Фізичні властивості світловипромінюючих структур з кремнієвими нанокластерами, отриманих методом іонно-стимульованого синтезу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фізичні властивості світловипромінюючих структур з кремнієвими нанокластерами, отриманих методом іонно-стимульованого синтезу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидат фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток мікро - та оптоелектроніки пов'язаний із розробкою та використанням нових матеріалів із унікальними властивостями. Структури з нанорозмірними кремнієвими кластерами (Si-нк) вважаються одними з найперспективніших матеріалів для створення нового покоління опто-, мікро - та наноелектронних приладів, таких, як світлодіоди, лазери, елементи пам'яті. Використання кремнієвих наноструктур є одним із методів вирішення проблеми електричних з'єднань у мікросхемах із великим ступенем інтеграції елементів. Випромінювання світла у видимому діапазоні спектра при кімнатній температурі, яке характерне для структур із Si-нк у діелектричній матриці, зумовило інтенсивні дослідження їх властивостей.

Найбільшу увагу дослідників привертає структура з Si-нк у матриці оксиду кремнію, що формується методом високотемпературного розпаду субокисду кремнію SiO_X (x<2), отриманого різними способами (напилення, іонна імплантація, хімічне осадження та ін.). Незважаючи на інтенсивні дослідження, і досі немає єдиної думки про механізми випромінювальної рекомбінації у таких структурах, а результати дослідження світловипромінювальних властивостей таких структур часто суперечать один одному. Підтвердження достовірності того чи іншого механізму має важливе значення для розуміння фундаментальних особливостей нанорозмірних систем.

Для подальшого практичного використання структур із Si-нк є важливим збільшення інтенсивності випромінювання та розширення його спектрального діапазону. Тому дослідження процесів іонно-променевої і термічної модифікації таких структур видається перспективним напрямком сучасного матеріалознавства та фізики твердого тіла. Використання методу іонної імплантації для введення домішок дозволяє стимулювати процеси зародження Si-нк і змінювати умови їх подальшого формування, тобто служить основою, запропонованого нами, іонно-стимульованого синтезу. Формування структур із Si-нк методом іонної імплантації сумісне з планарною кремнієвою технологією але супроводжується генерацією великої кількості радіаційних дефектів, що суттєво впливає на властивості синтезованих об'єктів. Можливість контрольованої зміни концентрації радіаційних дефектів і, таким чином, керування властивостями синтезованих нанооб'єктів, є оригінальним методом модифікації властивостей Si-нк.

Отже, дослідження фізичних властивостей світловипромінюючих структур з кремнієвими нанокластерами, отриманих методом іонно-стимульованого синтезу є важливою та актуальною задачею сучасної фізики твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України ім. В. Є. Лашкарьова. Основні результати отримані в рамках виконання наступних тем:

1. Науково-технічна програма: «Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів». Тема «Сертифікація», проект «Розробка методів і апаратури діагностики матеріалів електронної техніки, шаруватих структур на їх основі та мікроелектронних приладів на основі Оже-електронної спектроскопії» (№ державної реєстрації 0197U008669);

2. «Нові принципи, методи і засоби одержання, дослідження і характеризації напівпровідникових матеріалів і структур, створення елементної бази перспективної напівпровідникової електронної техніки, в тому числі на основі нових фізичних явищ» (№ державної реєстрації 0106U000657);

3. «Формування та дослідження напівпровідникових наноструктур для електронних та оптоелектронних приладів з розширеними функціональними можливостями» (№ державної реєстрації 0107U007277).

Мета і задачі дослідження: метою роботи було дослідження фізичних механізмів випромінювальної рекомбінації у нанокристалічних структурах на основі кремнію та іонно-стимульована модифікація світловипромінюючих властивостей таких структур.

Об'єктом дослідження були структури з кремнієвими нанокластерами в діелектричній матриці двоокису кремнію.

Предметом дослідження були фізичні процеси формування і модифікації властивостей діелектричних плівок із вбудованими нанокластерами кремнію та процеси випромінювальної рекомбінації у таких структурах.

Методи дослідження: компонентний склад та розподіл домішок досліджувалися методами мас-спектрометрії, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) та Оже-спектроскопії. Структура плівок аналізувалася за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії (ПЕМ), ширококутового розсіювання рентгенівських променів та атомно-силової мікроскопії (АСМ). Оптичні властивості нанокластерних структур на базі кремнію досліджувалися методами еліпсометрії та інфрачервоної спектроскопії. Світловипромінюючі властивості кремнієвих нанокластерних структур вивчалися методом фотолюмінесценції (ФЛ).

