Фотолюмінісцентні властивості структур на основі пористого кремнію модифікованого поверхневими обробками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інституту фізики напівпровідників

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

Фотолюмінісцентні властивості структур на основі пористого кремнію модифікованого поверхневими обробками

Рожин Олексій Григорович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник

Доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Клюй Микола Іванович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор Данильченко Борис Олександрович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділу.

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Скришевський Валерій Антонович, Київський Національний Університет імені Тараса Шевченка, доцент.

Провідна установа: Чернівецький Національний університет імені Юрія Федьковича, м. Чернівці

Захист відбудеться ''18'' травня 2001 р. о 1415 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: м.Київ, 03028, проспект Науки 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Автореферат розісланий ''18'' квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.199.01. Кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Кремнієві технології займають чільне місце в сучасній мікроелектроніці. Разом з тим вони не використовуються для створення світловипромінюючих оптоелектронних приладів. Цей факт стримує розвиток цифрових електронних пристроїв на основі кремнію. В кремнієвих мікросхемах компоненти з'єднуються електрично, що обмежує їх швидкодію. Дана проблема може бути розв'язана за рахунок переходу до оптичних з'єднань і вже сьогодні такі технології використовуються в надшвидких обчислювальних системах. Проте світловипромінюючі та лазерні діоди у своїй більшості базуються на використанні сполук AIIIBV. Технології виробництва таких випромінюючих приладів є практично несумісними з кремнієвими технологіями, а спроби їх об'єднати призводять до значного подорожчання готових приладів.

Відкриття на початку дев'яностих років видимої фотолюмінесценції (ФЛ) пористого кремнію (ПК), отриманого завдяки простій процедурі анодного травлення, викликало значний інтерес у зв'язку з появою можливості створення оптоелектроних і мікроелектронних приладів на основі єдиної елементної бази. За останні 10 років дослідження матеріалу отримано багато інформації як в області теоретичних, так і експериментальних робіт. Незважаючи на це, залишається ряд дискусійних питань, зокрема, про природу ФЛ, механізми формування ПК та його модифікації. Слід зазначити, що найбільшу увагу приділено саме з'ясуванню механізмів випромінювальної рекомбінації матеріалу. На сьогодні виявлено світіння в чотирьох спектральних областях від ультрафіолетової до ближньої інфрачервоної, але саме зелено-червона смуга залишається найбільш дискусійною. Для пояснення її природи залучено багато моделей, які можна розділити на чотири основні групи. Насамперед, це моделі квантового обмеження в кристалічному Si. Воно зумовлює збільшення ширини забороненої зони кремнію. До другої групи можна віднести моделі, які залучають поверхневі стани для пояснення видимої ФЛ ПК. Також існують думки про важливу роль дефектних станів, які формуються на границі поділу нанокристаліт - шар SiOx. До останньої групи можна віднести моделі, які залучають силоксен та його похідні для з'ясування механізмів світіння ПК.

Крім того, не вирішена основна задача - застосування ПК в промисловості для виробництва світловипромінюючих приладів. Це зумовлено нестабільністю люмінесцентних характеристик ПК. Більшість дослідників спостерігали падіння або зростання інтегральної інтенсивності люмінесценції з часом і даний ефект отримав назву “втоми” люмінесценції. Для отримання стабільних випромінювальних характеристик ПК, як правило, застосовувались поверхневі обробки, що здатні стабілізувати його спектроскопічні характеристики на невеликий термін. Перспективним є також використання імплантації йонів різного типу як в шари ПК, так і у вихідні пластини кремнію. Це, насамперед, обумовлено необхідністю зменшення опору шарів ПК шляхом введення легуючих домішок, що потрібно для створення електролюмінесцентних структур на основі ПК. Йонна імплантація дозволяє контрольованим чином вводити при кімнатній температурі домішки, здатні формувати додаткові енергетичні рівні в забороненій зоні. Недоліком методу є генерація дефектів в процесі імплантації, для усунення яких потрібен постімплантаційний відпал. На момент постановки даної роботи результати по систематичному дослідженню впливу імплантації різного типу йонів в пластини кремнію до процесу анодизації на ФЛ властивості ПК були практично відсутні.

