WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Свойства силиката магния с примесью хрома в пористом кремнии © Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова, И.С. Белорунова, О.Н. Горшков, М.В. Степихова, А.М. Шаронов Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: demidov@phys.unn.runnet.ru Показана возможность простой технологии формирования соединения форстерита с примесными ионами Cr4+ в структурах на основе Si, представляющих интерес в связи с характерной люминесценцией в ближнем ИК-диапазоне. Форстерит формировался пропиткой слоев пористого кремния (ПК) на n+и p+-Si подложках с последующим отжигом на воздухе. Отчетливый фотолюминесцентный отклик при 1.15 µm получен при комнатной температуре в слоях ПК с магнием и хромом, для которых оптимальная температура отжига близка к 700C. Для ПК на p+-кремнии выявлена широкая линия фотолюминесценции около 1.2 µm, которая не зависит от температуры отжига и содержания магния и хрома. Эта линия, вероятно, обусловлена дислокациями кремния. Обсуждаются исследования ЭПР и электрофизических свойств структур. В слоях чистого ПК и ПК, легированного хромом, на n+-Si подложках наблюдались признаки дискретного туннелирования электронов.

Известно, что для кристаллического силиката маг- Слои ПК выращивались по обычной технологии анодния (форстерита) с примесью четырехвалентного хрома ного растворения на поверхности пластин монокристалMg2SiO4 : Cr удалось практически реализовать рекорд- лического кремния с ориентацией (110) в 50% растворе но высокую квантовую эффективность (38%) фотолю- плавиковой кислоты в этиловом спирте в течение 10 min минесценции (ФЛ) в районе наиболее высокой про- при плотности тока 10 mA/cm2. На кремнии n-типа зрачности систем кварцевой волоконной оптики око- КЭС 0.01 вырастал слой толщиной 2.7 µm, на кремнии ло 1.3 µm [1]. В настоящей работе предпринята попытка p-типа КДБ 0.005 — слой толщиной около 1 µm. ПК систеза и исследования такой фазы в тонких слоях по- насыщался хромов или хромом и магнием путем пропитристого кремния (ПК). Это представляется интересным ки водными растворами MgCl2 и CrO3 с последующими в плане разработки совместимых с кремниевой микро- сушкой и окислительным отжигом в печи на воздухе при электроникой технологий создания высокоэффективных температурах 700 и 1000C в течение 10 min. В случае электронолюминесцетных источников света. Своеобра- совместного легирования ПК магнием и хромом эти зие такой многофазной структуры состоит в фотонном примеси брались в атомном соотношении 200 : 1, прии электронном взаимодействии нанокристаллов кремния близительно как в лазерных кристаллах Mg2SiO4 : Cr [1].

и включений диэлектрической фазы, активированной При легировании только хромом пропитка происходипереходными элементами. Подобные структуры интерес- ла в 10% водном растворе CrO3. Предварительно мы ны также и для изучения дискретного туннелирования убедились, что отжиг сухой соли MgCl2 при 700C сквозь атомы переходных элеменов [2]. на воздухе приводит к превращению ее в MgO (по Для синтеза оксидов с замещающим кремний че- изменению сверхтонкой структуры ЭПР неизбежных в соединениях магния следов марганца). С превращением тырехвалентным хромом ПК привлекателен простой шестивалентного хрома в CrO3 в более низковалентное технологией пропитки пор водными растворами солей состояние не было проблем, поскольку такой процесс с последующим окислительным отжигом. Наноразменая топология ПК способствует резкому ускорению фор- происходит с потерей кислорода при нагреве этого оксида свыше 200C.