При цьому вирішувались наступні наукові задачі:

1. Дослідити елементний склад і розподіл елементів по глибині для плівок SiO_X у залежності від методу їх формування та встановити механізми впливу технологічних параметрів отримання на їх властивості.

2. Вивчити світловипромінюючі властивості кремнієвої нанокластерної структури в залежності від елементного складу плівки (SiO_X) та параметрів термічного, формуючого Si-нк, відпалу.

3. Дослідити вплив імплантації хімічно активних металів на процес еволюції випромінювальних властивостей кремнієвих нанокластерних структур у оксидній матриці.

4. Встановити механізм впливу домішки азоту на процес формування структур із кремнієвими нанокластерами в діелектричній матриці та їх світловипромінюючі властивості в залежності від його концентрації та способів введення.

5. Дослідити механізм впливу низькотемпературних (200-800^оС) відпалів на світловипромінюючі властивості структур зі сформованими нанокластерами.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше вивчено вплив домішок алюмінію і титану на світловипромінюючі властивості структур із кремнієвими нанокластерами в оксидній матриці. Встановлено, що введення атомів алюмінію підвищує інтенсивність ФЛ таких структур за рахунок збільшення концентрації надлишкового кремнію та пасивації обірваних зв'язків.

2. На основі проведених експериментів запропоновано фізичну модель впливу азоту на формування та випромінювальну рекомбінацію у структурах із кремнієвими нанокластерами, яка полягає у стабілізації розмірів і концентрації нанокластерів кремнію та модифікації границь поділу нанокластер / матриця за рахунок пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації та створення додаткових центрів випромінювальної рекомбінації.

3. Вперше сформовано кремнієві нанокластерні структури в оксидній матриці методом акустостимульованого іонно-променевого синтезу і показано, що ультразвукова (УЗ) обробка плівки оксиду кремнію в процесі її імплантації дає можливість сформувати масив нанокластерів із різкими границями поділу Si-нк/матриця SiO₂ та підтверджено домінуючу роль механізму випромінювальної рекомбінації через локалізовані стани на границі розділу Si-нк/SiO₂ для смуги ФЛ у червоній та ближні інфрачервоній (ІЧ) області спектра.

4. Виявлено ефект суттєвого збільшення інтенсивності ФЛ структури з кремнієвими нанокластерами при низькотемпературному (НТ) відпалі структур у суміші азоту і кисню та запропоновано фізичний механізм, який пояснює цей ефект і полягає у реконструкції границі розділу Si-нк/матриця та формуванні енергетичних станів, які беруть участь у рекомбінації нерівноважних носіїв струму.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці методів підвищення інтенсивності ФЛ кремнієвих нанокластерних структур. Зокрема:

1) встановлено значення оптимальних концентрацій алюмінію та азоту, що забезпечують максимальний ефект збільшення інтенсивності ФЛ (у порівнянні з неімплантованими структурами при імплантації Al⁺ інтенсивність ФЛ у видимій області зростає на 25%; при введені азоту - в 3 рази);

2) виявлено ефект впливу НТ відпалів, який дозволяє суттєво (на порядок) збільшити інтенсивність ФЛ структур зі сформованими кремнієвими нанокластерами і відкриває новий шлях до формування світловипромінюючих нанокластерних структур, а саме - застосування формуючого високотемпературного відпалу з наступним модифікуючим НТ відпалом та пасивуючим відпалом.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: проведення термічних відпалів вихідних плівок для формування структур із нанокластерами [1-2, 4-5, 7-13, 15-20], здійснення модифікуючих обробок [4, 7, 10-11, 18-20] та дослідження їх оптичних властивостей методами фотолюмінесценції [1-20], еліпсометрії [2, 5, 7, 13, 16]. Автор брав участь у постановці задач досліджень, обговоренні результатів і написанні всіх робіт [1-20].

Апробація роботи: основні матеріали дисертації доповідались та обговорювалися на наукових конференціях: NATO Advanced Research Workshop «Nanoscaled semiconductor-on-insulator structures and devices» (Sudak, Crime, Ukraine). - 15-19 Oktober 2006; ХІ Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия). - 10-14 марта 2007; III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (УНКФН-3) (Одеса, Україна). - 17-22 червня 2007; VIII Международный украинско-российский семинар «Нанофизика и наноэлектроника» (Киев, Украина). - 6-8 декабря 2007; ІІІ міжнародна науково-практична конференція «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології» (МЕТІТ-3) (Кременчук, Україна). - 21-23 травня 2008; Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання» (Київ, Україна). - 21-23 квітня 2008; Міжнародна наукова конференція «Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро - та наноструктур» (Харків, Україна). - 8-10 жовтня 2008.