З іншого боку, цікавими є роботи, спрямовані на вивчення впливу покриттів, що осаджені на поверхню ПК з метою стабілізації та модифікації ФЛ властивостей матеріалу. З цієї точки зору перспективними видаються хімічно та термічно стабільні алмазоподібні (АПП) вуглецеві та карбідокремнієві плівки. Разом з тим, властивості структур АПП-ПК та SiC-ПК раніше не досліджувались. Крім того, вивчення процесів кластеризації вуглецю в порах і на поверхні та його вплив на ФЛ властивості ПК є проблемою, яка потребує ретельного дослідження та побудови нових моделей випромінювальної рекомбінації.

Таким чином, актуальними є роботи, що направлені на вирішення проблеми деградації люмінесцентних характеристик ПК і водночас дозволяють отримати додаткову інформацію про механізми його люмінесценції. Сказане визначає актуальність дослідження властивостей модифікованих структур на основі пористого кремнію як важливого напрямку сучасної фізики твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України, закріплених його Статутом, і виконувалась у відповідності до тем:

1. Проекту Міннауки України 4.4/406 “Дослідження механізмів формування алмазоподібної структури низькотемпературних вуглецевих плівок та їх модифікації” - за договором № Ф4/313-97 від 26 вересня 1997 р.

2. Бюджетної теми “Дослідження фізичних механізмів нерівноважних процесів на поверхні напівпровідників та в напівпровідникових шаруватих структурах; розробка нових нанотехнологій і приладів на їх основі” - постанова Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол № 9 від 16.11.1999 р.

3. Проекту УНТЦ U-031 “Розробка фотоперетворювачів сонячної енергії на основі структур нового типу “йонно-модифіковані та алмазоподібні шари - полікристалічний кремній”.

4. Стипендії Президента України для молодих вчених - постанова Вченої ради Інституту фізики напівпровідників НАН України від 1.10.1999 р.

Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи полягала у з'ясуванні фізичних механізмів впливу поверхневих обробок на фотолюмінесцентні властивості структур на основі пористого кремнію, які в подальшому можна було б використати для створення стабільних світловипромінюючих структур.

Об'єктом дослідження були твердотільні структури, створені на основі пористого кремнію.

Предметом дослідження були фізичні процеси випромінювальної рекомбінації в твердотільних структурах на основі пористого кремнію, модифікованого поверхневими обробками.

Для досягнення поставленої мети застосовувались такі методи дослідження: розділена в часі фотолюмінесценція та метод вимірювання кінетики затухання фотолюмінесценції - для дослідження механізмів випромінювальної рекомбінації в твердотільних структурах на основі пористого кремнію, лазерна та спектральна еліпсометрія - для вивчення оптичних властивостей АПП та SiC плівок.

Виходячи з викладеного, в роботі розв`язувались такі основні наукові завдання:

1. Розробка методів отримання і вивчення фізичних механізмів йонної модифікації структур на основі пористого кремнію.

2. Вивчення процесів формування та дослідження властивостей структур пористий кремній - алмазоподібна плівка вуглецю, пористий кремній - плівка карбіду кремнію.

3. Дослідження фотолюмінесцентних властивостей і аналіз процесів електронного переносу в структурах пористий кремній - фулерен.

4. Встановлення механізмів модифікації ФЛ властивостей пористого кремнію, сформованого на імплантованих пластинах кремнію.

5. Вивчення впливу термічних обробок на властивості структур на основі пористого кремнію.

Наукова новизна роботи полягає в отриманні і узагальненні нових наукових результатів, а саме:

1. Показано, що ФЛ властивості пористого кремнію, отриманого на йонно-модифікованих пластинах кремнію, суттєво залежать від типу імплантованих йонів, режимів імплантації та швидких термічних відпалів.

2. Вперше виявлено ефект активації ФЛ в синьо-зеленій області спектру (область 450 нм) після швидких термічних відпалів ПК, отриманого на пластинах кремнію, імплантованого йонами В+.

3. Досліджено вплив осадження вуглецевих і карбідокремнієвих плівок на ФЛ властивості структур на основі пористого кремнію. Виявлено ефект збільшення інтенсивності наносекундної ФЛ вуглецевих плівок, обумовлений переносом заряду з кремнієвих ниток на вуглецеві нанокластери.

4. Встановлено ефект сенсибілізації фотолюмінесценції молекул фулерену, адсорбованих на поверхні кремнієвих ниток.

Одержані результати можуть бути використані для подальшого розвитку методів і підходів цілеспрямованої модифікації пористого кремнію з метою розробки стабільних світловипромінюючих приладів.