мирования оквидов при температурах, много меньших температуры роста монокристаллов форстерита. ФЛ измерялась при комнатной температуре на Фурье спектрометре BOEM DAS с германиевым детекНастоящая работа посвящена исследованию ФЛ, ЭПР, поперечного транспорта в слоях ПК с разным содер- тором, охлажденным жидким азотом. Оптическая нажанием хрома и магния, выращенных на сильно леги- качка проводилась аргоновым лазером с длиной волны 514.5 nm и мощностью излучения 250 mW. Спектры рованных мелкими примесями (до уровня 1019 cm-3) монокристаллах кремния n- и p-типа, с целью просле- ЭПР измерялись на 3 cm спектрометре 293 и 77 K.

Поперечный транспорт тока изучался при комнатной дить влияние примесей III и V групп на уровень Ферми температуре по статическим ВАХ диодных структур с в ПК и его свойства. Последнее трудно сделать при прослойкой ПК и металлическими индиевыми контактаобычном выращивании кристаллов Mg2SiO : Cr. Высокая ми к кремниевой подложке и ПК (как в [3]).

проводимость кремниевой подложки почти устраняла ее вклад в ЭПР ПК и ВАХ диодных структур с прослой- Ожидания относительно формирования в ПК форкой ПК. стеритной фазы с примесью четырехвалентного хрома Свойства силиката магния с примесью хрома в пористом кремнии оправдались, по крайней мере на кремнии и исходной примесью сурьмы. Из рис. 1, a видно, что для образцов ПК на КЭС с введением Mg и Cr (кривые 1 и 2) появились пики ФЛ с максимумом 8700 cm-1 (1.15 µm), близким к максимуму 1.17 µm ФЛ Mg2SiO4 : Cr. При этом образец, после отжига при 700C (кривая 3) имеет в 2 раза более интенсивную и более широкую асимметричную полосу ФЛ с приподнятым длинноволновым крылом по сравнению с образцом, отожженным при 1000C (кривая 1). Заметной ФЛ для образцов Рис. 2. Спектры ЭПР при 77 K ПК на КЭС 0.01 после отжига ПК на КЭС без этих присадок или только с хромом при 700C. 1 —чистый ПК, 2 —ПК с Cr, 3 —ПК с Mg (кривые 2, 4) не обнаружено, что означает отсутствие и Cr. Две крайние линии с обратной полярностью на всех признаков замещения кремния хромом в SiO2 при развертках — спектр эталона MgO : Mn.

700C. Оказалось, что у образцов ПК на дырочном кремнии КДБ 0.005 имеет место широкополосная ФЛ с максимумом 8400 cm-1 (1.2 µm) почти независимо от присутствия магния и хрома или от температуры отжига (рис. 1, b). По-видимому, как и в дислокационном кремнии с бором [4], это свечение имеет дислокационную природу.

В отожженным при 700C образцах ПК на КЭС 0.наблюдался известный анизотропный спектр ЭПР от Pb-центров при комнатной температуре и 77 K (рис. 2), который, согласно выводам [5], принадлежит дислокацициям в наноразмерных гранулах кремния в ПК. В чистом ПК и в ПК с одним только хромом этот спектр имеет сопоставимую и значительную интенсивность. В ПК с магнием интенсивность спектра на порядок меньше, что можно связать с расходованием материала гранул кремния на образование фазы Mg2SiO4 : Cr. После отжига при 1000C спектр не наблюдается (видимо, из-за того, что почти весь ПК пошел на формирование форстерита и оксида кремния). Судя по меньшей ФЛ образца, представленного кривой 3, по сравнению с образцом, показанным кривой 1 (рис. 1, a), при 1000C кремний в большей степени, чем при 700C, расходовался на образование SiO2. Как видно из рис. 2, в спектрах ПК с хромом и ПК с хромом и магнием (спектры 2 и 3 соответственно) просматривается узкая линия с g-фактором около 2. Возможно, эта узкая линия принадлежит четырехвалентному хрому. Для образца только с хромом (спектр 2) это означало бы возможность встраивания ионов Cr4+ в SiO2 на место кремния. Однако данная гипотеза нуждается в дополнительной проверке. В ПК на КДБ 0.005 сигнал ЭПР, как и ранее [5], был неразличим на фоне шумов из-за перезарядки Pb-центров, вызванной понижением уровня Ферми.