Публікації: результати дисертаційної роботи опубліковані в 20 працях, з них 7 - у наукових журналах, 11 - у матеріалах і тезах конференцій, за матеріалами роботи отримано 1 патент на винахід і 1 патент на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, літературного огляду з теми дослідження (розділ 1), чотирьох оригінальних розділів, висновків, списку літератури з 202 джерел та 3 додатків. Виклад зроблено на 178 сторінках друкованого тексту, що містить 70 рисунків і 8 таблиць.

Основний зміст роботи

кремнієвий нанокластер плівка

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та її зв'язок із науковими програмами і темами, що виконувалися в Інституті фізики напівпровідників НАН України ім. В.Є. Лашкарьова, сформульовано мету роботи, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено дані про апробацію роботи.

У першому розділі зроблено короткий огляд літератури, окреслено основні проблеми та сформульовано задачі даної роботи.

У другому розділі описано методи синтезу вихідних плівок SiO_X, способи формування і модифікації властивостей структур із кремнієвими нанокластерами та розглянуто основні методи дослідження вихідних плівок і наноструктурованих об'єктів.

Вихідні плівки субоксиду кремнію SiO_X (x<2) отримувалися трьома різними способами: плазмохімічним осадженням із газової фази (Plasma enhanced chemical vapor deposition - PECVD), термічним випаровуванням мішені SiO у вакуумі та імплантацією іонів кремнію в плівку SiO₂.

Плівки субокисиду кремнію були отримані також оригінальним методом акустостимульованого іонно-променевого синтезу із застосуванням ультразвукової обробки підкладки в процесі її імплантації. Використання методу акустостимульованого іонно-променевого синтезу для створення плівок SiO_X пов'язане з можливістю змінювати розподіл радіаційних дефектів по глибині плівки.

Для формування кремнієвих нанокластерів у плівці SiO₂ структури піддавалися термічним обробкам при температурі 200 - 1280⁰С з тривалістю від 2 хв. до 6 год. у різних середовищах: Ar, N₂, O₂, H₂, N₂+O₂ та у вакуумі. Відпали проводились у звичайній пічці з резистивним нагрівом та в установці для швидких термічних відпалів з фотонним нагрівом.

Для модифікації властивостей кремнієвих нанокластерних структур у плівки SiO_Х і у структури з кремнієвими нанокластерами методом іонної імплантації вводилися домішки Al, Ti та N. Використання іонної імплантації дозволяло прицезійно контролювати концентрацію та розподіл домішок по глибині плівки.

Дано характеристику використаних методів дослідження елементного складу та розподілу елементів по глибині зразків і описано особливості методів дослідження структури отриманих плівок. Детально розглянуто особливості розробленої автоматизованої установки для вимірювання фото - та електролюмінесценції, визначено спектральну чутливість, показано можливість її використання для дослідження спектрів випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 400 до 950 нм.

Третій розділ дисертації присвячено дослідженню властивостей плівок SiO_X і сформованих на їх базі структур із Si-нк. Метою проведених досліджень було визначення оптимального складу вихідної плівки та параметрів термічного відпалу, які забезпечують формування кремнієвої нанокластерної структури з максимальною інтенсивністю ФЛ у видимій області.

Методом вторинної іонної мас-спектрометрії (TOF SIMS, SNMS) було виявлено, що для плівок SiO_X, отриманих методом PECVD і термічним напиленням характерний рівномірний розподіл кремнію по глибині. Для плівок, отриманих методом іонної імплантації, розподіл кремнію по товщині неоднорідний і визначається енергією імплантації. Для забезпечення однорідного розподілу слід використовувати декілька енергій імплантації.

Структури з кремнієвими нанокластерами в оксидній матриці формувалися під час високотемпературного відпалу (1000 - 1200⁰С) за рахунок розпаду фази SiO_X (х<2). Результати дослідження SiO_X плівок методом ІЧ-спектроскопії підтвердили, що в процесі відпалу відбувається розділення фаз Si та SiO₂. При температурах відпалу вище 1000⁰С оточуюча матриця має склад стехіометричного SiO₂, а при температурах, нижчих 1000⁰С, склад матриці відрізняється від оксиду кремнію. Атомно-силова мікроскопія, проведена після видалення верхнього шару матриці SiO₂, підтвердила формування масиву нанокластерів кремнію.

