Структурные и оптические свойства нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния (1104916), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Такогорода информация может быть полезна при создании светоизлучающих структур,совместимых с планарной кремниевой технологией микроэлектроники.Личный вклад. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях итеоретическом анализе полученных результатов является определяющей.Апробация результатов работы.Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 17 работах, изкоторых 7 – статьи в научных журналах и сборниках (см. список публикаций) и10 – тезисы докладов в материалах конференций. Апробация проходила на7следующих конференциях: XII Международный симпозиум “Нанофизика иНаноэлектроника”, Нижний Новгород, Россия, 10-14 марта 2008; SEDWALWorkshop, Levico Terme – Trento, Italy, 13-15 April 2008; E-MRS 2008 SpringMeeting, Strasbourg, France, May 26-30, 2008; XI Международная конференция“Физика диэлектриков” (Диэлектрики – 2008), Санкт-Петербург, 2008; 17thInternational Laser Physics Workshop Trondheim, Norway, June 30 – July 4, 2008;International Conference “Advanced Laser Technologies” (ALT’08), Siofok,Hungary, September 13 – 18, 2008; 4th International Conference on Materials Scienceand Condensed Matter Physics, Chisinau, Moldova, September 23-26, 2008; XInternational Conference ILLA/LTL, Bulgaria, Smolyan, 18-22 October 2009; XIIIМеждународная научная конференция «Физико-химические процессы приселекции атомов и молекул», г.
Звенигород, Ершово, Московская область, 5-9октября 2009.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения и основных выводов, и списка цитируемой литературы из 128наименования. Общий объем работы составляет 128 страниц машинописноготекста, включая 86 рисунков и 8 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической ценности, приведены положения, выносимые назащиту, а также предоставлен перечень конференций, в рамках которыхпроисходила апробация работы, и список публикаций.Первая глава является обзором литературы и посвящена изложениюосновных подходов к описанию оптических свойств светоизлучающих систем,основанных на структурах nc-Si/SiO2.
В разделе 1.1 обсуждаются основныеметоды формирования кремниевых нанокластеров. Раздел 1.2 посвященметодам диагностики структурных свойств нанокристаллического кремния.Делается вывод о необходимости развития метода неразрушающего контроля8размеров нанокристаллов в исследуемых системах. В разделе 1.3 содержитсяинформацияовозможностяхпримененияметодаспектроскопиикомбинационного рассеяния света к анализу свойств нанокластеров кремния.Дается информация о факторах, влияющих на результаты такого анализа. Вразделе 1.4 обсуждаются особенности оптических свойств систем на основенанокластеров кремния в УФ, видимой и ближней ИК области спектра.Раздел 1.5посвященпроявлениюквантовогоразмерногоэффектавэлектронных и оптических свойствах кремниевых нанокристаллов.
Раздел 1.6содержит информацию об экспериментальных исследованиях свойств системкремниевых нанокластеров в матрице субокида кремния. В разделе 1.7сформулированы выводы из обзора литературы и поставлены задачиисследования.Втораяглавапосвященаописаниюметодовполученияиэкспериментального исследования образцов, изучаемых в диссертации. Вразделе2.1изложенаметодикаизготовленияиосновныепараметрыисследуемых структур. Для их приготовления использовались несколькометодов, которые позволяли менять как размер, так и концентрациюнанокластеров. В образцах типа I 1 осаждение на подложки Si, SiO2 и Al2O3пленок SiOx с x = 1 – 1,2 осуществлялось из исходного гранулированногопорошка SiO методом резистивного испарения и конденсации в вакууме навакуумной установке ВАК-600 при остаточном давлении Р ≤ 10-3 Па. Режимыосаждения пленок варьировались температурой подложки Т = 100 – 400 оС искоростью осаждения V = 2 – 20 Å/с.
Толщины пленок SiOx в случае кремниевойподложки составляли d = 80 – 500 нм, а в случае подложек из плавленого кварцаи сапфира – d = 250 – 500 нм. Термический отжиг образцов проводился в печи ватмосфере азота при температурах Ta = 350 – 1200 оС в течение ta = 0.1 – 4 ч.Образцы типа II были получены одновременным распылением мишеней Siи SiO2 с последующим отжигом в атмосфере азота N2 при Ta =1100 оС и ta = 1 ч.1Образцы типа I были приготовлены в Институте Проблем Лазерных и Информационных Технологий РАН ипредоставлены В.Н. Семиноговым.9Толщина таких пленок составляла 300 нм.
