Структурные и оптические свойства нанокластеров кремния в матрице субоксида кремния (1104916), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Разложение спектра КРС структурыnc-Si/SiO2, полученной в результате отжига притемпературе 1100 оС на подложке сапфира.локализациифононов0.8440Даннаязависит1.0из-замалого размера nc-Si. В предположении сферической формы нанокластеров и впренебрежении их дисперсией по размерам выражение для I C1 (ω ) имеет вид [9]:exp( −q 2 L2 / 4) 4πq 2 d q,[ω - ω (q)] 2 + ( ΓC1 / 2) 201I C1 (ω ) = B C1 ∫(5)где L = D Si / a 0 , D Si - диаметр nc-Si, a 0 = 0,543 нм - постоянная решеткикристаллического кремния, ΓС1 = 3 см -1 - ширина рамановской линии в c-Si,q = Q /( 2π / a 0 ) - волновой вектор фонона, выраженный в единицах ( 2π / a 0 ) , ω (q) -закон дисперсии оптических фононов, который аппроксимируется в случаекремния зависимостью ω (q) = ωC1 (1 − 0.18 q 2 ) , ωC1 - частота оптических фононовc-Si, BC1 - константа.Компонента IC2(w) в формуле (3) необходима для точного описанияэкспериментальной формы линии КРС.
Ее появление может быть приписано14рассеянию света на поперечных оптических фононах, принадлежащих точке Lзоны Бриллюэна, и описано следующей формулой [10]:⎡ (ω − ωC2 ) 2 ⎤I C2 (ω ) = B C2 exp ⎢ −⎥ ,22δ C2⎣⎦δ C2 =ΓC2(6)2 2 ln 2где ωC2 = 493 − 495 см -1 и ΓC2 = 23 см -1 - положение максимума спектра и егоширина на полувысоте соответственно, BC2 - константа. Детальный анализвклада пика IC2(w) в спектры КРС различных образцов проведен в текстедиссертации.На основе разложений спектров КРС по формуле (3) были вычисленысредние размеры nc-Si, образующихся в результате термического отжига в такихсистемах, и объемная доля кремния, содержащегося в них (рис.
4). Установлено,что в случае пленок, сформированных на сапфировых подложках, долякристаллической фазы в образующихся структурах меньше, чем в кварцевых, носами нанокристаллы имеют больший размер, что, по-видимому, являетсяследствием напряжений, возникающих на границе пленка/подложка из-заразличия коэффициентов термического расширения. Указанное напряжениеможет стимулировать диффузию атомов кремния, образующихся согласнореакции по формуле (1).7.2СапфирКварц6.86.480fc-Si, %6.0D, нмСапфирКварц1005.65.260404.8а4.49501000105011001150б209501200o1000 1050 1100 1150 1200oTa, CTa, CРис.
4. Зависимости среднего размера нанокристаллов (а) и их объемной доли (б) оттемпературы отжига для образцов типа I.15Норм. интенсивность ФЛ (отн. ед.)ИзучениеoФЛсвойствисследуемых образцов приведено1200 Co1100 Cв разделе 3.4. Для пленок SiOx сo1000 Cисходным x = 1, где максимальнаяo950 Co850 Coобъемнаяoкремния750 C650 Cравнаизбыточного0,31-0,32,спектры ФЛ для различных Таo450 CAs dep.400доляприведены на рис 5. Видно, что6008001000для свежеприготовленных пленокДлина волны, нмиобразцовпослеТа < 750 oCРис.
5. Нормированные спектры ФЛ образцов типаI, а именно: исходной (as deposited) пленки SiO x ипленок, отожженных при различных Ta, указанныхвблизи соответствующей кривой. Спектрыразнесены по вертикальной оси для удобствапредставления.отжигавприсутствуетсспектреполосасмаксимумом в районе 600 нм,которуюможнообъяснитьрекомбинацией носителей заряда,захваченных на электронных состояниях в ac-Si и на границе ac-Si/SiOy.
Приувеличении температуры отжига до 950 оС наблюдается сужение данной полосыи ее сдвиг в длинноволновую часть спектра, что можно связать с уменьшениемвклада дефектов на границе ac-Si/SiOy и преимущественной ФЛ электронныхсостоянийac-Si.ТермическийотжигприТа = 950-1100 оСведеткформированию полосы, которую можно связать с ФЛ экситонов в nc-Si. Даннаяполоса демонстрирует немонотонное поведение максимума ФЛ от Та, чтоуказывает на то, что она является суперпозицией вкладов от нанокристаллов сразличными размерами, распределение которых зависит от Та. При Та = 1200 оСнаблюдается значительный сдвиг максимума ФЛ в длинноволновую сторону,свидетельствующий об увеличении средних размеров нанокристаллов в полномсогласии с данными КРС (см.
рис. 4).16термического10отжига,представленная на рис. 6, хорошосогласуется1200400600800осодержащегосяперколяционнойв пленках субоксида кремния. ВРис. 6. Зависимость интенсивности спектра ФЛв максимуме полосы от температуры отжигаTa. Интенсивность нормирована на ее значениепри Та = 850 оС.кремния,скартиной структурных превращений1000 1200Температура отжига Тa , Сдолизависимостьинтенсивности ФЛ от температурыоImax(Тa)/Imax(Тa= 850 С)Немонотонная100вобласти600 oCтемпературростTa = 200 –интенсивностиФЛобусловлен возрастанием объемнойизолированныхаc-Si.Вобласти600 oC < Ta < 950 oC объемная доля кремния, содержащегося в изолированныхаc-Si, падает благодаря слипанию нанокластеров в цепочки ас-Si.