Крім того, підтвердження формування кремнієвих нанокристалів сферичної форми, вбудованих в аморфну матрицю SiO₂ (рис. 1), було отримано за допомогою ПЕМ. Для зразків, отриманих методом звичайної іонної імплантації (E = 100 кеВ, D_Si = 8,10¹⁶ см^-2) та імплантації із ультразвуковою обробкою (9,5 МГц, 1 Вт·см^-2) після високотемпературного відпалу (T_B= 1100^оС, 20 хв., N₂), розмір нанокристалів можна описати розподілом Гауса з середнім діаметром 2,15 нм і дисперсією 1,4 нм для контрольних зразків і 2,17 нм із дисперсією 1 нм для зразків із УЗ обробкою.

У процесі дослідження SiO_x плівок встановлено, що світловипромінювальні властивості визначаються не тільки складом плівки і параметрами відпалу, а залежать також від методу їх синтезу. Для плівок, отриманих методом PECVD на спектрі ФЛ після високотемпературних відпалів (>1100⁰C), спостерігається інтенсивна смуга з максимумом 560 нм (рис. 2, крива 1), яка не характерна для плівок, отриманих іншими методами (рис. 2, криві 2, 3). ФЛ у цій області характерна для термічно-напилених плівок, відпалених при низьких температурах (700 - 900⁰С), і пов'язана з аморфними нанокластерами або дефектами. Оскільки у випадку PECVD положення максимуму смуги 560 нм не залежить від температури відпалу, то малоймовірно, що дана смуга пов'язана з аморфними Si-нк. Оскільки концентрація кремнію та параметри термічної обробки для даних плівок однакові, то, ймовірною причиною відмінності ФЛ властивостей є особливості синтезу плівок. Однією з таких особливостей є наявність азоту у плівках, отриманих методом PECVD. Тому ми вважаємо, що саме з наявністю азоту пов'язана така різниця у спектрах ФЛ.

Резюмуючи результати, отримані для структур із кремнієвими нанокластерами, сформованими трьома різними методами, можна виділити наступні спільні властивості:

1) максимальна інтенсивність ФЛ спостерігається для плівок із концентрацією кремнію 39-40 ат.%;

2) оптимальна температура термічних обробок складає ~1150⁰С;

3) збільшення тривалості відпалу призводить до росту інтенсивності ФЛ і при певному часі відпалу вона виходить на насичення (для термічно напиленої плівки - 20 хв., імплантованої - 40 хв., отриманої методом PECVD - 90 хв.);

4) смуга ФЛ у червоній та ближній інфрачервоній області спектра зі збільшенням температури відпалу зміщується в довгохвильову область.

На основі цих досліджень нами було оптимізовано процес формування структур із Si-нк, що дало змогу значно підвищити інтенсивність ФЛ.

У четвертому розділі дисертації запропоновано нові методи модифікації світловипромінювальних властивостей структур із кремнієвими нанокластерами за рахунок введення домішок та проведення УЗ обробки. Збільшення інтенсивності ФЛ за рахунок зміни технологічних параметрів (концентрації надлишкового кремнію та/або температури відпалу) практично завжди пов'язане зі зміщенням максимуму в довгохвильову область. Тому отримати структури з інтенсивною ФЛ у синій та зеленій області видимого спектра не вдається. Для зміни спектрального положення та інтенсивності смуг ФЛ у плівку SiO_X та у структури з Si-нк вводилися домішки інших елементів.

Плівки SiO_1,48, отримані методом PECVD, були додатково проімплантовані іонами хімічно активних металів Al та Ti. Після імплантації для формування кремнієвих нанокластерів проводився термічний відпал. Нами вперше було встановлено, що імплантація алюмінію призводить до збільшення інтенсивності ФЛ структур із кремнієвими нанокластерами, а імплантація титану зменшує інтенсивність ФЛ. Проте імплантація як алюмінію, так і титану дозволила зменшити тривалість високотемпературного відпалу, необхідного для отримання кремнієвих нанокластерних структур із максимальною інтенсивністю ФЛ: Ti - 20 хв., Al - 40 хв., для неімплантованих плівок - 1,5 год.

