Введение к работе
Актуальності».
Открытие видимой люминесценции пористого кремния [I] коренным образом изменило взгляд на традиционные области его использования в полупроводниковой электронике. Высокая интенсивность свечения, полученная в данном материале, вывела крем-пин из разряда "оптически мёртвых" материалов п сделала исследование люминесценции порнс-ого кремния одним из перспективных направлении в развитии современной мнкроопто-: лекзроннкн.
Наибольшее количество исследовании свечения пористого кремния (ПК) связано с изучением фотолюминесценции (ФЛ) данного материала при возбуждении лазерными пучками, длина волны излучения которых лежит в коротковолновой области. Исследования ФЛ ПК прежде- всего показали сильное влияние условии приготовления ПК па его люминесцентные свойства, что позполило поднять важный вопрос о связи механизма люминесценции с топологической н химической структурой данного материала. Исследования ФЛ в то же время указали на актуальную для практических приложении проблему деградацнонной стойкости структур на основе ПК, так как было обнаружено значительное уменьшение эффективности люминесценции при длительном воздействии па образцы, находящиеся в кислородсодержащей атмосфере, возбуждающего излучения.
Весьма актуальными, но методически намного более сложными, являются исследования спектров ФЛ ПК при импульсном лазерном возбуждении. Исследование спектров с разрешением во времени и кннстпк затухания люминесценции дают информацию о кинетических характеристиках излучения ПК и позволяют получить представление о геперационно-рскомбппа-ционных процессах, протекающих в пористом слое.
Следующим важным шагом в исследованиях ПК явилось наблюдение электролюминесценции ПК сначала в растворах электролитов, а затем п в твёрдотельных .структурах, показавшее реальную возможность практического использования этого
явления. Вместе с тем задача повышения эффективности люминесценции в таких структурах может быть окончательно решена при наличии отработанных режимов получения структур на основе ПК с высоким квантовым выходом люминесценции, с максимально широким диапазоном изменения энергии люминесцентных квантов и высокой деградацноннон стойкостью. Это определяет практическую значимость работ по дальнейшему исследованию люминесцентных свойств ПК. При выборе методов исследования преимущество остается за исследованиями фотолюминесценции ПК, обладающей на порядки более высокой эффективностью свечения.
Значительную роль сыграло обнаружение эффекта видимого свечения данного материала и в развитии теоретических представлений о люминесценции в непрямозонных полупроводниках в условиях квантового ограничения. Интерес к исследованиям ПК связан с созданием теоретических моделей, объясняющих увеличение интенсивности люминесценции и смещение максимума свечения в коротковолновую область в таких материалах квантовым ограничением носителей заряда в кремниевых структурах с пониженной размерностью (так называемых "квантовых проволоках" и микрокрнсталлнтах) [2]. Данная гипотеза, по крайней мерс не противоречащая многочисленным экспериментам на образцах ПК, навела на мысль, что и другие непрямозонные пористые полупроводники также могут обладать специфическими люминесцентными свойствами. И действительно, весьма интенсивные пики видимой люминесценции, не свойственные трехмерным монокристаллам, были экспериментально обнаружены в пористых объектах па основе карбида кремния и фосфида галлия.. Исследование данных материалов, наряду с пористым кремнием, также может способствовать изучению механизмов люминесценции в высокопористых полупроводниках и возможно приведет к широкому примсиепшо этих материалов в современной оптоэлектр оникс.
Актуальность рассматриваемой работы в контексте вышеизложенных предпосылок изучения пористого кремния заключается в проведении комплексного экспериментального иссле-
допаїшя явлення люминесценции ПК с использованием различных способов п условий возбуждения свечения, при варьировании внешних факторов, влияющих на характеристики люминесценции, с применением технологии приготовления образцов на подложках с различным типом проводимости, обеспечивающей высокий уровень воспроизводимости люминесцентных свойств.
Целью работы явилось определение стационарных и кинетических характеристик люмш.хценциц ПК и анализ, процессов нзлучателыюП н безызлучатслыюй рекомбинации, их относительного вклада в люминесцентный сигнал в зависимости как от способов и условий возбуждения, так и от внешних факторов, ведущих к деградации либо восстановленшо эффективности свечения, а также оценка неоднородности люминесцентных свойств по толщине пористої о слоя.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи работы:
1. Исследован, влияние на люминесцентные свойства ПК
различных способов н условий возбуждения, а также факторов,
ведущих к деградации н восстановленшо свечения образцов,
приготовленных на подложках п- и p-Si.
-
Полуиїть количественные характеристики процессов излучательной и безызлучательнон рекомбинации в ПК с помощью методики времяразрешенных измерений..
-
Оценить вертикальную неоднородность свойств ПК с использованием корректных люминесцентных методов анализа.
Научная новизна.
-
В работе проведено комплексное исследование нзлуча-тельных характеристик образцов, изготовленных по единой технологии, с использованием различных люминесцентных методик измерения, дополняющих друг друга.