Практичне значення одержаних результатів обумовлене можливістю використання запропонованих методів модифікації для формування світловипромінюючих структур на основі ПК з підвищеною деградаційною стійкістю. Запропоновано методи створення структур на основі ПК з інтенсивною ФЛ в синьо-зеленій області спектру.

Особистий внесок автора. Дисертація є узагальненням досліджень, виконаних автором в співдружності з колегами по роботі. До особистого внеску автора відноситься: технологічне отримання структур [1-5, 7-9], що вивчаються, їх дослідження методами фотолюмінесценції [1-8, 12], лазерної та спектральної еліпсометрії [6, 9-11]. Автор приймав активну участь у постановці задач, інтерпретації отриманих експериментальних результатів і написанні всіх наукових статей.

Апробація роботи: основні матеріали дисертації доповідались на Семінарі країн СНД “Фулерени-97”, Київ, 1997 р.; Третьому Міжнародному Симпозіумі по Алмазоподібних плівках, Санкт-Петербург, Росія, 1996 р.; Міжнародній конференції “EMRS-98 Spring Meeting”, Страсбург, Франція, 1998 р.; Міжнародній конференції “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”, С.-Петербург, Росія, 1998 р.; Другій Міжнародній конференції “Electronic Processes in Organic Materials”, Київ, 1998 р.; Міжнародній конференції SPIE, Київ, 1999 р.; Міжнародній конференції “European Conference on Photovoltaics”, Краків, Польща, 1999 р. Результати роботи також доповідались на наукових семінарах ІФН НАН України, ІНМ НАН України, Інституту фізики напівпровідників (Франкфурт на Одері, Німеччина), Бранденбургського технічного університету (Коттбус, Німеччина).

Публікації. По матеріалам дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, серед яких 9 статей в провідних журналах і матеріалах конференцій. Перелік основних наукових робіт наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, розділів та висновків. Загальний обсяг роботи становить 120 сторінок машинописного тексту, включаючи 35 рисунків. Список цитованої літератури містить 125 посилань.

2. Основний зміст роботи

кремній фотолюмінісцентний сегрегація бор

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, сформульована мета досліджень, викладені основні положення, що виносяться на захист, наводяться відомості про практичне значення отриманих результатів та їх апробацію.

В першому розділі наведено огляд літератури за темою дисертації. Зокрема, подані основні методи отримання пористого кремнію, розглянуті хімічні реакції, що призводять до формування пористих шарів, а також існуючі моделі, що описують ці процеси.

Основну увагу в розділі спрямовано на аналіз фотолюмінесцентних характеристик пористого кремнію. Розглянуто вплив термічних, йонно-модифікуючих обробок на оптичні властивості пористого кремнію. Наведено дані щодо впливу різних типів адсорбатів на випромінювальні характеристики пористого кремнію. Проаналізовані основні моделі люмінесценції пористого кремнію. На підставі аналізу існуючих робіт зроблено висновки про те, що головним чинником, який перешкоджає застосуванню пористого кремнію в промисловості, є нестабільні люмінесцентні характеристики. Тому найбільш цікавими є роботи, спрямовані як на подолання ефектів втоми люмінесценції, так і на з'ясування механізмів випромінювання пористого кремнію.

В другому розділі описано методику отримання ПК, а також техніку модифікації зразків за рахунок йонної імплантації, йонно-плазмових обробок та під впливом швидких термічних відпалів (ШТВ). Ретельно розглянуто методику досліджень розділених у часі спектрів фотолюмінесценції. Наведено математичні методи аналізу кінетичних та часових спектрів.

Пористий кремній був отриманий за стандартною технологією електрохімічного травлення пластини кремнію p-типу КДБ 10 (100) в електроліті на основі 48% HF:C2H5OH при співвідношенні компонент 1:1. Були використані такі режими: j=10-100 мА/см2 та t = 1.5- 10 хв. Перед формуванням пористого шару вихідні пластини кремнію модифікувались імплантацією йонів В+, N+ та комбінованою імплантацією В++ N+. Використовувались такі режими імплантації: E=175 кеВ, при дозі 2x1015 cм-2 для імплантації B+, N+ та 4x1015 cм-2 для випадку комбінованої B++N+ імплантації.

