#
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
1.1. Структура энергетических зон кристаллического кремния.
Квантово- размерный эффект в кремнии. Классификация нанострукту р 12
1.2. Способы получения кремниевых наноструктур 14
1.3. Кулоновское взаимодействие в полупроводниковых наноструктурах. 16
1.3.1. Электростатическое взаимодействие зарядов в
полупроводниковых наноструктурах (квантовых ямах, нитях и точках). 16
1.3.2 Экситоны в системах пониженной размерности 21
1.4. Модели рекомбинации неравновесных носителей заряда в кремнии
и кремниевых нанокристаллах 24
1.5. Равновесные носители заряда в пористом кремнии. 28
1.6. Люминесценция ионов Ег3* в матрицах на основе кремния 30
1.6.1. Ег3* в монокристаллическом кремнии 31
1.6.2. Ег3 * в аморфном кремнии 3 3
1.6.3. Ег3* в слоях кремниевых нанокристаллов 34
1.7. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования 36
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 38
2.1. Используемые образцы 38
2.2. Регистрация фотолюминесценции 40
2.3. Регистрация ИК и ЭПР спектров 42
2
9
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В НАНОСТРУКТУРАХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ 43
3.1. Моделирование электронных процессов в наноструктурах пористого кремния 43
3.1.1. Феноменологическая модель релаксации фотовозбуждения в объемных полупроводниках и системах связанных нанокристалов 43
3.1.2. Расчет параметров экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях 45
3.1.3. Приближение эффективной среды для учета влияния диэлектрического окружения на параметры экситонных состояний
в кремниевых квантовых нитях 61
3.2. Экспериментальное исследование процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда в наноструктурах пористого кремния 63
3.2.1. Влияние морфологии образцов на статистику рекомбинации неравновесных носителей. Сравнение экспериментальных данных с моделью 64
3.2.2. Влияние диэлектриков на экситонные состояния нанопористого кремния. Сравнение с теоретической моделью 69
33. Выводы из главы 3 72
ГЛАВА 4 РАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ 73
4.1. Расчет энергии ионизации примеси бора в кремниевых квантовых нитях 73
4.2. Поглощение ИК излучения свободными носителями заряда 75 43. Влияние дефектов на концентрацию свободных носителей
в мезопористом кремнии 79
4.4. Влияние диэлектриков на концентрацию свободных носителей
в мезопористом кремнии 80
3
*
4.5. Выводы из главы 4 84
ГЛАВА 5 ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТПЫЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ 85
5.1. Нелегированпые кремниевые квантовые точки в БЮг- матрице 85
5.1.1. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре 85
5.1.2. Температурная зависимость фотолюминесценции 8 6
5.1.3.Кинетики фотолюминесценции 88
5.2. Кремниевые квантовые точки в 5Юг- матрице легированной ионами эрбия 90
5.2.1. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре 90
5.2.2. Температурная зависимость фотолюминесценции 94
5.2.3.Кинетики фотолюминесценции 97
5.3. Модель возбуждения ионов Ег3* в кремниевых нанокрисгаллах 101
5.4. Выводы из главы 5 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 103
ЛИТЕРАТУРА 106
4
*
СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ФЛ - фотолюминесценция ЭГ1Р-электронный парамагнитный резонанс ИК - инфракрасный диапазон РНС-равновесные носители заряда
ПК - пористый кремний мезо-ПК - мезопорнстый кремний нано-ПК - нанопористый кремний с-Б! - монокристаллический кремний
псБ^БЮг - структуры упорядоченных слоев нанокристаллов кремния в матрице из диоксида кремния
псБг/БЮг^г3* - структуры упорядоченных слоев нанокристаллов кремния в матрице из диоксида кремния, легированные ионами Ег5\
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
В последние десятилетия можно выделить две наиболее интенсивно развивающихся области техники- вычислительная техника и связь. Прогресс первом предопределило создание в 1948 году (Уильям Шокли) первого полупроводникового транзистора на основе германия, выполнявшего тс же функции, что и электронная лампа, но имевший гораздо меньшие размеры. В 1958- 1959 гг. (Джек Килби, Роберт Нойс) были разработаны первые интегральные схемы, в которых на одном кристалле размещалось несколько транзисторов. В дальнейшем степень интеграции неуклонно росла, а размеры отдельного элемента уменьшались (от десятых долей мм до 130 им). Современный процессор объединяет в себе 100 миллионов транзисторов и способен совершать 109 операций в секунду.