Було встановлено, що вплив алюмінію на ФЛ структур із Si-нк залежить від дози імплантованих іонів (рис. 3, а). При малих дозах відбувається зменшення інтенсивності ФЛ у порівнянні з неімплантованими зразками. Це пов'язано з іонно-променевим розупорядкуванням нановключень, що існують у вихідній плівці SiO_1,48. Максимальна інтенсивність ФЛ спостерігалася для плівок, імплантованих дозою алюмінію ~ 8·10¹⁵ іон/см², а подальше збільшення дози імплантованого Al⁺ призводило до погіршення світловипромінюючих властивостей даних структур. Збільшення інтенсивності ФЛ кремнієвих нанокластерних структур при введенні Al пов'язане з декількома факторами. По-перше, при високотемпературному відпалі атоми алюмінію переважно вступають в реакцію з атомами кисню з утворенням зв'язків Al-O. Даний процес стимулює розпад фази SiO_X і формування масиву кремнієвих нанокластерів у матриці SiO₂. По-друге, введення Al може сприяти зменшенню концентрації обірваних зв'язків на границі розділу Si-нк/діелектрична матриця (центрів безвипромінювальної рекомбінації).

У роботі показано, що відмінність між впливом на ФЛ атомів Al та Ti пов'язана з двома їх особливостями: по-перше, атоми титану під час високотемпературного відпалу утворюють зв'язки як з киснем, так і з кремнієм, тоді як алюміній взаємодіє тільки з атомами кисню; по-друге, атоми алюмінію, потрапляючи в Si-нк, можуть утворювати домішкові рівні з малою рекомбінаційною активністю, тоді як атоми титану формують глибокі, рекомбінаційно активні домішкові рівні, які служать центрами безвипромінювальної рекомбінації.

При дослідженні впливу азоту на світловипромінюючі властивості структур із кремнієвими нанокластерами азот у плівку SiO_X вводився двома методами: шляхом термічного відпалу в азоті, імплантацією іонів N₂⁺. Було встановлено, що наявність азоту збільшує інтенсивність ФЛ та призводить до зміщення смуги ФЛ у короткохвильову область. Ефект впливу азоту на ФЛ не залежить від способу його введення, а визначається концентрацією азоту в плівці. Використання іонної імплантації дало можливість оцінити необхідну концентрацію азоту, при якій спостерігається максимальне збільшення інтенсивності ФЛ (рис. 3, б). Для структур, у яких надлишкова концентрація кремнію складає ~ 10 ат.% така оптимальна доза азоту знаходиться в діапазоні 3,5-4 ат.%.

Отримані нами експериментальні результати не можна пояснити в рамках квантово-розмірної моделі, тому для їх інтерпретації ми розглянули також модель ФЛ за участі локалізованих електронних станів на границі розділу SiO₂/Si-нк, тобто припустили, що збуджуюче світло поглинається в нанокластерах, а випромінювальна рекомбінація відбувається через енергетичні рівні на границі розділу SiO₂/Si-нк (зокрема, зв'язки Si=O).

На початковому етапі процесу формування Si-нк азот, за рахунок формування зв'язків Si-N, уповільнює дифузію кремнію, обмежує дифузійно-лімітовану стадію росту кластерів та забезпечує високу концентрацію нанокластерів. У процесі відпалу азот накопичується на інтерфейсах оксид/Si-нк, пасивуючи обірвані зв'язки кремнію, що призводить до зменшення кількості центрів безвипромінювальної рекомбінації. Таким чином, у процесі термічного відпалу зберігається висока концентрація нанокластерів, оточених фазою SiO₂, у яких обірвані зв'язки пасивовані азотом.

Інтенсивність ФЛ різко спадає при збільшенні концентрації азоту від 4 до 5,5 ат.% (рис. 3, б). Це пов'язано з виникненням оксинітридної фази на поверхні кластерів, зменшенням концентрації випромінюючих інтерфейсних електронних станів і, відповідно, зменшенням інтенсивності випромінювальної рекомбінації.

Запропоновано новий метод синтезу кремнієвих нанокластерів із використанням in-situ УЗ збудження зразка в процесі іонної імплантації. Показано, що за рахунок УЗ-стимульованого формування вакансійних комплексів вдається сформувати масив нанокластерів із різкими границями поділу Si нанокластер / матриця SiO₂. На відміну від структур, синтезованих без УЗ збудження, у таких структурах практично відсутній перехідний шар субоксидів. Це підтверджується результатами РФЕС (рис. 4, а). Зменшення концентрації зв'язків, характерних для 1-, 2 - та 3-кратно окисленого кремнію (Si⁺¹, Si⁺², Si⁺³) корелює зі зменшенням інтенсивності смуги ФЛ в області 800 нм. (рис. 4, б). Отже, для смуги ФЛ у червоній та ближні ІЧ області спектра домінуючим механізмом світловипромінювання є рекомбінація через локалізовані стани на границі розділу Si-нк/SiO₂.

