WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Нами были рассмотрены экспериментальные спектры ФЛ квантово-размерных структур Si–SiO2, полученных разными методами и близких по строению к модели „кремниевая квантовая точка в матрице из SiO2“. Это — a) слои нанопористого кремния, полученного электрохимическим травлением (100)-ориентированного кремния p-типа с удельным сопротивлением = 12 Ом · см (p = 1015 см-3) и последующей постанодной обработкой для формирования оксида кремния [18]; b) структуры с кремниевыми квантовыми точками различных размеров, полученные методом лазерного осаждения [19] и c) кремниевые КТ, полученные методом распыления кремниевой мишени пучком электронов в электронном ускорителе [20].

Экспериментальные и теоретические спектры ФЛ для всех трех типов структур показаны на рис. 5, a, b, c соответственно.

На рис. 5, a приведены спектры импульсной ФЛ, измеренные с временной задержкой относительно максимума возбуждающего лазерного импульса. При согласовании теоретических зависимостей с экспериментом предполагалось, что низкоэнергетическая полоса ФЛ в основном обусловлена свечением квантовых нитей, а Рис. 5. Экспериментальные (сплошные кривые) и рассчитанвысокоэнергетическая — свечением квантовых точек, ные (пунктир) спектры ФЛ. a — спектры ФЛ пористого кремобразующихся из-за образования перетяжек в квантовых ния с временной задержкой фиксации относительно момента нитях при сильном окислении кремния. Как видно лазерного возбуждения импульсом азотного лазера с длиной из этих кривых, в низкоэнергетической части спектра волны = 337 нм, длительностью 10 нс и частотой повторения наблюдается достаточно хорошее согласие данных экс100 Гц. Времена задержки, мкс: 1 — 0.1, 2 —0.2, 3 —0.5.

перимента с результатами расчета для квантовых ни- b — спектры стационарной ФЛ пяти различных участков тей [18]. В высокоэнергетической части спектра непло- образца с кремниевыми квантовыми точками, полученными методом лазерного осаждения в работе [19]; с увеличением нохое количественное согласие между экспериментом и мера кривой доля КТ меньших размеров растет (исследуемый теорией наблюдается для первых двух времен задержки участок образца находится на большем расстоянии от области (0.1 и 0.2 мкс), тогда как для времени задержки 0.5 мкс осаждения), а больших — уменьшается; параметры подгонки можно говорить лишь о качественном согласии.

кривых 1–5 указаны в таблице. c — спектр стационарной ФЛ На рис. 5, b приведены спектры стационарной ФЛ пяти массива кремниевых квантоых точек из работы [20].

различных участков образца с кремниевыми кантовыми точками различных размеров, полученных методом лазерного осаждения [19]. Видно, что и в случае стационарной ФЛ наблюдается хорошее количественное согла- При расчетах полагалось, что мезоскопическое уширесие между экспериментальными зависимостями и теоре- ние, характеристические времена безызлучательной рекомбинации экситона nx и излучательной рекомбитическими рассчитанными по формуле (30). Согласуется i нации с участием фононов rx являются размернос теоретически рассчитанным и спектр стационарной ФЛ кремниевых КТ, полученных методом осаждения зависимыми: (D) = (Dx /D)n, nx (D) =Tn(D/Dx )n, i кремниевой мишени пучком электронов в электронном rx(D) =Tf (D/Dx )n, где Dx = 3нм.

ускорителе [20] (рис. 5, c).

Анализ параметров, представленных в таблице, покаПри подгонке теоретических зависимостей к экспе- зал, что в случае сильно окисленных образцов нанопориментальным в большинстве исследуемых структур ристого кремния за возникновение низкоэнергетической были выделены два основных размера кремниевых на- полосы ФЛ оказались отвечающими нанокристаллиты нокристаллитов. Эти доминирующие размеры и дру- кремния в виде квантовых нитей с толщинами около гие подгоночные параметры приведены в таблице. D = 1.7 нм, а высокоэнергетической полосы — в виФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 106 И.М. Купчак, Д.В. Корбутяк, Ю.В. Крюченко, А.В. Саченко, И.О. Соколовский, О.М. Сресели Источник Диаметр, нм, эВ n Tn, с n1 Tf, с n[18], КТ 1.8 6.7 · 10-2 3.8 2.4 · 10-7 2.3 2 · 10-3 1.[18], КТ 1.7 1.3 · 10-1 2.1 1.6 · 10-4 4.0 1 · 10-4 0.[19], кривая 1 2.2, 4.1 2.0 · 10-1 1.0 3.1 · 10-6 1.0 2 · 10-3 6.[19], кривая 2 2.3, 4.1 1.7 · 10-1 2.3 1.7 · 10-6 1.1 2 · 10-3 6.[19], кривая 3 2.5, 4.1 2.8 · 10-1 2.0 2.6 · 10-7 2.0 2 · 10-3 3.[19], кривая 4 2.5, 3.9 1.7 · 10-1 1.0 4.7 · 10-7 4.0 2 · 10-3 6.[19], кривая 5 3.8 1.1 · 10-1 1.0 4.6 · 10-7 4.0 2 · 10-3 6.[20] 2.2 4.8 · 10-2 1.3 1.0 · 10-7 1.1 2 · 10-3 2. де квантовых точек с диаметрами около D = 1.8нм. же, что при постанодном окислении пористого кремния В случае наноструктур, полученных методом лазерного и уменьшении кристаллитов до КТ в зависимости от осаждения кремния, спектры ФЛ, согласно результатам используемого метода кристаллиты могут становиться нашего расчета, формируются излучением квантовых как более асимметричными, так и более близкими по точек размерами около 4 нм (низкоэнергетическая по- форме к сферическим [24]. В связи в этим мы провели лоса) и 2.2-2.5нм (высокоэнергетическая полоса), а измерения поляризации образца, спектры которого предотличия в спектрах различных образцов обусловлены в ставлены на рис. 5, a.

