WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В рассматриваемом случае генерированные светом электронно-дырочные пары благодаря кулоновскому притяжению образуют экситоны, поэтому в процессе рекомбинации существуют две кинетически связанные подсистемы. Особый интерес представляет так называемый случай высокого уровня возбуждения [15], когда nx > n и релаксация возбуждения происходит в основном по экситонной подсистеме. Как видно из выражений (1) Рис. 2. Зависимости от размеров НК (d) энергий (E) и (2), указанный случай реализуется тем вероятнее, чем уширенной зоны Eg (1) [18], связи экситона Ex (2, 2 ) [17] ниже температура и чем больше величина Ex. В мас- и экситонных переходов Eh (3, 3 ) для 2 = 1 (2, 3) и сивном кремнии вследствие малости Ex он возможен 2 = 2 (2, 3 ).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Кинетика экситонной фотолюминесценции в низкоразмерных структурах кремния ФЛ по сравнению с поглощаемой энергией, на рис. 2 значительно меньшем 1, что приведены энергии соответствующих экситонных излуexp(Ex/3kT ) чательных переходов Eh (кривые 3, 3 ). Они получены с x. (5) I1/учетом уширенной запрещенной зоны Eg, рассчитанной в кластерном приближении в [18]. Заметим, что величина Поскольку в кремниевых наночастицах указанного выэнергии экситонов для квантовых точек будет больше, ше размера Ex/kT 1, время оже-рекомбинации чем для квантовых нитей, и, следовательно, энергия в них должно существенно превышать время ожеэкситонных переходов будет меньше и зависимость ее рекомбинации в массивных кристаллах, вследствие чего от размеров НК будет более пологой, близкой к привеквантовый выход фотолюминесценции в наноразмерных денной в [17].

кремниевых структурах должен быть значительно выше, Перейдем теперь к обсуждению механизмов излучачем в массивном кремнии. Более того, величина Ex и, тельной и безызлучательной рекомбинации в НК Si. Последовательно, x зависят не только от размера наночаскольку кремний является непрямозонным полупроводстицы, но и от диэлектрических свойств ее окружения, ником, то по мере уменьшения размера НК Si вследствие что позволяет, в частности, объяснить влияние пористочастичного снятия закона сохранения импульса вероятсти (благодаря уменьшению значения 2) на величину x.

ности как зона-зонной, так и экситонной излучательной Кинетика затухания ФЛ в данном случае определяется рекомбинации существенно возрастают [19]. При разме- зависимостью nx(t), которая имеет вид r рах 3 нм величины n и xr (для перехода с синглетexp(Ex/kT ) ного уровня) становятся меньше 1 мкс. Однако время nx(t) =, (6) экситонной излучательной рекомбинации в случае, когда [At/2 + n(0)-1]2nпереход происходит с триплетного уровня, оказывается где значительно большим вследствие того, что этот переход 1/In0 exp(-Ex/kT ) в первом приближении является запрещенным [2]. Поn(0) = A этому для объяснения интенсивной красной полосы ФЛ с — концентрация электронно-дырочных пар в момент квантовым выходом порядка 1-10% нужно объяснить и выключения освещения. Как видно из (6), закон релаксасоответствующее увеличение времен безызлучательной ции существенно неэкспоненциальный, причем по мере рекомбинации.

релаксации ФЛ мгновенное рекомбинационное время Что касается ”объемного” и ”поверхностного” меочень сильно возрастает.

