WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 3 05;06;07;10;12 Влияние последовательного электронного и лазерного облучения на фотолюминесценцию пористого кремния © Б.М. Костишко, А.М. Орлов Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия (Поступило в Редакцию 15 июля 1996 г. В окончательной редакции 9 января 1997 г.) В работе исследуется влияние электронного облучения на светоизлучающие свойства пористого кремния (ПК) p- и n-типа, приготовленного электрохимическим травлением. Определены дозовые и энергетические зависимости электронностимулированного гашения фотолюминесценции (ФЛ). Показано, что электронная обработка поверхности ПК и последующее длительное хранение на воздухе могут быть использованы для стабилизации ФЛ.

Впервые обнаружен эффект возгорания фотолюминесценции под действием УФ лазера на участках ПК, подвергшихся предварительной электронной обработке. Исследовано влияние энергии электронов и мощности лазерного луча на этот процесс.

Представленные результаты объясняются изменением количества центров излучательной рекомбинации в процессе разрушения и восстановления водородных групп на поверхности пор.

Открытие светоизлучающих свойств пористого крем- при плотности тока j = 10 mA/cm2 для образцов p-типа ния (ПК) [1] вызвало к нему большой интерес как к пер- и tetch = 40, j = 10 mA/cm2 для ПК n-типа. Каждый спективному материалу оптоэлектроники. В настоящее образец подвергался контролю величины начальной инвремя исследователи много внимания уделяют измене- тенсивности ФЛ и ее однородности по поверхности.

Анализ изменения интегральной интенсивности (Il) нию интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) ПК под действием непрерывного и импульсного лазерного об- ФЛ показал, что эффектом фотостимулированного гашения можно пренебречь, если в качестве источника света лучения [2–4]. Значительно менее изучены последствия использовать осветитель ОИ-18А с ультрафиолетовым облучения поверхности пористого кремния -частицами, фильтром УФС6. Интенсивность УФ света при этом -квантами, ионами и электронами [5–7]. При этом не превышала 1 mW/cm2. Было замечено, что даже влияние электронов на светоизлучающие свойства ПК в этом случае имеет место снижение интенсивности представляются в литературе только качественно, так ФЛ на 5-10% после 4 min экспонирования, в связи с как отсутствует информация о зависимости интенсивночем суммарное время облучения при предварительном сти ФЛ от дозы и энергии электронов для ПК различного контроле было ограничено одной минутой.

типа проводимости, уровня легирования и условий форЭлектронное облучение осуществлялось в сверхвысомирования. Несмотря на богатый экспериментальный ковакуумной камере оже-спектроскопии О9ИОС10-материал, до сих пор не удалось разработать общую при остаточном давлении в камере 10-7 Pa в режитеорию, описывающую как механизм, так и кинетику ме разворачивания электронного луча в растр. Это изменения интенсивности ФЛ ПК при различных типах позволяло варьировать дозу облучения в пределах воздействия.

D = 1015-6 · 1016 cm-2. На одном образце площадью Данная работа посвящена исследованию дозовой и 1cm2 формировалась серия до 12 участков (рис. 1) с энергетической зависимости деградации ФЛ ПК p- и различными значениями доз. Интенсивность их свечения n-типа при облучении его поверхности киловольтными под осветителем с УФ фильтром была различной и электронами. Представлены результаты по эволюции фосильно зависела от дозы электронного облучения.

толюминесценции предварительно обработанного электронами пористого кремния под действием непрерывного лазерного облучения.

Исходным материалом для ПК p-типа служили легированные бором пластины кремния с ориентацией (111) и удельным электрическим сопротивлением = 10 ·cm (Na = 2.5 · 1015 cm-3). Для получения образцов n-типа использовались легированные фосфором пластины с ориентацией (100) и = 2.4 · cm (Nd = 2.5 · 1015 cm-3).

Пористый кремний формировался по стандартной технологии в процессе электрохимического травления в электролите, состоящем из 48%-ной плавиковой кислоты (HF) и этилового спирта в соотношении 1 : 1. Время Рис. 1. Образец ПК с участками, облученными электронами.

электрохимического травления составляло tetch = 30 min Участки расположены в порядке возрастания дозы.

Влияние последовательного электронного и лазерного облучения на фотолюминесценцию... Рис. 2. Зависимость нормированной интегральной интенсивности ФЛ от дозы электронного облучения для ПК p- (a) и n-типа (b).

Точки — экспериментальные значения; линии — результаты расчета по уравнению (6). Энергии электронов, keV: 1 —4, 2 —3, 3 —2.

Количественные зависимости Il от дозы D и энергии в работе [8] эффектом накопления на поверхности элекэлектронов Ep были получены по стартовым значениям трического заряда.

интенсивностей при облучении поверхности ПК He–Cd Интересным является тот факт, что восстановившиеся участки после повторного электронного облучения не лазером ЛГН-409 ( = 325 nm, P = 10-50 mW/cm2).