-
Получено свидетельство аутентичности формы спектров свечения ПК при различной природе возбуждающего излучения. Это дало основания предоолагать, что механизм люминесценции в
ПК при. ионизирующем воздействии не зависит от способа возбуждения.
3. Анализ спектра времён высвечивания позволил
отождествить короткожнвущуіо компоненту этого спектра как
соответствующую безызлучательному процессу. Это позволило
оценить важную количественную характеристику люминесценции
— внутреннюю квантовую эффективность, ветчина которой
составляет 4±1 %. .
4. Изучены люминесцентные свойства ПК по nonqie4HOMy
сечению образца с помощью разработанных методик послойного
профилирования. Показано, что распределение энергии квантов
люминесцентного излучения неодинаково по профилю пористого
слоя. В соответствии с гипотезой, объясняющей люминесценцию
квантоворазмернымн эффектами в пористом слое, сделан вывод об
увеличении среднего поперечинка кремниевых наноразмерных
образований от внешней поверхности вглубь образца.
5. Обнаружено, что приповерхностный слой ПК изна
чально является слаболюминсеццрующим по сравнению с внутрен
ним объёмом исследуемого материала. Установлено, что воздей
ствие на ПК в кислородсодержащей атмосфере ультрафиолетового
излучения (УФ), приводящее к падению интенсивности ФЛ, в
первую очередь влияет на люминесцентные характеристики
данного приповерхностного слоя. Анализ результатов позволил
оценить распределение центров безызлучателыюй рекомбинации
по профилю ПК, обусловленное как биографическими причинами,
так и привнесённое внешним воздействием.
-
Показано, что важную роль в процессе деградации ФЛ ПК играет кислород, связывающийся с поверхностью кремниевых наноразмерных образований в пористом слое. При этом присутствие в порах слабосвязанной воды приводит к увеличению интенсивности люминесцентного сигнала, а удаление воды — к его уменьшению до прежнего уровня. Предложены гипотезы для объяснения этих результатов.
-
Результаты зависимости интенсивности люминесценции от интенсивности возбуждающего излучения позволили предположить, что в пористом слое действует механизм насыщения
канала безызлучателышй рекомбинации; порог насыщения увеличивается с ргстом концентрации центров безызлучателышй рекомбинации.
Практическая значимость.
1. Разработай алгоритм моделирования кинетик затухания
ФЛ ПК при импульсном лазерном возбуждении, проведено
корректное разделение излучательного и безьшгучателыюго
времён процесса релаксации ФЛ с помощью восстановления
функции распределения вероятностей времён затухания. Реали
зована оцега<а параметров пиков тонкой структуры в спектрах ФЛ
ПК с помощью алгоритма разбиения спектральных кривых на
отдельные пики.
2. Подробно изучено воздействие: ультрафиолетового
излучения различной энергии, температуры, обработки в парах
воды и кислот, а также ряда других факторов на люминесцентные
характеристики ПК, с целью исследования эффектов деградации и
восстановления люминесцентного сигнала. Найдены способы
повышения эффективности люминесценции ПК как для свеже
приготовленных образцов, так и для образцов, подвергнутых
деградации.
3. Впервые реализована методика тонкого препарирования
слоев ПК, слабо повреждающая нижележащий материал.
Тема диссертации связана с плановыми темами Государственного комитета Российской федерации по высшему образованию ь области фундаментальных проблем микроэлектроники и разрабатывалась в соответствии с тематикой двух грантов в период с 1992 по 1995 гг.
Защищаемые положения формулируются следующим образом:
1. Исследования спектров люминесценции ПК при различных способах возбуждения свидетельствуют в пользу единого механизма нзлучательной рекомбинаціш при газации неравновесных электрон-дырочных пар в кристаллической нанофазе. Длинноволновый сдвиг ФЛ полосы, по мере возбуждения более
удалённых от поверхности ПК слоев, непротиворечиво объясняется на основе механизма квантового связывания носителей в кремниевых наноразмериых структурах.
-
Величина внутреннего квантового выхода ФЛ ПК не превышает 5% при плотности потока энергии возбуждающего излучения не более 105 Вт/см2. Совокупность полученных в работе данных позволяет утверждать, что указанное значение является специфическим для ПК и огражаы доминирующую роль канала безызлучательнон рекомбинации.
-
Распределение центров безызлучательнон рекомбинации биографически неоднородно по профилю пористого слоя: их концентрация максимальна в приповерхностном слое толщиной менее 5 мкм и относительно более медленно возрастает вглубь образца- Засветка УФ квашами в присутствии кислорода увеличивает концентращпо центров безызлучательнон рекомбинации прежде всего вблизи внешней поверхности образца.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатные работы. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на трех международных научных конференциях: "European Materials Research Society Meetings" (Страсбург, Франция, 1994 и 1995 г.) и "Insulating Films on Semiconductors" (Внллар-де-Ланс, Франция, 1995 г.).
Структура и объем диссертации. По структуре диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов н списка цитированной литературы. Работа изложена на 179 страницах, использовано 43 рисунка и 3 табшщы. Бнблиоірафня вюпочает в себя 191 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.