Оптоэлектронные свойства светоизлучающих кремниевых структур Каменев, Борис Владимирович

Введение к работе

з

Актуальность проблемы. На сегодняшний день кремний является основным материалом полупроводниковой техники. Этот материал обладает запрещенной зоной (7 1 эВ) идеально подходящей для работы в диапазоне комнатных температур, и его оксид (Si0₂) характеризуется необходимой технологической эластичностью для компоновки до 10^s приборов в одной интегральной схеме. Такой высокий уровень интеграции обуславливает высокоскоростную работу устройств, ограниченную только задержкой распространения сигнала в соединениях между элементами схемы. Существенное улучшение эффективности кремниевой электроники может быть достигнуто при использовании оптических коммуникаций.

Однако интеграция кремниевой электроники с внешней оптоэлектроникой требует создание гибридных технологий, которые часто достаточно сложны и дорогостоящи. Наиболее успешное решение этой проблемы может быть достигнуто созданием оптоэлектронных приборов, основанных на кремнийсодержащих материалах. Главным требованием, накладываемым на светоизлучающие устройства, основанные на кремнии, является высокая эффективность излучения при комнатной температуре в спектральном диапазоне 0.45-1.6 мкм. Такой диапазон длин волн удовлетворяет требованиям волноводной оптики, а также достаточен для использования в цветных дисплеях.

Для увеличения эффективности люминесценции кремния предложены и активно разрабатываются несколько различных методов. В одних модифицируется структура энергетических зон, в других, в кремниевую матрицу вводят ионы редкоземельных элементов, как активаторы люминесценции.

В данной работе в качестве основных объектов исследования были
выбраны: пористый кремний - как материал с модифицированной зонной
структурой, характеризующийся достаточно эффективной

фотолюминесценцией (ФЛ) в видимой области спектра; и аморфный гидрогенизированный кремний, содержащий трехвалентные ионы эрбия (Ег³⁺)

- как материал, обладающий люминесценцией на длине волны 1.54 мкм. В работе были поставлены следующие конкретные задачи

1. Всесторонне изучить оптоэлектронные свойства пористого кремния и определить факторы, влияющие на эффективность его ФЛ;

2. Исследовать возможность управления характеристиками ФЛ пористого кремния;

3. Экспериментально изучить особенности ФЛ ионов Ег³⁺, внедренных в матрицу аморфного гидрогенизированного кремния;

4. Установить механизм передачи энергии электронного возбуждения от аморфной матрицы к ионам Ег³⁺.

Для решения поставленной задачи был привлечен комплекс современных экспериментальных: методов, включающих регистрацию ФЛ и ИК поглощение на свободных носителях заряда с временным разрешением, ИК спектроскопию, радиоспектроскопию (ЭПР) и т.д. Данный комплекс методов обеспечивал детальное изучение исследуемых структур. Так, например, одновременная регистрация сигналов ФЛ и ИК поглощения на свободных носителях заряда позволяет однозначно идентифицировать характер релаксации электронного возбуждения (излучательный или безызлучательный). Для' модификации исследуемых объектов использовалось интенсивное излучение эксимерного лазера.

Научная новизна. В результате исследования выявлен ряд важных закономерностей релаксации электронного возбуждения в изучаемых структурах:

5. Получены новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в пористом кремнии с кислородным и водородным покрытием поверхности;

6. Показано, что природа ФЛ пористого кремния может быть объяснена в рамках модели, предполагающей существование экситонов при комнатной температуре;

7. Обнаружена аномальная устойчивость водородного покрытия пористого кремния к облучению интенсивными лазерными импульсами;

4. Обнаружено снижение температуры плавления пористого кремния по сравнению с монокристаллическим кремнием;

5. Проведено детальное исследование характеристик ФЛ аморфного гидрогенизированного кремния, содержащего ионы Ег³⁺, в диапазоне температур 5-300 К;

6. Экспериментально установлен механизм возбуждения ионов Ег³⁺ в матрице аморфного гидрогенизированного кремния;

7. Получены новые данные о влиянии кислорода на параметры ФЛ ионов Ег³⁺, внедренных в матрицу аморфного гидрогенизированного кремния.

