WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Эффективная люминесценция ионов эрбия в системах кремниевых нанокристаллов © П.К. Кашкаров, Б.В. Каменев, М.Г. Лисаченко, О.А. Шалыгина, В.Ю. Тимошенко, M. Schmidt, J. Heitmann, M. Zacharias Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия Max-Planck-Institut fr Mikrostrukturphysik, 06120 Halle, Germany Исследованы спектры и кинетика фотолюминесценции легированных и не легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния с размерами 2-3 nm может практически полностью передаваться ионам Er3+, расположенным в окружающем нанокристаллы оксиде, с последующим высвечиванием на длине волны 1.5 µm. Обсуждаются возможные причины высокой эффективности возбуждения ионов Er3+ и делается вывод о доминирующей роли механизма Ферстера в процессах передачи энергии в исследуемых структурах.

Работа поддержана грантами CRDF (N RE2-2369), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 02-02-17259) и программами Минпромнауки РФ.

Исследованию люминесценции ионов эрбия Er3+ в ценции практически не зависит от природы матрицы кристаллическом и аморфном кремнии в последние вследствие экранировки „рабочей“ 4 f -оболочки Er3+ годы уделяется большое внимание (см., например, [1,2]).

внешними электронными оболочками, эффективностью Это вызвано потребностью в создании кремниевых возбуждения ионов можно управлять, меняя свойства устройств, эффективно излучающих на длине волматрицы, например ширину ее запрещенной зоны и / или 4 4 ны 1.54 µm (переходы I13/2 I15/2 во внутренней плотность электронных состояний дефектов и примесей 4 f -оболочке ионов Er3+), соответствующей максимув ней [1,3]. Это легко достигается в nc-Si-структурах, му пропускания волоконных линий связи. Однако ряд поскольку запрещенная зона нанокристаллов может ванерешенных проблем пока не позволяет создать такой рьироваться в широких пределах при изменении их оптоэлектронный прибор. Так, например, при использоразмеров [12,13]. Помимо этого, в нанокристаллах Si вании в качестве матрицы для Er3+ кристаллического одновременно могут реализоваться как хорошая локремния (c-Si) наблюдается сильное температурное гакализация носителей заряда в малых пространственшение эрбиевой люминесценции, обусловленное безызных областях вблизи атомов Er, так и достаточно лучательным девозбуждением ионов Er3+ вследствие большие (сотни микросекунд) времена жизни элекобратной передачи энергии матрице [3]. В результате тронного возбуждения [12,13]. В этом случае энергия, при комнатной температуре квантовый выход люминесосвобождаемая при рекомбинации фотовозбужденной ценции образцов c-Si : Er оказывается весьма низким.

электрон-дырочной пары, может эффективно передаватьПри легировании эрбием аморфного гидрогенизирося иону Er3+. Действительно, для легированных эрбием ванного кремния (a-Si : H: Er) его фотолюминесценция образцов nc-Si в матрице SiO2 даже при комнатной (ФЛ) и электролюминесценция на длине волны 1.5 µm температуре наблюдается интенсивная и стабильная ФЛ характеризуются достаточно слабой температурной заионов Er3+ [9,10]. При этом эффективность ФЛ и ее висимостью [4]. Кроме того, из анализа кинетики ФЛ времена жизни сильно зависят от технологии получения a-Si : H : Er следует, что энергия электронно-дырочных nc-Si / SiO2-структур, а также от размеров нанокристалпар передается ионам Er3+ за достаточно короткие лов Si [9]. В этой связи перспективными представляются (субмикросекундные) времена, что обеспечивает выслои квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов сокую эффективность их возбуждения [5–7]. Однако в nc-Si / SiO2-сверхрешетках, характеризующиеся высовследствие наличия различных каналов безызлучателькой степенью контролируемости размеров нанокристалных потерь энергии интенсивность эрбиевой люмилов [11].

несценции в a-Si : H : Er пока недостаточна для примеВ настоящей работе выполнено сравнительное иссленения данного материала в светоизлучающих устройдование спектров и кинетики ФЛ многослойных струкствах.

тур nc-Si / SiO2, легированных эрбием и не содержащих Для преодоления указанных трудностей перспективным представляется использование помещенных в ди- данную примесь, что позволило судить об эффективэлектрическую матрицу слоев кремниевых нанокристал- ности передачи энергии электронного возбуждения от лов (nc-Si), легированных эрбием [8–11]. Необходимо кремниевых нанокристаллов к ионам Er3+ в таких струкотметить, что, хотя длина волны эрбиевой люминес- турах.

106 П.К. Кашкаров, Б.В. Каменев, М.Г. Лисаченко, О.А. Шалыгина, В.Ю. Тимошенко, M. Schmidt...