Показано, що імплантація легуючих домішок (бору і/або азоту) у кремній перед формуванням пористого шару призводить до модифікації випромінювальних властивостей ПК, отриманого на таких пластинах. Зокрема, у випадку імплантації йонами В+ або N+, це призводить до падіння інтенсивності люмінесценції. Ці спектральні зміни можна пояснити присутністю постімплантаційних дефектів, які формують додаткові рівні безвипромінювальної рекомбінації. В той же час, комбінована імплантація йонів В++N+ є фактором, що зумовлює значне зростання інтенсивності ФЛ, порівняно з вихідними зразками ПК (отриманими на неімплантованих пластинах). Легуючі домішки створюють донорно - акцепторні рекомбінаційно - активні комплекси.

ШТВ зразків в атмосфері аргону призводить до суттєвої трансформації випромінювальних характеристик ПК, зокрема, до появи інтенсивної ФЛ в синьо-зеленій області спектру. Причому у випадку зразків, отриманих на пластинах Si імплантованих йонами В+, спостерігається значне підсилення інтенсивності ФЛ в області 450 нм. Це, найбільш ймовірно, пов'язано с електричною активацією бору в приповерхневих шарах ПК. Йони бору сегрегують на границі поділу нанокристаліти Si - шар SiOx, що зумовлює появу нових домішкових енергетичних рівнів, які відповідають за короткохвильову ФЛ. Даний факт підтверджений дослідженнями імплантованих структур методами вторинної йонної мас-спектрометрії.

Високоенергетична ФЛ для В+ - модифікованих зразків ПК має швидкий характер. Цей факт підтверджують спектри ФЛ, що виміряні з наносекундним розділенням у часі. В цьому випадку інтенсивність спектру ФЛ ПК, що сформований на В+ модифікованих пластинах кремнію, майже в 50 разів вища за інші.

Встановлено, що йонно-плазмові обробки ПК у водневій плазмі з використанням високочастотного розряду дозволяють суттєво підвищити інтенсивність ФЛ за рахунок пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації.

Третій розділ присвячено дослідженню механізмів впливу плівок, осаджених на ПК, на оптичні властивості структур на основі ПК. Зокрема, вивчались структури з алмазоподібними вуглецевими плівками (АПП), та плівками SiC.

АПП плівки осаджувались із плазми ВЧ-розряду (13.56 МГц) ємнісного типу при різних тисках газу в робочій камері (0.2-0.8 Торр) і при кімнатній температурі підкладинки. Використовувалась газова суміш CH4:H2:N2, напруга зміщення на підкладинці становила 1900 В. Як підкладинки використовувались зразки ПК, вихідні пластини кремнію КДБ-10 (100), а також полірований кварц. Оптичні параметри плівок контролювались за допомогою методики лазерної еліпсометріі.

Встановлено, що при зміні умов нанесення можуть бути отримані плівки з показником заломлення від 1,6 до 2,2 і оптичною шириною забороненої зони від 1 до 4 еВ. Особлива увага приділялась дослідженню властивостей АПП вуглецю при введенні в них домішки азоту. Це обумовлено перебудовою структури плівок при введенні даної домішки і перспективністю застосування таких плівок як захисних та просвітлюючих покриттів.

Показано, що нанесення АПП на ПК призводить до значного посилення інтенсивності наносекундної ФЛ АПП. Цей ефект може бути пов'язаний с кластеризацією вуглецю на поверхні квантових ниток. В результаті, відбуватиметься перенос енергії збудження з ПК на вуглецеві кластери з наступною випромінювальною рекомбінацією. Слід зазначити, що пористий кремній при нормальних умовах переважно випромінює в мікросекундному часовому інтервалі.

Досліджено ФЛ властивості структур ПК+АПП в залежності від режимів отримання ПК. Встановлено, що для структур сформованих на шарах ПК, які характеризувалися більшою пористістю, нанесення тонких (~ 50-70 нм) АПП призводить до значних (~ 50 нм) зсувів смуги мікросекундної ФЛ, порівняно з вихідними зразками ПК. Для структур з меншою пористістю ці зміни менш суттєві (зсув ~ 10 нм). Слід відмітити, що структури ПК+АПП характеризуються стабільними люмінесцентними властивостями протягом значного часу (1- 1,5 роки).

