Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию излучательных свойств собственных и легированных эрбием тонких пленок гидрогенизированного кремния. Особое внимание уделено изучению влияния нанокристаллической фазы на излучательный процесс в видимом диапазоне спектра, а также определению истинной формы спектра фотолюминесценции излучательных центров. Исследуются излучательные свойства пленок, полученных и легированных эрбием в процессе плазмохимического газофазного осаждения (ПХГФО). Актуальность темы.
В настоящее время прогресс в области полупроводниковых оптоэлектронных материалов в большой мере обусловлен возможностью создания и исследования объектов пониженной размерности с квантовыми свойствами. Низкоразмерные кремниевые структуры, такие как пористый и нанокристаллический кремний привлекают повышенное внимание с точки зрения как фундаментальной физики, так и применения в оптоэлектронных устройствах благодаря способности эффективно излучать в видимой области спектра при комнатной температуре [1,2]. Несмотря на значительное количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию излучательных свойств этих материалов, механизм фотолюминесценции в них до конца не ясен, имеющиеся сведения весьма противоречивы и не полны.
Применение нанокристаллического кремния - не единственный путь создания эффективно излучающих кремниевых материалов. Сильно гидрогенизированный аморфный кремний также интересен тем, что излучает в видимой области спектра при комнатной температуре [3,4]. Внедрение большого количества водорода в процессе осаждения приводит к возникновению в растущей кремниевой пленке водород -содержащих полимерных соединений - естественных аналогов кремниевых низкоразмерных структур. Наблюдение спектра фотолюминесценции в сине-фиолетовой области спектра с высокой квантовой эффективностью делает их перспективными с точки зрения практического использования [5].
Применяемый в данной работе метод ПХГФО хорошо совместим со стандартной кремниевой технологией. Он позволяет получать в осаждаемой пленке нанокристаллиты и менять в широкігх пределах их объемную долю и средний размер [6]. Это делает возможным исследование излучательных свойств материалов как со смешанным аморфно-нанокристаллическим фазовым составом, так и полностью аморфных, полученных по единой технологии. Основной интерес работы и был нацелен на выявление роли нанокристаллитов в излучательных свойствах таких материалов.
Помимо получения эффективного собственного излучения из модифицированного кремния, в последнее время активно исследуются кремниевые излучающие структуры, легированные редкоземельными элементами. Интерес обусловлен тем, что ионы редких земель ведут себя в полупроводниках как эффективные узкополосные излучательные центры как видимого, так и ближнего инфракрасного диапазонов. В частности, для трехвалентного иона эрбия один из излучательных переходов происходит на длине волны 1.54 мкм, соответствующей минимуму затухания и малой дисперсии в кварцевых волокнах [7,8]. Особенно актуальны исследования в области легирования эрбием гидрогенизированного аморфного кремния. Преимущество гидрогенизированного аморфного кремния по сравнению с кристаллическим заключается в том, что в данном материале значительно снижено температурное гашение эрбиевой фотолюминесценции, а также существенно повышен предел растворимости эрбия и активирующих его примесей, таких как азот, кислород, фтор [9,10]. Однако обычно применяемое легирование эрбием с помощью ионной имплантации, а также магнетронного распыления эрбий-кремниевой мишени в атмосфере силана приводит к образованию большого количества собственных дефектов в растущих аморфных пленках, что существенно затрудняет их использование в инжекционных p-i-n- структурах. Кроме того, в таких методах эрбий и примесь, необходимая для создания его эффективного лигандного окружения, внедряются в пленку по отдельности друг от друга, вследствие чего затрудняется их объединение в излучательный центр.
Такие проблемы могут быть во многом решены применением в качестве матрицы для ионов эрбия гидрогенизированного аморфного кремния, полученного методом ГГХГФО. Эта технология совместима с кремниевой интегральной технологией. Помимо низкой плотности дефектов в осаждаемых слоях здесь существует возможность внедрять эрбий в растущую пленку сразу в виде оптически активных эрбиевых комплексов, используя в качестве прекурсоров подходящие эрбий-содержащие соединения [11].
Таким образом, единая кремниевая технология ПХГФО гидрогенизированных кремниевых пленок, хорошо совместимая со стандартной интегральной кремниевой технологией, может быть успешно использована для создания эффективно излучающих при комнатной температуре кремниевых пленок как в видимом, так и в ближнем инфракрасном диапазонах спектра.