Автор защищает.

1. Новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в пористом кремнии с кислородным и водородным покрытием;

2. Феноменологическую модель рекомбинации неравновесных носителей заряда в пористом кремнии;

3. Новую информацию о воздействии интенсивного лазерного излучения на пористый кремний;

4. Методику получения низкодефектного поверхностного покрытия пористого кремния при естественном окислении;

5. Новые данные о параметрах ФЛ ионов Ег³⁺ в матрице аморфного гидрогенизированного кремния;

6. Выводы о влиянии кислорода на ФЛ ионов Ег³⁺ в матрице аморфного гидрогенизированного кремния;

7. Качественную модель возбуждения и релаксации ионов Ег³⁺ в матрице аморфного гидрогенизированного кремния.

Практическая ценность В работе изучены оптоэлектронные свойства светоизлучающих кремниевых структур различных типов. Полученные данные могут быть использованы при создании светоизлучающих приборов. Так, например, в пористом кремнии с водородным и кислородным покрытием принципиально различны механизмы ФЛ, что необходимо учитывать в технологических приложениях. Формирование низкодефектного покрытия

6 пористого кремния при естественном окислении может быть применено для стабилизации его поверхности, что необходимо при создании надежных светоизлучагощих структур на основе пористого кремния. Также в работе предложен количественный метод экспресс-диагностики качества поверхностного покрытия монокристаллического кремния. Исследование механизмов возбуждения и релаксации ионов Ег³'' в матрице аморфного гидрогенизированного кремния, а также влияние кислорода на эффективность ФЛ, указывают направление дальнейших исследований на пути создания эффективных светоизлучающих приборов на основе аморфного кремния.

Апробация работы Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [1-11] и докладывались на следующих конференциях: International Symposium "Nanostructure: Physics and Technology", St.Peterburg, Russia, 23-27 June 1997; International Conference "Porous Semiconductors: Science and Technology", Mallorca, Spain, 16-20 March 1998; 5^lh International Conference on Nanometer scale Science and Technology, Birmingham, UK, 31 August-4 September 1998; E-MRS-99, Strasbourg, France, 1-4 June 1999, Международная конференция для молодых ученых «Оптика-99», Снкт.-Петербург, Россия, 19-21 Октября 1999; International Conference "Porous Semiconductors: Science and Technology", Madrid, Spain, 12-17 March 2000.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 105 страницы текста, 5 таблиц, 49 рисунков и список цитируемой литературы из 105 наименований.

Похожие диссертации на Оптоэлектронные свойства светоизлучающих кремниевых структур

Фотоэлектрические свойства структур на основе CdSiAs2 и его аналоговРудь, Василий Юрьевич

Неразрушающая диагностика электронных свойств структур на основе SiC и GaAs/AlGaAsТитков Илья Евгеньевич

Электрофизические свойства структур кремний-на-изоляторе, изготовленных методом сращивания и водородного расслоенияНиколаев Данил Валериевич

Моделирование воздействия ионизирующих излучений на зарядовые свойства структур poly-Si-SiO2 (P)-SiМакаренко Владимир Александрович

Оптические и электрические свойства полупроводниковых структур на основе молекулярных комплексов фталоцианинов, содержащих ионы лантанидов в качестве комплексообразователяБелогорохов Иван Александрович

Влияние условий роста на структуру и свойства эпитаксиальных слоев (SiC)1-x (AlN) xАбдэль-Ваххаб Абдэль-Кадер Базбаз Хийярат

Точечные дефекты и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных структур Cd x Hg1-x Te, выращенных методами парофазной и молекулярно-лучевой эпитаксииВаравин Василий Семенович

Модификация структуры и свойств аморфного кремния при ионной имплантации и отжигеХохлов, Дмитрий Александрович

Оптоэлектронные свойства диодных структур на основе сульфоселенидов цинкаМельник, Владимир Васильевич

Исследование электрических и фотоэлектрических свойств фоточувствительных структур в системах GaAs-AlGaAs и InP-InGaAs со встроенным потенциальным барьеромАбдуллаев, Хаким Олимжанович