WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Фотолюминесценция нанокристаллического кремния, полученного методом имплантации ионов инертных газов © А.А. Ежевский, М.Ю. Лебедев, С.В. Морозов Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: ezhevski@phys.unn.ru Предложен новый способ получения нанокристаллического кремния, заключающийся в использовании больших доз облучения (D Da) ионами инертных газов, когда наноструктурирование происходит в результате процессов самоорганизации структуры кремния на границе аморфного слоя с кристаллической подложкой. Исследование фотолюминесценции (ФЛ) таких слоев показало существование двух полос в спектре люминесценции (720 и 930 nm). Предполагается, что за появление линий ФЛ ответственны квантово-размерные эффекты в нанокристаллах, а также интерфейсы, представляющие собой области разупорядоченного кремния за пределами аморфного слоя, разделяющие нанокристаллы. Проведены исследования зависимости интенсивности сигнала ФЛ от времени травления в HF и времени последующей выдержки образцов на воздухе. Исследовано влияние термического отжига на спектр ФЛ.

Работа выполнена в рамках программы „Фундаментальные исследования и высшее образование в России“ (BRHE), при поддержке Фонда гражданских исследований и разработок США (CRDF) и Министерства образования РФ (грант № REC-001), а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-02-16493).

1. Введение энергетической шкале. Такие композиции можно создавать различными методами: при отжигах осажденных Кремний — наиболее распространенный элемент зем- гидрогенизированных аморфных слоев кремния [1] либо ной коры — сыграл выдающуюся роль в полупровод- слоев кремния, аморфизованных ионными пучками при дозах, несколько меньших дозы сплошной аморфизаниковой электронике. Однако в последнее время лидерции [2].

ству кремния был брошен серьезный вызов в связи с В настоящей работе рассмотрена возможность полуновым этапом в развитии информационных технологий.

чения нанокристаллического кремния при больших доНепрерывное повышение требований к быстродействию зах облучения (D Da) ионами инертных газов, когда интегральных схем, развитие систем волоконной оптики вследствие дальнейшей модификации аморфизованного в коммуникационных сетях и другие факторы выдвинули слоя (формирования в слое включений атомов инертнона первый план оптоэлектронику как альтернативу траго газа в виде пузырей и блистеров) наноструктуриродиционной микроэлектронике. Действительно, возможвание происходит в результате процессов самоорганиности дальнейшего повышения быстродействия могут зации структуры кремния на границе аморфного слоя быть достигнуты только путем замены электрических с кристаллической подложкой, роста НК от границы связей между активными элементами на оптические.

к поверхности, а также в результате распространения Кроме того, развитие волоконной оптики потребовало дефектов за указанную границу.

разработки комплекса новых светоизлучающих и фотоэлектронных устройств. Между тем кремний как непрямозонный полупроводник обладает довольно плохими 2. Методика эксперимента светоизлучающими свойствами. Стремление сохранить и в этих условиях лидерство кремния стимулировало В качестве исходного материала использовались обпотребность в расширении фронта фундаментальных и разцы Si (111) с удельным сопротивлением 2000 · cm.

прикладных исследований.

Пластины подвергались стандартной химико-механиВ последнее время исследованию люминесценции ческой обработке с последующим стравливанием накремниевых наноструктур посвящено огромное число рушенного слоя ( 20 µm). Облучение ионами Ne+ работ. В большинстве из них рассматриваются включепроводилось с энергиями 40 и 150 keV и дозами ния кремниевых нанокристаллитов (НК) в более широ- 6 · 1015-6 · 1017 cm-2. Плотность ионного тока во всех козонную матрицу, которая обеспечивает за счет боль- случаях не превышала 5 µA/cm2. Фотолюминесценшой высоты барьера сильный квантовый конфайнмент ция (ФЛ) измерялась при комнатной температуре и 77 K для движения электронов и дырок. Однако известно, с возбуждением аргоновым лазером ( = 488 nm). При что и в аморфно-нанокристаллических композициях со обработке спектров ФЛ использовались методы частотзначительно более слабым конфайнментом наблюдается ной фильтрации. Измерения ЭПР проводились при теминтенсивная люминесценция при комнатной темпера- пературе жидкого азота на спектрометре РЭ-1306. Контуре, полосы которой существенно смещены вверх по центрация центров с g-фактором, равным 2.0055, опредеФотолюминесценция нанокристаллического кремния, полученного методом имплантации... лялась путем двойного интегрирования дифференциальных кривых. Приведение к общей шкале производилось с использованием эталона Mn2+ : MgO. Послойное травление осуществлялось в 40% растворе HF. Топография поверхности исследовалась на сканирующем зондовом микроскопе TopoMetrix TMX-2100 Accurex в контактном режиме (АСМ) с использованием зондов из нитрида кремния. Структура определялась методом дифракции электронов на отражение на электронографе ЭРМ-103.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Облучение большими дозами (D Da) приводит к дальнейшим перестройкам в структуре уже полностью аморфизованного слоя. Толщина этого слоя может быть оценена как R = Rp + Rp + Ls ( Rp — страгглинг, Ls — свеллинг). Свеллинг, сравнимый с Rp и Rp, возникает при дозах, на порядок превосходящих Da. Так, Рис. 1. Топография поверхности образца Si, облученного в кремнии, облученном ионами неона с энергией 40 keV ионами Ne+ (40 keV) дозой 6 · 1016 cm-2, после обработки и дозами 6 · 1016-6 · 1017 cm-2, он составляет от в HF (толщина стравленного слоя 150 nm).