П'ятий розділ дисертації присвячений дослідженню впливу параметрів низькотемпературних відпалів (температури, тривалості, атмосфери відпалу) на властивості структур зі сформованими кремнієвими нанокластерами.

Нами показано, що НТ модифікуючий відпал структур зі сформованими нанокластерами при температурі 450⁰С призводить до суттєвого збільшення інтенсивності ФЛ. Даний ефект залежить від атмосфери відпалу (рис. 5). Найбільша інтенсивність ФЛ спостерігається для структур, які після високотемпературного відпалу піддавалися НТ обробці в суміші азоту та кисню. У цьому випадку спостерігається суттєвий зсув максимуму ФЛ у довгохвильову область.

Наступні термічні відпали при температурах вище 450⁰С призводять до зменшення ФЛ, а повторне проведення модифікуючого відпалу в суміші N₂+O₂ при 450⁰С відновлює випромінювальні властивості структури з Si-нк.

Для зразків, сформованих у атмосфері Ar, інтенсивність ФЛ після НТ відпалу зростає більше, ніж у випадку формування структури в атмосфері N₂. Найбільша інтенсивність ФЛ спостерігається для структур із Si-нк, сформованих при високотемпературному відпалі в Ar, які потім пройшли додаткову термообробку в суміші азоту та кисню при 450^оС і наступний пасивуючий відпал у водні. Для таких структур ФЛ більше ніж на порядок вища у порівнянні зі структурами одразу після формування.

При НТ відпалі суттєво зменшуються механічні напруження в структурі SiO₂: Si-нк/Si-підкладка. Нами показано, що для таких структур проявляється чітка кореляція між механічними напруженнями та інтенсивністю ФЛ: при зменшенні механічних напружень збільшується інтенсивність ФЛ (таблиця 2). Збільшення гідростатичного тиску з боку діелектричної матриці може формувати на інтерфейсі Si-нк/SiO₂ центри безвипромінювальної рекомбінації та призводити до зменшення інтенсивності ФЛ.

На нашу думку, механізм впливу на ФЛ НТ відпалу в суміші N₂+O₂ пов'язаний із реконструкцією границь розділу фаз Si-нк/SiO₂ внаслідок квазіхімічних реакцій, у яких беруть участь атоми кисню та азоту. Важливим фактором для протікання квазіхімічних реакцій є наявність на границях розділу фаз обірваних зв'язків, саме з них, на нашу думку, починається реконструкція границь розділу. Виміри розподілу азоту по глибині плівки показали, що азот у процесі НТ відпалів розподіляється по всій товщині плівки. Наступний високотемпературний відпал призводить до виходу азоту з плівки. Ці експерименти свідчать про те, що довгохвильовий зсув смуги ФЛ пов'язаний із реконструкцією границь розділу Si-нк/SiO₂ і формуванням енергетичних станів, через які і відбувається випромінювальна рекомбінація.

Вплив НТ відпалів на інтенсивність ФЛ та механічні напруження в структурах з Si-нк

Кінетика процесу свідчить про те, що в формуванні центрів ФЛ бере участь кисень, який дифундує у плівку (див. рис. 5, вставка), оскільки коефіцієнт дифузії кисню при температурі ~ 450⁰С досить низький, то процес формування таких центрів протікає повільно. Якщо при відпалі в азоті відбувається швидкий процес пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації шляхом приєднання азоту до обірваних зв'язків на границях розділу нанокластер / матриця, то при додатковій дифузії кисню відбувається створення нових центрів.

Разом із тим, при формуванні випромінюючих центрів на інтерфейсах Si-нк/SiO₂ виникають нові обірвані зв'язки, які є центрами безвипромінювальної рекомбінації. Про це свідчить той факт, що внаслідок пасивації воднем структур Si-нк після НТ відпалів зростає інтенсивність ФЛ.

Висновки

1. Досліджено світловипромінювальні властивості структур із кремнієвими нанокластерами в матриці SiO_2, отриманих різними методами: PECVD, термічне напилення, іонна імплантація. Встановлено, що максимальна інтенсивність ФЛ спостерігається для плівок із концентрацією кремнію 39 - 40 ат.%, відпалених у діапазоні температур 1100 - 1150⁰С, незалежно від способу синтезу вихідної плівки. Проте світловипромінювальні властивості структур із Si-нк залежать від методу синтезу вихідної плівки SiO_X.

