WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 11 О механизме люминесценции кремниевых наноструктур © П.М. Томчук, Д.Б. Данько, О.Э. Кияев Институт физики Академии наук Украины, UA-03039 Киев, Украина E-mail: fedorov.@iop.kiev.ua (Поступила в Редакцию 21 марта 2000 г.) Предлагается новая модель люминесценции пористого кремния (ПК), которая основана на генерации горячих электронов в кремниевых наночастицах. Ранее этот механизм использовался для объяснения излучения света в островковых металлических пленках. В работе дается теоретический анализ возможных механизмов излучения света при столкновении горячих электронов с поверхностью. Приводятся также экспериментальные результаты, которые подтверждают применимость этой модели к ПК и кремниевым наночастицам (наличие электронной эмиссии в полупроводниковых структурах, корреляция между величиной тока электронной эмиссии и интенсивностью свечения).

Исследованию люминесценции из пористого кремния Существует также так называемая улучшенная (smart) (ПК) и подобных кремниевых наноструктур посвящено квантовая модель [7], которая является в некотором смымного работ, что отражено в монографии [1] и обзо- сле комбинацией предыдущих. Причиной видимой ФЛ рах [2,3]. Несмотря на это, природа видимого свечения в ней, как и в квантовой модели, считается увеличение ПК еще не вполне ясна. Одной из первых была модель ширины запрещенной зоны в малых частицах кремния, пространственного квантования энергетических уровней но адсорбированные на поверхности ПК молекулы тоже в малых частицах кремния, из которых состоят стенки играют в ней важную роль. Именно адсорбированные пор [4]. Фотолюминесценция (ФЛ) в этой модели связы- молекулы водорода, кислорода, водородосодержащих совается с межзонными излучательными переходами через единений, которые осаждаются на поверхности ПК в увеличенную вследствие квантового размерного (КР) результате травления или после специальной дополниэффекта запрещенную зону. С этой моделью хорошо со- тельной обработки, пассивируют поверхность ПК и тем гласуется сдвиг спектра ФЛ в коротковолновую область самым увеличивают вероятность излучательной межзонпо мере химического растравливания пор и уменьшения ной рекомбинации.

размеров стенок.

После обнаружения видимой ФЛ ПК начались такОднако имеется большое число фактов, которые труд- же исследования по электролюминесценции (ЭЛ) ПК.

но объяснить в рамках квантовой модели. Это, на- Такие исследования с прикладной точки зрения более пример, температурная зависимость интенсивности ФЛ интересны, так как они открывают перспективу создания и ее тушение при температуре 600-800 K [5]. Из светоизлучающих приборов на основе ПК и интеграции ширины спектра ФЛ (приблизительно 0.6 eV) следует оптических и электронных элементов на кремниевой также, что, согласно модели [4], разброс размеров стенок подложке.

должен был бы быть очень малым, чего не наблюдается В большинстве случаев исследовались электролюмиэкспериментально [6]. Авторы [6] считают, что красная несценции различных вариантов сандвич-структур. В поФЛ в ПК обусловлена молекулярной рекомбинацией в следнее время стали появляться работы по ЭЛ свойствам приповерхностной области кристалла, а не квантовораз- планарных структур на основе ПК [9] и наночастиц мерным механизмом. Si [10,11]. Исследования ЭЛ ПК подробно рассмотрены в обзорной статье [3]. В отличие от исследований по фоАльтернативные теории, которые связывают видимую ФЛ из ПК с молекулярными соединениями на поверх- толюминесценции работы разных авторов по ЭЛ более противоречивы, даже когда исследуется один и тот же ности ПК, принято называть теориями ”молекулярного объект. Пока не сформулировано однозначного мнения фактора”. Молекулярные соединения, которые сами обладают видимой ФЛ, могут образовываться на поверх- о природе дискретного характера свечения поверхности ности ПК во время травления. Это может быть силоксен- образца и форме ВАХ, определяющей эффективную люмолекула, состоящая из Si, H и O, а также SiHx комплек- минесценцию. Неясна также необходимость электроформовки для локальных центров люминесценции. В некосы, полисилан и др. [7]. Эта теория хорошо объясняет торых случаях максимумы спектральных характеристик температурную зависимость ФЛ, так как наблюдается ЭЛ и ФЛ совпадают [12], в других же их положение разложение некоторых из перечисленных выше молекул отличается [13]. На положение максимумов могут также при тех же температурах, при которых исчезает и ФЛ [8].

влиять интерференционные эффекты [14].

Однако в рамках этой модели трудно понять, почему одинаково хорошо люминесцируют слои ПК, прошедшие Если первые излучательные приборы на ПК предстадополнительную обработку (пассивацию) поверхности вляли собой диоды Шоттки, то в дальнейшем были создакак в водороде, так и в чистом кислороде [7]. ны p-n-переходы на ПК, в которых инжекция носителей О механизме люминесценции кремниевых наноструктур ли горячих электронов и возбуждения ими свечения в островках были результаты экспериментов, которые показали, что центры свечения и электронной эмиссии совпадают, а также имеется корреляция интенсивности излучения и тока электронной эмиссии [19]. Поэтому нами было высказано предположение, что механизм свечения в островковых пленках и в ПК может быть одинаков [20]. В настоящей работе наряду с развитием теоретических представлений о горячих электронах в ПК был выполнен ряд новых экспериментов. К ним относятся исследования характеристик электронной эмиссии из Рис. 1. Спектр излучения островковых пленок золота при проПК и наночастиц Si, а также взаимосвязь характеристик пускании тока. Кривые 1, 2 относятся к эмиссии из отдельных электролюминесцении и электронной эмиссии.

центров. Кривая 3 относится к излучению островковой пленки с цепочечной структурой.

1. Теория Известно, что наблюдается эмиссия электронов и фотонов из ОМП на диэлектрической подложке (стекло, SiO2, SiO, сапфир и др.) при введении мощности в островки различными способами, такими как пропускание тока [19,21], облучение электронами [22], лазерным [23] и СВЧ-излучением [24]. Характеристики электронной и фотонной эмиссии удается объяснить наиболее полно и непротиворечиво в рамках модели горячих электронов [17,18].

Причины генерации горячих электронов в ОПМ обусловлены сочетанием трех факторов: 1) резкого уменьшения интенсивности взаимодействия электронов с решеткой в островках, размеры которых меньше длины свободного пробега электрона; 2) возможности инжекРис. 2. Спектры люминесценции структур на основе пористотировать большие потоки мощности в отдельно взятые го кремния. Кривая 1 — [15], кривая 2 — [12], кривая 3 — [16].

островки; 3) термической стабильностью малых островков на диэлектрической подложке с хорошим тепловым контактом.

в область p-n-перехода была гораздо эффективней [12].

Заметим, что при токовом разогреве электронов возМеханизм излучения, по мнению авторов, состоял в можность инжектировать большие потоки мощности инжекции электронов из n-слоя и дырок из p-слоя в в отдельные островки связана с образованием (при область p-n-перехода, где они излучательно рекомбиэлектроформовке) каналов с большими плотностями нировали. Ширина запрещенной зоны ПК в области тока. При лазерном нагреве такая возможность связаp-n-перехода была увеличина вследствие КР эффекта.

на с эффективным поглощением света малыми частиНаблюдаемую деградацию свечения со временем авторы цами [18,25]. Повышение термической устойчивости связывают с депассивацией излучающих слоев. Разрыв островка с уменьшением его размера связано с увелипассивирующих связей может происходить из-за нагрева чением отношения площади поверхности островка к его образца в процессе работы.

объему [17]. Все перечисленные факторы в той или иной Мы обратили внимание на то, что спектральные харак- мере характерны и для пористого кремния. Свечение, теристики свечения островковых пленок металлов при которое наблюдается в ОМП, может быть связано с протекании сквозь них тока [10] имеют близкое сходство тормозным излучением горячих электронов и обратс аналогичными характеристиками структур на основе ным поверхностным фотоэффектом при столкновении ПК. Это видно, например, из рис. 1, 2, где приведены горячих электронов с поверхностью островка, а также спектры свечения островковых пленок Au, и ЭЛ ПК при с неупругим туннелированием из островка в островок.

пропускании через них тока [12,15,16]. Результаты по Эффективность излучения света из ОМП определяетэмиссии из островковых металлических пленок (ОМП) ся двумя факторами: наличием горячих электронов и были интерпретированы нами в рамках модели, которая развитой поверхностью. Оба этих фактора в ПК приучитывает возможность сильного неравновесного разо- сутствуют. Горячие электроны в полупроводниках при грева электронного газа в нанообъектах [17,18]. При фотолюминесценции могут возбуждать внутренний фоизучении ОМП весомым аргументом в пользу моде- тоэффект. В этом случае функция распределения горячих Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1966 П.М. Томчук, Д.Б. Данько, О.Э. Кияев электронов по энергии определяется взаимодействием первичных неравновесных электронов с колебаниями решетки. В случае электролюминесценции функция распределения электронов по энергии формируется при конкуренции воздействия электрического поля и рассеяния электронов на колебаниях решетки.

Согласно предлагаемой модели, кроме наличия горячих электронов в квантово-размерных нитях кремниевых структур (островках, стенках, нитях и т. п.) дополнительным условием возникновения люминесценции является специфическое состояние их поверхности.

При столкновениях горячего неравновесного электрона с потенциальным барьером компонента скорости электрона, нормальная к барьеру, резко изменяется от до -.

