c-Si) обусловлена не только усилением избыстрой составляющей ФЛ, механизмов рекомбинации, лучательного канала рекомбинации, но и подавлением определяющих голубую ФЛ. Обычно последнюю связыбезызлучательного. Показано, что в интервале темперавают с дефектами оксида кремния [2,9], хотя приводятся тур T = 90-300 K наблюдаемые времена релаксации и доводы в пользу зона-зонной рекомбинации в НК [10].

ФЛ, лежащие в диапазоне = 50 нс–1 мс, определяютВо многих работах отмечается множественный характер ся безызлучательными временами. При окислении nc-Si механизмов видимой ФЛ в nc-Si, зависящий от особеннаблюдаемое увеличение интенсивности ФЛ, времени ностей структуры и условий измерения ФЛ [2,6–10].

ее релаксации и красный сдвиг спектра ФЛ связаны с проявлением эффекта диэлектрического усиления и ¶ E-mail: ebk@l-dif.semicond.kiev.ua более эффективным подавлением безызлучательных по1446 А.В. Саченко, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, С.В. Свечников верхностных каналов рекомбинации в более крупных 3. Результаты измерений НК Si. Показано, что отличительной чертой спектров фотолюминесценции с временным быстрой составляющей ФЛ (с характерными временами разрешением в пленках nc-Si < 50 нс) является их широкий энергетический диапазон от 1.4 до 3.2 эВ, наличие трех полос: центральАнализ взаимосвязи между характеристиками ФЛ с ной и двух боковых (низко- и высокоэнергетической).

временным разрешением и структурными особенностя Предполагается, что излучение высокоэнергетической ми образцов показал, что фотолюминесцентные свойства (голубой) полосы может быть связано не только с зона- образцов первого и третьего типов представляют два зонной рекомбинацией (между квантовыми уровнями), предельных случая. Первый предельный случай — это но и с дефектами матрицы SiOx, а в излучение низкоэнер- свойства структур с НК Si в виде квантовых точек в гетической (красной) полосы вносят вклад и переходы с матрице SiOx (x = 1-2) с минимальной пористостью участием фононов. (p 1-2%). ФЛ характеризовалась только быстрой составляющей ( < 50 нс), спектр излучения лежал в диапазоне энергий h = 1.6-3.2 эВ. С уменьшением размеров НК (d) росла интенсивность ФЛ (IPL) и макси2. Методика измерений и образцы мум излучения сдвигался в голубую область спектра [13].

Второй предельный случай — свойства por-Si (тип 3b Особенности эксперимента состоят, во-первых, в сопообразцов наиболее характерен), структур с НК Si в виде ставлении фотолюминесцентных свойств широкого ряда квантовых нитей в матрице сильно пористой фазы SiOx образцов nc-Si: от пленок оксида кремния, обогащенных (p 70-85%). В ФЛ наряду с быстрой присутствовала кремнием, до por-Si через промежуточные состояния и медленная составляющая с временами релаксации, структур, содержащих НК Si различных размеров в ма- достигающими нескольких миллисекунд. Медленная сотрице SiOx различной пористости и состава. Во-вторых, ставляющая доминировала, ее спектр был сдвинут в использован метод ФЛ с временным разрешением. Воз- низкоэнергетическую сторону (рис. 1, a). Между этими предельными случаями лежали свойства образцов второбуждение ФЛ осуществляли излучением азотного лазера го типа, представляющие собой НК Si в виде квантовых (длина волны = 337 нм, длительность импульсов точек в матрице промежуточной пористости. Свежеполуp = 8нс), регистрацию сигнала проводили в режиме ченные образцы второго типа характеризовались более счета фотонов. Спектры ФЛ пленок измеряли за время интенсивной ФЛ, чем образцы первого типа, но в спектре действия импульса возбуждения. Совмещали передние присутствовала так же только быстрая составляющая.

фронты строба шириной 250 нс и импульса лазера, полуС уменьшением размеров НК спектр ФЛ сдвигался в чая спектр ФЛ при временах t < 250 нс, и сдвигали строб голубую область (рис. 1, b).

относительно импульса лазера для измерения времен Медленная составляющая ФЛ ( > 250 нс) появля< 50 нс. Последующие спектры ФЛ измеряли с задержлась при температуре T 150 K, и ее интенсивность кой строба в 250 нс. При измерении спектров ФЛ por-Si увеличивалась при уменьшении температуры (рис. 1, c).

увеличивали и ширину строба, и время его задержки.

Для образцов второго типа в отличие от первого при Объектами исследования служили три типа образцов окислении (как при старении на воздухе, так и вследnc-Si: образцы первого и второго типов — в виде пленок, ствие термообработок) вклад медленной компоненты ФЛ полученных методом импульсного лазерного испарения увеличивался, времена релаксации достигали микросеc-Si в вакууме, образцы третьего типа (для сравнения) — кунд, а спектр сдвигался в низкоэнергетическую область традиционные слои por-Si, сформированные химическим (рис. 1, d). Для всех образцов второго типа с повышениокрашивающим (тип 3a) [11,12] и электрохимическим ем температуры от 90 до 300 K происходили изменения (тип 3b) травлением c-Si. Пленки первого типа были в форме спектра только быстрой составляющей, причем осаждены из прямого потока частиц эрозионного факела в ее низкоэнергетической области — с увеличением на подложку, удаленную по нормали от мишени [13], а температуры ее интенсивность увеличивалась (рис. 1, e).