Термічні обробки структур ПК+АПП призводять до суттєвої трансформації спектрів ФЛ. Ці спектральні зміни насамперед пов'язані зі структурними особливостями матеріалу, що визначаються його шаруватою будовою. Приповерхневі шари ПК складаються із квантових ниток малого діаметру, тоді як в об'ємі розмір ниток в декілька разів більший. Результатом ШТВ (1100 К, t = 30 с) структур ПК+АПП є модифікація приповерхневих шарів, з формуванням Si-C сполук. Це проявляється у виникненні нової смуги ФЛ в області 450 нм. В той же час спостерігається значний (~120 нм) зсув червоної смуги ФЛ у довгохвильову область. Даний ефект зумовлений насамперед тим, що спостерігається ФЛ з квантових ниток більшого діаметру, які зберігають випромінювальну здатність внаслідок того, що вони захищені АПП плівкою. Слід також зазначити, що дана смуга стабільна по відношенню до наступних термічних відпалів, а також до впливу оточуючого середовища.

Плівки SiC осаджувались на поверхню ПК методом йонно-плазмового розпилення SiC мішені в аргоно-водневій атмосфері. Використовувалась тріодна система розпилення, коли плазма збуджується термоелектронною емісією і локалізується в плоский пучок магнітним полем. Товщина плівок, виміряна еліпсометричним методом, змінювалась від 80 до 200 нм. Було досліджено механізми впливу SiC плівок різної товщини на ФЛ властивості ПК та зміну властивостей таких структур при подальших термічних обробках. Показано, що в залежності від товщини нанесеної SiC плівки, переважає випромінювання ПК або власне SiC плівки. Так, у випадку тонких (~ 80 нм) SiC плівок на поверхні ПК спостерігаються дві основні смуги ФЛ. По-перше, це інтенсивна смуга ФЛ в області 700 нм, яка є характерною для ФЛ власне ПК. Слід зазначити, що спостерігається падіння в 3 рази інтенсивності інтегральної ФЛ в низькоенергетичній області на структурах ПК-SiC плівка, порівняно з вихідними зразками ПК. Крім того, спостерігається світіння у високоенергетичній області, що зумовлено присутністю шару SiC на поверхні ПК. В системах ПК-SiC плівка великої товщини (~ 200 нм), можна детектувати тільки світіння із високоенергетичної смуги, інтенсивність якого має той же порядок, що і в структурах першого типу. Даний факт пов'язаний с тим, що процеси збудження ФЛ ефективно відбуваються тільки в шарі SiC, без участі ПК.

Термічні відпали в атмосфері аргону (Т= 1100 К, 30 с) структур ПК-SiC призводять до високоенергетичного зсуву довгохвильової ФЛ в область 600 - 650 нм для структур першого типу і, в той же час, до виникнення світіння в цій області для зразків другого типу. Цей факт пов'язаний з процесами кластеризації карбідних сполук в порах ПК. Крім того, слід зазначити, що для структур з тонкою карбідокремнієвою плівкою спостерігається майже в шість разів інтенсивніше світіння, ніж для вихідних зразків ПК, підданих термічним відпалам. В той же час, для структур другого типу ФЛ, що виникла внаслідок термічних відпалів, порівняна за інтенсивністю з ФЛ відпалених зразків вихідного ПК. Можна зробити висновок, що внаслідок нанесення SiC плівок на поверхню ПК та наступного відпалу, на квантових нитках формуються карбідні кластери, які є ефективними пасивуючими утвореннями. Крім того, залишається випромінювання в високоенергетичній області, яке характерне для структур с товстою плівкою SiC. Слід зазначити, що відпалені структури зберігають стабільні випромінювальні властивості протягом значних проміжків часу (12 місяців).

Четвертий розділ присвячений вивченню властивостей структур ПК-фулерен. Досліджувались структури, в які фулерен вводився двома методами. В першому випадку молекули фулерену впроваджувались в ПК шляхом термічного випарювання із перенасиченого розчину мікрокристалів С60 в толуолі, тоді як в другому зразки ПК довгий час витримувались в ньому, а потім оброблялись чистим розчином толуолу та висушувались. В залежності від способу впровадження фулерену в ПК відбувалась його кристалізація в порах (перший спосіб) та формувалась плівка молекулярного фулерену на його поверхні (другий спосіб).

В спектрах ФЛ для кристалів С60, що знаходяться в перенасиченому розчині толуолу, спостерігається інтенсивна смуга при 743 нм та її вібронне повторення поблизу 820 нм. Існує декілька пояснень виникнення ФЛ С60 в конденсованому стані. Припускають, що ФЛ виникає на дефектах (поверхня границь зерен), які призводять до локального викривлення симетрії молекул С60 і збільшення ймовірності випромінювального t1u-hu переходу, який заборонено по парності у дипольному наближенні. Також існує думка про виникнення ФЛ за рахунок локалізації електронних збуджень (екситонів) на квазісферичній поверхні С60.

