Влияние микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев (1102591)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиМамичев Дмитрий АлександровичВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ НАОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЕВЫХ СЛОЕВСпециальность 01.04.10Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Московского государственного университета имениМ.В.
Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Тимошенко Виктор ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Белогорохов Александр Ивановичкандидат физико-математических наук,доцент Федотов Андрей БорисовичВедущая организация:Санкт-Петербургский государственныйуниверситет информационных технологий,механики и оптики (СПбГУ ИТМО)Защита состоится “ 15 ” октября 2009 года в 1600 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 “ 11 ” сентября 2009 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьдоминирующейтемырольюпредставленныхполупроводниковыхисследований,микро-иобусловленананоструктурвсовременных оптоэлектронных технологиях.
Изучение структур на основекристаллического кремния (c-Si) весьма актуально, поскольку данный материалявляется базовым для современной микроэлектроники. В качестве примеровкремниевых микро- и наноструктур в работе рассмотрены щелевые кремниевыеструктуры (ЩКС) и пористый кремний (ПК). ЩКС представляют собойпериодическую слоистую структуру, состоящую из пустот (щелей) и слоев c-Si[1].Известно,чтоЩКСхарактеризуютсяисключительносильнойанизотропией оптических свойств [2], а также проявляют свойства одномерныхфотонных кристаллов (ФК) в инфракрасной (ИК) области спектра [3].
ПК,полученный методом электрохимического травления, представляет собойкомпозитный материал, состоящий из кремниевых остатков – нанокристаллов,разделенных пустотами – порами [4]. Многослойные структуры на основе ПКмогут проявлять свойства одномерных ФК с фотонной запрещенной зоной(ФЗЗ), перестраиваемой в зависимости от толщин слоев, их эффективныхпоказателей преломления и угла падения излучения на образец [5].Эффективный показатель преломления такой структуры сильно изменяется награнице ФЗЗ, что может привести к росту эффективности нелинейныхоптических процессов и комбинационного (рамановского) рассеяния света(КРС) [6]. Важным фактором, влияющим как на интенсивность КРС, так и наанизотропию показателя преломления в структурах на основе c-Si, являетсяприсутствие свободных носителей заряда (СНЗ), которые могут вноситьсущественный вклад в эффективную диэлектрическую проницаемость системы,определяющуюеенаноструктурированиеоптическиеc-Siхарактеристикиприводитк[7].появлениюИзвестно,чтоинтенсивнойфотолюминесценции (ФЛ) в видимом диапазоне спектра [8], что в комбинациисо свойствами ФК открывает новые возможности для создания кремниевыхсветоизлучающих устройств [9].
Все это обуславливает актуальность задачи3по исследованию влияния микро- и наноструктурирования на оптическиесвойства кремниевых слоев.К моменту постановки данного диссертационного исследования внаучной литературе отсутствовали надежные данные по КРС в многослойныхкремниевых микроструктурах.
Не было изучено влияние СНЗ на интенсивностьКРС, величину показателя преломления и двулучепреломление в ЩКС.Отсутствовали данные по межзонной ФЛ в ЩКС и, в частности, пополяризационным характеристикам ФЛ. Не был изучен вопрос о влияниифизико-химических обработок, таких как химическая пассивация поверхностии наноструктурирование на оптические свойства ЩКС.Целью работы являлось исследование влияния структурных параметрови вклада свободных носителей заряда в щелевых кремниевых микроструктурахи многослойных структурах на основе пористого кремния на их оптическиесвойства, а именно, эффективность комбинационного рассеяния света,дисперсиюпоказателяпреломления,двулучепреломлениеифотолюминесценцию.В работе были поставлены следующие задачи:1.Исследовать влияние структурных характеристик щелевых кремниевыхмикроструктур и многослойных структур на основе пористого кремния наэффективность комбинационного рассеяния света в них.2.Изучить комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевыхмикроструктурах,заполненныхразличнымидиэлектрическимивеществами.3.Исследовать межзонную фотолюминесценцию и ее поляризационныехарактеристики для щелевых кремниевых микроструктур с различнойстепенью пассивации поверхностных дефектов.4.Исследовать влияние равновесных и неравновесных носителей заряда накомбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых микроструктурах.5.Экспериментально и теоретически исследовать влияние свободныхносителей заряда на эффективный показатель преломления щелевых4кремниевых микроструктур.6.Изучитьвлияниенаноструктурированиящелевыхкремниевыхмикроструктур на их фотолюминесцентные свойства и эффективностькомбинационного рассеяния света.Для решения поставленных задач был применен комплекс различныхметодов исследования, включающий поляризационно-чувствительную ИКФурье-спектроскопию,сканирующуюэлектроннуюмикроскопию,спектроскопию комбинационного рассеяния света и фотолюминесценцию, атакже спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнабора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, а также детальныманализом физических явлений и процессов, определяющих оптическиесвойства исследуемых структур.
