WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 12 О природе спектрального сдвига, вызванного эффектом усталости фотолюминесценции пористого кремния © М.Е. Компан, В.Е. Харциев, И.Ю. Шабанов, А.Н. Парбуков Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 16 июня 1997 г.) Для образцов пористого кремния с упорядоченной столбчато-слоистой структурой исследованы спектры люминесценции. Отмечены существенное сужение полосы люминесценции в образцах такого типа и значительный сдвиг положения полосы в результате эффекта ”усталости”. Впервые предложено объяснение причины возникновения спектрального сдвига полосы люминесценции в процессе усталостной релаксации.

1. Спектральное положение видимой полосы люми- го кремния, и механизма, ответственного за эффект несценции пористого кремния в большинстве моделей ”усталости”. Тем не менее в данной работе на основе связывается с величиной поперечного сечения квантово- экспериментальных данных и относительно небольшого размерных кремниевых проволок [1,2]. Однако это объема установленных ранее сведений о пористом кремлишь один из факторов, ответственных за формирование нии предложена модель, объясняющая эффект спектральспектра. Точное положение полосы и ее тонкая структура ного сдвига полосы при ”усталости” люминесценции формируются целым рядом механизмов; частично эти пористого кремния.

дополнительные механизмы рассмотрены, например, в 2. Разработка метода радиационно-стимулированного работе [3]. химического травления открывает новые возможности Относительно недавно были опубликованы данные в исследовании пористого кремния [12]. Получаемые о наблюдении спектрального сдвига полосы фотолю- этим методом субмикронные пленки имеют четко выминесценции при длительной экспозиции образца под раженную регулярную слоистую структуру; при этом возбуждающий люминесценцию световой пучок [4]. На- образующиеся слои пористого кремния состоят из реблюдавшийся сдвиг составил величину порядка 10 nm. гулярного набора ориентированных квантово-размерных В [5] применение специальной техники сканирования проволок (рис. 1). В то же время материал в разобразца позволило зарегистрировать спектры, полно- личных слоях, по-видимому, достаточно отличается. В стью свободные от эффекта ”усталости”. Оказалось, что работах различных авторов по исследованию пористого эффект не мал: сдвиг полосы люминесценции по спектру, кремния было отмечено как общее свойство образцов вызванный длительной экспозицией под возбуждающий этого материала, что внешний слой обычно состоит из люминесценцию свет, может составлять величину поряд- более тонких, а внутренний — из более толстых прока 50 nm, что уже сравнимо с шириной полосы. Кроме волок [13,14]. К подобному же выводу пришли авторы того, в целом ряде работ [6–8] наблюдалось самопроиз- работы [15] на основании результатов люминесцентных вольное изменение интенсивности по довольно сложным исследований. Подтверждение этого можно видеть и из законам, в том числе и немонотонное по времени. рис. 1. Таким образом, использовавшиеся нами слоистые Таким образом, оказалось, что условия, при которых образцы должны были иметь неоднородное распредев ряде известных полупроводниковых материалов на- ление поперечных размеров кремниевых проволок по блюдался так называемый эффект ”усталости люминес- глубине слоя пористого кремния. В случае наиболее ценции” (заключающийся в самопроизвольном уменьше- тонких — двуслойных — пленок можно было ожидать нии интенсивности фотолюминесценции при неизмен- специфическую — ”двугорбую” — функцию распределеных условиях возбуждения [9,10]), в случае пористого ния диаметров проволок (если, конечно, внутрислойное кремния могут приводить к гораздо более богатому распределение проволок по размерам будет достаточно набору внешних проявлений. Большинство из них в однородным). Именно увеличение толщины квантовопринципе не охватывается существующими моделями размерных проволок от поверхности в глубь образца эффекта ”усталости” [9–11]. Эффект спектрального пористого кремния — общее структурное свойство — сдвига является существенно новым и требует интерпре- легко в основу предлагаемого объяснения эффекта спектации. Мы полагаем, что общность условий, при которых трального сдвига.

наблюдаются спектральный сдвиг и эффект ”усталости”, 3. В настоящей работе исследовалась люминесценция и известное сходство материалов, в которых они наблю- слоистых образцов пористого кремния с регулярной даются, позволяют связать эти два эффекта и попытаться структурой квантово-размерных проволок. Образцы бывыявить общую причину их возникновения. ли выращены на пластинах кремния КДБ-10 и КЭФ-4.5.

Особенностью данного случая является довольно су- Перед травлением образцы облучались электрически щественный уровень неопределенности, который оста- неактивными ионами F+ с энергией 100 keV и дозой ется в понимании и природы люминесценции пористо- 100 µC · cm-2. Типичные срезы структуры таких образ2138 М.Е. Компан, В.Е. Харциев, И.Ю. Шабанов, А.Н. Парбуков Рис. 1. a) Изображение скола слоистой пленки пористого кремния на кремнии, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. b) Регулярная структура на переднем плане — профиль кремниевых ”проволок”, полученный с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Масштабы указаны на рисунке.

