Структурные и оптические свойства нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиМаслова Наталья ЕвгеньевнаСТРУКТУРНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАНАНОКЛАСТЕРОВ КРЕМНИЯ В МАТРИЦЕ СУБОКСИДАКРЕМНИЯСпециальность 01.04.10Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Московского государственного университета имениМ.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,Тимошенко Виктор ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Герасименко Николай Николаевичкандидат физико-математических наук,Трифонов Артем СергеевичВедущая организация:Институт общей физики им.

А.М. ПрохороваРАНЗащита состоится “_____” июня 2010 года в _____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском ГосударственномУниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, д. 1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективногопользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “____” мая 2010 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

В последнее время активно развивается технологияформирования полупроводниковых наноструктур иведутся работыповсестороннему изучению их физических свойств. Это обусловлено рядомфакторов, в частности, потребностями в совершенствовании материальныхоснов информационной техники и возможностями обнаружения новыхфизических явлений, в том числе, в уже хорошо изученных веществах.Учитывая, что кристаллический кремний (c-Si) является базовым материаломсовременноймикроэлектроникиикомпьютернойтехники,пристальноевнимание уделяется изучению кремниевых нанокристаллов (nc-Si), свойствакоторыхсущественноотличаютсяоттаковыхдляобъемныхфазмонокристаллического (c-Si) и аморфного (a-Si) кремния.

Установлено, чтонаряду с квантовым размерным эффектом, значительную роль для свойствнанокристаллических кремниевых систем могут играть электронные иколебательные состоянияна развитой поверхности nc-Si. Свойства такихсостояний в значительной степени определяются тем, в какой матрицерасположены нанокристаллы.

Более того, через твердотельную матрицу можетосуществлятьсяэлектрическоеилиоптическоевозбуждениеnc-Si,чтонеобходимо для их применений при создании нового класса светоизлучающихустройств, совместимых с планарной кремниевой технологией интегральныхсхем. В качестве одного из основных материалов для светоизлучающихустройств рассматривается нанокомпозит nc-Si/SiO2, представляющий собойансамбль nc-Si, внедренный в аморфную матрицу оксида кремния [1]. Следуетотметить, что nc-Si с размерами 2-5 нм, как правило, демонстрируют высокуюэффективность люминесценции [2], что выгодно отличает их от c-Si, длякоторого, вследствие непрямозонности данного полупроводника, вероятностьизлучательной рекомбинации носителей заряда мала.

При этом в качествеперспективных систем предлагается использовать структуры частично илиполностью аморфных нанокластеров кремния (ac-Si), для формирования3которых,какправило,требуютсяменьшиетемпературыотжига[3].Установлено, что образцы с ac-Si в легированной эрбием оксидной матрицемогут обладать лучшими люминесцентными свойствами, чем структуры снанокристаллами [4]. В то же время, несмотря на большие усилия по разработкекремниевых светоизлучающих диодов [1,2], их эффективность пока ненедостаточна для практических применений. Одной из причин является то, чтоинжекция носителей заряда в nc-Si/SiO2 структурах затруднена [1]. Для решенияданной проблемы необходима оптимизация размеров нанокристаллов, ихконцентрации в активном слое, а также правильный выбор твердотельнойматрицы,обеспечивающейлюминесцентныхвысокуюхарактеристик.эффективностьНаправлением решенияистабильностьданнойзадачиявляется создание структур с концентрацией кремниевых нанокластеров вышетак называемого порога перколяции, который для трехмерного случаясоставляет около 16 % по объему [5].

Все это требует как разработки новыхспособов формирования систем на основе нанокластеров кремния, так иразвития методов исследования их свойств. Перспективными методамисоздания структур с высокой концентрацией люминесцирующих кремниевыхнанокластеров являются высокотемпературный отжиг слоев субоксида кремния[6], а также химическое травление слоев микрокристаллического кремния [7].