Данные образцы 2 представляютсобой пример структур с относительно низкой концентрацией нанокристаллов,взаимодействием между которыми можно пренебречь.Образцы типа III 3 были получены быстрым термическим отжигом слоева-Si при температурах 900 - 950 оС. В данной серии присутствуют 4 образца,отличающиеся способом отжига (быстрый термический или отжиг в печи) ипоследующим химическим травлением. Время травления варьировалось от 3 сдо 15 мин в растворах HF:HNO3(1000:1) и HF:FeCl3:HCl(1:2:2). Толщина пленокэтой серии образцов составила 100 - 1000 нм.В разделе 2.2 описаны экспериментальные установки и приборы,использованные в работе. Для анализа структурных свойств образцовпроводились исследования на просвечивающем электронном микроскопеLEO 912 AB.
Помимо наблюдения картин, полученных в режиме прошедших иотраженныхэлектронов,такжеанализировалиськартиныэлектроннойдифракции 4 . Измерение спектров пропускания инфракрасного излученияобразцов осуществлялось с помощью ИК-спектрометра с обратным Фурьепреобразованием Bruker IFS 66 v/S в спектральном диапазоне 350 – 9000 см-1 сразрешением 2 см-1. Измерение спектров оптического отражения и поглощениябыло проведено на спектрофотометре Perkin-Elmer в диапазоне 200 – 1100 нм.Также в этом разделе приведены схемы экспериментальных установок дляизмерения спектров комбинационного рассеяния, а также спектров и кинетикфотолюминесценции. Измерение спектров КРС производилось на установкеMicroRaman LabRAM HR Visible.
В качестве источника возбужденияиспользовалось излучение Ar-лазера на длине волны 488 нм. Для измеренияспектров фотолюминесценции были использованы следующие источникивозбуждающего излучения: 1) импульсный N2-лазер (энергия квантов hν = 3.72Образцы типа II были приготовлены в группе M.Fujji в Университете Кобе (Япония).Образцы типа III были приготовлены в Казахском Национальном Университете им. Аль-Фараби в группепрофессора Т.И. Таурбаева.4Измерения были выполнены С.А.
Абрамчуком в лаборатории электронной микроскопии МГУим. М.В. Ломоносова.310эВ, длительность импульса τ = 10 нс, энергия в импульсе E = 80 мкДж, частотаследования импульсов ν = 10 Гц); 2) непрерывный Ar+ лазер (энергия квантов hν= 2.55 эВ, средняя мощность Pср = 5 мВт); 3) непрерывный Nd:YAG лазер(энергия квантов hν = 1.17 эВ, средняя мощность Pср = 1 ÷ 270 мВт).
Схемаэкспериментальной установки приведена в этом же разделе.Третьяглавапосвященаэкспериментальномуисследованиюструктурных и оптических свойств ансамблей нанокластеров кремния,сформированных с помощью различных методов. В разделе 3.1 приведеныизображения ПЭМ и картины дифракции электронов для исследуемых образцов.Из их анализа делается вывод о появлении как фракции ас-Si (при низкихтемпературах отжига), так и nc-Si (при Ta =900-1100 оС) в исследуемыхструктурах.Изкартиндифракцииобразцов,содержащихкремниевыенанокристаллы, было проведено вычисление межплоскостных расстояний,величины которых оказались примерно равны значениям для с-Si.Раздел3.2нанокластерамипосвященкремниявизучениюУФ,оптическихвидимомисвойствближнемобразцовсИК-диапазонах.Исследование спектров отражения показало, что с увеличением температурыотжига происходит изменение периода интерференционных экстремумов, что,по-видимому,являетсяследствиемобразованиянекойподсистемынанокластеров; в спектре все отчетливее проявляются пики отражения,соответствующие прямым оптическим переходам в c-Si, что указывает напоявление nc-Si.
Делается вывод о том, что в процессе термического отжигаSiOx может претерпевать последовательные превращения, в результате которыхчасть атомов кремния выделяется в виде нанокластеров, исходная пленкатрансформируется в систему nc-Si/SiOy с y > x , которая представляет собойматрицу SiOy с внедренными в нее нанокластерами атомов Si. Данную реакциюразделения фаз можно описать формулой:y SiOx → (y – x) Si + x SiOy.(1)Так как кремний прозрачен в области 990 – 1100 см-1, то ИК спектр11поглощения в данной области характеризует состояние матрицы SiOy. А именно,сувеличениемтемпературыотжигапроисходитизменениеиндексастехиометрии у, что ведет к смещению частоты пика поглощения (Ωпик) насвязях О-Si-O [8].