Для двох різних методів введення молекул фулерену в пори ПК, можна виділити два основних механізми випромінювальної рекомбінації систем ПК - С60. По-перше, спостерігається значне підсилення саме інтенсивності випромінювання молекул С60 ( ~ в 4 рази) при їх взаємодії з ПК. Такі результати можна пояснити наявністю фотоіндукованого переносу енергії збудження або заряду з ПК на адсорбовані молекули С60. Перевагу можна віддати фотоінжекції з ПК вільних носіїв заряду та їх рекомбінації на молекулах С60. Це підтверджується вимірюваннями спектрів збудження ФЛ ПК і ПК + С60. Отримані нами результати показують, що процес сенсибілізації ФЛ С60 ефективний переважно поблизу поверхні нанокристалітів або ниток малого діаметру.

У висновках стисло викладені основні наукові результати, отримані в дисертації.

Основні результати і висновки

1. Показано, що імплантація йонів В+ і N+ в пластини кремнію перед створенням пористого шару призводить то трансформації ФЛ властивостей ПК, сформованого на таких пластинах. Виявлено ефект підсилення ФЛ для випадку В++N+ комбінованої імплантації, що обумовлено формуванням донорно-акцепторних комплексів, які є рекомбінаційно активними.

2. Виявлено ефект активації високоенергетичної ФЛ після швидкого термічного відпалу ПК, сформованого на В+ - модифікованих пластинах кремнію, обумовлений сегрегацією бору на границі поділу кремнієвий кристаліт - шар SiOx і, в результаті, формуванням додаткового каналу випромінювальної рекомбінації.

3. Показано, що обробки в плазмі водню дозволяють значно підвищити інтенсивність люмінесценції пористого кремнію за рахунок пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації на поверхні кремнієвих квантових ниток.

4. Встановлено, що після осадження тонких алмазоподібних вуглецевих плівок на поверхню ПК спостерігається зростання наносекундної ФЛ АПП, зумовлене формуванням вуглецевих нанокластерів на поверхні кремнієвих ниток, переносом носіїв заряду с ПК на АПП і випромінювальною рекомбінацією в нанокластерах.

5. Термічні обробки структур ПК - АПП призводять до модифікації приповерхневого шару ПК з утворенням Si-C сполук. В результаті спостерігається стабільне випромінювання термічно стійких ниток великого діаметру ПК в довгохвильовій області спектру, а також випромінювання Si-C сполук в короткохвильовій області.

6. Показано, що нанесення тонких шарів SiC на поверхню ПК, впливає на фотолюмінесцентні властивості таких систем та призводить до формування структур ПК- SiC, більш стійких до термічних відпалів, порівняно з вихідними зразками ПК, що обумовлено формуванням нанокристалів SiC на кремнієвих нитках.

7. Показана можливість та встановлені механізми модифікації властивостей ПК при введені в пори фулерену. Виявлено ефект зростання інтенсивності ФЛ молекул С60 при їх взаємодії з ПК, який пояснюється фотоіндукованим переносом енергії збудження з пористого кремнію на молекули фулерену з наступною випромінювальною рекомбінацію в них.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

1. Клюй Н.И, Литовченко В.Г., Новиков Н.В., Пирятинский Ю.П., Рожин А.Г., Семенович В.А. Особенности фотолюминесценции систем: фуллерен- пористый Si; алмазоподобная пленка углерода- пористый Si // Сверхтвердые материалы.- 1997, -№ 3. - С.73-81.

2. Piryatinskii Yu.P. , Semenovich V.A., Klyui N.I., . Rozhin A.G. Diamond-Like Film-Porous Silicon Systems: New Approaches for Optoelectronic Devices Fabrication // Journal of CVD.-1997.- V 5, № 3.- P.207-213.

3. Пирятинский Ю.П., Семенович В.А., Клюй Н.И., Рожин А.Г. Особенности фотолюминесценции систем пористый кремний- алмазоподобная пленка //Журнал технической физики.- 1998.- T.68, №4.- C.83-88.

4. Klyui N.I., Litovchenko V.G., Rozhin A.G. et.al. Light emission from porous silicon subjected to different surface treatments // Book of abstracts of European materials research society spring meeting.- Strasbourg, France.- 1998.- P.B-24.