цов, получаемые методом сканирующей туннельной ми- вестной видимой полосы люминесценции. Наиболее откроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, четливо дублетная структура проявлялась в спектрах показаны на рис. 1. двуслойных образцов. Спектр люминесценции такой Люминесценция изучалась при возбуждении импульс- пленки приведен на рис. 2, b. Слабее компоненты были ным азотным лазером с длиной волны 337 nm, дли- выражены в спектрах образцов, содержащих большее количество слоев. Было обнаружено, что компоненты тельностью импульса 8 ns, частотами повторения спектральной полосы обладают различной чувствитель200–1000 Hz, со средней мощностью возбуждения до 10 W · cm-2. Измерения проводились при комнатной ностью к экспозиции под свет возбуждающего лазера.

температуре. Спектры регистрировались с временным В спектрах, зарегистрированных при малой экспозиции разрешением, с задержкой относительно импульса воз- (т. е. с вращением образца), преобладает коротковолнобуждения от 0.8 до 200 µs. вая компонента полосы с максимумом 600 nm. Спектры, зарегистрированные при длительной экспозиции Для выявления влияния релаксационных эффектов на (с неподвижным образцом), имеют максимум в обласпектры люминесценции применялась методика постости максимума длинноволновой компоненты дублета — янного сканирования исследуемой точки образца. При этом образец в виде диска закреплялся на вращающей- около 690 nm, т. е. там, где находится максимум обычно наблюдаемой полосы. Таким образом, под действием возся оси мотора, а установкой регистрировался спектр буждающего люминесценцию света полоса люминесценлюминесценции из фиксированной точки физического пространства. Этим достигалось существенное (по на- ции в спектре не просто сдвигается в красную сторону:

шим оценкам до 104 раз) уменьшение экспозиции ка- происходит относительное уменьшение интенсивности одной полосы и относительное увеличение интенсивнождой отдельной точки на образце. При этом, однако, сти другой.

увеличивалось неоднородное уширение регистрируемых спектров, так как данные получались усредненными по Регулярность системы квантовых проволок и четко всем точкам кольцевой дорожки на образце.

выраженная слоистость с малым количеством слоев в 4. Важным экспериментальным результатом явилось наших образцах обусловили малую ширину полос и тем обнаружение в нашем случае дублетной структуры из- самыми дали возможность обнаружить эффект перерасФизика твердого тела, 1997, том 39, № О природе спектрального сдвига, вызванного эффектом усталости фотолюминесценции... Рис. 2. a) Спектры люминесценции слоистых образцов пористого кремния, зарегистрированные в технике временного разрешения.

Сплошные кривые получены при минимальной экспозиции точки измерения — порядка микросекунды (методика с вращением образца), штриховые кривые — данные полученные при обычной методике измерений. Задержка регистрации относительно импульса возбуждения (µs): 1 —0.8, 2 —5, 3 — 25, 4 — 50, 5 — 100. Кривые нормированы на максимум интенсивности.

b) Спектры люминесценции двуслойной пленки пористого кремния в локальной области с высокой однородностью. Задержки регистрации относительно импульса возбуждения (µs): 1 —0.8, 2 — 10, 3 — 25, 4 — 50, 5 — 100, 6 — 200. Кривые нормированы на максимум интенсивности.

пределения интенсивностей между полосами экспери- сечением 16 и 22 (по расчетам в [2], это соответствует ментально. Сам факт наблюдения того, что спектраль- четырем и шести атомам кремния в поперечном сечении ное смещение осуществляется как перераспределение проволоки).

интенсивности между различными полосами, является Полученные из этой оценки размеры по порядку величины хорошо соотносятся и с данными, полученными существенно новым.

для образцов такого типа на сканирующем туннельном 5. Один из результатов данной работы — наблюдение микроскопе.

раздельных компонент известной полосы люминесценТаким образом, основной массив полученных резульции — имеет простую интерпретацию. Две компонентатов находится в хорошем внутреннем соответствии, ты в спектре очевидно соотносятся с двумя группами понятен и демонстрирует связь энергии рекомбинационв распределении кремниевых проволок по диаметру.

ного излучения и структуры на контролируемом регуОбращает на себя внимание и рекордно малая ширина лярном образце. Для пористого кремния это получено полос в спектре (относительная спектральная ширина впервые.