2. Вперше показано вплив домішок алюмінію і титану на випромінювальні властивості структур із Si-нк у оксидній матриці. Встановлено, що інтенсивність ФЛ залежить від дози імплантованих іонів, максимальне збільшення інтенсивності (~ 25%) спостерігається при дозі Al ~ 8·10¹⁵ іон/см². Вплив алюмінію пов'язаний із утворенням зв'язків Al-O та стимулюванням розпаду фази SiO_X. Зменшення інтенсивності ФЛ при імплантації Ti пов'язане з формуванням глибоких рекомбінаційно активних домішкових рівнів та з утворенням силіцидів титану.

3. Показано можливість збільшення інтенсивності ФЛ структур із Si-нк при введенні певної концентрацій азоту: для структур з концентрацією кремнію ~ 40 ат.% така оптимальна концентрація азоту знаходиться в діапазоні 3,5-4 ат.%. Запропоновано фізичну модель, що пояснює роль азоту при формуванні Si нанокластерів у SiO₂ та випромінювальну рекомбінацію в таких структурах. Атоми азоту сприяють стабілізації розмірів нанокластерів, збільшенню їх концентрації та модифікації границь поділу нанокластер-матриця за рахунок пасивації центрів безвипромінювальної рекомбінації і створення додаткових центрів випромінювальної рекомбінації (зв'язки Si=O).

4. Вперше синтезовано кремнієві нанокластерні структури в оксидній матриці методом акустостимульованого іонно-променевого синтезу. Застосування in-situ УЗ збудження зразка в процесі іонної імплантації дає можливість сформувати масив нанокластерів із різкими границями поділу Si-нк/матриця SiO₂ і підтверджує домінуючу роль механізму випромінювальної рекомбінації через локалізовані стани на границі розділу Si-нк/SiO₂ для смуги ФЛ у червоній та ближні ІЧ області.

5. Виявлено ефект підвищення інтенсивності ФЛ структур із Si-нк після відпалу в суміші N₂+O₂ при температурі 450⁰С. Даний ефект пов'язаний із реконструкцією границі розділу Si-нк/SiO₂ і формуванням енергетичних станів, через які відбувається рекомбінація нерівноважних носіїв заряду. У квазіхімічних реакціях створення таких станів беруть участь атоми кисню та азоту, а початковими центрами реакцій є обірвані зв'язки на границі розділу Si-нк/SiO₂. Спостерігається кореляція між ФЛ властивостями та механічними напруженнями в плівці оксиду кремнію з вбудованими нанокластерами при НТ відпалах.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Фотолюмінесценція нанокластерів в шарах SiO₂, імплантованих іонами кремнію та вуглецю / Б.М. Романюк, В.Г. Попов, В.П. Мельник, Д.В. Гамов, В.О. Юхимчик, О.С. Оберемок, А.А. Григор'єв, І.М. Хацевич, Г.В. Калістий // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2007. - Вип. 42. - С. 96-102.

2. Influence of Al⁺ and Ti⁺ implantation on radiating properties of the nanocluster structures / D. Gamov, G. Kalistiy, O. Oberemok, V. Popov, I. Khatsevych // Photoelectronics. - 2007. - No. 17. - P. 40-43.

3. Вплив -опромінення на оптичні властивості структур nc-Si/SiO₂, легованих азотом / І.П. Лісовський, В.Г. Литовченко, М.В. Войтович, В.П. Мельник, І.М. Хацевич, В.В. Войтович, В.Ю. Поварчук, М.В. Меженний, Д.І. Смірнов // Український фізичний журнал. - 2008. - Т. 53, №10. - С. 1001-1005.

4. Influence of nitrogen impurity on photoluminescence of silicon nanoclusters in the SiO₂ matrix / D. Gamov, I. Khatsevych, V. Lytovchenko, V. Melnik, O. Oberemok, V. Popov, B. Romanyuk, V. Yukhimchuk // Український фізичний журнал. - 2009. - Т. 54, №4. - С. 413-417.

5. Effect of low-temperature treatments on photoluminescence enhancement of ion-beam synthesized Si nanocrystals in SiO₂ matrix / I. Khatsevych, V. Melnik, V. Popov, B. Romanyuk, V. Fedulov // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2008. - V. 11, No. 4. - P. 352-355.

6. Трансформація структури оксиду кремнію в процесі формування кремнієвих нановключень при термічних відпалах / І.П. Лісовський, М.В. Войтович, А.В. Саріков, В.Г. Литовченко, А.Б. Романюк, В.П. Мельник, І.М. Хацевич, П.Є. Шепелявий // Український фізичний журнал. - 2009. - Т. 54, №4. - С. 383-390.