В значительной степени достоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсяхорошимсогласиеммеждуэкспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными врамках общепринятых физических моделей.Автор защищает:1.Вывод о возможности усиления комбинационного рассеяния света на краюфотонной запрещенной зоны в периодических слоистых структурах,сформированных на основе пористого кремния.2.Выводомногократномвозрастанииинтенсивностисигналакомбинационного рассеяния света на фононах кристаллической решеткикремния в щелевых кремниевых микроструктурах с толщиной стенок от 1до 7 мкм и периодом от 4 до 24 мкм при возбуждении светом с длинамиволн 0.488, 0.633 и 1.064 мкм по сравнению с пластинами c-Si.3.Утверждение о линейной зависимости интенсивности комбинационногорассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах от логарифмаконцентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см-3.54.Вывод об усилении сигнала комбинационного рассеяния света наколебательных модах молекул, конденсированных в щелевых кремниевыхмикроструктурах.5.Утверждение о росте концентрации фотовозбужденных носителей заряда ивозрастании интенсивности межзонной фотолюминесценции в щелевыхкремниевых микроструктурах по сравнению с подложкой с-Si привозбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм, а также результатыпо влиянию обработки поверхности кремниевых микроструктур наинтенсивность их фотолюминесценции.6.Вывод о зависимости эффективных показателей преломления и величиныдвулучепреломления в щелевых кремниевых микроструктурах в ИКдиапазоне спектра от значения концентрации свободных носителей заряда,а также предложенное теоретическое описание экспериментальныхрезультатов на основе модели эффективной среды с учетом влияниясвободных носителей заряда по модели Друде-Лоренца.7.Новые данные по влиянию наноструктурирования щелевых кремниевыхмикроструктур на фотолюминесценцию и комбинационное рассеяниесветавних,которыезаключаютсявпоявленииинтенсивнойфотолюминесценции в диапазоне 550 – 900 нм, связанной со слоемкремниевых нанокристаллов на поверхности кремниевых стенок иувеличении интенсивности комбинационного рассеяния света на TOфононах кристаллической решетки кремния.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1)Экспериментально и теоретически продемонстрирована возможностьувеличения эффективности комбинационного рассеяния света на краюфотоннойзапрещеннойзонывпериодическихструктурах,сформированных на основе пористого кремния.2)Обнаружено многократное увеличение интенсивности комбинационногорассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах, полученныхметодом реактивного ионного травления, при возбуждении их видимым6или инфракрасным излучением по сравнению с пластинами c-Si.3)Установлено, что усиление комбинационного рассеяния света в щелевыхкремниевых микроструктурах при возбуждении светом с длиной волны1.064 мкм связано с эффектом слабой локализации излучения вкремниевых стенках толщиной порядка нескольких микрометров.4)Обнаружено многократное увеличение эффективности рамановскогорассеяния света на локальных колебаниях молекул, адсорбированных наповерхности стенок в щелевых кремниевых микроструктурах, чтопозволяетиспользоватьихдляпостроениявысокочувствительныхсенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации.5)Экспериментальнонайденазависимостьинтенсивностисигналакомбинационного рассеяния света на длине волны 1.064 мкм в щелевыхкремниевых микроструктурах от логарифма концентрации свободныхносителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см-3.6)Обнаружено, что щелевые кремниевые микроструктуры при возбужденииизлучением с длиной волны 1.064 мкм обладают более интенсивной посравнению с подложкой c-Si фотолюминесценцией, обусловленноймежзонной излучательной рекомбинацией носителей заряда.7)Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободныхносителей заряда на величину двулучепреломления и дихроизм в щелевыхкремниевых микроструктурах.8)Впервыеисследованокремниевыхстеноквлияниещелевыхнаноструктурированиякремниевыхповерхностимикроструктурнаихфотолюминесцентные свойства и явление комбинационного рассеяниясвета в таких структурах.Научная и практическая значимость работы заключается в полученииновых данных, которые являются важными как для понимания влиянияструктурных параметров многослойных кремниевых микро- и наноструктур наих электронные и оптические свойства, так и в прикладном плане – длясозданиясенсоровнамолекулыс7оптическимметодомсчитыванияинформации и новых элементов для управления светом на основе кремния.Личный вклад.
Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях итеоретическом анализе полученных результатов является определяющей.Апробация результатов работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 10 работах, изкоторых 4 статьи в научных журналах и сборниках и 6 тезисы в сборникахдокладов и трудов конференций. Апробация работы проходила на следующихконференциях: Ломоносовские чтения 2006, секция Физика, Москва, Россия2006; 5th International Conference on Porous Semiconductors – Since andTechnology (PSST 2006), Sitges-Barcelona 2006; 3rd International Conference onMaterials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau,Moldova2006;3rdInternationalConferenceonMicro-Nanoelectronics,Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007), Athens, Greece 2007; XIВсероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах”,Звенигород, Россия 2008; 4th International Conference on Materials Science andCondensed Matter Physics (MSCMP 2008), Chisinau, Moldova 2008.Структура и объем работы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
