Фотолюминисцентные свойства ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыми нанокристаллами (1105145)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиЖигунов Денис МихайловичФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ИОНОВ ЭРБИЯ В СЛОЯХТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЯ И В СТРУКТУРАХ СКРЕМНИЕВЫМИ НАНОКРИСТАЛЛАМИСпециальность 01.04.10Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на физическом факультете Московского ГосударственногоУниверситета им.
М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор В.Ю. ТимошенкоОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.А. Кульбачинскийкандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудник В.В. УшаковВедущая организация:Институт физики микроструктур РАН (Н. Новгород)Защита состоится8 июня2006 года в16часов на заседанииСпециализированного Совета Д-501.001.70 в МГУ им. М.В. Ломоносова поадресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова,ауд. 2-05а криогенного корпуса.Автореферат разослан “ 4 ” мая 2006 г.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им.
М.В. Ломоносова.Ученый секретарьСпециализированного Совета Д-501.001.70в МГУ им. М.В. Ломоносовадоктор физико-математических наук,профессор2Г.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. Одной из актуальных задач современнойполупроводниковойоптоэлектроникиявляетсяисследованиеновыхматериалов, обладающих высокой эффективностью эмиссии света приоптическом или электрическом возбуждении и основанных на кремнии –базовом элементе микроэлектроники. Цель таких исследований – созданиесветоизлучающегоприбора,технологиейвнедрениядляИзлучательнаясовместимоговэффективностьсостандартнойсуществующиеобъёмногокремниевойинтегральныекристаллическогосхемы.кремниячрезвычайно мала вследствие непрямозонности данного материала. Резкогоувеличения интенсивности люминесценции удаётся добиться при переходе кнанокристаллическому кремнию [1].
Однако, ряд проблем, таких, например,как наличие флуктуаций размеров кремниевых нанокристаллов, существеннозатрудняет задачу получения оптического усиления и лазерного эффекта вподобных структурах. В этой связи весьма перспективным представляетсяальтернативный способ увеличения излучательной способности кремния, аименно,использованиееговкачествематрицыдлясенсибилизациилюминесценции различных примесей.
Среди последних особое вниманиепривлекают ионы редкоземельных элементов, и, в частности, ионы эрбия (Er3+).Будучи переведёнными в возбуждённое состояние, они способны излучать светс длиной волны около 1.5 мкм, что соответствует минимуму потерьоптоволоконных линий связи [2]. Создание оптического усилителя или лазеранаосновелегированнойэрбиемкремниевойматрицыпозволилобыинтегрировать на единой подложке элементы опто- и микроэлектроники. Дляэтих целей необходимо как глубокое понимание механизмов возбуждения идевозбуждения ионов Er3+ при их взаимодействии с твердотельной матрицей,так и изучение условий, необходимых для получения оптического усиления.Целью данной работы являлось исследование фотолюминесцентных (ФЛ)свойств легированных эрбием структур на основе кремния для получения3информации о процессах возбуждения и релаксации электронных состоянийионов Er3+ в неоднородной твердотельной матрице, а также для изученияусловий достижения инверсной населённости уровней энергии ионов Er3+ приинтенсивной оптической накачке.
Объектами изучения являлись структурыкремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния, легированныеэрбием (nc-Si/SiO2:Er), а также слои твердых растворов кремний-германия спримесьюэрбия(Si1-xGex:Er).Перспективностьnc-Si/SiO2:Er-структуробъясняется высоким квантовым выходом (~1%) и хорошей температурнойстабильностью ФЛ. Образцы Si1-xGex:Er характеризуются, в свою очередь,высокой степенью локализации света в активном кремний-германиевом слое засчёт своей волноводной структуры, а также возможностью возбуждениялюминесценции электрическим током.В работе были поставлены следующие задачи:1. Изучить влияние структурных свойств образцов nc-Si/SiO2:Er иSi/Si1-xGex:Er/Si, а также интенсивности оптической накачки и температуры насреднее время жизни и интенсивность ФЛ ионов Er3+.2.
Провести экспериментальное и теоретическое исследование зависимостиспектра и среднего времени жизни эрбиевой ФЛ от размеров кремниевыхнанокристаллов в структурах nc-Si/SiO2:Er.3. В рамках феноменологической модели проанализировать процессырелаксации энергии электронного возбуждения в связанной системе на основеионов эрбия и кремниевых нанокристаллов в структурах nc-Si/SiO2:Er исравнить выводы модели с результатами эксперимента.4.