до 100 nm [3]. Его природа связана в основном с образованием неоновых пузырей и блистеров в облученном слое. Распылением поверхности кремния при облучении неоном можно пренебречь, поскольку толщина распыленного слоя не превышает 5-7 nm. Понятно, что наноструктурирование кремния при больших дозах не может быть связано с остаточными островками кристалличности, кроме переходного слоя между аморфной областью и монокристаллом. Возможными причинами наноструктурирования могут быть процессы рекристаллизации аморфных областей, которые могут развиваться вблизи границы аморфного слоя и кристаллической подложки, а также процессы перестройки монокристаллической структуры за счет распространения дефектов и упругих полей за границу аморфной области в глубь монокристалла.

Для исследования структуры слоя и природы излучаРис. 2. Спектры ФЛ образцов Si, облученных различными ющих центров применялось снятие слоев путем травледозами ионов Ne+ (40 keV). Доза Ne+, 1016 cm-2: 1 — 6, ния облученного кремния в HF. Как известно, HF ин2 — 20, 3 — 60.

тенсивно взаимодействует с SiO2 и не взаимодействует с монокристаллическим кремнием. Однако нарушенная ионной бомбардировкой поверхность кремния травится неоднородным распределением дефектов (атомов инертв HF [4]. Ярко выраженное селективное (связанное с деного газа, оборванных связей кремния, собственных фектностью слоя) действие HF приводит к выявлению на междоузельных атомов) и порождаемых ими упругих поверхности кремния рельефа с наноразмерным масштаполей.

бом, обусловленного нанокристаллической структурой.

Наличие такой структуры подтверждается топограмма- Исследование ФЛ таких слоев показало существовами, на которых наблюдаются бугорки, имеющие форму ние двух полос в спектре люминесценции, которые напирамидок (рис. 1). Однако из-за артефакта — свертки блюдались как при температуре жидкого азота, так и при формы зонда, имеющего больший радиус закругления комнатной температуре (рис. 2). Мы попытались устанопо сравнению с латеральным размером пирамид, — вить, как изменяется интенсивность люминесценции по наблюдать реальную форму НК не удалось. Эти экспе- мере стравливания кремния в HF. Результаты показаны риментальные данные свидетельствуют о сложных про- на рис. 3. Оказалось, что результаты зависели от того, цессах рекристаллизации и самоорганизации, вызванных снимались ли спектры люминесценции непосредственно Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 24 А.А. Ежевский, М.Ю. Лебедев, С.В. Морозов минесценции в зависимости от времени травления при длительном выдерживании на воздухе показало (рис. 3), что при удалении поверхностного слоя, насыщенного неоновыми включениями и имеющего наибольшее количество оборванных связей, интенсивность обеих полос увеличивается. Поведение обеих полос оказывается коррелированным, что свидетельствует о том, что центры люминесценции обоих типов пространственно связаны.

После травления в HF в течение 40 min можно с уверенностью считать, что аморфный слой полностью удален (удаляется слой 450 nm, сигнал ЭПР отсутствует), но мы все еще наблюдали обе полосы люминесценции.

Таким образом, центрами, ответственными за люминесценцию в этом случае, являются НК, сформированные в результате распространения упругих полей и Рис. 3. Зависимость интенсивности ФЛ от времени травдефектов за границу R. Это приводит к перестройке ления образцов Si, облученных ионами Ne+ (40 keV) дозой монокристаллической структуры и формированию на6 · 1016 cm-2. 1 — пик ФЛ при 720 nm, 2 — пик ФЛ ноструктур за указанной границей. Межкристаллитные при 930 nm.

границы, по-видимому, представляют собой области с сильно нарушенной структурой с широким спектром локализованных состояний в запрещенной зоне, о чем свидетельствуют широкие полосы люминесценции, особенно в длинноволновой области спектра.

В пределах бывшего аморфного слоя образование НК, как и зерен поликристаллита, обусловлено кристаллизацией аморфного слоя. При этом остаточная аморфная фаза обеспечивает квантовый конфайнмент и одновременно дает ФЛ при 900 nm. Эту полосу можно рассматривать как ФЛ от интерфейсных состояний НК.

