Главная » 2013 » Ноябрь » 24 » Скачать Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов. Лисаченко, Максим Геннадьевич бесплатно
17:10
Скачать Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов. Лисаченко, Максим Геннадьевич бесплатно
Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов
Диссертация
Автор: Лисаченко, Максим Геннадьевич
Название: Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов
Справка: Лисаченко, Максим Геннадьевич. Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.10 Москва, 2003 116 c. : 61 04-1/274
Объем: 116 стр.
Информация: Москва, 2003
Содержание:
СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
11 Структура энергетических зон кристаллического кремния
Квантово- размерный эффект в кремнии Классификация наноструктур
12 Способы получения кремниевых наноструктур
13 Кулоновское взаимодействие в полупроводниковых наноструктурах 16 131 Электростатическое взаимодействие зарядов в полупроводниковых наноструктурах (квантовых ямах, нитях и точках)
132 Экситоны в системах пониженной размерности
14 Модели рекомбинации неравновесных носителей заряда в кремнии и кремниевых нанокристаллах
15 Равновесные носители заряда в пористом кремнии
16 Люминесценция ионов Ег3 в матрицах на основе кремния
161 Ег3 в монокристаллическом кремнии
162 Ег3* в аморфном кремнии
163 Ег3 в слоях кремниевых нанокристаллов
17 Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
21 Используемые образцы
22 Регистрация фотолюминесценции
23 Регистрация ИК и ЭПР спектров
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В НАНОСТРУКТУРАХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
31 Моделирование электронных процессов в наноструктурах пористого кремния
311 Феноменологическая модель релаксации фотовозбуждения в объемных полупроводниках и системах связанных нанокристалов
312 Расчет параметров экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях
313 Приближение эффективной среды для учета влияния диэлектрического окружения на параметры экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях
32 Экспериментальное исследование процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда в наноструктурах пористого кремния
321 Влияние морфологии образцов на статистику рекомбинации неравновесных носителей Сравнение экспериментальных данных с моделью
322 Влияние диэлектриков на экситонные состояния нанопористого кремния Сравнение с теоретической моделью
33 Выводы из главы
ГЛАВА 4 РАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ
41 Расчет энергии ионизации примеси бора в кремниевых квантовых нитях
42 Поглощение ИК излучения свободными носителями заряда
43 Влияние дефектов на концентрацию свободных носителей в мезопористом кремнии
44 Влияние диэлектриков на концентрацию свободных носителей в мезопористом кремнии
45 Выводы из главы
ГЛАВА 5 ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ
КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ
51 Нелегированные кремниевые квантовые точки в Si02- матрице
511 Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре
512 Температурная зависимость фотолюминесценции
513Кинетики фотолюминесценции
52 Кремниевые квантовые точки в Si02- матрице легированной ионами эрбия
521 Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре
522 Температурная зависимость фотолюминесценции
523Кинетики фотолюминесценции
53 Модель возбуждения ионов Ег3 в кремниевых нанокристаллах
54 Выводы из главы
Введение:
Актуальность проблемы
В последние десятилетия можно выделить две наиболее интенсивно развивающихся области техники- вычислительная техника и связь. Прогресс первой предопределило создание в 1948 году (Уильям Шокли) первого полупроводникового транзистора на основе германия, выполнявшего те же функции, что и электронная лампа, но имевший гораздо меньшие размеры. В 1958- 1959 гг. (Джек Килби, Роберт Нойс) были разработаны первые интегральные схемы, в которых на одном кристалле размещалось несколько транзисторов. В дальнейшем степень интеграции неуклонно росла, а размеры отдельного элемента уменьшались (от десятых долей мм до 130 нм). Современный процессор объединяет в себе 100 миллионов транзисторов и способен совершать 109 операций в секунду.
Параллельно с возрастающим объемом обрабатываемой информации растет потребность эту информацию передавать. Традиционные проволочные линии связи уже сегодня не способны справиться с все возрастающей нагрузкой. Решить проблему могут интенсивно развивающиеся оптические способы передачи информации. Преимущества связи при помощи света очевидны. Чем выше несущая частота, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ , потом метровые - KB и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.
Для преобразования сигнала из световой формы в электрическую и обратно необходимы всевозможные оптические и оптоэлектрические устройства, разработка которых является весьма актуальной задачей. Необходимо отметить, что все имеющиеся на сегодня полупроводниковые светоизлучающие приборы основаны на бинарных и тринарных прямозонных полупроводниках. В то же время вся информация обрабатывается кремниевыми микропроцессорами и передается по волноводу на основе оксида кремния. Создание светоизлучающих структур на базе кремния позволило бы в рамках единого технологического цикла изготавливать оптоэлектронные интегральные схемы, способные обрабатывать, преобразовывать и передавать информацию.