В качестве приемника использовался фотоумножи- показывают какого-либо заметного изменения интенсивности ФЛ. Подобная электронная ”закалка”, т. е. облучетель ФЭУ-64, совмещенный с окуляром микроскопа ние до полного погасания и последующее восстановлеИНФРАМ-И. Область, с которой анализировалась инние на воздухе, по-видимому, может быть использована тегральная интенсивность ФЛ, была в 1.5–2 раза меньше для стабилизации светоизлучающих свойств ПК.

размеров участка электронного облучения.

Деградация ФЛ под действием электронов и ее послеРезультаты измерений интегральных интенсивностей дующее восстановление на воздухе не могут быть объфотолюминесценции исследуемых образцов приведены яснены структурными изменениями в приповерхностном точками на рис. 2, a и b. Как видно, вне зависимости от слое ПК. Действительно, пороговые энергии смещения типа их проводимости наблюдается экспоненциальный спад Il(D) с последующим выходом на насыщение IS атомов в кремнии электронами составляют 10–30 eV, которые достигаются при облучении частицами, ускопри больших значениях доз D > DS (величины доз ренными до 250 keV [9]. Следовательно, в области иснасыщения DS превышают 6 · 1015 cm-2). Увеличение пользуемых доз и энергий электронно-стимулированное энергии пучка Ep приводит к заметному возрастанию дефектообразование в объеме квантовых нитей не происскорости деградации и уменьшению IS.

ходит. Поэтому наблюдаемый эффект может быть связан Оказалось, что влияние электронного воздействия на только с изменением состава, атомов, пассивирующих ФЛ ПК снижается при хранении образца в темном поверхности квантовых нитей, и количества оборванместе на воздухе по мере увеличения разделительноных связей. Корреляция уменьшения интенсивности ФЛ го интервала между электронным и УФ облучениями.

и появления большого количества оборванных связей Действительно, после 1–2 месяцев нахождения ПК в (5.5 · 1017 cm-3) на внутренней поверхности пор при таких условиях фотолюминесценция поверхности станоотжиге в вакууме была обнаружена в работе [10]. Довится практически однородной. Причем наиболее быстро полнительным подтверждением десорбционной прировосстанавливаются участки, подвергавшиеся облучению ды электронно-стимулированного изменения ФЛ может электронов меньшей энергии. Подобный эффект полно- служить то, что спектральный максимум интенсивности стью отсутствует у образцов, хранящихся такое же время ( = 697 ± 8nm) практически не смещается с увелив сверхвысоковакуумной камере при остаточном давле- чением энергии электронов (рис. 3), а также бурное нии p = 10-5-10-7 Pa. Следовательно, значительная газовыделение в плавиковой кислоте только на участках, деградация ФЛ скорее всего не связана с обнаруженным подвергшихся облучению и восстановлению на воздухе.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 60 Б.М. Костишко, А.М. Орлов Как видно из (1) и (2), величина интенсивности ФЛ прямо пропорциональна концентрации центров свечения, которая может изменяться в процессе десорбции водорода из ПК при его облучении электронами достаточной энергии. Тогда, исходя из полученных экспериментальных данных, можно предположить, что дозовая зависимость концентрации SiH2 групп и соответственно ЦС на глубине максимального проникновения электронов h, соизмеримой с толщиной светоизлучающего слоя h0, может быть записана в виде Nl(D) =N0 exp -(D/D0), (3) где N0 — начальная концентрация светоизлучающих центров в образце; D0 — характерная доза электронов, при которой концентрация пассивированных водородом связей в ПК спадает в e раз; — эмпирический параметр.

При достижении достаточно больших значений Рис. 3. Спектр фотолюминесценции ПК p-типа после облу- D > DS в слое толщиной h практически полностью чения электронами. Энергия электронов, keV: 1 —2, 2 —3, удаляются все ЦС, а интенсивность ФЛ определяется 3 —4, 4 —5.

только центрами излучательной аннигиляции, расположенными на глубине h < x < ho. С учетом (3) средняя концентрация люминесцирующих центров в ПК после облучения электронами определяется выражением В связи с этим механизм электронно-стимулированной деградации ФЛ ПК можно описать следующим образом. Nlex(D) =N0 1 -(h/h0) 1 -exp -(D/D0). (4) Поверхность свежеприготовленного ПК в основном пассивирована атомами водорода [11,12] в виде SiH и SiHПодставив уравнение (4) в (2), получим интенсивгрупп, роль которых в светоизлучающих свойствах ПК определена в целом ряде работ [12,13]. Наличие же SiH2 ность ФЛ групп на поверхности пор создает центры свечения (ЦС).

Ilex = Il(D) =AexnexNВ случае только излучательной электронно-дырочной ре комбинации интенсивность ФЛ при достаточно высоком 1 - (h/h0) 1 - exp -(D/D0). (5) уровне возбуждения можно записать в виде [14] Для исключения не определяемых в условиях эксl CnCl перимента констант, данные на рис. 2 представлены в Ilr = ArNlr l p, (1) Cn/pS + Cl /nS отнормированном виде — Il/I0, где I0 = AexnexN0 — p интенсивность ФЛ до электронной обработки. На экспегде Nlr — концентрация центров излучательной рекомбириментальные точки наложены линии, рассчитанные по l нации; Cl, Cn — сечения захвата этими центрами дырки p уравнению и электрона соответственно; nS, pS — световые концен трации свободных электронов и дырок; Ar — размерная Il(D)/I0 = 1 - (h/h0) 1 - exp -(D/D0). (6) константа.