Интенсивность ФЛ в этом случае зависит от структуры границ НК и прилежащих к ним внешних областей. Существенное влияние оказывает кислород, проникающий в поверхностные слои при длительной выдержке на воздухе. Насыщение интерфейсных областей кислородом повышает потенциальные барьеры на границах НК, а также, возможно, уменьшает скорость безызлучательной Рис. 4. Спектры ФЛ образца Si, облученного Ne+ (40 keV) с рекомбинации, что и приводит к увеличению интенсивдозой 6 · 1016 cm-2 и протравленного в HF в течение 12 min.

ности ФЛ. Границы между НК в этом случае не явля1 — сразу после травления, 2 — после 50 min выдержки на воздухе, 3 — после 7 дней выдержки на воздухе.

после обработки слоя в HF или после длительного (несколько суток) выдерживания образцов на воздухе.

Образец, на котором люминесценция измерялась сразу после травления в течение 12 min, был выдержан на воздухе в течение 50 min и затем в течение нескольких суток. Спектры ФЛ, измеряемые каждый раз после выдерживания образца на воздухе, показаны на рис. 4.

Можно было бы предположить, что это приводит, как и в [5], к обогащению слоя кислородом, образованию двойных связей Si-O на границах НК и увеличению интенсивности перехода 720 nm, за который, по мнению авторов [6], ответственны связанные экситоны на связи Si-O. Однако анализ спектров (рис. 4) показал, Рис. 5. Зависимость интенсивности сигнала ФЛ от темпечто полоса 720 nm изменяется меньше по сравнению ратуры отжига для образца, облученного дозой 6 · 1016 cm-2.

с длинноволновой полосой спектра. Исследование лю- 1 — пик ФЛ на 720 nm, 2 — пик ФЛ на 930 nm.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Фотолюминесценция нанокристаллического кремния, полученного методом имплантации... ются упорядоченными дислокационными границами: они [3] А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев. Вестн. Нижегород. ун-та. Физика твердого сильно разупорядочены и по структуре близки к a-Si тела 1, 3, 221 (2000).

или SiOx.

[4] А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, Для образца, облученного дозой 6 · 1016 cm-2, была М.Ю. Лебедев, Р.В. Кудрявцева, Е.А. Питиримова. Вестн.

проведена серия температурных отжигов в интервале Нижегород. ун-та. Физика твердого тела 1, 4, 124 (2001).

температур 100-800C. Как видно из рис. 5, измене[5] M.V. Wolkin, J. Jorne, P.M. Fauchet, G. Allan, C. Delerue. Phys.

ния интенсивностей обеих полос коррелируют. После Rev. Lett. 82, 1, 197 (1999).

отжига 600C интенсивности обеих полос проходят [6] Tsutomu Shimizu-Iwayamaa, Norihiro Kurumado, Daчерез максимум. Как показали ЭПР-исследования, при vid E. Hole, Peter D. Townsend. Appl. Phys. 83, 11, такой температуре наблюдается эффект обратного от- (1998).

[7] А.В. Двуреченский, И.А. Рязанцев. ФТП 12, 1, 1451 (1978).

жига дефектов, который ранее также был обнаружен [8] А.Ф. Хохлов, А.А. Ежевский, А.И. Машин, Д.А. Хохлов.

в [7]. В этом же интервале температур наблюдался ФТП 29, 2113 (1995).

максимум выхода неона из образца [8], а также происходило наиболее интенсивное разрушение блистеров, приводящее к существенным изменениям в структуре слоя. Как известно, термический отжиг при температуре выше 450C образцов, облученных дозами порядка дозы аморфизации, приводит к рекристаллизации нарушенного слоя и восстановлению монокристаллической структуры. Однако на образцах, облученных дозами, превышающими дозу аморфизации на несколько порядков, полного восстановления монокристаллической структуры не наблюдается, о чем свидетельствует явление обратного отжига. Вероятно, в модифицированных ионных пучком слоях остаются нарушенные области, содержащие большое число дефектов. Подобные области могут содержать нанокристаллические включения, которые и вносят вклад в увеличение сигнала ФЛ.

4. Заключение При ионном облучении поверхности кремния наблюдается ФЛ в красной и ближней ИК-областях. Спектры ФЛ характеризуются двумя полосами — при и 930 nm. Предложено объяснение спектров, базирующееся на представлении о существовании НК, окруженных аморфными или сильно разупорядоченными областями, близкими по структуре и составу к a-Si или SiOx. Исследование ФЛ при послойном травлении образцов в HF показало, что поведение обеих полос оказывается коррелированным. Это указывает на то, что центры люминесценции обоих типов пространственно связаны. Показано, что ФЛ зависит от степени окисления образцов, а также от температуры последующего (после облучения) термического отжига.

Авторы благодарны В.К. Васильеву за имплантацию ионов неона в образце.

Список литературы [1] В.Г. Голубев, А.В. Медведев, А.Б. Певцов. ФТТ 41, 1, (1999).

[2] D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, Z.F. Krasil’nik, D.M. Gaponova, A.N. Mikhaylov. Opt. Mater. 17, 1–2, 57 (2001).




© 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.