В области950oC < Ta < 1100 oC возникает ансамбль изолированных nc-Si, и с ростомтемпературы растет их объемная доля, что ведет к увеличению интенсивностиФЛ. Увеличение температуры отжига в диапазоне Ta > 1100 oC сопровождаетсядостижением второго перколяционного порога, возрастанием объемной долицепочек nc-Si и уменьшением объемной доли изолированных nc-Si и, какследствие, к уменьшению интенсивности ФЛ.
Дополнительным фактором,ведущим к уменьшению интенсивности ФЛ в этой области температур, являетсяувеличение размеров изолированных кристаллических nc-Si благодаря ихкоалесценции, что ведет к ужесточению правил отбора на непрямые оптическиепереходы. Таким образом, экспериментальные данные по ФЛ пленок SiOyподтверждают,вцелом,перколяционнуютрансформаций при термическом отжиге.17картинуфазово-структурныхИзучениекинетикФЛ,проведенное в этом же разделе,10τ, μ sпоказало, что для всех образцов с1λdet = 700 нмλdet = 750 нмλdet = 800 нм0.180090010001100нанокластерамикремниянаблюдаетсявременипадениерелаксации ФЛ с уменьшениемдлины1200волныдетектируемогоизлучения (рис.
7). Кинетики ФЛoTa, CРис. 7. Зависимость времени жизни ФЛ оттемпературы отжига для образцов типа I,измеренные для трех значений длин волны ФЛ.были аппроксимированы согласноформулеIPL = I0exp{-(t/t)b}(7)где τ – среднее время жизни ФЛ, β – параметр неэкспоненциальности.Фотолюминесценция, описываемая таким законом, обычно наблюдается длянеупорядоченных твердотельных систем, характеризующихся дисперсиейвремен рекомбинации, например, для пористого кремния [2]. Короткие временаτ при Тa < 900 oC указывают на быстрые процессы безызлучательнойрекомбинации в системе ac-Si. При формировании изолированных nc-Si приТа = 950 - 1100 оС времена τ достигают значений 3 - 20 мкс, что хорошообъясняется излучательной рекомбинацией экситонов в ансамблях nc-Si,распределенныхпоразмерам[2].Приэтомболеекрупныеnc-Si,люминесцирующие на больших длинах волн, обладают большими временамижизни, как видно из данных рис.
7. Интересно отметить, что при максимальныхТа = 1200 оС наблюдается некоторое укорочение времен жизни ФЛ для крупныхnc-Si (λdet = 800 нм на рис.7), что можно объяснить миграцией экситонов поцепочкам связанных nc-Si с последующей рекомбинацией на безызлучательныхцентрах. Данный вывод подтверждается значением параметра b ≈ 0.5.
Отметим,что для образцов типа II, с хорошо изолированными nc-Si, анализ кинетик ФЛдает значения t = 100 - 300 мкс и b ≈ 1.В разделе 3.4. приводятся также результаты исследования ФЛ свойств18образцов типа III, полученных кристаллизацией слоев аморфного кремния.Установлено, что непосредственно после термического отжига в вакууме илибыстрого термического отжига в потоке азота образцы не обладают заметнойФЛ при комнатной температуре.
Эффективная ФЛ со спектром в области600 - 900 нм возникает после кратковременного травления образцов в растворахна основе плавиковой кислоты. Эксперименты показали, что максимальнаяинтенсивностьФЛдостигаетсядляобразцов,подвергнутыхбыстромутермическому отжигу с последующим травлением в смеси HF:FeCl3:HCl.Данные образцы содержат nc-Si с размерами 4 – 5 нм и объемной долей более40 %, как следует из спектров КРС. ФЛ также наблюдалась для структур сосредними размерами 4 – 8 нм и объемной долей nc-Si до 90 %.
Анализ кинетикФЛ образцов типа III дает значения t = 10 - 20 мкс и b ≈ 0.5 – 0.7, что указываетна процессы миграции экситонов по цепочкам связанных nc-Si. Полученныерезультаты свидетельствуют о перспективности предложенного метода дляполучения люминесцирующих структур с высокой концентрацией nc-Si.На основе приведенных в работе измерений и анализа экспериментальныхданных в разделе 3.5 предложена модель структурно-фазовых трансформаций вкомпозитных системах на основе нанокластеров кремния. Для слоев субоксидакремния с исходным значением индекса стехиометрии х ≈ 1 указанныетрансформации можно разделить на следующие этапы: 1) образованиеизолированных ac-Si (200 < Ta 600 оС), 2) формирование цепочек ac-Si(600 < Ta 950 оС),3)4) формированиецепочекобразованиеnc-Siизолированных(Ta > 1100 oC),(Та = 1200 оС).19nc-Si(Ta > 950 oC),5) коалесценцияnc-SiЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫВ работе были изучены оптические свойства нанокластеров кремния,сформированных в результате термического отжига, и выявлены основныезакономерности влияния структурных параметров образцов и концентрациинанокластеров в них на оптические свойства таких систем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
