Влияние микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев (1102591), страница 4
Текст из файла (страница 4)
рис.7).600Рис. 7. Зависимости показателей преломления (no, ne)и величины двулучепреломления (Δn) от волновогочисла для ЩКС (А = 5 мкм), полученной на подложкес =1-10 мОм·см. Сплошные линии – расчет помодели эффективной среды (пористость p = 0.56,NСНЗ = 1·1019 см-3, g = 420 см-1).обусловленныйвкладомСНЗвэффективнуюдиэлектрическую проницаемость гетеросистемы. Из рис. 7 также видно, чтоэкспериментальные спектры хорошо описываются расчетными кривыми,полученными с использованием модели эффективной среды для слоистойсистемы, дополненной моделью Друде-Лоренца.В разделе 4.4 рассмотрено влияние фотовозбужденных СНЗ надвулучепреломление ЩКС.
Вклад СНЗ в эффективную диэлектрическую19проницаемость ЩКС может приводить к существенной модификацииоптических свойств образцов и, в частности, величины двулучепреломления.Фотовозбуждение носителей заряда осуществлялось линейно поляризованнымизлучением с λ = 1.064 мкм. Обнаружено, что с увеличением концентрациифотовозбужденных СНЗ происходит уменьшение коэффициента пропусканияЩКС в дальнем ИК диапазоне спектра, что хорошо описывается увеличениемпоглощения на СНЗ. При увеличении концентрации фотовозбужденных СНЗнаблюдалась существенная модификация спектральной зависимости величиныдвулучепреломления, а также уменьшение его абсолютного значения.
Прииспользованных интенсивностях фотовозбуждения до 10 Вт/см2 удавалосьдостичь изменения величины двулучепреломления до 3%. Полученныеэкспериментальныеданныехорошоописываютсяврамкахмоделиэффективной среды с учетом влияния СНЗ по модели Друде-Лоренца.ПятаяглавапосвященаисследованиюФЛиКРСвнаноструктурированных ЩКС (нано-ЩКС). В разделе 5.1 представленыэкспериментальные данные по ФЛ и КРС в изученных структурах.Обнаружено, что для всех исследованных образцов наблюдалась интенсивнаяФЛ в виде широкой полосы в диапазоне 550–900 нм с максимумом на 650–700нм. Данная ФЛ объясняется излучательной рекомбинацией экситонов вкремниевых нанокристаллах в слое микропористого кремния (микро-ПК),покрывающего стенки нано-ЩКС.
Характерные спектры ФЛ нано-ЩКС и слоямикро-ПК, образовавшегося на подложке c-Si после химического травленияпри аналогичных условиях, представлены на рис. 8. Интенсивность сигнала ФЛдля нано-ЩКС многократно (~ 10 раз) превосходит интенсивность сигнала ФЛдля слоя микро-ПК. Помимо ФЛ в видимом диапазоне спектра, для нано-ЩКСнаблюдалась межзонная ФЛ при возбуждении излучением с λ = 1.064 мкм,которая существенно (~ 3 раз) превышала сигнал ФЛ для исходных образцовЩКС. Данное увеличение интенсивности межзонной ФЛ можно объяснитьуменьшениемскоростиповерхностнойрекомбинациипослепроцессахимического травления.
Исследование КРС в образцах нано-ЩКС при20возбуждении излучением с λ =0.488мкмпоказало,1,00,8оказываетсясущественно больше, чем дляисходных образцов ЩКС и слояIФЛ , отн. ед.интенсивность сигнала КРС длянано-ЩКСПК, полученного при тех жеусловиях. Рост интенсивности0,60,40,20,0сигнала КРС для нано-ЩКСможно объяснить уменьшениемпоглощенияизлученияструктуре,что- нано- ЩКС- микро- ПК- ЩКСчтовувеличивает500600700800900, нмРис. 8. Спектры ФЛ для образца ЩКС, нано-ЩКС,и слоя микро-ПК на подложке c-Si, полученногопри тех же условиях.
Длина волны возбуждающегоизлучения 0.337 мкм.объем вещества, взаимодействующего с излучением. Помимо многократногороста интенсивности сигнала КРС для образцов нано-ЩКС, полученныхпосредствомхимическоготравленияЩКСснаименьшейтолщинойкремниевых стенок, наблюдалось существенное уширение линии КРС(~ 2 см-1), а также ее низкочастотный сдвиг до значения ~ 519 см-1, чтоуказываетнаприсутствиенитевидныхкремниевыхнанокристалловсдиаметрами 7 - 8 нм. Это говорит о том, что в полученных образцах пористыйслой, покрывающий поверхность нано-ЩКС, представляет, по-видимому,двухфазную систему, состоящую из тонкогослоя люминесцирующихнанокристаллов и слоя более крупных нанокристаллов.Раздел5.2посвященизучениюполяризационныхзависимостейинтенсивности ФЛ в видимом диапазоне спектра для нано-ЩКС.