5. Piryatinskii Yu.P., Klyui N.I., Rozhin A.G., Semenovich V.A. Electron processes in low-dimension porous Si-fulleren system: Photoluminescence study// Molecular Crystals and Liquid Crystals. -1998.- V.324.- P.13-18.

6. Пирятинский Ю.П., Клюй Н.И, Литовченко В.Г., Рожин А.Г., Романюк А. Б., Воронкин М.А., Заика Н.И., Петруша И.А., Семенович В.А. Фотолюминесценция азотосодержащих аморфных углеродных пленок // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”.- Санкт-Петербург.- 1998.- С. 76.

7. Рожин А.Г., Клюй Н.И., Пирятинский Ю.П., Семенович В.А. Фотолюминесценция систем пористый кремний- алмазоподобная пленка углерода подвергнутых быстрому термическому отжигу // Письма в ЖТФ.- 1999.- T.25, № 8.- C.27-32.

8. Пирятинский Ю.П., Клюй Н.И., Рожин А.Г. Фотолюминесценция пористого кремния сформированного на ионно- имплантированных пластинах кремния // Письма в ЖТФ.- 2000.- Т.26, №21.- С. 20-25.

9. Klyui N.I., . Litovchenko V.G, Kostylyoм V.P. , Rozhin A.G.,Gorbulik V.I., Voronkin M.A., Zaika N.I. Silicon Solar Cells with Antireflecting and Protective Coatings Based on Diamond-Like Carbon and Silicon Carbide Films // Optoelectronics Review.- 2000.- V.8, №4. -P.406-409.

10. Клюй Н.И., Рожин А.Г., Ефанов В.С., Пирятинский Ю.П., Попеску Б., Девис Е.А. Оптические свойства аморфных гидрогенизированных углеродных пленок, полученных магнетронным распылением // Тезисы докладов Второй Международной конференции “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”.- Санкт-Петербург.- 2000.- C.48.

11. Klyui N.I., Litovchenko V.G., Rozhin A.G., Semenovich V.A., Speers E. Antireflection of Silicon Solar Cells by Diamond-Like Carbon and Silicon Carbide Films // Proceedings of II Int. Smakula Symposium, “Fundumental and Apply Aspects of Modern Physics”.- Ternopil, Ukraine.- 2000, P. 110-111.

12. Rozhin A.G., Klyui N.I.,Litovchenko V.G., Melnik V.P., Romanyuk B.N. , Piryatinskii Yu.P. Activation of porous Si blue emission due to preanodization ion implantation // Semiconductor physics, Quantum electronics & Optoelectronics.- 2001.- V. 4, №1.- P. 44-47.

Анотація

Рожин О.Г. “Фотолюмінесцентні властивості структур на основі пористого кремнію, модифікованого поверхневими обробками“. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України. Київ, 2001 р.

В дисертації досліджено властивості структур на основі пористого кремнію та механізми їх модифікації під дією поверхневих обробок. Вивчено властивості ПК, сформованого на йонно - імплантованих пластинах кремнію. Виявлено ефект активації високоенергетичної ФЛ на В+ імплантованих зразках після швидкого термічного відпалу ПК, обумовлений сегрегацією бору на границі поділу кремнієвий кристаліт - шар SiOx. Поверхневі обробки в плазмі водню дозволяють значно підвищити інтенсивність ФЛ ПК за рахунок пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації. Підсилення наносекундної ФЛ АПП вуглецю, осаджених на поверхню ПК, пов'язане з утворенням вуглецевих нанокластерів на поверхні кремнієвих ниток, переносом носіїв заряду с ПК на АПП і випромінювальною рекомбінацією в нанокластерах. Нанесення тонких шарів SiC на ПК призводить до формування структур ПК- SiC, більш стійких до термічних відпалів, порівняно з вихідним ПК. Виявлено ефект сенсибілізації випромінювання C60 після введення молекул C60 в пори ПК. Ефект пояснюється в рамках моделі фотоіндукованого переносу енергії збудження з ПК на адсорбовані молекули C60.

Ключові слова: пористий кремній, фотолюмінесценція, йонна модифікація, алмазоподібні вуглецеві плівки, SiC плівки, фулерен.

Abstract

Rozhin A.G. “The photoluminescent properties of porous Si based structures subjected to surface treatments”.- Typescript.

