Оптически активные центры ионов эрбия в кремниевых матрицах

• Автор: Степихова, Маргарита Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 144 с. : ил.

ГЛАВА 1.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ИОНА Ег3+ В
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТРИЦАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Структура энергетических уровней свободного иона Ег3+
Влияние кристаллического поля на энергетическую структуру
уровней иона Ег3+
Методы получения и люминесцентные свойства легированного
эрбием монокристаллического кремния
Фотолюминесценция ионов Ег3+ в низкоразмерных кремниевых
структурах
Выводы из обзора литературы и постановка задачи
ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Образцы с-Бі:Ег, полученные методом ионной имплантации
2.2. Структуры с-БпЕг, выращенные методом сублимационной
молекулярно-лучевой эпитаксии
2.3. Слои пористого кремния, легированные эрбием
2.4. Методы фото- и электролюминесценции
2.5. Методы структурного анализа и анализа элементного состава
ГЛАВА 3.

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ ИОНА Ег3+ В 60 СТРУКТУРАХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Спектры фото- и электролюминесценции оптически активных 60 центров иона Ег3+ в ионно-имплантированных слоях с-БнЕг Влияние дефектов и примесей на интенсивность сигнала 76 фотолюминесценции ионно-имплантированных слоев с-БпЕг Фотолюминесценция оптически активных центров иона Ег3+ в 81 слоях с-БкЕг, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии
Температурная зависимость фотолюминесценции ионов Ег3+ в

слоях c-Si:Er Выводы к Главе

ГЛАВА 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК
СОКРАЩЕНИЙ
ПРИРОДА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ИОНА Ег3+ 103 В СТРУКТУРАХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
Фотолюминесценция структур рог-Ъх / эрбий-содержащие 103 оксидные пленки, сформированных золь-гель методом Фотолюминесцентные свойства слоев рог-Si:Er, полученных 109 методом электролитического легирования
Спектроскопия возбуждения фотолюминесценции слоев 112 рог- Si:Er
Выводы к Г лаве 4

Актуальность исследования кремния, легированного примесью редкоземельного элемента эрбия, связана, прежде всего, с перспективами использования светоизлучающих структур на основе БнЕг в современных волоконно-оптических системах связи. Используемое в настоящее время в оптических световодах кварцевое волокно имеет абсолютный минимум потерь в области 1.5 мкм и здесь особое значение приобретает развитие эффективных, технологичных и, что наиболее важно, интегрируемых с системами электронной обработки сигнала источников излучения для этого диапазона. В этом плане очевидны перспективы развития структур БпЕг, излучающих на длине волны 1.54 мкм, соответствующей внутриатомному переходу иг иона Ег3+. В сравнении
с используемыми в настоящее время лазерными диодными структурами на основе соединений А3В5, преимуществами разрабатываемых структур йігЕг являются: а) совместимость с базовыми технологиями современной микроэлектроники, до 97% продукции которой производится на кремнии; б) возможность формирования узких спектральных полос излучения, практически не подверженных температурному дрейфу вследствие атомарной природы излучения и в) предполагаемая относительная дешевизна новых источников излучения.
Другой немаловажной причиной, обусловившей пристальное внимание исследователей к структурам 8і:Ег, является возможность реализации на их основе новых, перспективных схем и устройств кремниевой оптоэлектроники. Как уже отмечалось, кремний является базовым материалом современной микроэлектроники, однако в силу непрямозонности своей энергетической структуры не относится к числу эффективно излучающих материалов. В настоящее время значительные усилия исследователей направлены на поиск возможностей создания светоизлучающих структур на кремнии. Основные направления исследований в этой области связаны с развитием низкоразмерных структур на кремнии и кремниевых твердых растворах, гетероструктур кремний-прямозонный полупроводник, структур, использующих излучательные свойства структурных дефектов в кремнии, а также структур, задействующих принципы оптически активирующего легирования кремния примесями редкоземельных элементов. Создание эффективных светоизлучающих устройств на основе 8і:Ег, в принципе, позволило бы решить проблему увеличения скорости обмена информацией на меж- и внутричиповом уровне в схемах современных компьютеров, объединяя на одном кремниевом чипе устройства, выполняющие электронные и оптические функции.

содержанием HF, т.е. растворы с соотношением компонент раствор плавиковой кислоты / этиловый спирт: 1/1, 3/1 и 2/3. Предварительные стадии обработки подложек включали в себя обезжиривание подложек, удаление естественного окисла в 10%-ом растворе плавиковой кислоты и стадию удаления “нарушенного” поверхностного слоя Si за счет активированного окисления в растворе H2SO4/H2O2 с последующим стравливанием окисла.
Полученные структуры рог-Si анализировались гравиметрическим методом (определение пористости слоев), методом а- сканирования (определение толщины слоев), методом растровой электронной микроскопии (анализ морфологии слоев) и спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния (определения концентрации и распределения примеси Ег в слое).
На рисунке 2.5 показаны условия формирования слоев рог-Si. Варьируя плотность тока, содержание HF в электролите и время травления, можно получать слои с пористостью от 20 до 80% и толщиной несколько десятков микрон (под пористостью понимается процент диссоциированного материала в протравленном слое). Как видно из рисунка, пористость слоев возрастает с увеличением плотности тока через электролитическую ячейку и уменьшается с увеличением содержания плавиковой кислоты в электролите (Рис. 2.5а). Эта зависимость наблюдается для слоев рог-Si, полученных как на высокоомных (р'-Si), так и сильнолегированных (p+-Si) подложках кремния. Как известно, содержание HF определяет значение критической плотности тока, при которой режим травления переходит из ограниченного переносом заряда в кремниевом электроде в ограниченный массопереносом в электролите и начинает носить полирующий характер (режим электрохимической полировки). В наших условиях этот режим наблюдался в электролитах с 20%-ным содержанием плавиковой кислоты при плотностях тока >80 мА/см2 на подложках р+ кремния (рис. 2.5а). Как правило, в этих случаях происходит отслаивание пористого слоя. Слои с высокой пористостью могут быть получены как на высокоомных, так и сильнолегированных подложках кремния. Основное отличие заключается в малых плотностях тока, при которых достигается высокая пористость в высокоомных материалах. Как видно из рисунка 2.5а, при травлении в электролите с 20%-ным содержанием HF, пористость ~ 75% достигается в //-Si при плотностях тока -10 мА/см2, для достижения этой же пористости в р материале плотность тока должна превышать 100 мА/см2. При заданной плотности тока и содержании HF в электролите, пористость и толщина слоев непосредственно зависят от времени травления (рис. 2.5Ь,с). Пористость слоев возрастает с увеличением времени