Основная причина того, что кремний долгое время не рассматривался как материал перспективный для оптоэлектроники, заключается в чрезвычайно низком квантовом выходе люминесценции в нем [1]. Однако, на сегодняшний день известно, по крайней мере, два способа, позволяющих добиться эффективной люминесценции в материалах на основе кремния [1,2]. Первый заключается в модификации структуры энергетических зон Si при уменьшении размеров кристаллов до единиц нанометров. Другой метод основан на введении в кремниевую матрицу активаторов люминесценции (например, ионов редкоземельных элементов).
В данной работе рассматриваются различные кремниевые наноструктуры, в которых реализуются оба вышеуказанных способа. Эффективная люминесценция пористого кремния (ПК), а также кремниевых нанокристаллов в оксидной матрице (пс-Si/Si02) обусловлена присутствием в их структуре кристаллов нанометрического размера. Также были исследованы образцы структур nc-Si/Si02 с внедренными в них ионами эрбия (Ег3"1"). Последние люминесцируют на длине волны 1.5 мкм, соответствующей максимуму пропускания оптических волоконных линий связи.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. На примере пористого кремния различной морфологии (мезопористого (мезо-ПК) и нанопористого кремния (нано-ПК)), а также монокристаллических подложек, на которых ПК был сформирован, провести экспериментальное и теоретическое исследование изменений в рекомбинационных процессах при переходе от объемного кремния к системе изолированных кремниевых нанокристаллов.
2. Изучить роль диэлектрического окружения в экситонных процессах в кремниевых квантовых нитях. Провести экспериментальную проверку влияния диэлектрической неоднородности среды на энергию связи экситонов в квантовых нитях ПК.
3. Исследовать факторы, определяющие концентрацию равновесных носителей заряда в ПК.
4. Провести комплексное исследование характеристик фотолюминесценции (ФЛ) упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SiC>2 матрице, легированных и нелегированных ионами Ег3 .
Для решения поставленных задач был применен комплекс методов исследования включающих фотолюминесценцию (в температурном интервале от 6 до 450 К), ФЛ с временным разрешением, инфракрасную (ИК) Фурье спектроскопию, спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
1) Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолекулярный характер. Предложена теоретическая модель рекомбинационных процессов в кремниевых наноструктурах.
2) Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезо-ПК кремния. Заполнение пор жидким диэлектриком приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезо-ПК кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.
3) Определена энергия ионизации примеси бора в мезо-ПК кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах ПК энергия ионизации легирующей примеси бора может увеличиваться по сравнению с кристаллическим кремнием.
4) Исследованы спектры и кинетики ФЛ нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на ширины спектров и времена релаксации фотолюминесценции ионов эрбия в структурах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.
5) Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться ионам Ег3 с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от нанокристаллов к ионам Ег3 возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света.
6) Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии (механизм Фёрстера) между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами f- оболочки ионов
Автор защищает:
1) Новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в ПК различной морфологии.
2) Новую информацию о факторах, определяющих концентрацию равновесных носителей заряда в ПК.
3) Способ управления величиной энергии ионизации легирующей примеси в наноструктурах ПК.
4) Новые данные о параметрах ФЛ структур упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в Si02 матрице нелегированных и легированных ионами Ег3"1".
5) Выводы о механизме возбуждения люминесценции ионов эрбия в структурах упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SiC>2 матрице.
Научная и практическая ценность.
В результате проведенных исследований были получены новые данные об электронных и оптических свойствах различных наноструктур на основе кремния. Показано, что на основе зависимости интенсивности межзонной ФЛ от интенсивности возбуждения можно судить как о степени локализации носителей заряда, так и о состоянии поверхности в кремниевых наноструктурах. Обнаруженный эффект влияния диэлектриков на концентрацию равновесных свободных носителей заряда в мезо-ПК может быть использован для управления проводимостью в различных электронных приборах. Высокая эффективность возбуждения эрбиевой ФЛ, достигаемая при комнатных температурах в квазиупорядоченных структурах кремниевых нанокристаллов, может представлять практический интерес при разработке оптических усилителей и светоизлучающих устройств для важнейшего в оптических линиях связи диапазона длин волн 1.5 мкм.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [3-17] и докладывались на следующих конференциях: Первая городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 1997; First International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology (PSST-98), Mallorca, Spain, 1998; 5th International Conference on Nanometer-scale Science and Technology, Birmingham, 1998; Second International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology(PSST-2000), Madrid, Spain, 2000; International
Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-2001), Minsk, Belarus, 2001; X Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам (Ломоносов-2003), Москва, Россия, 2003; Конференция "Ломоносовские чтения-2003", Москва, 2003; 11th International Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, 2003.
