Введение к работе
Актуальность проблемы В настоящее время интенсивно исследуются свойства полупроводниковых наноструктур, таких как квантовые нити и точки. Минимальные размеры структурного элемента в них составляют единицы нанометров, что сравнимо с длиной волны де-Бройля для носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводниках. Пространственное ограничение носителей заряда приводит к существенному изменению электронных свойств по сравнению с объемными фазами полупроводников. Так, например, с уменьшением размеров наноструктур возрастает ширина запрещенной зоны (квантово-размерный эффект), увеличиваются энергии связи экситонов и энергии ионизации дефектов и примесей. Кроме того, с уменьшением размеров возрастает роль поверхностных эффектов, поскольку увеличивается отношение числа атомов на поверхности к их полному числу в нанометрической нити или кластере. Исследование этих закономерностей представляег большой фундаментальный интерес в рамках физики твердотельных систем пониженной размерности.
Изучаемый в данной работе объект (пористый кремний) может быть сформирован в виде сетки пересекающихся кремниевых нитей нанометрического сечения. Свойства пористого кремния (ПК) определяются размерами нитей и составом их поверхностного нокрьпия. Технология формирования ПК - электрохимическое или химическое травление кремния - относительно проста, но одаоврсмешю позволяет в ншрочайтгагх пределах варьировать параметры наноструктуры. Это делает ПК хорошим модельным объектом для изучения физических явлений в твердотельных системах пониженной размерности. Исследование ПЕС актуально
таюке ввиду возможности его интегрирования в современную кремниевую технологию.
Впервые пористый кремний был получен еще в 1956 году и затем исследовался как материал для электроизолирующих и антиотражающих покрытий монокристаллического кремния. Однако, настоящий бум в исследовании свойств ПК начался в 1990 г. после того, как в нем была обнаружена эффективная фотолюминесценция в видимой области спектра при комнатной температуре. Число годовых публикаций в научной литературе по исследованию свойств ПК возросло в сотни раз. За последние десять лет опубликовано несколько тысяч научных статей, проведено большое число специальных конференций и симпозиумов. К настоящему моменту стало ясно, что быстро достичь успеха в практическом применении светоизлучающих свойств ПК не удается. Даже несмотря на то, что исследователям удалось во много раз поднять квантовый выход электролюминесцентных устройств на основе ПК (с 10"5% до 0.2%), решить окончательно проблему высокой эффективности и одновременно стабильности излучательных характеристшс ПК пока не удаётся. Стала очевидна необходимость более детального исследования механизмов диссипации энергии электронного возбуждения в ПК с учетом дисперсии параметров наноструктуры, а также влияния молекулярного окружения кремниевых наноструктур на их электронные свойства.
Пористость слоев ПК, в составе которых доминируют кремниевые нити минимального сечения, составляет порядка 80%. Т.е. большую часть объема могут занимать молекулы иных веществ. При этом размеры пор в ПК составляют несколько нанометров, что
достаточно для проникновения различных молекул неорганических и органических веществ, в том числе входящих в состав атмосферного воздуха. Состав молекулярного окружения наноструктур может значительно влиять на процессы рекомбинации носителей заряда в ПК, например, за счет изменения числа дефектов на поверхности. Кроме того среды с большими диэлектрическими проницаемостями экранируют заряды в наноструктурах, что меняет энергетический электронный спектр и транспорт носителей заряда в ПК. Систематического изучения влияния «диэлектрического» фактора молекулярного окружения кремниевых наноструктур на их электронные свойства в литературе на момент постановки предлагаемой диссертационной работы не проводилось.
В этой связи были сформулированы следующие конкретные
задачи:
-
Разработать модель для описания динамики рекомбинации неравновесных носителей заряда (I Lf 13) и релаксации связанной с ними люминесценции в кремниевых крднтовых нитях, с учетом влияния диэлектрических свойств окружающей среды и температуры.
