Люминесцентные свойства систем на основе оксидов с ионно-синтезированными нанокристаллами кремния Михайлов Алексей Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы связана с необходимостью разработки физических основ формирования наноструктурированных материалов на основе кремния, которые обеспечили бы применение этого полупроводника при создании нового поколения ото-, микро- и ианоэлектронных приборов, таких, как светодиоды, лазеры и элементы памяти. В нсрспекгиве интефация электронных и оптических функций позволила бы осуществить качественный скачок в развитии кремниевой планарной технологии. Низкая эффективность люминесценции массивного Si делает его практически не пригодным для создания на его основе светоизлучателей. Одно из решений данной проблемы - наноструктуриро-вание, заключающееся в формировании нанокристаллов (НК) Si в широкозонных матрицах. Этот подход, в частности, за счет квантово-размерного эффекта, обеспечивает излучение света при комнатной температуре в видимом и ближнем ИК диапазонах спекіра. а іакже нелинейные оптические и одноэлектронные свойства. Наибольшее внимание привлекает система НК Si в матрице диоксида кремния (Si02'nc-Si), формируемая при высокотемпературном распаде пересыщенного твердого раствора Si0₂:Si. Среди меіодов создания эюй системы лидирующие позиции занимает ионная имплантация, коюрая хорошо совместима с планарной технологией, обеспечивая контролируемое введение необходимых элементов в твердые тела.

Актуальной в прикладном плане задачей является оптимизация люминесцентных свойств системы Si0₂:nc-Si путем вариации параметров ее формирования, таких как доза ионов Si*, температура и время постимплантационного отжига. Несмотря на большое количество проведенных исследований, результаты их во многом противоречивы, и к моменту постановки задач настоящей работы отсутствовала единая модель, описывающая іакоиомерности ионно-лучевого синтеза системы Si02:nc-Si и соответствующего изменения ее люминесцентных свойств. Еще один способ управления эффективностью люминесценции Si0₂:nc-Si заключается в легировании донорными и акцепторными примесями. Начало исследованиям в этом направлении положил эффект усиления фотолюминесценции (ФЛ) при ионном легировании фосфором [1.2], впервые обнаруженный в ПИФГИ ИНГУ. Ионное внедрение таких примесей, как Р. В, N. может существенно модифицировать свойства как НК, гак и окружающей матрицы. К начату работы отсутствовала систематическая информация о том, каким образом характер и степень влияния зависят от режимов синтеза и легирования системы. Этот вопрос интересен с точки трения физики легирования полупроводников, а именно - применимости для наносгр\кг\р представлений, выработанных ранее для массивных материалов.

Важным фактором, определяющим свойства НК Si, является совокупность свойств (іиіі материала, состав, структура) диэлектрической матрицы, в которой эти НК синте-іирмоіся Весьма интересно проследить, как изменение ее типа или состава будет влиять на процесс формирования и проявление уникальных свойств НК. Удачное сочетание последних со специфичными свойствами матрицы могло бы существенно обогатить функциональные возможности создаваемых материалов Потенциальными кандидатами для практического осуществления данной идеи служат оксиды Sii^Ge^ (в том числе Ое0₂) и АЬО,.

Стекла Si| _vGe_r0₂ давно заинтересовали исследователей и разработчиков в области волоконно-оптических технологий в связи с некоторыми важными свойствами Во-первых, это высокая чувствительность их оптических характеристик к УФ и ионному облучению, позволяющая за счет изменения показателя преломления записывать дифракционные решетки и зеркала в волноводных структурах [3]. Во-вторых, высокое сечение рамановского рассеяния делает этот материал перспективным для создания перестраиваемого римановского лазера. Формі рйввкЬвинбмтеецяруотіііих НК в пленарном

СП О»

^Г БИБЛИОТЕКА '

полноводном слое Яіі.^Ое^Ог явилось бы шагом на пути к созданию лазера на квантовых точках (КТ) Si. В данной работе применяется оригинальный подход, состоящий в им-нлашации Si в осажденные пленки Si|._vGe,02 различного состава с целью синтеза НК Si. І Іласі ины сапфира, одной из кристаллических модификаций АЬ_0₃, успешно применяются при изготовлении радиационно-стойких КНС-структур. Аморфные же пленки ЛЬОї рассматриваются в качестве одного из вариантов замены традиционного окисла Si при формировании сверхтонких подзатворных диэлектрических слоев в КМОП-ісхнолоіии, благодаря высокой диэлектрической проницаемости (є), большой ширине запрещенной зоны и высоким барьерам по отношению к границам разрешенных зон в мтеріетической Сфуктуре кремния [4]. Две последние характеристики создают благоприятные условия для проявления квантово-размерного эффекта при встраивании в ЛЬОї ПК Si, а высокое значение є может в принципе позволить получить большую конца! ірацию электрически изолированных КТ. На момент постановки задач данной рабо-11.1 факт формирования НК Si в матрице AI2O3 был экспериментально зафиксирован в нескольких работах. Однако вопросы ионно-лучевого синтеза НК и природы люминесценции в данной системе гребуют более детальной проработки для дальнейшего развития лото перспективного направления.