Рис. 3. Схема излучения света при обратном фотоэффекСпектральное распределение тормозного излучения, те (h1), при неупругом отражении электрона от потенцикак показано в [17], определяется формулой ального барьера между наночастицами (h2) и при неупругом туннелировании электрона (h3).

16e() = ( - ), (1) 3mcгде e, m — заряд и масса электрона, c — скорость света.

Другой максимум лежит в области средних энергий, Формула (1) справедлива при условии которые в этом случае не равны температуре решетки.

Мы полагаем, что наличие горячих электронов и раз >. (2) витой поверхности ПК должно способствовать тормозКак видно из формулы (1), спектральное распреде- ному излучению и обратному фотоэффекту при столкновении электронов с поверхностью пор с их внутренней ление излучения отдельного электрона слабо зависит стороны (рис. 3). Более того, при таких столкновеот частоты. Однако (2) обусловливает более сильную ниях также могут происходить межзонные переходы с частотную зависимость для ансамбля электронов, так излучением света. Изгиб зоны возле поверхности влияет как оно связывает спектр излучения с распределением на высоту и форму поверхностного барьера. Это обстогорячих электронов по энергии в зоне проводимости.

В частности, если принять функцию распределения го- ятельство может объяснить чувствительность люминесценции к присутствию загрязнений на поверхности.

рячих электронов по энергии в виде максвелловской В частности, адсорбционные окислы могут существенно функции с эффективной электронной температурой Te, уменьшать работу выхода поверхности и тем самым то спектральное распределение тормозного излучения, усиливать поверхностный фотоэффект при столкновении обусловленного столкновениями с поверхностю, имеет электронов с поверхностью пор.

вид [1] 2e2µ2 /kTe E() Sc e- (при <µ). (3) 2. Результаты эксперимента 3(c )и их обсуждение Здесь Sc — площадь поверхности и µ — энергия Ферми.

Мы видим, что при максвелловской функции распре- Мы изучали электролюминесценцию и электронную деления тормозное излучение на границе должно иметь эмиссию из сандвич-структур на основе ПК, а также из максимум интенсивности на частоте = kTe. При планарных структур, состоящих из островков Si.

других механизмах излучения света горячими электро- Слои ПК приготавливались по стандартной методике нами (например, при эффекте, обратном друдевскому электрохимического травления на пластинах монопоглощению) этот максимум может быть сдвинут в бо- кристаллического кремния p-типа толщиной 200 µm лее высокочастотную сторону. На его положение может и удельной проводимостью 7 Ohm · cm. Толщина также повлиять отклонение распределения электронов пористого слоя составляла несколько микрон. С тыльной по энергиям от максвелловского вида. стороны пластины на нее напылялся слой алюмиФункция распределения электронов по энергии в зоне ния для обеспечения омического контакта (вставка проводимости ПК при возбуждении электронов из ва- на рис. 4). Сверху на слой ПК напылялся золотой лентной зоны имеет обычно два максимума. Один из электрод в виде сетки, что облегчало выход электронов них обусловлен распределением плотности состояний в вакуум при наблюдении электронной эмиссии из электронов в валентной зоне. Особенности этого макси- образца. В некоторых образцах вместо верхнего золотого мума определяются электронами, которые не успевают использовался прижимной электрод. Измерения повторно излучить акустические и оптические фононы. проводились в вакуумной установке, при давлении Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. О механизме люминесценции кремниевых наноструктур к верхнему золотому электроду. Вольт-амперные характеристики тока проводимости и электронной эмиссии, а также спектральные характеристики излучения исследовались в режиме постоянного и переменного напряжения.

На рис. 5 представлена ВАХ тока проводимости экспериментальной структуры, показанной на рис. 4, при приложении к ней постоянного напряжения. Структура обладала выпрямляющими свойствами с фактором выпрямления 50 при напряжении около 10 V. Прямое смещение реализуется при приложении отрицательного потенциала на верхний золотой электрод, что согласуется с результатами других авторов [3]. При прямом смещении ВАХ тока проводимости имеет ярко выраженный неомический характер. Подобный вид ВАХ тока проводимости наблюдается и при приложении переменного напряжения к образцу.

ЭЛ возникала при прямом смещении около 13 V в виде отдельных светящихся точек красного цвета, которые можно наблюдать невооруженным глазом в темноте. При подаче переменного напряжения такой же эффективной величины интенсивность ЭЛ была несколько выше, чем в случае постоянного напряжения. Этот результат анаРис. 4. Зависимость тока электронной эмиссии (Ie) и инте- логичен тому, который наблюдается для ЭЛ в ОМП [10].

гральной интенсивности свечения (Iph) от переменного напря- Одновременно с возникновением свечения наблюдалась жения (частота 500 Hz), прикладываемого к сандвич-структуре электронная эмиссия из диода. На рис. 5 (вставка) на основе пористого кремния. На вставке изображена схема приведены осциллограммы переменного напряжения исследуемой структуры.

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.