коротковолнового пика на рис. 2, b составляет 8%, тогда 6. Предложенная выше интерпретация дублетного хакак обычно наблюдаемая относительная ширина полосы рактера полосы открывает возможность объяснения эфсоставляет порядка 20–25%). Малую ширину полосы в фекта спектрального сдвига. Несколько упрощая, будем нашем случае, видимо, естественно связывать с высокой считать, что спектр в основном образован суперпозицией регулярностью системы кремниевых проволок в наших двух полос, так что образцах. Относительно слабая выраженность компонент в многослойных пленках также понятна: большее колиI(, t) =I1(, t) +I2(, t), (1) чество слоев приводит к более сильному неоднородному уширению; в этом случае две компоненты, по-видимому, Здесь — длина волны люминесценции, I1,2 —интеннужно интерпретировать как люминесценцию двух са- сивность соответствующей компоненты, t — время. Под мых внешних слоев пленки. Используя результаты рас- зависимостью от времени здесь подразумевается уменьчетов из работы [2], компоненты полосы на рис. 2 (2.15 шение средней интенсивности люминесценции в резульи 1.97 eV) можно приписать люминесценции проволок тате ”усталостной” релаксации каждой из компонент.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 2140 М.Е. Компан, В.Е. Харциев, И.Ю. Шабанов, А.Н. Парбуков Однако наблюдаемое на опыте изменение интенсивности перераспределялась бы в пользу коротковолновых комсо временем есть на самом деле изменение под дей- понент. Соответствующие формулы легко могут быть ствием света. В линейном приближении для небольшого написаны, если такой случай будет экспериментально отрезка времени относительное изменение интенсивно- наблюдаться. Важно, что сдвиг спектра в процессе устасти люминесценции можно считать пропорциональным лости обусловлен неоднородностью системы нитей и в интенсивности поглощаемого света возбуждения принципе может быть использован для характеризации этой неоднородности.

dI/dtI = kIex. (2) Мы ограничились в работе простыми формулами и качественными выводами для сравнения скоростей реЗдесь k — коэффициент пропорциональности, Iex — лаксаций, поскольку даже для зависимости интенсивноинтенсивность света, возбуждающего люминесценцию.

сти люминесценции от экспозиции имеется пока лишь Зависимость скорости ”усталостной” релаксации от инэмпирически найденная закономерность [16] и не сущетенсивности возбуждения наблюдалась во многих рабоствует модели явления в целом. Однако именно простотах, например, в [7].

та объяснения и отсутствие каких-либо предположений Далее необходимо учесть то, что второй слой находито механизме усталости обеспечивают универсальность ся под первым и на него падает менее интенсивный свет предложенной модели спектрального сдвига, что, на ваш возбуждения. Тогда скорость релаксации интенсивности взгляд, свидетельствует в ее пользу.

свечения первого слоя составит Необходимо еще раз подчеркнуть, что в нашем случае именно регулярность использовавшихся образцов dI1/dtI1 = kIex, (3) дала возможность идентифицировать компоненты полосы и наблюдавшееся перераспределение интенсивностей.

в то время как скорость релаксации интенсивности втоОднако, поскольку изменение свойств слоев пористорого слоя будет меньше:

го кремния по глубине образца, видимо, является общим свойством, эффекты, родственные наблюдавшимся, dI2/dtI2 = kIex(1 - exp d/L). (4) должны приниматься во внимание и в других случаях.

Здесь d — толщина первого слоя, L — глубина поглощения света возбуждения в данном материале. Приведнные Список литературы формулы показывают, что длинноволновая компонента будет релаксировать медленее. Отсюда следует, что ее [1] A.G. Cullis, L.T. Canham. Nature 333, 6342, 335 (1991).

относительная интенсивность в спектре будет возра[2] G.D. Sanders, Y.C. Chang. Phys. Rev. B45, 16, 9202 (1992).

стать, что и наблюдается на опыте.

[3] F. Koch. Models and mechanisms for the luminescence of Можно показать также, что подобное свойство — porous silicon. In: Mat. Res. Soc. Spring meeting. Symp. Procl.

S.-Francisco (1993).

сдвиг полосы в длинноволную сторону при ”устало[4] К.С. Журавлев, Н.П. Степина, Т.С. Шамирзаев, Э.Ю. Бусти” — не является тривиальным, и эффект мог бы чин, Н.Е. Мокроусов. ФТП 28, 3, 482 (1994).

даже иметь иной знак при иной структурной организации [5] М.Е. Компан, И.Ю. Шабанов, В.И. Беклемышев, В.М. Гонобразцов пористого кремния. Предположим, что неоднотарь, И.И. Махонин. ФТП 30, 6, 1095 (1996).

родность диаметров квантово-размерных проволок пори[6] P.D. Stevens, R. Glosser. Appl. Phys. Lett. 63, 6, 803 (1993).

стого кремния по плоскости была бы преобладающей, в [7] S. Shih, K.H. Jung, J. Yan, D.L. Kwong, M. Kovar, J.M. White, то время как изменениями диаметров по глубине образца T. George, S. Kim. Appl. Phys. Lett. 63, 24, 3306 (1993).

в среднем можно было бы пренебречь. Тогда относитель[8] М.Е. Компан, И.И. Новак, И.Ю. Шабанов. ФТТ 37, 2, ное изменение интенсивностей можно было бы описать (1995).

рядом формул, подобных формулам (1)–(3). Однако [9] F. Mollot, J. Chernogora, C. Benoit a la Guillaume. Phyl. Mag.

в этом случае плотность поглощаемой энергии возбу- B42, 5, 643 (1980).

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.