Таким образом, исследование физических процессов при формировании ионно-лучеиым метолом систем НК Si в оксидных матрицах Si0₂, Sii_,Ge,0₂, А1₂0з, изучение их опіических и люминесцентных свойств представляют большой интерес как с фундамен-іалі.ной. гак и с практической точек зрения. Цель и основные задачи работы

Цель работы исследование люминесцентных свойств и разработка физических основ формирования квантово-размерных структур на основе нанокристаллических включений Si. ионно-синтезированных в оксидах Si02, Si|.,Ge,02, AI2O3.

Основные задачи работы: І Усіановлсиис іакономерностей изменения ФЛ и формирования ионно-син і с шрованной системы Si0₂nc-Si в широких интервалах режимов синтеза. По-сіроение количесівенной модели экспериментально выявленных закономерностей. 2. Исследование закономерностей влияния ионного облучения и ионного легирования мелкими допорными и акцепторными примесями (Р, В, N) на ФЛ системы Si02:nc-Si Ус іановлсние и классификация механизмов такого влияния.

1. Исс.іс (опашіс возможности ионно-лучевого синтеза НК в Si^Ge^, люминесци-р\юіии\ мри комнатной температуре, в зависимости от состава исходного оксида, условий имплантации ионов кремния и последующего отжига.

2. Исследование ФЛ и процессов формирования системы АЬОзіпс-Бі в широких интер-ва іа\ режимов ионно-лучевого синтеза.

Научная новизна работы

1. Усыновлены закономерности изменения квантово-размерной (то есть связанной с KiumoHo-pu(мерным эффектом) ФЛ НК Si в матрице Si0₂ в широких интервалах доз имііланіаціш кремния и температур отжига. Разработана количественная физическая модель, описывающая эти закономерности.

2. Выявлены и обоснованы механизмы влияния ионного облучения и ионного легирования .чопорными (P. N) и акцепторными (В) примесями на ФЛ системы Si02:nc-Si при ра <лнчны\ условиях ее формирования.

1 Обнаружена шненсивная ФЛ в Ge0₂, характерная для ионно-синтезированных НК Si, и влияние атомно-размерного фактора на синтез НК в смешанном оксиде кремния-германия.

*

4. Установлена связь между синтезом слоев Al₂0₃:nc-Si при ионной имплантации кремния в сапфир и последующем отжиге, с одной стороны, и ФЛ в видимом диапазоне спектра - с другой.

Практическая ценность работы

1. Показана возможность контролируемого изменения люминесцентных свойств ионно-синтезированной системы Si0₂:nc-Si в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра либо путем вариации дозы имплантации Si и температуры отжига, либо путем дополнительного легирования Это повышает перспективность применения данной системы в оптоэлектронике.

2. Отработаны методы формирования кремниевых наноструктур путем имплантации Si в оксиды Ge0₂ и Al₂Oj Сочетание возможности люминесценции при комнатной температуре с рядом специфичных свойств оксидов открывает перспективы создания новых многофункциональных устройств для оптики и оптоэлектроники на базе этих материалов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Немоно гонная дозовая зависимость интенсивности квантово-размерной люминесценции системы Si0₂:nc-Si в области 700-900 нм и уменьшение оптимальной дозы имплантации Si⁺ с ростом температуры отжига в интервале 1000-1200 С количественно описываются на основе конкуренции процессов роста числа нанокристаллов Si и их коалесценции с учетом зависимости вероятности излучательной рекомбинации от размера нанокристалла.

2. Ионное облучение и ионное легирование примесями Р, В и N слоев Si0₂:nc-Si модифицирует дефектно-примесную структуру матрицы Si0₂, приводя к формированию излучательных и безызлучательных дефектных центров. Эффекты многократного усиления или ослабления квантово-размерной люминесценции обусловлены конкурирующими факторами физико-химической (структурной) или электронной природы, относительный вклад которых существенно зависит от типа примеси, условий леги-рова/іия и условий синтеза нанокристаллов.

3. Люминесцентные свойства и фазовый состав слоев Ge0₂ и Si₀9Ge₀10₂ после имплан-іации Si* с последующим высокотемпературным отжигом определяются тем, что в первом случае формируются нанокристаллы Si, ответственные за фотолюминесценцию в области 700-900 нм, а во втором - нанокристаллы Ge (или SiGe), излучающие в области 900-1000 нм. Это различие обусловлено влиянием локальных деформаций, возникающих при изовалентном замещении атомов Ge в чистом оксиде избыточными атомами Si, и, наоборот, их снижением при таком замещении в смешанном оксиде.