основном вариациями относительных вкладов таких КТ.

ФЛ возбуждалась линейно поляризованными импульЭто может свидетельствовать о том, что при лазерном сами азотного лазера с длиной волны = 337 нм, осаждении формируются ансамбли квантовых точек раздлительностью 10 нс и частотой повторения 100 Гц.

мерами, приблизительно кратными постоянной решетки Спектры ФЛ измерялись при нормальном падении возкремния, которые излучают наиболее интенсивно из-за буждающего света на образец с помощью компьютеминимизации вклада безызлучательной рекомбинации, ризованной установки на базе монохроматора МДР-2, связанной в основном с существованием оборванных стробоскопического преобразователя напряжения В9-связей на интерфейсе [21]. И наконец, для квантовых с шириной строба 4 нс, фотоэлектронного умножителя точек, полученных распылением кремния электронным ФЭУ-79 и поляризаторов. Степень линейной поляри пучком, доминирующим размером является D = 2.2нм.

зации определялась как =(IPL - IPL)/(IPL + IPL), где Следует отметить, что в работе [20] по спектрам комбиIPL и IPL — интенсивности ФЛ, измеренной в момент национного рассеяния (КР) кремниевых наноструктур с максимума лазерного импульса и поляризованной в двух квантовыми точками, полученными методом распыления взаимно перпендикулярных направлениях — параллелькремниевой мишени электроным пучком, был определен но и перпендикулярно поляризации возбуждающего свесредний размер квантовых точек, дающих основной та. На рис. 6 представлена спектральная зависимость вклад в КР. Он оказался равным примерно 2 нм. Тадля образца (рис. 5, a, кривая 1) и контрольного образца ким образом, средние размеры кремниевых КТ, дающих пористого кремния, изготовленного без специального определяющие вклады в спектры ФЛ и КР, практически оксидирования (кривая 2). Видно, что окисленный обсовпадают.

разец обладает большей степенью поляризации, что Характерно, что значения показателя степени n в свидетельствует о том, что кремниевые кристаллиты зависимости (D), определенные из согласования экспериментальных и теоретических спектральных зависимостей ФЛ для структур с квантовыми точками (рис. 5, b и 5, c), в основном оказались лежащими между единицей и двойкой. Для низкоэнергетической полосы ФЛ на рис. 5, a, которая интерпретируется нами как излучение квантовых нитей, величина n оказалась больше двойки.

В то же время значение n велико (n = 3.8) и для высокоэнергетической полосы ФЛ (рис. 5, a), интерпретируемой нами как излучение квантовых точек.

Можно предположить, что высокие значения показателя степени n связаны с несферичностью квантовых точек. Известно, что ФЛ пористого кремния обладает значительной поляризационной памятью — при возбуждении линейно поляризованным светом она поляризована таким же образом, но с меньшей степенью Рис. 6. Степень линейной поляризации ФЛ в области высокополяризации [22]. Этот эффект объясняется именно энергетической полосы сильно окисленного образца пористого несферической формой кристаллитов [23]. Известно так- кремния (кривая 1) и неокисленного образца (кривая 2).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Характеристики экситонов и экситонная фотолюминесценция структур... представляют собой сильно вытянутые (или сплющен- [13] J.D. Jackson. Classical Electrodynamics (John Wiley & Sons Inc., N.Y.–London, 1962).

ные) эллипсоиды. Наличие значительной линейной поля[14] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Квантовая механика (М., ризации высокоэнергетической полосы ФЛ подтверждаФизматгиз, 1963).

ет предположение о том, что при сильном окислении [15] Yu.V. Kryuchenko, A.V. Sachenko. Physica E, 14, 299 (2002).

пористого кремния формирующиеся наряду с квантовы[16] D.V. Korbutyak, Yu.V. Kryuchenko, I.M. Kupchak, A.V. Saми нитями квантовые точки имеют не сферическую, а chenko. Semicond. Phys., Quant. Electron. Optoelectron., 6, эллипсоидальную форму.

172 (2003).

[17] R. Knox. Theory of Excitons (N.Y.–London, Academic Press., 1963).