ханизмов безызлучательной многофононной рекомбинаЗависимость квантового выхода ФЛ от интенсивноции, то они не могут быть единственными. При средсти освещения в данном случае определяется соотношенем диаметре наночастицы 3 нм ее объем составляет нием 10-20 см3, а площадь поверхности 10-13 см2. ПоэтоI2/му глубокие локальные центры, принимающие участие = I-1/3 (7) I в многофононной рекомбинации, как правило, присути совпадает с соответствующей зависимостью для слуствуют далеко не во всех наночастицах. Исключеничая, когда безызлучательная рекомбинация определяется ем являются квантовые нити с большим количеством межзонной оже-рекомбинацией. Различие между ними оборванных связей на поверхности, но их пассивация заключается в различных законах зависимости времен позволяет свести поверхностную безызлучательную мнорелаксации от интенсивности возбуждения. Так, в случае гофононную рекомбинацию практически к нулю. Это экситонной оже-рекомбинации время релаксации пропроисходит тогда, когда концентрация оборванных непорционально I-1/3, в то время как в случае межзонной замкнутых связей становится меньше 1/hd, где h — оже-рекомбинации оно пропорционально I-2/3.

длина нити, а d — ее диаметр. Поэтому основным Рассмотрим далее случай, когда экситонная ожемеханизмом безызлучательной рекомбинации в кремниерекомбинация происходит вследствие неупругого взаивых наночастицах становится оже-рекомбинация. Тем не модействия двух экситонов. При этом x-1 = Bnx, где менее следует заметить, что из-за большой внутренней B — постоянная, и закон релаксации nx(t) в случае поверхности nc-Si влияние даже малых концентраций высокого уровня возбуждения имеет гиперболический поверхностных состояний может быть значительным.

характер:

Будем считать, что реализуется высокий уровень воз-nx(t) = Bt + n-1(0), (8) буждения и фотолюминесценция в наноструктурах опре- x деляется экситонным механизмом. Тогда в стационарном где nx(0) = (I/B)1/2 — концентрация экситонов в режиме, согласно (2), концентрация экситонов дается момент выключения освещения.

выражением nx = Ix. Рассмотрим вначале случай, Зависимость величины от интенсивности освещения когда оже-рекомбинация обусловлена взаимодействием в этом случае определяется соотношением экситона и свободного электрона (или дырки), т. е.

x-1 = An, где A — постоянная. Тогда получаем с I1/ = I-1/2. (9) учетом (1) при квантовом выходе фотолюминесценции, I Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1450 А.В. Саченко, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, С.В. Свечников Полученные выше различные релаксационные кривые Так как величина квантового выхода всех исследои зависимости ФЛ от интенсивности возбуждения при ванных образцов не превышала нескольких процентов, различных механизмах безызлучательной экситонной ре- и мы наблюдали коррелированное изменение интенсивкомбинации можно использовать для анализа соответ- ности ФЛ и времени ее релаксации при температурах T > 150 K, следовательно, измеряемое время ФЛ ствующих экспериментальных зависимостей ФЛ nc-Si.

определяется временем безызлучательной рекомбинации ФЛ в исследованном диапазоне температур.

5. Обсуждение экспериментальных Присутствие только быстрой составляющей ФЛ невысокой интенсивности для свежеполученных пленок результатов. Механизмы видимой объясняется доминированием быстрого поверхностного фотолюминесценции в исследуемых безызлучательного канала рекомбинации. Действительпленках но, граница HK/SiOx в этих пленках характеризуется высокой неравномерностью осаждения кислорода, в отНаблюдаемые для свежеприготовленных пленок увеличие от совершенной границы c-Si/SiO2 ей присуще личение интенсивности ФЛ и сдвиг максимума спектра большое количество поверхностных дефектов. Как свидев высокоэнергетическую часть с уменьшением размеров тельствует эксперимент, отсутствие пор в пленках первоНК (рис. 1, b) свидетельствует о проявлении эффекта го типа, в отличие от пленок второго типа, не позволяет размерного квантования в НК. Неэлементарность спекизменить рекомбинационные свойства границы HK/SiOx тров ФЛ, наличие полос с различной кинетикой, большая окислением.

ширина полос (рис. 1, b, c) указывают не только на Иная ситуация реализуется для пористых пленок втодисперсию размеров НК, но и на проявление нескольких рого типа. Прежде всего при окислении возрастает вемеханизмов рекомбинации.