Candidate Phys.-Math. Sciences Thesis (speciality 01.04.07 - physics of solid state). Institute of Semiconductor Physics NAS Ukraine, Kyiv, 2001.

Properties of porous Si based structures and their modification under the action of the surface treatments have been investigated. The properties of porous Si formed on the ion implanted Si wafers were studied. The effect of high-energy photoluminescence (PL) activation for the B+ implanted samples was revealed after rapid thermal annealing. The effect is determined by boron segregation on the interface silicon crystallite- SiOx layer. Surface treatments in hydrogen plasma leads to significant increasing of the porous Si PL intensity due to passivation of the centers of non-radiative recombinations. Enhancement of nanosecond PL of diamond- like films (DLF), which were deposited onto porous Si surface, is explained by creation of carbon nanocrystals on the silicon wires surface and, as a result, the transfer of the charge carrier from porous Si to DLF followed by radiative recombination in the nanocrystals. The deposition of thin SiC layers onto porous Si results in formation of porous Si- SiC structures being more stable to influence of the thermal annealing compared to the initial porous Si. The effect of C60 emission sensitization has been observed after introduction of the C60 molecules into porous Si. This effect can be explained in framework of the model of photoinduced excitation energy transfer from the silicon nanocrystals to adsorbed C60 molecules.

Key words: porous Si, photoluminescence, ion-beam modification, diamond-like carbon films, SiC films, fullerene.

Аннотация

Рожин А.Г. “ Фотолюминесцентные свойства структур на основе пористого кремния, модифицированных поверхностными обработками. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2001 г.

В диссертации исследованы структуры на основе пористого кремния и влияние на них ионных и поверхностных обработок.

Установлено, что ионная модификация исходных пластин кремния приводит к существенным изменениям спектральных характеристик пористого кремния, полученного на них. В частности, показано, что имплантация в исходные пластины ионов B+ и N+ приводит к падению интенсивности ФЛ ПК, сформированного на таких пластинах, по сравнению с ФЛ ПК, сформированного на неимплантированном кремнии. В то же время комбинированная имплантация B++N+ обуславливает значительное увеличение интенсивности ФЛ ПК, что может быть объяснено формированием рекомбинационно-активных донорно-акцепторных комплексов. Обнаружен эффект активации интенсивной люминесценции в сине-зеленой спектральной области после быстрого термического отжига (БТО) образцов ПК, сформированного на B+ модифицированных пластинах кремния. Данный эффект обусловлен сегрегацией бора на границе раздела кремниевый нанокристаллит - поверхностный слой SiOx и, как следствие, формированием дополнительных энергетических уровней в диэлектрической матрице, являющихся дополнительным каналом излучательной рекомбинации.

Исследованы фотолюминесцентные свойства структур ПК - алмазоподобная пленка углерода, ПК - пленка карбида кремния. Показано, что в результате нанесения АПП на поверхность ПК наблюдается существенное увеличение наносекундной люминесценции АПП. Кроме того, не происходит заметного снижения интегральной интенсивности ФЛ ПК по сравнению с исходным образцом ПК. Исследуемые структуры сохраняют стабильные спектроскопические характеристики на протяжении значительных временных промежутков. Изучено влияние быстрого термического отжига на свойства структур ПК+АПП, ПК+SiC. Показано, что результатом отжига есть модификация приповерхностной области ПК и, как результат, формирование на границе раздела ПК АПП соединений SiCx, обуславливающих существенное перераспределение областей свечения. В высокоэнергетической области наблюдается свечение SiC- комплексов, кроме того, в длинноволновой области - свечение термически стойких нитей большого диаметра, расположенных в глубине ПК. Изучены фотолюминесцентные свойства систем ПК+ SiC пленка в зависимости от толщины осажденной пленки. Показано, что нанесение тонких слоев SiC приводит к формированию термически стойких систем.

Показана возможность и установлены механизмы модификации пористого кремния введением в поры фуллерена. Обнаружен эффект увеличения интенсивности ФЛ молекул С60 при их взаимодействии с ПК. Представленные результаты можно объяснить в рамках механизма фотоиндуцированного переноса энергии экситонов или заряда с ПК на адсорбированные на кремниевых нитях молекулы фуллерена.

Ключевые слова: фотолюминесценция, пористый кремний, ионная имплантация, алмазоподобные углеродные пленки, карбидокремниевые пленки, фуллерен.

Размещено на Allbest.ru