Влияние состояния поверхности и гетерограниц на оптоэлектронные свойства наноразмерных структур на основе пористого кремния и пленок арсенида галлия на кремнии Найденков, Михаил Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Одним из основных направлений в развитии оптоэлектроники является создание приборов на основе квантово-размерных гетєроструктур с большой разницей величин ширины запрещенной зоны. В силу развитости кремниевой технологии весьма., привлекательными являются наноразмерные гетероструктуры, выращенные на кремниевой подложке. Кроме того, кремний может быть использован как активный излучатель в видимой области в качестве объекта пониженной размерности.

Однако, несмотря на интенсивное изучение свойств гетєроструктур пониженной размерности и существенное продвижение в направлении создания опто- и наноэлектронных приборов на основе квази-2-мерных, -1-мерных и -0-мерных структур, остается не изученным влияние явлений на поверхности и гетерограницах на характеристики данных наноразмерных структур. В то же время, когда размеры гетероструктуры становятся сравнимыми с характеристическими длинами (длиной свободного пробега, длиной экранирования, длиной волны электрона) и растет величина поверхности на единицу объема, влияние явлений на гетерогранице на физические свойства наноразмерной структуры становится сравнимым с влиянием объемных явлений. Одной из основных проблем в развитии полупроводниковых приборов на основе наноразмерных гетєроструктур с разницей в постоянной решетки более 3% является структурное разупорядочение на атомном уровне и появление дислокаций несоответствия на гетероинтерфейсе. Большой темп безызлучательной рекомбинации и большое сечение захвата носителей на глубоких центрах, связанных с дефектами на гетерогранице, большая величина электрон-фононного взаимодействия

ведут к гашению излучения с квантово-размерных уровней в светоизлучащих структурах и ухудшению характеристик фотоприемников. Поэтому изучение влияния состояния гетерограниц на оптозлектронные характеристики наноразмерных гетероструктур является одной из основных задач, требующих решения в рамках развития нанотехнологии современных приборов.

Цель работы: Исследование влияния поверхностных явлений на гетерогранице на свойства фотолюминесценции и фоточувствительности наноразмерных гетероструктур на примере слоев пористого Si, наноразмерных пленок СаАв и InGaAs на монокристаллическои SI, тонких пленок Gals на пористом Si.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику получения слоев пористого кремния с
однородными характеристиками по поверхности образца.

2. Провести термические отжиги слоев пористого кремния в нейтральной
среде, измеряя изменения в спектрах фотолюминесценции и
фоточувствительности с ростом температуры и времени отжига

3. Разработать методику химического воздействия на поверхность
нанокристаллитов в пористом кремнии.

4. Провести выращивание тонких пленок GaAs на монокристаллическои и
пористом Si методом МЛЭ.

5. Провести комплексные исследования низкотемпературной ФЛ и
спектральной фоточувствительности исследуемых гетероструктур;
выявить зависимость их свойств от режимов роста.

Методика эксперимента. Для выполнения поставленных задач были проведены комплексные исследования с привлечением следующих методик:

измерение спектров фотолюминесценции при комнатной температуре, а также при Т=77К и Т=4.2К;

измерение спектров фоточувствительности;

выращивание тонких пленок методой МЛЭ;

измерение вольт-амперных и вольг-фарадных характеристик;

исследование десорбции при термических отжигах;

измерение спектров комбинационного рассеяния;

трансмиссионная электронная микроскопия высокого разрешения.

Научная новизна работы:

1. Выявлена зависимость интенсивности ФЛ от положения пика ФЛ при
воздействиях на поверхность нанокристаллитов в пористом кремнии,
ведущих к деградации ФЛ пористого кремния. Показано, что характерная
энергия активации процесса деградации ФЛ составляет D=0.37±0.13 эВ.
На основании экспериментальных данных предложена модель процесса ФЛ
в пористом S1, предполагающая конкуренцию излучательного и
безызлучательного каналов рекомбинации в Sl-нанокристаллитах.
Показана принципиальная возможность стабилизиравать характеристики
ФЛ пористого кремния путей химического воздействия на поверхность
нанокристаллитов.

2. Экспериментально определено, что релаксация напряжений
несоответствия на гетерогранице GaAs-SL на начальных стадиях МЛЭ
происходит за счет образования дефектов упаковки. Показано влияние

; поверхностного заряда на гетерогранице на оптоэлектронные свойства данной наноструктуры. Определено, что в наноразмерных гетероструктурах (InGa)As/Sl встроенные поля позволяют эффективно разделять фотогенерированные носители заряда, что сопровождается эффектом лавинного умножения.