Проведенная нами экстраполяция экспериментальных данныхпо смещению пика поглощения дает следующую формулу для определенияиндекса стехиометрии:y = 1 + a (Ω пик − 980) + b(Ω пик − 980) 2 − c(Ω пик − 980) 3 ,a = 2.1 × 10 − 3 см , b = 1.05 × 10 − 4 см 2 , c = 2.85 × 10 − 7 см 3 ,(2)где Ωпик задается в см-1.Таким образом, можно определить зависимость параметра у оттемпературы Та. Такая зависимость для больших длительностей отжигаприведена на рис.
1. Очевидно, что при высоких температурах отжига матрицаSiOy должна преобразовываться в SiO2, что в пределах погрешности инаблюдается в эксперименте. Далее, в работе с использованием полученногоиндекса стехиометрии были получены зависимости объемной доли кремния,содержащегося в нанокластерах, от температуры и длительности отжига.Из рис. 1 видно, что в случае исходной пленки с x = 1 при Та = 580 - 600 оС0.352.00.30a0.251.80.20VSi1.6yб1.40.150.101.20.051.00.00200400600Та ,800о1000 1200200С4006008001000 1200оТa, СРис.
1. Зависимости индекса стехиометрии y (а) и объемной доли VSi (б) от температурыотжига Ta исходных пленок SiOx (x ≈ 1). Отжиг проводился в течение 1 часа(незаполненные символы) и 2 часов (заполненные символы).12объемная доля фазы кремния достигает 0.16. Это значение является пороговымдля наступления перколяции [5]. При этом, очевидно, могут образовыватьсяцепочки ас-Si. Пленки с Vc-Si < 0,16, по-видимому, состоят из преимущественноизолированныхсубоксидаac-Si.кремнияПерколяционнаяможетпривестиперестройкакизменениюструктурыихпленокоптическихилюминесцентных свойств.КРС (рис.
2) делается вывод о том,чтопроцесскристаллизациикремния начинается при Та = 900о950 С,когданаблюдаетсярассеяния-1520 см .вспектраххарактерныйнаТакимчастотепикоколообразом,висследуемых слоях зарождаетсяИнтенсивность КРС, отн.ед.В разделе 3.3 из данныхдоля0.167,nc-Siдостигаетчтозначенияпревышаетперколяционный порог для даннойoT = 1200 CoT = 1100 CoT = 1050 CoT = 1000 CoT = 950 C400450500550-1Волновое число (см )дополнительный ансамбль nc-Si.При Та = 1050 - 1100 оС объемнаяc-SiРис. 2. Спектры КРС пленок nc-Si/SiOy,сформированных на кварцевых подложках врезультате отжига при различных температурах,указанных вблизи соответствующей кривой, атакже спектр c-Si, приведенный для сравнения.Спектры разнесены по вертикальной оси дляудобства представления данных.фазы.Анализ спектров КРС исследуемых образцов проводился с учетом вкладоврассеяния на фононах в nc-Si и на колебаниях атомов в ас-Si (рис.
3). В общемслучае спектр КРС может быть аппроксимирован суммой трех слагаемых:I SUM (ω) = I C1 (ω) + I C2 (ω) + I A (ω) ,(3)где I A (ω ) описывает широкую низкочастотную компоненту, которая связана срассеянием света в ас-Si [9]:13⎡ (ω − ω A ) 2 ⎤I A (ω ) = B A exp ⎢ −⎥ ,22δ C1⎣⎦δ C1 =ΓA(4)2 2 ln 2где ω A = 480 см -1 и ΓA = 70 см -1 , B A - константа.В формуле (3) компонентасмаксимумомω ≤ 520 см -1наИнтенсивность КРС, отн.ед.I C1 (ω )обусловленарассеянием света на фононах вцентрезоныБриллюэна(трехкратновырожденноеколебание F2g , включающее в себядва поперечных и продольныйоптическиефононы).компонентаКРСпространственной(конфаймента)0.61IEXP(ω)2IC1(ω)3IC2(ω)4IA(ω)515ISUM(ω) 420.430.20.0460480500520540560-1Волновое число, смотРис. 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