Если принять во внимание большие энергии иониза- Используемые при расчете параметры для различных ции экситона в ПК (Eex = 0.11-0.39 eV [15]) и, как образцов и энергий электронов приведены в таблице. Как следствие, высокую вероятность их излучательной анни- видно, расчетные линии достаточно хорошо описывают гиляции даже при комнатной температуре, то возникает экспериментальные результаты.

необходимость учета еще одной составляющй ФЛ Параметры модели электронностимулированного гашения Ilex = AexNlexnex, (2) ФЛ ПК где Nlex — концентрация центров излучательной аннигиляции экситонов, связанных с нейтральными поверх- Тип проводимости Ep, keV D0, 1015 cm-2 h/hностными состояниями адсорбированных атомов; nex — p 4 1.1 0.58 0.концентрация экситонов; — вероятность излучатель3 4.3 0.71 0.ной аннигиляции; Aex — размерная константа; для опре2 5.7 0.95 0.деленности в дальнейшем будем рассматривать только n 4 3.9 0.95 0.экситонный механизм ФЛ ПК. 3 6.9 1.53 0.Журнал технической физики, 1998, том 68, № Влияние последовательного электронного и лазерного облучения на фотолюминесценцию... Необходимо отметить несколько закономерностей, связанных с выявленной зависимостью параметров D0, h/h0, от энергии и типа проводимости образца.

Во-первых, наблюдается характерное возрастание D0 с уменьшением энергии электронов. В соответствии с (6) это объясняется уменьшением глубины максимального проникновения электронов h. Информация об энергетической зависимости отношения h/h0 позволила определить глубину люменисцирующего слоя ПК. Действительно, уже при энергиях Ep = 4.5keV для ПК p-типа и Ep = 4.1keV для n-типа электроны проникают на глубину, равную толщине h0, и при достижении больших доз происходит полное гашение ФЛ. Исходя из этого по удельным потерям энергии электронов в кремнии [16] была произведена оценка толщины светоизлучающего слоя ПК p-типа h0 0.5 µm, которая удовлетворительно согласуется с литературными данными (1-2 µm) [7].

Для образца n-типа проводимости толщина светоизлучающего слоя несколько меньше h0 0.45 µm.

Еще одной характерной особенностью можно считать уменьшение эмпирического параметра с возрастанием энергии электронов, что, по-видимому, связано с затрудненным отводом десорбированных атомов водорода при увеличении глубины проникновения электронов. Тогда большие значения для образца n-типа должны быть связаны с его меньшей пористостью. Косвенным подтверждением этого служат данные электронной ожеспектроскопии (ЭОС) поверхности ПК. На образце p-типа L23VV оже-пик кремния (E = 91 eV) не был зафиксирован из-за значительной зарядки поверхности, в то время как на ПК n-типа оже-линия кремния фиксировалась достаточно устойчиво. В соответствии с результатами работы [17] в ПК с высоким значением пористости из-за обеднения легирующей примесью тонкого слоя в квантовых нитях концентрация носителей заряда в образце может уменьшаться до собственной. Тогда данные ЭОС указывают на незначительность обеднения и сравнительно большой размер пор в ПК n-типа, что в свою очередь означает лучшие условия отвода продуктов десорбции и большие, чем в образце p-типа, значения.

Дальнейшие исследования были посвящены определению фотостимулированной эволюции ФЛ ПК, проРис. 4. Зависимости интенсивности ФЛ ПК от времени шедшего предварительную электронную обработку. На электронного облучения. Различные дозы предварительной рис. 4, a и b точками представлены экспериментальные электронной обработки для p-типа (a), cm-2: 1 — 0, 2 — зависимости Il от времени облучения (t < 2min) УФ 4.2 · 1015, 3 —8.4 · 1015, 4 —16.8 · 1015, 5 —25.2 · 1015, лазером ЛГН-409 с P = 15 mW/cm2 для образцов p- и 6 —33.6 · 1015; для n-типа (b): 1 —0, 2 —2.25 · 1015, 3 — n-типа соответственно. Образцы облучались электрона6.75 · 1015, 4 —11.75 · 1015, 5 —15.75 · 1015, 6 —20.25 · 1015.

ми с энергией Ep = 4keV.

Как видно, вне зависимости от типа проводимости наблюдается смена закона изменения ФЛ гашение на участцентров свечения на малых временах лазерного воздейках с малой дозой электронного облучения и возгорание ствия описываеться следующим уравнением:

на участках, где доза превышает некоторое критическое a значение De. Это объясняется тем, что на воздухе под dNl/dt = -kdNl + kc(N0 - Nl), (7) действием лазерного облучения наряду с разрушением a водородных групп должен протекать процесс их вос- где N0 — концентрация центров адсорбции; kd, kc — становления. В соответствии с кинетической моделью, константы скоростей разрушения и восстановления вопредставленной в работе [18], изменение концентрации дородных групп соответственно.

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.