3. Показано, что в спектрах низкотемпературной ФЛ пленок GaAs,

выращенных на пористом кремнии, преобладает рекомбинация, связанная с дефектами Mn_Ga и Si^. Кроме того пленки GaAs (0.5 мкм) биаксиально сжаты'на 0.4%, что связано с релаксацией механических напряжений в пористом кремнии.

Практическая значимость. Выявлены основные механизмы деградации фотолюминесценции пористого кремния; разработаны методы пассивации дергадационных процессбв-и управления спектрами фотолюминесценции путем химического воздействия на поверхность пористого кремния. Показана принципиальная возможность изготовления высокоэффективных фотодетекторов на основе наноразменых пленок (InGa)As на кремнии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые показано, что в пористом кремнии, излучающем в желто-красном видимом диапазоне, интенсивность ФЛ экспоненциально зависит от энергии основного пика для образцов сразу после травления, отожяенных и дробленых до порошкообразного состояния. При воздействиях на поверхность пористого кремния, приводящих к деградации ФЛ, с уменьшением интенсивности - пик ФЛ смещается в сторону больших энергий. Коротковолновый сдвиг пика ФЛ сопровождается длинноволновым сдвигом спектральной характеристики фоточувствительности.

2. Характерная энергия активации процесса деградации ФЛ составляет D=0.37±0.13 эВ.

3. Наблюдаемые характеристики ФЛ пористого кремния наилучшим образом объясняются моделью конкуренции излучательного и безызлучательного каналов рекомбинации в кремниевых нанокристаллитах, построенной на основе теории оптических свойств кремниевых нанокристаллитов. Спектры фотолюминесценции пористого кремния определяются

распределением кристаллитов по размерам и зависимостью вероятности образования дефектов на поверхности кристаллитов от их размеров.

4. Впервые определено, что обработка поверхности пористого кремния в концентрированных H₂S0₄, HNOo и HgPO* сразу после анодного травления при комнатной температуре и температуре кипения приводит к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в длинноволновую область. Обработка поверхности пористого кремния в НС1 и концентрированных водных растворах CsCI, NaCl, ZnCl₂, ВаС1₂ приводиг к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в коротковолновую область. Данные эффекты объясняются пассивационными процессами на поверхности нанокристаллитов.

5. В отличие от механизмов релаксации, указанных в литературе, снятие напряжений несоответствия на начальной стадии молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs на Si происходит за счет образования дефектов упаковки. При этом на гетерогранице формируется слой с высокой плотностью заряда (10-10 см ).

6. Диод Шоттки, сформированный на эпитаксиально выращенной
гетероструктуре 12HM-In_xGa₁__xAs/Sl (0х<0.3), обладает
высокоэффективной фрточувствительностью, что объясняется эффективный
разделением носителей заряда посредством встроенного электрического
поля и внутренним умножением. При этом в диапазоне измерений 500-
1100 ни спектральная характеристика фоточувствительности смещается в
длинноволновую область и эффективность падает с ростом концентрации
In в сверхтонкой пленке. Переход от пленки GaAs к тройному
соединению приводит к резкому увеличению квантовой эффективности в
УФ диапазоне. Уменьшение толщины пленки и рост при резком условии
избытка мышьяка приводят к увеличению квантовой эффективности
преобразования в гетероструктуре. _;.

7. Впервые определено, что при молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs на

пористом Si рост идет с избытком As на фронте кристаллизации с замещением вакансий Ga атомами Мп, что позволяет получать пленки р-типа без дополнительного легирования. В спектрах низкотемпературной ФЛ пленки GaAs толщиной 0.5 мкм, выращенной на пористом кремнии, преобладает рекомбинация, связанная с дефектами Mn_Ga и SI^. Кроме того пленка GaAs биаксиально сжата на 0.4%, что связано с релаксацией механических напряжений в пористом кремнии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Российской конференции с участием зарубежных ученых

"МИКР0ЭЛЕКТР0НИКА-94" (г. Звенигород, 1994), Международной конференции по кремниевым гетероструктурам (г. Гераклион, Крит Греция, 1995), ХХХ1X Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики" (г. Долгопрудный, 1996), на семинарах ФІИ РАН.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 4-х научных статьях и 3-х тезисах докладов на перечисленных выше конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка публикаций по теме работы. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, включая 148 страниц основного текста, 48 рисунков и список цитируемой литературы из 142 наименований.