Установлено,что ФЛ таких структур имеет преимущественную поляризацию вдолькристаллографическогонаправления,совпадающегоснаправлениемкремниевых стенок в ЩКС, что можно объяснить анизотропией формыщелевой кремниевой микроструктуры.21ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫВработебылиизученыоптическиесвойстващелевыхкремниевыхмикроструктур, сформированных и модифицированных различными методами,включая наноструктурирование поверхности кремниевых слоев, а такжемногослойных структур на основе пористого кремния, и выявлены основныезакономерности влияния структурных параметров образцов и концентрациисвободных носителей заряда в них на эффективные показатели преломления,двулучепреломление, дихроизм и эффективность комбинационного рассеяниясвета в таких системах. Были получены следующие основные результаты:1.Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможностьмногократного увеличения эффективности комбинационного рассеяниясвета ближнего инфракрасного диапазона спектра на краю фотоннойзапрещенной зоны в периодических слоистых структурах на основепористого кремния.2.Обнаруженоувеличение(до8раз)интенсивностисигналакомбинационного рассеяния света видимого и ближнего инфракрасногодиапазонов спектра в щелевых кремниевых микроструктурах с периодомот 4 до 24 мкм по сравнению с подложкой c-Si, что объясняетсяэффектами слабой локализации излучения в щелях и кремниевых слоях.3.Установлено,чтодлящелевыхкремниевыхмикроструктуринтенсивность комбинационного рассеяния света при возбуждениисветом с длиной волны 1.064 мкм практически линейно зависит отлогарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015до 1019 см-3 , что объясняется поглощением света на свободных носителяхзаряда и эффектом Фано.4.Обнаружено многократное (в 10-20 раз) увеличение интенсивностисигнала комбинационного рассеяния света на локальных колебанияхмолекул (бензола, четыреххлористого углерода, этанола, ацетона),помещенных в щелевые кремниевые микроструктуры, что открывает22возможностьиспользованиятакихструктурдляпостроениявысокочувствительных сенсоров на молекулы с оптическим методомсчитывания информации.5.Установлено, что величина сигнала межзонной фотолюминесценции вщелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении излучением сдлиной волны 1.064 мкм в 10-50 раз выше, чем для подложки с-Si, к томужефотолюминесценциякремниевыхмикроструктуробладаетпреимущественной поляризацией, задаваемой ориентацией кремниевыхструктур.6.Методом поляризационно-чувствительной инфракрасной спектроскопииисследованы спектральные зависимости показателей преломления ивеличины двулучепреломления в дальнем и среднем инфракрасномдиапазонах спектра щелевых кремниевых микроструктур с различнойконцентрацией равновесных и неравновесных носителей заряда иустановлено, что экспериментальные результаты для рассматриваемогодиапазона спектра хорошо описываются в рамках модели эффективнойсреды с учетом взаимодействия света со свободными носителями зарядапо модели Друде-Лоренца.7.Исследованыоптическиесвойствамодифицированныхщелевыхкремниевых микроструктур со слоями микропористого кремния наповерхностикремниевыхстенокиобнаружено,чтонаноструктурирование поверхности стенок приводит к дополнительномуросту интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света привозбуждении видимым излучением, а также к появлению интенсивнойфотолюминесценции в диапазоне 550 – 900 нм, обусловленнойизлучательной рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокристаллах вмикропористых слоях.23Цитируемая литература1.D.
L. Kendall // Ann. Rev. Mater. Science, 1979, v. 9, pp. 373-403.2.E.В. Астрова, T.S. Perova, В.А. Толмачев, А.Д. Ременюк, J. Vij, A. Moore //ФТП, 2003, т. 37, вып. 4, с. 417–421.3.В.А. Толмачев, Л.С. Границына, Е.Н. Власова, Б.З. Волчек, А.В. Нащекин,А.Д. Ременюк, Е.В. Астрова // ФТП, 2002, т. 36, вып. 8, с. 996–1000.4.O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surface Science Report, 2000, v. 38, pp.
1–126.5.А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах, 1987, М.: Мир.6.J. B. Renucci, R. N. Tyte, M. Cardona // Phys. Rev. B, 1975, v. 11, pp. 38853895.7.Л.А. Осминкина,Е.В. Курепина,А.В. Павликов,В.Ю. Тимошенко,П.К. Кашкаров // ФТП, 2004, т. 38, в. 5, с. 603-609.8.A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.G. Calcott // J. Appl. Phys, 1997, v. 82, pp.
909 –964.9.B. Bulakh, N. Korsunska, L. Khomenkova, T. Stara, Ye. Venger, T. Kryshtab,A. Kryvko // J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 2009, v. 20, pp. 226–229.10. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, 1973, М.: Наука.11. S. H. Zaidi, An-Sh. Chu, S. R. J. Brueck // J. Appl. Phys., 1996, v. 80, pp. 6997–7008.12. Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // УФН, 2007, т. 177, № 6,с. 619-673.24СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИA1. L.A.
Osminkina, A.S. Vorontsov, S.A. Kutergin, A.E. Tkachenko, D.A.Mamichev, A.V. Pavlikov, E.A. Konstantinova, V.Yu. Timoshenko, P.K.Kashkarov “Influence of iodine molecule adsorption on electronic properties ofporous silicon studied by FTIR and EPR spectroscopy” // Phys. Status Solidi (c),2007, v.
4, Issue 6, pp. 2121-2125.A2. Н.А.Пискунов,С.В.Заботнов,Д.А.Мамичев,Л.А.Головань,В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров “Модификация двулучепреломляющихсвойствнаноструктурированногокремнияприизмененииуровнялегирования подложки бором” // Кристаллография, 2007, т. 52, № 4, стр.711–715.A3. А.В. Зотеев, Л.А.Головань, Е.Ю. Круткова, А.В. Лактюнькин, Д.А.Мамичев, П.К. Кашкаров, В.Ю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