7. Особливості фотолюмінесценції кремнієвих нанокластерів в оксидній матриці при наявності домішки азоту / Д.М Москаль, Г.В. Калістий, В.П. Мельник, В.Г. Попов, І.М. Хацевич, О.С. Оберемок // Вісник Тернопільського технічного університету ім. В. Пулюя. - 2009. - №2. - С. 174-180.

8. Characterisation of Si and SiC nanoclusters embedded in SiO₂ and Si₃N₄ films: Abstracts of Conference «Nanoscaled semiconductor-on-insulator structures and devices» (Sudak, Crime, Ukraine, 15-19 Oktober 2006). - 71 p.

9. Оптические и структурные свойства нанокластеров, сформированных имплантацией в SiO₂ ионов Si⁺ (Ge⁺, C⁺): Материалы девятого международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 10-14 марта 2007 г.) / Институт физики микроструктур РАН. - С. 442-443.

10. Вплив імплантації Al та Ti на випромінювальні властивості кремнієвих нанокластерних структур: Матеріали III Української наукової конференції з фізики напівпровідників (Одеса, Україна, 17-22 червня 2007 р.) / Одеса «Астропринт» - 229 с.

11. Вплив домішки азоту на формування та випромінювальні властивості кремнієвих нанокластерних структур: Тези доповідей ІІІ міжнародної науково-практичної конференції «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології» (Кременчук, Україна, 21-23 травня 2008 р.) / Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління. - С. 203-205.

12. Дослідження вольт-фарадних характеристик МДН-структур з нанокластерами кремнію: Конференція молодих вчених з фізики напівпровідник «Лашкарьовські читання - 2008». Збірник тез (Київ, Україна, 21-23 квітня 2008 р.) / Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова. - К. Відділ оптичних та оптоелектронних реєструючих середовищ Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - С. 55-56.

13. Вплив домішок на формування та випромінювальні властивості кремнієвих нанокластерних структур: Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2008». Збірник тез (Київ, Україна, 21-23 квітня 2008 р.) / Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова. - К. Відділ оптичних та оптоелектронних реєструючих середовищ Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - С. 80-81.

14. Зв'язок між структурою кремнієвих нановключень та складом оксидної матриці: Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції «Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро - та наноструктур» (Харків, Україна, 8-10 жовтня 2008 р.) - С. 311-314.

15. Исследование физических механизмов формирования нанокластерных структур на основе кремния при ионно-лучевом синтезе: Нанофизика и наноэлектроника. Сборник тезисов VIII Международного украинско-российского семинара (Киев, Украина, 7-8 декабря 2007 г.) / Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва Национальной Академии наук Украины - C.60.

16. Елементний склад та випромінювальні властивості структур з Si-нк в SiO₂, синтезованих різними методами. Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2009». Збірник тез (Київ, Україна, 14 травня 2009 р.) / Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова. - К. Відділ оптичних та оптоелектронних реєструючих середовищ Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - С. 32-34.

17. Іонно-імплантаційна технологія формування кремнієвих наноструктурованих плівок. Матеріали ХІІ міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок та наносистем» (с. Гута, Україна, 18-23 травня 2009 р.), том 1 / Івано-Франківськ, Видавництво «Плай». - С. 324-326.

18. Вплив низькотемпературних відпалів на випромінювальні властивості кремнієвих нанокластерних структур. Матеріали ХІІ міжнародної конференції «Фізика і технологія тонких плівок та наносистем» (с. Гута, Україна, 18-23 травня 2009 р.), том 2 / Івано-Франківськ, Видавництво «Плай». - С. 322-324.

19. Пат. України 85477, МПК Н01L 29/00, H01L 21/00. Спосіб виготовлення фотолюмінесцентної кремнієвої нанокластерної структури / Б.М. Романюк, В.Г. Попов, В.П. Мельник, Д.В. Гамов, О.С. Оберемок, І.М. Хацевич; заявник та власник патенту Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - № а 2007 09827; заявл. 03.09.07; опубл. 26.01.09, Бюл. №2. - 4 с.

20. Пат. України 39868, МПК Н01L 29/00, H01L 21/00. Спосіб виготовлення фотолюмінесцентної кремнієвої нанокластерної структури / Б.М. Романюк, П.В. Мельник, В.Г. Попов, В.П. Мельник, І.М. Хацевич; заявник та власник патенту Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - № u 2008 13347; заявл. 19.11.08; опубл. 10/03/09, Бюл. №5. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru