Фотолюминисцентные свойства ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыми нанокристаллами (1105145), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Petersburg, Russia, 2005; 21stInternational Conference on Amorphous and Nonacrystalline Semiconductors,Lisbon,Portugal,2005;VIIРоссийскаяконференцияпофизикеполупроводников “Полупроводники - 2005”, Москва, Россия, 2005; XСимпозиум “Нанофизика и наноэлектроника”, Нижний Новгород, Россия, 2006.Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав,заключения и списка цитируемой литературы из 132 наименований. Объемработы составляет 124 страницы текста, включая 62 рисунка и 4 таблицы.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы, обозначена цель ипоставлены задачи исследования, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической значимости, приведены положения, выносимыена защиту, а также перечень конференций, в рамках которых происходилаапробация работы, и список публикаций.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальныхработ, посвященных исследованию люминесценции ионов эрбия в различныхтвердотельных матрицах.Раздел 1.1 посвящён обзору люминесцентных свойств ионов эрбия вдиэлектриках.
Приводится схема электронных состояний Er3+ в свободномсостоянии и в твёрдотельной матрице, а также спектры и кинетики ФЛ ионовэрбиявкварцевыхисиликатныхстёклах.Обсуждаетсявлияниедиэлектрической проницаемости матрицы и послеимплантационного отжига наинтенсивность и среднее время жизни эрбиевой ФЛ.Вразделе1.2приведеныосновныехарактеристикифото-иэлектролюминесценции ионов эрбия в кристаллическом и аморфном кремнии,структурах с кремниевыми нанокристаллами, а также кремний-германиевыхтонких слоях. Представлены результаты экспериментальных и теоретическихисследований, отражающие особенности спектров и характерные времена7жизни ФЛ, а также механизм возбуждения ионов эрбия для каждой израссмотренных матриц.В разделе 1.3 анализируется структура оптически активных эрбиевыхцентров в кремнии и оксиде кремния.
Приводятся данные о спектральномположении пиков эрбиевой ФЛ в зависимости от симметрии состояния ионаEr3+. Обсуждается влияние ближайшего окружения на оптическую активностьиона эрбия.В разделе 1.4 рассматриваются эффекты, влияющие на люминесцентныесвойства ионов Er3+ при высоких уровнях возбуждения, а также факторы,определяющие коэффициент оптического усиления легированных эрбиемволноводных структур.Завершает главу раздел 1.5, содержащий выводы из обзора литературы ипостановку задач исследования.Во второй главе описаны способы приготовления исследуемых образцов иих структура, а также методика измерения кинетик и спектров ФЛ.В разделе 2.1 приведены данные о слоях Si1-xGex:Er. Образцы былиполучены методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в газовойфазе (атмосфера германа GeH4) на подложке кремния с-Si (детали метода см.
в[3]). Исследованные структуры Si/Si1-xGex:Er/Si имели толщину активного слояSi1-xGex:Er от 300 до 1100 нм и концентрацию германия от 8.73 до 28 %. Приэтом концентрация эрбия в активном слое составляла (2 ÷ 3)·1018 см-3.Раздел 2.2 включает описание метода приготовления и структурныхсвойств образцов nc-Si/SiO2:Er. В работе исследовались два типа такихструктур. Образцы nc-Si/SiO2:Er типа 1 представляли собой многослойныеструктуры, изготовленные методом последовательного осаждения 30 пар слоёвSiOx (1 < x < 2) и SiO2 на кремниевую подложку. Последующий термическийотжиг полученных образцов при температуре 1100 oC в атмосфере азота втечение 1 часа приводил к разделению фаз в слоях SiOx и образованиюкремниевых нанокристаллов в матрице SiO2. При этом размер формируемых8нанокристаллов лежал в диапазоне от 1.5 до 4.5 нм в зависимости от толщиныисходного слоя SiOx, а дисперсия размеров nc-Si составляла 0.2 ÷ 0.5 нм.
Нарис. 1 показаны TEM-изображения поперечного сечения многослойныхструктур до (а) и после (б) отжига. После приготовления в часть образцов былиимплантированы ионы Er3+ (энергия 300 кэВ, дозы от 1014 до 2·1015 см-2) споследующим отжигом возникших радиационных дефектов при температуреТ = 950 oC в течение 1 часа. По нашим оценкам средняя концентрация эрбияпри использованных энергиях и дозах имплантации составляла от 6·1018 до1020 см-3.Образцы nc-Si/SiO2:Er типа 2, представляющие собой слои SiO2,содержащие случайно расположенные кремниевые нанокристаллы и эрбий,были приготовлены одновременным распылением твердотельных мишенейс-Si, SiO2 и Er2O3 в плазме высокочастотного разряда [5].
Толщина слоя,осаждавшегося на кварцевую подложку, составляла 1 мкм. Образцыподвергались отжигу в атмосфере азота в течение 30 минут при температуре1100 oC, при котором происходит формирование кремниевых нанокристаллов.Снимок поперечного сечения структуры nc-Si/SiO2:Er, полученный напросвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения (HRTEM)представлен на рис. 1 (в). Пунктиром выделены нанокристаллические областикремния, соответствующие срезу кристаллографических плоскостей {111}. ВабвРис. 1.