4. Фотолюминесценция при 500-550 нм слоев А1₂0₃ (сапфира), имплантированных ионами Si* и отожженных в интервале температур 500-900 С, обусловлена «нефазовыми» включениями Si, а их трансформация в аморфные нанокластеры и затем нанокристаллы Si по мере повышения температуры отжига не приводит к возникновению типичной для этих объектов люминесценции в красной и ближней ИК областях спектра вследствие высокой концентрации дефектов на границах раздела фаз, связанной с механическими напряжениями.

Личный вклад автора

Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, исследования оптических и люминесцентных свойств, а также анализ результатов. Ионная имплантация производилась вед. инж. НИФТИ В.К. Васильевым. Исследования образцов дополнительными методами выполнялись в НТВП «Поверхность» (А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн), ИФП СО РАН (Г.А. Качурин), ВГУ (Э.П. Домашевская, В.А. Терехов), Университете

Осло (Т. Finstad. S. Foss). Университете Тренто (L. Pavesi, L. Ferraioli) и Среднеазиатском техническом университете (R. Turan, S. Yerci) в рамках совместных международных проектов INTAS и FP6. Отдельные выводы были теоретически обоснованы доц. каф. IФ ИНГУ В.А. Бурдовым.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 38-и конференциях. Наиболее значимые из них следующие: Всероссийский семинар «Физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2000, 2004), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой ото- и наноэлектронике (С.Петербург, 2001, 2002) - один доклад отмечен премией и ди-п'іочом III степени, International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams (Marburg, Germany, 2001; Kusadasi, Turkey, 2005) - два доклада отмечены третьей премией и дипломом, MRS Fall Meeting (Boston, USA, 2001, 2005), International symposium «Ion implantation and other applications of ions and electrons» (Kazimierz Dolny, Poland. 2002, 2004). 5^lh ISTC Seminar "Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology" (Saint-Petersburg, Russia, 2002), International Young Scientists Conference "Problems of Optics and High Technology Material Science" (Kyiv, Ukraine. 2002). Всероссийское совещание «Нанофотоника» (Н.Новгород, 2002-2005), E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, France, 2002, 2003) - один доклад отмечен премией и дипломов. MRS Spring Meeting (San Francisco, USA, 2003), 5-я Международная конференция «Вшимодейсгвие излучений с твердым телом» (Минск, Беларусь, 2003), Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2003, 2005), 10-я сжег о ишя международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Ралиоэлек фоника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004) - доклад отмечен почетный диппомоц первой степени, V International Conference on Low Dimensional Structures and Devices (Mexico, 2004), 12-я Всероссийская межвузовская научно-ісчмическая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва. Зеленоград, 2005) - доклад отмечен дипломом лауреата, International Conference on Surfaces. Coatings and Nanostructured Materials (Aveiro, Portugal, 2005), First International Workshop on Semiconductor Nanocrystals, SEMINANO 2005 (Budapest, Hungary. 2005).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 15 статей в реферируемых научных журналах. 8 статей в сборниках трудов конференций и 47 тезисов докла-юн Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Сіруктура и объем диссертации

Диесеріация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения. Об-щпП обьем іиссеріации составляет 153 страницы, включая \_ таблицу и 33 рисунка, список цишрхсмой литературы, который содержит 232 наименования, и список публикаций но гемс диссертации.

Похожие диссертации на Люминесцентные свойства систем на основе оксидов с ионно-синтезированными нанокристаллами кремния

Закономерности формирования и свойства ионно-синтезированных систем на основе нанокристаллических включений кремния в двуокиси кремния и аморфном кремнииТрушин Сергей Александрович

Влияние слабых магнитных полей на свойства границы кремний-оксид кремнияНарейко, Андрей Игоревич

Устойчивость атомарной структуры оксида кремния после радиационно-термической обработки МОП приборовПротопопов, Григорий Александрович

Исследование свойств наноструктурированного пористого кремния и применение его в технологии микроэлектроникиПарбуков, Александр Николаевич

Кристаллический рост, структурные особенности и физические свойства эпитаксиальных комбинаций кремния, фторида кальция и дисилицида кобальтаЖирнов, Виктор Владимирович

Исследование структурных свойств приповерхностного слоя кремния, имплантированного высокими дозами углеродаБейсенханов, Нуржин Бейсенханович

Исследование закономерностей структурного роста и люминесцентных свойств слоев пористого кремнияБучин, Эдуард Юрьевич

Комплексные исследования электрофизических свойств термически окисленных слоев кремния в производстве полупроводниковых приборов с проектной нормой 0,5-0,8 мкмДудников Анатолий Сергеевич

Формирование и люминесцентные свойства ансамблей нанокристаллических частиц кремнияЛешок, Андрей Александрович

Люминесцентные свойства структур на основе кремния в области длин волн 1,5-1,6 мкм Крыжков Денис Игоревич