личина энергии связи экситона, так как диэлектрическая Из литературных данных известно (см., наприпроницаемость SiO2 меньше диэлектрической проницамер, [2,4,6,20]), что излучательная рекомбинация в окиемости c-Si. Следовательно, растет вероятность излусленном nc-Si происходит по различным каналам, включательной экситонной рекомбинации. Величина энерчающим, наряду с синглетным и триплетным экситонгии экситонного перехода уменьшается (красный сдвиг ными переходами, переходы с участием электронноспектра). Облегченная по порам диффузия кислорода дырочных пар между квантовыми уровнями в НК, приспособствует пассивации оборванных связей атомов Si, чем времена релаксации ФЛ уменьшаются с увеличением уменьшению количества поверхностных безызлучательэнергии излучения. Для триплетной красной полосы ных уровней. Количество этих состояний для более они достигают миллисекунд, для зона-зонной рекомбикрупных НК больше, чем для более мелких, поэтому понации от сотен пикосекунд–сотен наносекунд для годавление безызлучательного поверхностного канала эфлубой полосы до сотен микросекунд для красной. Друфективнее проявляется в их ФЛ, а следовательно, в более гой канал рекомбинации связан с дефектами оксидного длинноволновой части спектра ФЛ. Еще и с этим связан слоя [9,10,20]. Так, его голубая полоса с максимумом при красный сдвиг спектра ФЛ при окислении (рис. 1, d), h = 2.7 эВ имеет характерные времена в несколько наа также существенное увеличение интенсивности ФЛ.

носекунд [20], и для других полос характерные времена Заметим, что энергии излучения, наблюдаемые для длинсоставляют от наносекунд до микросекунд [10].

новолновых полос, попадают в диапазон рассчитанных Самые ”быстрые” спектры, наблюдаемые нами за вреэнергий для экситонных переходов (рис. 2). Убедительмя действия лазерного импульса, т. е. характеризующиным проявлением экситонной рекомбинации являются и еся временами в десятки наносекунд, лежали в очень экспериментальные результаты по увеличению времен широком диапазоне энергий h = 1.4-3.2 эВ и состояли релаксации ФЛ.

из трех полос (рис. 1, e). Самые ”медленные” спектры При окислении с увеличением толщины оксидного с временами, достигающими микросекунд, могли быть слоя оказывается затрудненным механизм безызлучаописаны одной гауссовой кривой в диапазоне энергий тельной рекомбинации, связанный с истеканием носиh = 1.4(1.6)-2.8эВ (рис. 1, d). Представляется телей заряда из НК при туннелировании через потенразумным предположить, что быстрая голубая полоса циальные барьеры [21]. Дисперсия размеров и величиобусловлена не только зона-зонной рекомбинацией в на этих барьеров определяют характер релаксационной самых мелких НК, но и, возможно, рекомбинацией на кривой ФЛ в виде набора кусочных экспонент. Этот локальных уровнях, связанных с дефектами SiO2. Полоса механизм безызлучательной рекомбинации объясняет и в диапазоне энергий h = 1.4(1.6)-2.8эВ опреде- наблюдаемые величины времен релаксации, достигаюляется проявлением кинетически связанных подсистем щие в por-Si значений вплоть до единицы миллисекунд, электронно-дырочных пар и экситонов. Увеличение ин- но не согласуется с наблюдаемыми их температурными тенсивности быстрой составляющей ФЛ в низкоэнерге- зависимостями. Такие же большие времена безызлучатической области спектра с увеличением температуры тельной рекомбинации и неэкспоненциальный характер от 90 до 300 K (рис. 1, e) связывается с вкладом излуча- релаксации ФЛ присущи оже-экситонной рекомбинации, тельных переходов с участием фононов. рассмотренной выше, при которой безызлучательная Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Кинетика экситонной фотолюминесценции в низкоразмерных структурах кремния рекомбинация определяется передачей энергии эксито- [12] Л.Л. Федоренко, А.Д. Сардарлы, Е.Б. Каганович, С.В. Свечников, С.П. Дикий, С.В. Баранец. ФТП, 31 (1), 6 (1997).