второго типа — из обратного потока частиц на подложку, Спектры быстрой составляющей ФЛ ( < 250 нс) нерасположенную в плоскости мишени [14]. Распыление элементарны, раскладываются на три гауссовы полосы проводили излучением YAG : Nd3+-лазера, работающего (основную и две боковые) (рис. 1, b). При старении в режиме модулированной добротности, с длиной волны на воздухе положение максимума низкоэнергетической = 1.06 мкм, энергией в импульсе 0.2 Дж, при длиполосы почти не изменяется, но заметно уменьшается тельности импульса p = 10 нс и частоте их повторения ее интенсивность. Максимумы основной и высокоэнер25 Гц. В первом случае c-Si распыляли в атмосфере гетической полос смещаются в красную область спеккислорода, давление которого в камере варьировали в тра. При дальнейшем увеличении времени регистрации пределах 1.5 · 10-2-20 Па, во втором — в атмосфере (t > 250 нс) резко уменьшается интенсивность высоинертного газа, гелия или аргона, при давлении 65 коэнергетической полосы, максимум основной полосы и 6.5 Па соответственно. несколько в смещается в область более низких энергий и Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Кинетика экситонной фотолюминесценции в низкоразмерных структурах кремния Рис. 1. Спектры ФЛ с временным разрешением: a — por-Si (максимальные времена, 100 мкс); (b–e) — образцы второго типа. b — свежеприготовленные образцы с размерами НК для 1–3 d1 > d2 > d3 ( < 50 нс); дано разложение кривой 3 на 3 гауссиана; на вставке — зависимость интенсивности ФЛ от расстояния от точки распыления x. c — свежеприготовленный образец, измерения в диапазоне температур 90-150 K ( = 250-500 нс). d: 1 — свежеприготовленный образец, 2 — состаренный на воздухе, 3 — отожженный при 900 K, 4 — отожженный при 1300 K; температура измерения 90 K; ФЛ — интегральная по медленным составляющим. e — свежеприготовленный образец; температура измерения 90-300 K ( < 250 нс).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1448 А.В. Саченко, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, С.В. Свечников форма спектра ФЛ описывается одной гауссовой кривой только при очень низких температурах. Соотношение (1) (рис. 1, c, d). должно выполняться не только для свободных, но и Как для por-Si, так и для окисленных пленок второго для связанных или автолокализованных экситонов, для типа наблюдали четкую корреляцию между увеличением которых энергия связи обычно весьма велика (см., наприинтенсивности ФЛ и увеличением времени ее релаксации мер, [7]). При достаточно большой величине Ex условие при воздействии различных технологических факторов, высокого уровня возбуждения в НК Si реализуется уже например, температуры или времени термообработок. при комнатных температурах.

С уменьшением температуры измерений времена ре- В наноструктурах величина Ex зависит от размеров d, лаксации ФЛ увеличивались. Квантовый выход ФЛ для формы НК, от диэлектрических свойств матрицы. О виде пленочных структур при температуре 300 K достигал не- этих зависимостей для nc-Si в литературе существуют скольких процентов. Кривые релаксакции ФЛ имели вид следующие сведения. В [16] установлено, что статирастянутых экспонент, аналогичных тем, что присущи ческая диэлектрическая проницаемость в наночастицах por-Si [2,6,12].

кремния с уменьшением размеров от 6-2 до 1 нм резко убывает от 11.7 до 4. В работе [5] в приближении постоянной эффективной массы рассмотрено кулоновское 4. Экситонные механизмы видимой взаимодействие в квантовых полупроводниковых нитях и фотолюминесценции приведено выражение для Ex(d, 1, 2) с учетом диэлектрических проницаемостей НК и окружающей их среды.

Согласно неравновесной термодинамике, справедливо В [4,17] выполнены расчеты энергий связи экситонов следующее соотношение между концентрациями эксидля квантовых нитей в средах с различными диэлектритонов nx, электронно-дырочных пар n и энергией связи ческими проницаемостями. Если в [4] расчет выполнен экситона Ex:

вариационным методом, то авторы [17] использовали nnx =, (1) волновую функцию, полученную путем разложения по n0 exp(-Ex/kT ) системе линейнонезависимых функций, описывающих где n0 — статистический множитель экситонного состопродольные (вдоль нити) и поперечные движения взаяния, kT — тепловая энергия.

имодействующих электронов и дырок. В [7] рассчитана В случае однородного поглощения монохроматическозависимость электронной структуры Si-кластеров с одго излучения из области межзонных переходов, возбуной Si=O-связью в зависимости от размеров кластера.

ждающего ФЛ, уравнение непрерывности генерационноИз рис. 2, где приведены результаты расчета зависиморекомбинационных потоков электронно-дырочных пар и стей Ex(d) для 2 = 1 и 2 = 2 из [17], (кривые 2, 2 ) экситонов имеет такой вид:

прежде всего следует, что энергия связи экситонов в квантовых нитях может достигать 1.0 эВ при 2 = 1, что d(n + nx) n nx = - - + I, (2) в свою очередь свидетельствует в пользу существенной dt n x роли экситонной рекомбинации в nc-Si. Чтобы показать, где насколько существенно влияние величины энергии связи -1 экситонов на длинноволновый сдвиг максимума спектра n = +, (3) r n n n -1 x = +. (4) xr xn r Здесь приняты следующие обозначения: n и x, n и xr, n n и xn — соответственно полные, излучательные и безызлучательные времена жизни электронно-дырочных пар и экситонов, — эффективный коэффициент поглощения возбуждающего света с учетом многократного отражения в nc-Si, I — его интенсивность.

Pages:     || 2 | 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.