Отжиг ПК на воздухе привел, как и следовало ожидать, к резкому снижению его электропроводности вследствие окисления наночастиц кремния. Прохождение тока до пробоя удалось зафиксировать лишь у диодных структур с прослойкой чистого ПК и ПК с хромом на КЭС 0.01 после отжига при 700C. ВАХ этих Рис. 1. Спектры ФЛ при комнатной температуре для слоев диодов (рис. 3 и 4) являются нелинейными со степенным ПК. a — на КЭС 0.01, b — на КДБ 0.005. 1 — ПК с Mg n законом I V, на который, как и в [6,7], накладывалсь и Cr, отжиг при 1000C; 2 — ПК с Cr, отжиг при 700C;

ступенчатые изменения тока. Как следует из рис. 3, в 3 — ПК с Mg и Cr, отжиг при 700C; 4 —ПК, отжиг при 700C; 5 — шум спектрометра. чистом ПК n = 3-5. В ПК с хромом (рис. 4) проводиФизика твердого тела, 2005, том 47, вып. 138 Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова, И.С. Белорунова, О.Н. Горшков, М.В. Степихова,...

Список литературы [1] K. Kck. Appl. Phys. B 72, 515 (2001).

[2] Е.С. Демидов. Письма в ЖЭТФ 71, 513 (2000).

[3] Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова, В.Н. Шабанов.

Письма в ЖЭТФ 75, 673 (2002).

[4] Wai Lek Ng, M.A. Lourenco, R.M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, K.P. Homewood. Nature 410, 8 March, 192.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики диодных структур с [5] Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова. Матер. Совещ.

прослойкой ПК на КЭС 0.01 без введения в ПК примесей „Нанофотоника-2003“. ИФМ РАН, Н. Новгород (2003). Т. 1.

магния и хрома, отжиг при 700C. Приведены кривые двух С. 38.

контактов, темные точки — прямое направление, светлые — [6] Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, В.Г. Шенгуров. Письма в обратное.

ЖЭТФ 67, 794 (1998).

[7] Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова, Д.А. Жестин.

Тр. V Междунар. конф. „Оптика, оптоэлектроника и технологии“. Ульянов. ун-т, Ульяновск (2003). С. 199.

Рис. 4. То же, что и на рис. 3, для диодных структур с прослойкой ПК с примесью хрома.

мость при U = 10 V уменьшилась в 40 раз, видимо изза химической реакции оксида хрома с наночастицами кремния. Однако закон изменения тока в данном случае более слабый: n 2, как и при протекании инжекционных токов в диэлектриках. Ступеньки тока и большие величины n свидетельствуют о дискретном туннелировании электронов в ПК сквозь наноразмерные гранулы кремния. Величина n 2 в ПК с хромом может быть связана с меньшей, чем у SiO2, шириной запрещенной зоны оксида хрома и большим вкладом инжекционных токов, поскольку согласно рис. 2, гранулы кремния в нем почти такие же, как и в чистом ПК.

Таким образом, показана возможность формирования в ПК на n+-кремнии форстерита с примесью четырехвалентного хрома. При комнатной температуре наблюдалась характерная ФЛ около 1.15 µm. Температура окислительного отжига 700C является более близкой к оптимальной, чем 1000C. Присутствие мелких примесей в кремнии на уровне 1019 cm-3 кардинально сказывается не только на процессе формирования ПК, но и на всех его свойствах. В ПК на p+-кремнии наблюдалась широкая линия ФЛ около 1.2 µm, почти не зависящая от температуры отжига и добавок магния и хрома и, видимо, обусловленная дислокациями кремния.

ЭПР оказался удобным способом контроля состояния наночастиц кремния в ПК на n+-Si.

В чистом ПК и ПК с хромом на КЭС 0.01 наблюдались признаки дискретного туннелирования электронов.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 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.