на свободному электрону (дырке). Экспериментально [13] E.G. Manoilov, A.A. Kudryavtsev, S.V. Svechnikov, E.B. Kaнаблюдаемые зависимости величины x, так же как и ganovich, I.Z. Indutnyi. Thin Sol. Films, 349, 298 (1999).

величины Ex, от размеров НК, их формы и диэлектри[14] L. Patrone, D. Nelson, V.I. Safarov, M. Sentis, W. Marine, ческого окружения свидетельствуют о проявлении этого S. Giorgio. J. Appl. Phys., 87 (8), 3829 (2000).

механизма экситонной оже-рекомбинации.

[15] A.V. Sachenko, V.A. Tyagay, A.G. Kundzich. Phys. St. Sol. (b), На преимущественно экситонную природу видимой 88, 797 (1978).

ФЛ в исследуемых пористых пленках nc-Si указывает воз[16] R. Tsu, D. Bablic, L.Jr. Ioriatti. J. Appl. Phys., 82 (3), можность непротиворечивого объяснения совокупности (1997).

наблюдаемых закономерностей излучательной и безыз- [17] Ю.В. Крюченко, А.В. Саченко. Тез. 2-го РоссийскоУкраинского семинара ”Нанофизика и наноэлектролучательной рекомбинации, их зависимостей от условия ника” (Киев, 2000) с. 96.

получения и измерения в рамках этого механизма.

[18] J.F. Proot, G. Delerue, G. Alan. Appl. Phys. Lett., 61 (16), 1948 (1992).

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

6. Заключение [20] G.G. Qin, G. Qin. Phys. St. Sol. (a), 182, 335 (2000).

[21] J.C. Vial, S. Billat, A. Bsiery, G. Fishman, F. Gaspard, Итак, результаты проведенных исследований пленок, R. Herino, M. Ligeon, F. Madeore, I. Mihalcescu, F. Muller, полученных лазерной абляцией, объясняются в рамках R. Romestain. Physica B, 185, 593 (1993).

модели, использующей эффект размерного квантования в Редактор Л.В. Шаронова НК Si. Предполагается, что как поглощение фотонов, так и излучение, отвечающее за видимую ФЛ, происходит в Characteristics of exciton НК. При возбуждении электронно-дырочных пар светом с энергией из области зона-зонного поглощения НК Si photoluminescence kinetics в рекомбинации участвуют как электронно-дырочные in low-dimensional silicon structures пары, так и экситоны. Пористость пленок, обеспечивая A.V. Sachenko, E.B. Kaganovich, E.G. Manoilov, эффект диэлектрического усиления, определяет большие S.V. Svechnikov энергии связи экситонов, что в свою очередь определяет доминирующую роль экситонного механизма ФЛ.

Institute of Semiconductor Physics, Высокая эффективность видимой ФЛ обусловлена как National Academy of Sciences of Ukraine, подавлением безызлучательного поверхностного канала 03028 Kiev, Ukraine рекомбинации, так и большими временами экситонной оже-рекомбинации.

Abstract

The time-resolved visible photoluminescence of porous nanocrystalline silicon films obtained by laser ablation have been measured within the temperature range 90-300 K. The photoluСписок литературы minescence extended from 1.4 to 3.2 eV with photoluminescence relaxation time in the range 50 ns–10 µs. A study has been made [1] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57 (10), 1046 (1990).

of the interrelationship between time-resolved photoluminescence [2] A.G. Cullis, L.T. Canham. P.D.J. Calcott. J. Appl. Phys., 82 (3), characteristics (intensity, emission spectra, relaxation times, their 909 (1997).

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.