Параллельно с возрастающим объемом обрабатываемой информации растет потребность эту информацию передавать. Традиционные проволочные линии связи уже сегодня не способны справиться с все возрастающей нагрузкой. Решить проблему могут интенсивно развивающиеся оптические способы передачи информации. Преимущества связи при помощи света очевидны. Чем выше несущая частота, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ , потом метровые - КВ и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту' миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.
Для преобразования сигнала из световой формы в электрическую и обратно необходимы всевозможные оптические и оптоэлектрические устройства, разработка которых является весьма актуальной задачей. Необходимо отмстить, что все имеющиеся
на сегодня полупроводниковые светоизлучающие приборы основаны на бинарных и тринарных прямозонных полупроводниках. В то же время вся информация обрабатывается кремниевыми микропроцессорами и передается по волноводу на основе оксида кремния. Создание светоизлучающих структур на базе кремния позволило бы в рамках единого технологического цикла изготавливать оптоэлектронные интегральные схемы, способные обрабатывать, преобразовывать и передавать информацию.
Основная причина того, что кремний долгое время не рассматривался как материал перспективный дня оптоэлектроники, заключается в чрезвычайно низком квантовом выходе люминесценции в нем [1]. Однако, на сегодняшний день известно, по крайней мерс, два способа, позволяющих добиться эффективной люминесценции в материалах на основе кремния [1,2]. Первый заключается в модификации структуры энергетических зон Бі при уменьшении размеров кристаллов до единиц нанометров. Другой метод основан на введении в кремниевую матрицу активаторов люминесценции (например, ионов редкоземельных элементов).
В данной работе рассматриваются различные кремниевые наноструктуры, в которых реализуются оба вышеуказанных способа. Эффективная люминесценция пористого кремния (ПК), а также кремниевых нанокристаллов в оксидной матрице (пс-Бі/БіОг) обусловлена присутствием в их структуре кристаллов нанометрического размера. Также были исследованы образцы структур пс-8і/8і02 с внедренными в них ионами эрбия (Ег3*). Последние люминссцируют на длине волны 1.5 мкм, соответствующей максимуму пропускания оптических волоконных линий связи.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. На примере пористого кремния различной морфологии (мезопористого (мезо-ПК) и нанопористого кремния (нано-ПК)), а также монокристаллических иодюжек, на которых ПК был сформирован, провести экспериментальное и теоретическое
исследование изменений в рекомбинационных процессах при переходе от объемного кремния к системе изолированных кремниевых нанокристаллов.
2. Изучить роль диэлектрического окружения в экситонных процессах в кремниевых квантовых нитях. Провести экспериментальную проверку влияния диэлектрической неоднородности среды на энергию связи экситонов в квантовых нитях ПК.
3. Исследовать факторы, определяющие концентрацию равновесных носителей заряда в ПК.
4. Провести комплексное исследование характеристик фотолюминесценции (ФЛ) упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в 8102 матрице, легированных и нелегированных ионами Ег3+.
Для решения поставленных задач был применен комплекс методов исследования включающих фотолюминесценцию (в температурном интервале от 6 до 450 К), ФЛ с временным разрешением, инфракрасную (ИК) Фурье спектроскопию, спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
1) Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолскулярный характер. Предложена теоретическая модель рекомбинационных процессов в кремниевых наноструктурах.
2) Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезо-ПК кремния. Заполнение пор жидким диэлектриком приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезо-ПК кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.
3) Определена энергия ионизации примеси бора в мезо-ПК кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах ПК энергия ионизации легирующей примеси бора может увеличиваться но сравнению с кристаллическим кремнием.
4) Исследованы спектры и кинетики ФЛ нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на ширины спектров и времена релаксации фотолюминесценции ионов эрбия в струк1урах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.
5) Показано, что энергия оптического возбуждения наиокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться ионам Ег3+ с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от наиокристаллов к ионам Ег3* возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света.
, 6) Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в
исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии (механизм Форстера) между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами Г- оболочки ионов Ег3*.
Автор защищает:
1) Новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в ПК различной морфологии.
2) Новую информацию о факторах, определяющих концентрацию равновесных носителей заряда в Г1К.
3) Способ управления величиной энергии ионизации легирующей примеси в наноструктурах ПК.
+
9
- Київ+380960830922