TEM снимки поперечного сечения SiOx/SiO2 структур типа 1 до (а) ипосле (б) отжига [4], а также HRTEM-снимок поперечного сечения nc-Si/SiO2структуры типа 2 (в) [5].9работе изучались структуры nc-Si/SiO2:Er с размерами нанокристаллов dnc-Si = 4,4.6 и 5 нм, средняя концентрация эрбия в образцах составляла ~ 1019 см-3. Длясравнительных экспериментов использовались приготовленные в тех жеусловиях однородные слои SiO2:Er (без nc-Si), а также пленки SiO2,содержащие кремниевые нанокристаллы (без Er).В разделах 2.3 и 2.4 представлены: схема экспериментальной установки иметодики, использованные при измерении спектров и кинетик ФЛ.
В качествеисточников возбуждающего излучения использовались импульсный N2-лазер(энергия квантов: hνex = 3.7 эВ), квазинепрерывный лазер на парах меди(hνex = 2.14÷2.43 эВ) и непрерывный He-Ne лазер (hνex = 1.96 эВ). Возбуждаемыйв образце сигнал ФЛ фокусировался на входной щели монохроматора МДР-12.ДетектированиевИК-областиспектра(диапазон700 ÷ 1700нм)осуществлялось при помощи InGaAs-фотодиода с предусилителем, дляизмерений в видимой области (спектральный диапазон 400 ÷ 900 нм)использовался ФЭУ. Для получения кинетик ФЛ излучение непрерывныхлазеров модулировалось с помощью механического прерывателя. Временнойотклик системы при измерении кинетик ФЛ составлял 0.2 мс и 30 нс прииспользовании InGaAs-фотодиода и ФЭУ, соответственно.
Экспериментыпроводились в диапазоне температур 10 ÷ 300 К с использованием гелиевогокриостата замкнутого цикла DE-204N ARS.Третья глава посвящена исследованию ФЛ ионов Er3+ в волноводныхструктурах Si/Si1-xGex:Er/Si.В разделе 3.1 рассматривается зависимость характеристик ФЛ отструктурныхособенностейобразцов.Вчастности,исследованынизкотемпературные спектры ФЛ слоёв Si1-xGex:Er с различными содержаниемгермания. Обнаруженная полоса ФЛ в районе 1525 ÷ 1600 нм обусловленаизлучательными переходами между расщеплёнными уровнями энергии 4I13/2 и4I15/2 ионов Er3+ (рис. 2).
Из анализа полученных спектров ФЛ сделан вывод оприсутствии двух типов центров эрбия в Si1-xGex:Er: в кристаллическом и10аморфном окружении [6]. Это подтверждается наличием двух компонент вкинетиках ФЛ, измеренных на длине волны главного максимума. Для всехобразцов затухание ФЛ после импульсного возбуждения хорошо описывалосьдвухэкспоненциальной функцией:I PL (t ) = A1 ⋅ exp( −t / τ 1 ) + A2 ⋅ exp( −t / τ 2 )(1)На вставке к рис.
2 приведена кинетика ФЛ, измеренная на длине волны1537 нм, соответствующейглавномумаксимумуспектра,а такжееёаппроксимация по формуле (1). Значения времён τ1 и τ2 двух компонентИнтенсивность ФЛ, отн. ед.кинетики ФЛ при Т=10 К и низких уровнях возбуждения составляли 0.5 ÷ 0.9 и2 ÷ 3 мс, соответственно. Более1короткие времена жизни ФЛ1.0предположительно0.1соответствуют центрам эрбия в0.01кристаллическом0.50246Время, мс8окружении(“быстрые” центры), в то времякак длинные времена – центрам0.01500155016001650Длина волны, нмEr3+аморфной(“медленные”этомРис. 2.
Низкотемпературный спектр ФЛобразца Si/Si1-xGex:Er/Si (x = 28%). Навставке: кинетика ФЛ, измеренная на длиневолны главного максимума (точки) и еёаппроксимация (линия) по формуле (1).hνex = 2.14÷2.43 эВ, Т=10 К.вматрицецентры).количественнойПримеройдоли соответствующих центровявляются амплитуды A1 и A2,которые при тех же условияхсоставляли 0.7 ÷ 0.9 и 0.1 ÷ 0.3,соответственно.Раздел 3.2 посвящён изучению влияния температуры на ФЛ свойстваструктур с активным Si1-xGex:Er слоем. Было обнаружено одновременноеуменьшение интенсивности и времени жизни ФЛ ионов Er3+ при повышениитемпературы от 10 до 300 К. Это может быть объяснено процессамибезызлучательной рекомбинации экситонов в полупроводниковой матрице, атакже безызлучательной деактивацией эрбия посредством обратной передачи11энергии в матрицу.В разделе 3.3 исследовано влияние интенсивной оптической накачки нахарактеристики ФЛ образцов Si/Si1-xGex:Er/Si.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