Вкачестве эффективных инструментов исследования таких систем широкоиспользуются бесконтактные оптические методы, позволяющие определять каксостав, так и структурные характеристики нанокомпозитных материалов наоснове кремния [8-10].К моменту постановки данного диссертационного исследования в научнойлитературе отсутствовали систематические данные о влиянии структурныххарактеристик систем на основе кремниевых нанокластеров в матрице оксидакремния на их оптические и люминесцентные свойства. Несмотря на то, чтотакого типа системы, полученные высокотемпературным отжигом слоевсубоксида кремния, исследовались в ряде работ, полная картина процессов4формирования нанокластеров кремния и их трансформация в структурынанокристаллов до сих пор отсутствует. В то же время, такая информациякрайневажнадляразработкисветоизлучающихустройствнаосновекремниевых наноструктур.Целью работы являлось выявление особенностей структурных иоптических свойств нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния приразличных концентрациях нанокластеров, а также построение моделейфизическихпроцессов,протекающихвтакихсистемах,привысокотемпературном отжиге и фотовозбуждении.В работе были поставлены следующие задачи:1.Исследовать влияние параметров высокотемпературного отжиганаструктурные и оптические свойства слоев субоксида кремния с цельюнахожденияхарактерныхтемпературформированияаморфныхнанокластеров кремния, их кристаллизации и последующей трансформациив систему связанных нанокристаллов.2.Разработать методику неразрушающего контроля структурных свойствслоев субоксида кремния, включая определение индекса стехиометрии,объемной доли фаз аморфного и кристаллического кремния и среднегоразмера нанокристаллов.3.Исследовать роль подложки и температуры отжига слоев субоксидакремния на структурные и фотолюминесцентные свойства образующихсянанокристаллов кремния.4.Изучитьзависимостьфотолюминесцентныхсвойстваморфныхикристаллических нанокластеров кремния от их концентрации в слояхсубоксида кремния с целью выявления роли перколяции в системахсвязанных нанокластеров.5.Исследовать возможность формирования слоев, содержащих высокуюконцентрацию люминесцирующих нанокластеров кремния, при помощи5термического отжига слоев аморфного кремния.Для решения поставленных задач был применен комплекс методовисследования, включающий просвечивающую электронную микроскопию(ПЭМ), оптическую спектроскопию отражения и поглощения, инфракрасную(ИК) Фурье-спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния (КРС)и метод фотолюминесценции (ФЛ).Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнабора взаимодополняющих экспериментальных методов, детальным анализомфизических явлений и процессов, определяющих свойства исследуемыхструктур.Автор защищает:1.Вывод о наличии пороговых значений концентраций аморфных икристаллических нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния, прикоторых происходит образование систем связанных нанокластеров свозможностью перколяции по ним фотовозбужденных носителей заряда.2.Новые результаты по зависимости объемной доли и средних размеровнанокристаллов кремния в слоях субоксида кремния от температуры отжигаданных структур, приготовленных на подложках из кварца и сапфира.3.Вывод о зависимости времен жизни фотолюминесценции нанокристалловкремния от концентрации последних в матрице субоксида кремния.4.Предложенный метод формирования слоев люминесцирующих кремниевыхнанокристаллов посредством быстрого термического отжига аморфногокремния с последующим химическим травлением.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Впервые экспериментально исследованы закономерности формированиясистем связанных аморфных и кристаллических нанокластеров кремния вматрице субоксида кремния при ее высокотемпературном отжиге ипредложено объяснение их фотолюминесцентных свойств в рамках теории6перколяции.2.Предложен и реализован метод одновременного экспериментальногонахожденияобъемнойдолиисреднихразмеровкремниевыхнанокристаллов в слоях субоксида кремния по спектрам ИК поглощения икомбинационного рассеяния света.3.Обнаруженоуменьшениевременижизнифотолюминесценциинанокристаллов кремния при увеличении их концентрации выше порогаперколяции, что указывает на возможность миграции экситонов по системесвязанных нанокристаллов.4.Предложенновыйметодформированияслоевлюминесцирующихнанокластеров кремния посредством быстрого термического отжигааморфного кремня в комбинации с химическим травлением.Научная и практическая значимость работы состоит в полученииновых результатов, характеризующих зависимость структурных и оптическихсвойств ансамблей нанокластеров кремния от условий их формирования, и вобъяснении полученных данных в рамках единой модели структурно-фазовыхтрансформаций с учетом возможной перколяции фотовозбужденных носителейзарядапосистемамсвязанныхнанокластеров.Особуюпрактическуюзначимость имеет предложенный способ одновременного определения фазовогосостава пленки и среднего размера образующихся в ней наночастиц.