Структурные и оптические свойства нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния (1104916)
Текст из файла
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.
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}