1. Образцы и методика эксперимента 2. Результаты и обсуждение Исследуемые в работе структуры nc-Si / SiO2 были На рис. 1 показаны спектры ФЛ образцов A, B. Видно, получены последовательным нанесением слоев SiO и что структуры A, содержащие нанокристаллы Si с меньSiO2 на подложку c-Si методом реактивного распыле- шим средним размером, имеют спектр ФЛ, смещенный ния [10,11]. Толщины слоев SiO составляли 2 и 3 nm в сторону больших энергий квантов. Такой сдвиг, как для образцов A и B соответственно. Структуры состояли известно [11,12], обычно связывается с увеличением из 40-50 пар слоев при общей толщине 200-300 nm. ширины запрещенной зоны в nc-Si вследствие квантоОбразцы были термически отожжены при температуре вого размерного эффекта. Спектры ФЛ характеризуются 1100C в атмосфере азота в течение 60 min для форми- достаточно большой шириной полосы, величина которой рования слоев плотно расположенных нанокристаллов на половине высоты составляет 0.35 eV для образцов A Si, разделенных слоями SiO2 [11]. Согласно данным и 0.3 eVдля образцов B.

электронной микроскопии и рентгеновской дифракции, Наши измерения свидетельствуют о том, что при понижении температуры от 300 до 6 K происходит довольсредние размеры нанокристаллов составляли 2 ± 0.5 и но слабое (1.5-2 раза) увеличение интенсивности ФЛ 3.5 ± 0.5 nm для образцов A и B соответственно. Затем в часть сформированных структур имплантировались образцов A и B. Это указывает на хорошую пассивацию ионы Er3+ с энергией 300 keV и дозой 5 · 1014 cm-2. По- центров безызлучательной рекомбинации в исследуемых структурах. Отметим, что внешний квантовый выход сле имплантации образцы подвергались термическому ФЛ образцов A при T = 10 K составил 1%. Данное отжигу при температуре 950C в течение 5 min.

значение (с учетом частичной прозрачности структур Таким образом были получены две серии образцов, содержащих нанокристаллы Si: исходные нелегирован- для излучения накачки, см. далее) представляется доные структуры nc-Si / SiO2 (образцы A и B) и легиро- статочно высоким.

ванные Er структуры nc-Si / SiO2 : Er (образцы Ae и Be).

Согласно нашим оценкам, концентрация атомов Er в образцах Ae и Be примерно соответствовала концентрации нанокристаллов Si, составляющей по данным просвечивающей электронной микроскопии 1019 cm-3 [11].

Кроме вышеописанных структур исследовались также образцы, сформированные при имплантации ионов Er3+ с указанными энергией и дозой в однородную пленку аморфного SiO2 толщиной 250 nm с последующим быстрым термическим отжигом для устранения дефектов имплантации (образцы Ce).

Для возбуждения ФЛ использовался импульсный N2-лазер (энергия квантов 3.68 eV, длительность импульса 10 ns, плотность энергии в импульсе 10 µJ/ cm2, частота следования импульсов 100 Hz). Спектры ФЛ регистрировались автоматизированным спектрометром, дополненным InGaAs-фотодиодом. Измеренные спекРис. 1. Спектры ФЛ образцов A (1) и B (2) при T = 300 K.

тры корректировались на спектральный отклик системы. Для измерения кинетики ФЛ в видимой области спектра использовался ФЭУ с постоянной времени 30 ns, в инфракрасной области спектра использовался InGaAs-фотодиод с постоянной времени 1 µs. Ввиду недостаточной чувствительности последнего он применялся только при записи начального участка кинетики, причем регистрировалась интегральная интенсивность ФЛ в диапазоне 1.1-1.6 µm. Долговременные компоненты релаксации ФЛ измерялись InGaAs-фотодиодом с постоянной времени 0.5 ms. Спектральное разрешение при измерении кинетики эрбиевой ФЛ составляло 4 nm.

Большая часть экспериментов по регистрации спектров и кинетики ФЛ проводилась на воздухе при температуре 300 K. Ряд спектров ФЛ был также измерен в вакууме в интервале температур 10-450 K, для чего использовался гелиевый криостат замкнутого цикла Рис. 2. Спектры ФЛ образцов A (1), Ae (2) и Ce (3) при DE-204N (Advanced Research Systems).

T = 300 K.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Эффективная люминесценция ионов эрбия в системах кремниевых нанокристаллов Из рис. 2 видно, что внедрение эрбия ведет к значительному подавлению (более чем в 100 раз) ФЛ, характерной для нелегированных nc-Si, и появлению интенсивной полосы в области 0.81 eV ( = 1.535 µm).

Последняя всегда наблюдается для внурицентровых пе4 реходов I13/2 I15/2 в ионах Er3+, внедренных в твердотельную матрицу [1,2]. Гашение ФЛ от nc-Si и появление эрбиевой полосы фиксировались также для структур Be, имеющих несколько большие размеры нанокристаллов. В то же время образцы Ce, представляющие собой однородные слои a-SiO2 : Er3+, характеризовались крайне малоэффективной ФЛ в области 0.8 eV.