Основной целью настоящей работы являлось исследование излучательных свойств собственных и легированных эрбием гидрогенизированных кремниевых пленок, полученных и легированных в процессе ГГХГФО. Для достижения данной цели ставились и решались следующие задачи. 1 .Исследовать фазовый состав получаемых методом ПХГФО
гидрогенизированных кремниевых пленок в зависимости от условий
осаждения. 2.Изучить фотолюминесцентные свойства как аморфных, так и аморфно-
нанокристашигческих гидрогенизированных пленок с различной
объемной долей нанокристаллитов. З.Исследовать фотолюминесценцию пленок, легированных эрбием в
процессе осаждения методом ПХГФО из специально синтезированного
фторсодержащего металлорганического комплекса Er(HFA)3*DME
(HFA=CF3C(0)CHC(0)CF3,DME=CH3OCH2CH2OCH3). 4.Исследовать влияние низкотемпературного термического отжига эрбий -
содержащих пленок на интенсивность внутрицентровой (41п/2 -> 4Ii 5/2 в
оболочке 4Ґ' ионов Ег3+) фотолюминесценции в области 1.54 мкм.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
1.Излучение из гидрогенизированной кремниевой пленки со смешанным аморфно-нанокристаллическим фазовым составом связано с одним типом излучательных центров.
2.Разработан аналитический подход, позволяющий определять истинную форму спектра фотолюминесценции аморфно-нанокристаллического кремния с учетом эффектов интерференции в оптически тонких пленках.
3.Исходя из оценок объемной доли нанокристаллитов, при которой фотолюминесценция образцов практически исчезает, дана независимая оценка размеров области локализации электронно-дырочной пары.
4.Показано, что пленки легированного эрбием гидрогенизированного
аморфного кремния, полученные в рамках стандартной
низкотемпературной технологии ПХГФО, эффективно излучают при комнатной температуре в области 1.54 мкм.
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем. 1.Разработана методика, позволяющая восстанавливать истинный спектр
излучательного центра в оптически тонких пленках, исключив влияние
интерференции Фабри-Перо. 2.Отработана технология получения легированных эрбием тонких пленок
гидрогенизированного аморфного кремния приборного качества
перспективного для создания светоизлучающих диодов на длину волны
1.54 мкм.
На защиту выносится:
1 .Разработанная методика моделирования спектра излучения центра, внесенного в тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо. Методика позволяет восстановить истинный спектр фотолюминесценции излучательных центров в тонких пленках гидрогеншированного кремния со смешанным аморфно-нанокристаллическим фазовым составом, исключив влияние эффектов интерференции. Истинная форма спектра излучения может быть восстановлена делением спектра фотолюминесценции на спектр пропускания пленки.
2.Вывод о том, что фотолюминесценция в видимой области спектра при комнатной температуре в гидрогенизированном аморфно-нанокристаллическом кремнии обусловлена излучательной рекомбинацией в сильно гидрогенизированных аморфных межкристаллитных областях тшенки. Увеличение объемной доли нанокристаллитов ведет к снижению интенсивности фотолюминесценции и ее полному затуханию, когда средняя толщина межкристаллитных прослоек становится сравнимой с размером области локализации электронно-дырочной пары.
3.У становление соответствия между технологическими параметрами
получения пленок гидрогенизированного аморфного кремния,
легированного эрбием в процессе плазмохимического газофазного
осаждения из специально синтезированного металлорганического
соединения Er(HFA)3*DME (HFA=CF3C(0)CHC(0)CF3,
DME=CH3OCH2CH2OCH3), и спектральными характеристиками
фотолюминесценции полученных пленок в области 1.54 мкм,
СООТВеТСТВуЮЩеЙ ВНуТрИЦеНТрОВОМу Переходу 4Ііз/2 ~>4Iiv2
редкоземельного иона Ег3+.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались на: 3-ей Международной конференции по фуллеренам и атомным кластерам (Россия), 1997 г.; 3-ей Всероссийской конференции по фшнке полупроводников (Москва), 1997 г.; Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и нанокристаллические полупроводники" (С.-Петербург), 1998 г.; 24-ой Международной конференции по физике полупроводников (Израиль), 1998 г.; Европейской весенней конференции общества по исследованию материалов (Франция), 1998 г.; Весенней конференции общества по исследованию материалов (США), 1998 г.; 18-ой Международной конференции по аморфным и
микрокристаллическим полупроводникам (США), 1999 г.; 4-ой Международной конференции по фуллеренам и атомным кластерам (Россия), 1999 г. и на семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и библиографического списка. Содержит 165 страниц, 69 рисунков на 39 страницах, 2 таблицы на 2-х страницах, ПО библиографических ссылок на 13 страницах.