6. Заключение [18] А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко, И.О. Соколовский, О.М. Сресели. ФТП, 38, 877 (2004).

В структурах с квантовыми точками Si–SiO2 диамет- [19] Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, И.Р. Базылюк, С.В. Свечников. ФТП, 37, 353 (2003).

ром 4 нм концентрация (количество) экситонов зна[20] М.Д. Ефремов, В.А. Володин, Д.В. Марин, С.А. Аржанчительно превышает концентрацию (количество) элекникова, С.В. Горяйнов, А.И. Корчагин, В.В. Черепков, тронов и дырок уже при комнатной температуре. СоотА.В. Лаврухин, С.Н. Фадеев, Р.А. Салимов, С.П. Бардаветственно в таких наноструктурах доминирует экситонханов. Письма ЖЭТФ, 80, 619 (2004).

ная ФЛ.

[21] L. Patrone, D. Nelson, V.I. Safarov, M. Sentis, W. Marine.

Основным механизмом уширения полос ФЛ при таких J. Appl. Phys., 87, 3829 (2000).

размерах КТ является квантовый мезоскопический эф- [22] F. Koch, D. Kovalev, B. Averboukh, G. Polisski, M. BenChorin. J. Luminesc., 70, 320 (1996).

фект, обусловленный существенным возрастанием роли [23] P. Lavallard, R.A. Suris. Sol. St. Commun., 95, 267 (1995).

различного рода флуктуаций в системах с малым коли[24] H. Koyama, P.M. Fauchet. Appl. Phys. Lett., 77 (15), чеством атомов.

(2000); H. Koyama. J. Appl. Phys., 93 (5), 2410 (2003).

Развитая теория позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые спектры как стационарной ФЛ, так и Редактор Л.В. Беляков ФЛ с временным разрешением.

Exciton characteristics and exciton Работа выполнена при поддержке Фонда фундаменphotoluminescence of silicon QD тальных исследований Министерства науки и образоваstructures ния Украины и Международной российско-украинской программы „Нанофизика и наноэлектроника“. О.М.С.

I.M. Kupchak, D.V. Korbutyak, Yu.V. Kryuchenko, благодарит за поддержку программу Президиума Рос A.V. Sachenko, I.O. Sokolovskii, O.M. Sreseli сийской академии наук „Низкоразмерные квантовые V. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics, структуры“.

National Academy of Sciences of Ukraine, 03028 Kiev, Ukraine Список литературы Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, [1] T. Takagahara. Phys. Rev. B, 47, 4569 (1993).

194021 St. Petersburg, Russia [2] B.I. Бойчук, Р.Ю. Кубай, I.В. Бiлинський. Журнал фiзичних дослiджень, 3, 187 (1999) (укр.).

Abstract

Exciton binding energies, total energies of the basic [3] В.И. Бойчук, Р.Ю. Кубай. ФТТ, 43, 226 (2001).

exciton radiative transitions and zero-photon exciton radiative [4] Н.В. Ткач, В.А. Головацкий, О.М. Войцеховская, М.Я. Миlifetimes in silicon QDs inside SiOx barrier material are calculated хальова, Р.Б. Фартушинский. ФТТ, 43, 1315 (2001).

using the effective mass and quadratic dispersion approximations.

[5] J. Valenta, R. Juhasz, J. Linnros. J. Luminesc., 98, 15 (2002).

Spectra of cw and time-resolved photoluminescence of silicon QD [6] В.А. Бурдов. ФТП, 36, 1233 (2002).

structures are calculated as well. Kinetics of the photolumines[7] С.И. Покутний. Теория экситонов в квазинульмерных полупроводниковых системах (Одесса, Астропринт, cence relaxation is considered. Results of theoretical calculations 2003).

are compared with the experiment. It is shown, that the main [8] A.A. Efremov, V.G. Litovchenko, A.V. Sarikov. Mater. Sci.

reason of photoluminescence spectra broadening in nanostructures Eng. C, 23, 165 (2003).

with silicon QDs less than 4 nm in diameter is the effect of [9] П.К. Кашкаров, М.Г. Лисаченко, О.А. Шалыгина, В.Ю. Тиquantum mesoscopic fluctuations, when even single dangling bond мошенко, Б.В. Каменев, М. Шмидт, Й. Хайтман, М. Захаat the interface or even single intrinsic defect or impurity atom in рис. ЖЭТФ, 124, 1255 (2003).

nanocrystallite of such small size or in the near lying barrier region [10] О.П. Пчеляков, Ю.Б. Болховитянов, А.В. Двуреченский, leads to a substantial shift of the excition energy.

Л.В. Соколов, А.И. Никифоров, А.И. Якимов, Б. Фойхтелндер. ФТП, 34, 8 (2000).

[11] A.V. Dvurechenskii, A.V. Nenashev, A.I. Yakimov. Nanotechnology, 13, 75 (2002).

[12] K. Brunner, Rep. Progr. Phys., 65, 27 (2002).

Pages:     | 1 | 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.