Для данных образцов в основном наблюдалась слабая полоса в области 1.1 eV, обусловленная межзонной излучательной рекомбинацией в подложке c-Si. Появление Рис. 3. Спектры ФЛ в области полосы свечения Er3+ для полосы на 1.1 eV для образцов Ce и „плеча“ в той образца Be при различных температурах. На вставке — же спектральной области для образцов A и Ae, оче- зависимость интегральной интенсивности эрбиевой полосы ФЛ от обратной температуры.

видно, обусловлено проникновением излучения накачки в монокристаллическую кремниевую подложку ввиду частичной прозрачности исследуемых слоев.

Представленные на рис. 2 результаты свидетельствуют о том, что для исследуемых структур nc-Si / SiO2 : Er реализуется возбуждение ионов Er3+ вследствие передачи энергии электронного возбуждения от нанокристалов Si. Учитывая соотношение интенсивностей ФЛ образцов A и Ae, можно предположить, что происходит передача большей части поглощенной нанокристаллами энергии оптически активным ионам Er3+. Механизм передачи энергии более детально обсуждается далее. Заметим, однако, что в образцах Ae и Be вклад в остаточную ФЛ nc-Si, по-видимому, вносят те из нанокристаллов, которые не находятся в необходимой близости от Er3+, и поэтому взаимодействие между ними и ионами неэффективно. Как видно из сравнения кривых 1 и 2, после внедрения ионов Er3+ в структуры nc-Si / SiO2 проис- Рис. 4. Кинетика ФЛ образцов A при регистрации для энергий квантов 1.5 (1), 1.7 (2) и 1.9 eV(3). Точки — экспериментальходит определенное изменение формы спектра полосы ные значения, сплошные линии — аппроксимация по закону ФЛ nc-Si. Можно отметить усиление в несколько раз „растянутой“ экспоненты. На вставке показаны спектральные степени гашения ФЛ с ростом энергии квантов от 1.зависимости полученных при аппроксимации времен релаксадо 1.7 eV. В случае механизма неоднородного уширения ции ФЛ для образцов A (треугольники) и Ae (кружки).

полосы ФЛ nc-Si это может быть интерпретировано как более эффективная передача энергии нанокристаллами меньших размеров (характеризующимися большим каналов безызлучательной рекомбинации, например значением ширины запрещенной зоны) [9]. При учете обратной передачи энергии от Er3+ к твердотельной возможного вклада однородного уширения, связанного с матрице или рекомбинации на точечных дефектах, таких электрон-фононным взаимодействием и поляритонными как оборванные связи кремния.

эффектами, возрастание степени гашения ФЛ с увелиПерейдем к анализу кинетики ФЛ кремниевых начением ее энергии квантов свидетельствует о большей нокристаллов. Как видно из рис. 4, для нелегированэффективности передачи энергии от нетермализованных ных структур nc-Si / SiO2 релаксация интенсивности ФЛ (находящихся в нестационарных или возбужденных соIPL(t) после воздействия лазерного импульса не может стояниях) экситонов.

быть описана экспоненциальным законом. Как показал Эксперименты показали, что в структурах наш анализ, кинетика ФЛ хорошо аппроксимировалась nc-Si / SiO2 : Er интенсивность эрбиевой ФЛ заметно так называемой „растянутой“ экспонентой возрастает с понижением температуры от 300 до 10 K (рис. 3). В то же время интегральная по спектру в интерIPL(t) =I0 exp -(t/0), (1) вале 0.75-0.85 eV интенсивность полосы увеличивается при этом всего в 1.5 раза (см. вставку на рис. 3). Это где 0 — среднее время, а — параметр неэкспоненуказывает на низкую эффективность конкурирующих циальности.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 108 П.К. Кашкаров, Б.В. Каменев, М.Г. Лисаченко, О.А. Шалыгина, В.Ю. Тимошенко, M. Schmidt...

ФЛ с кинетикой, описываемой формулой (1), обычно наблюдается для неупорядоченных твердотельных систем, характеризующихся дисперсией значений времен рекомбинации, например для a-Si : H [5,6] и пористого кремния [13]. Установлено, что величина 0 возрастает от 4 до 25 µs при изменении энергии квантов ФЛ от до 1.5 eV (см. вставку на рис. 4). При этом параметр сохраняет практически неизменное значение около 0.5.

Такое поведение величин 0 и фиксировалось как для образца A, так и для образца B. Причем для обоих образцов при одной и той же энергии квантов ФЛ наблюдались одинаковые в пределах точности эксперимента и процедуры аппроксимации спектральные зависимости значений 0 и. В то же время для структур с эрбием наблюдается уменьшение времени 0 примерно Рис. 5. Кинетика ФЛ ионов Er3+ для образцов Ae и Be в 2-2.5 раза, тогда как величина практически не (временное разрешение 0.5 ms), измеренная для свечения с меняется. Данный эффект фиксировался для образцов с энергией квантов 0.81 (1) и 0.84 eV (2). На вставке показан нанокристаллами обоих размеров.

начальный участок кинетики, измеренный с временным разре Тот факт, что после внедрения ионов Er3+ наблюда- шением 1 µs.

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.