Экспериментально исследовать возможность достижения инверснойнаселённости уровней ионов Er3+ в структурах nc-Si/SiO2:Er и Si/Si1-xGex:Er/Si.Для решения поставленных задач измерялись спектры и кинетики ФЛобразцов Si/Si1-xGex:Er/Si с различным содержанием германия, а также образцовnc-Si/SiO2:Er с кремниевыми нанокристаллами (nc-Si) различного размера.Использовались диапазоны температур от 10 до 300 К и интенсивности4оптической накачки от 1 мВт/см2 до 10 Вт/см2. Полученные экспериментальныерезультаты были проанализированы в рамках предложенных теоретическихмоделей.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1) Проведено всестороннее исследование зависимости времени жизни иинтенсивности ФЛ ионов эрбия в образцах nc-Si/SiO2:Er и Si/Si1-xGex:Er/Si отструктурных параметров, интенсивности оптической накачки и температуры.2) Обнаружено и объяснено влияние размеров кремниевых нанокристалловна ширину спектра и время жизни ФЛ ионов эрбия в структурах nc-Si/SiO2:Er.3) Показано, что феноменологическая модель передачи и релаксацииэнергии в системе взаимодействующих ионов эрбия и экситонов хорошоописываетэкспериментальныеданныепоизмерениюФЛструктурnc-Si/SiO2:Er.4) Впервые на основании экспериментальных данных и теоретическогоанализапродемонстрированавозможностьдостиженияинверснойнаселённости уровней ионов Er3+ в структурах nc-Si/SiO2:Er и Si/Si1-xGex:Er/Si.Научная и практическая значимость работыПолученные в работе новые результаты являются важными как дляпонимания фундаментальных электронных и оптических свойств легированныхэрбием кремниевых структур, так и в прикладном плане – как следующий шагна пути создания компактных диодов, оптических усилителей и лазеров,совместимых с кремниевой технологией и системами телекоммуникации.Автор защищает:1)Новую информацию о кинетике ФЛ оптически активных центров эрбия втвердых растворах Si1-xGex:Er (x >0.08).2)Новые экспериментальные и теоретические данные о влиянии размеровкремниевых нанокристаллов, интенсивности оптической накачки и5температуры на ширину спектра и среднее время жизни ФЛ ионов Er3+ вструктурах nc-Si/SiO2:Er.3)Полученныйнаоснованииэкспериментальныхданныхвыводовозможности достижения инверсной населенности уровней эрбия вструктурах nc-Si/SiO2:Er и Si/Si1-xGex:Er/Si при интенсивной оптическойнакачке.Апробация работыРезультаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 27 работах, изкоторых 10 статей в научных журналах (см.
список публикаций) и 17 тезисов всборниках докладов и трудов конференций. Апробация проходила наследующихНовгород,конференциях:Россия,2004;СовещаниеХ“Нанофотоника-2004”,МеждународнаяконференцияНижний“Физикадиэлектриков” (“Диэлектрики-2004”), Санкт-Петербург, Россия, 2004; IVМеждународнаяконференция“Аморфныеполупроводники”Санкт-Петербург,Россия,и2004;микрокристаллическиеVмеждународныйроссийско-украинский семинар “Нанофотоника и наноэлектроника”, СанктПетербург, Россия, 2004; 2nd International Conference on Materials science andCondensed Matter Physics, Chisinau, Moldova, 2004; Научнаяконференция“Ломоносовские чтения.
Секция физики” МГУ, Москва, Россия, 2004;International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT’04), Rome, Italy,2004; VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводникови полупроводниковой опто- и наноэлектроники, Санкт-Петербург, Россия,2004; Симпозиум “Нанофизика и Наноэлектроника”, Нижний Новгород,Россия, 2005; Научная конференция “ Ломоносовские чтения. Секция физики”,МГУ, Москва, 2005; International Conference “Nanomeeting-2005”, Minsk,Belarus, 2005; The European Materials Conference “E-MRS-2005 Spring Meeting”,Strasbourg, France, 2005; 3-rd International Conference on Materials for AdvancedTechnologies (ICMAT 2005) and 9-th International Conference on AdvancedMaterials (ICAM 2005), Singapore, 2005; 13-th International symposium6“Nanostructures: physics and technology”, St.
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}