-
Рассчитан. спектры люминесценции кремниевых квантовых нитей, имеющих распределение по размерам поперечного сечения. Количественно проанализировать
влияние па спектры ФЛ кремниевых квашовых нитей их диэлектрического окружения.
3. Экспериментально изучить влияние температуры как на
изменение концентрации НПЗ, так и на ФЛ в образцах
ПК, для сравнения с выводами предлагаемой модели и определения значений модельных параметров.
-
Выполнить эксперименты по исследованию влияния различных диэлектрических сред на стационарную ФЛ образцов ПК и сопоставить полученные результаты с выводами модели.
-
Исследовать динамику ФЛ и ИК поглощения на свободных носителях заряда в наноструктурах ПК и сравнить с выводами модели.
Для решения поставленных задач были использованы следующие экспериментальные методы: стационарной ФЛ и ФЛ с временным разрешением, регистрации поглощения пробного излучения на свободных носителях заряда, а также ИК спектроскопии.
Научная новизна. В результате исследования динамики рекомбинации ННЗ в ПК выявлен ряд важных закономерностей, позволяющих понять природу излучательных процессов, протекающих в данном материале.
-
Предложена феноменологическая модель рекомбинации ННЗ в кремниевых квантовых нитях, учитывающая существование двух динамически взаимодействующих подсистем: экситонов и свободных носителей заряда.
-
Впервые проведен расчет влияния диэлектрических свойств окружающей среды на спектры люминесценции в кремниевых квантовых нитях, с учетом их распределения по размерам поперечного сечения.
-
Экспериментально обнаружена антикорреляция интенсивности ФЛ ПК и значения диэлектрической проницаемости диэлектрических веществ, заполняющих пространство между кремниевыми наноструктурами.
-
Обнаружено ускорение киистик ФЛ и концентрации свободных неравновесных носителей заряда при заполнении ПК молекулами диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью, что хорошо согласуется с выводами предложенной модели.
Автор защищает
1. Феноменологическую модель рекомбинации ННЗ в
кремниевых квантовых нитях, учитывающую
существование двух подсистем (экситонов и свободных носителей заряда) и учитывающую распределение квантовых нитей по размерам поперечного сечения
-
Новые экспериментальные дашше о влиянии температуры ти коїщетрацию свободных неравновесных носителей заряда и интенсивность ФЛ в слоях ПК.
-
Экспериментально обиаружешгую антикоррелящги интенсивности ФЛ ПК и значения диэлектрической проницаемости диэлектрических жидкостей, заполняющих пространство между кремниевыми наноструктурами.
4 Новые экспериментальные данные о связи динамики
рекомбинации ННЗ в наноструктурах ПК и значения
диэлектрической проницаемости молекулярного
окружения.
Практическая ценность.
Полученные в работе результаты характеризуют электронные
свойства ПК и композитных систем на основе ПК. Особое значение
имеет систематический анализ влияния диэлектрических свойств
окружающей среды на фотоэлектронные процессы в кремниевых
наноструктурах. Обнаруженные закономерности могут
способствовать создшопо газовых сенсоров, основанных на гашении
люминесценции ПК при напуске паров диэлектрических жидкостей.
В работе предложены оптические методы контроля
рекомбинационных процессов в полупроводниковых
наноструктурах. Эти данные могут быть использованы при исследовании наноструктур и разработке устройств на их основе.
Апробация работы.
По теме диссертации сделаны доклады на российской конференции «Проблемы Фундаментальной Физики» (г. Саратов, 1996), а также на международных конференциях Nanostractures-97 (Санкт-Петербург, Россия), Advanced Laser Technology'97 (Лимож, Франция), Porous Semiconductors: Science and Technology-98 (Майорка, Испания), International Vacuum Congress-14 (Бирмингем, Великобритания, 1999) и E-MRS-99 (Страсбург, Франция).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит }0 7 страниц текста, 3 таблиц, и список цитируемой литературы из ^наименований.