Оптическое излучение из квантоворазмерных кремниевых p-n переходов

• Автор: Кузьмин, Роман Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Глава 1. Оптическое излучение из кремния и структур на его основе
1.1 Роль кремния в современной микроэлектронике
1.2 Подходы к решению проблемы создания эффективного кремниевого источника излучения
1.2.1 Использование дислокационной и внутрицентровой люминесценции
1.2.2 Использование низкоразмерных эффектов
1.2.3 Пористый кремний
1.3 Монокристаллический кремний, сильно легированный бором
Выводы
Постановка задачи
Глава 2. Получение и свойства квантоворазмерных кремниевых р-п переходов, методика эксперимента
2.1 Получение квантоворазмерных кремниевых р-п переходов
2.2 Структура квантоворазмерных кремниевых р-п переходов
2.2.1 Самоупорядоченная кремниевая квантовая яма
2.2.2 Упорядоченная система дипольных центров бора
2.2.3 Фазовый переход в сильнолегированных диффузионных профилях бора
2.3 Характеристики экспериментальных структур и экспериментальные
методики
Выводы
Глава 3. Исследование оптического излучения из квантоворазмерных кремниевых р-п переходов в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн
3.1 Спектры электро- и фотолюминесценции квантоворазмерных кремниевых р-п переходов, сильно легированных бором
3.2 Форма линии люминесценции
3.3 Особенности поведения люминесценции и её связь с упорядоченной системой дипольных центров бора
3.4 Исследование поляризации люминесценции
3.5 Модель возникновения излучения ближнего инфракрасного
диапазона в квантоворазмерных кремниевых р-п переходах
Выводы
Глава 4. Исследование оптического излучения из квантоворазмерных кремниевых р-п переходов в видимом диапазоне длин волн
4.1 Анализ спектров отражения
4.2 Зонная структура кремниевых квантовых нитей
4.3 Анализ спектров электро- и фотолюминесценции
Выводы
Глава 5. Электролюминесценция из квантоворазмерных кремниевых р-п переходов в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах
5.1 Электролюминесценция в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах длин волн
5.2 Самоупорядоченные фрактальные микрорезонаторы в плоскости квантоворазмерных кремниевых р-п переходов
5.2.1 Сканирующая туннельная микроскопия самоупорядоченных микродефектов на поверхности сверхмелких диффузионных профилей бора в кремнии (100)
5.2.2 Оптические свойства самоупорядоченных микрорезонаторов на поверхности кремния (100)
5.3 Перспективность использования квантоворазмерных кремниевых р-п переходов со встроенной системой микрорезонаторов для создания
кремниевого источника когерентного излучения
Выводы
Заключение
Литература
Список публикаций автора по теме работы
Интерес к исследованию оптического излучения из структур на основе кремния возник достаточно давно и связан, прежде всего, с огромными перспективами, открывающимися с развитием кремниевой оптоэлектроники и созданием оптической системы передачи данных [Рауевр 2003]. Согласно закону Мура, количество транзисторов в чипах процессоров удваивается приблизительно каждые полтора года. При этом медные соединения, обеспечивающие связь между компонентами чипа и отдельными платами, уже сейчас не способны обеспечить необходимую скорость обмена информацией. Переход к оптической системе передачи данных позволил бы решить эту проблему и открыл бы пути для дальнейшего развития. По этой причине в настоящее время ведётся интенсивная работа, направленная на создание эффективного кремниевого источника излучения. Причём разрабатываются несколько подходов, в рамках которых исследуются системы на основе пористого кремния [Шбц 2000], нанокристаллов кремния [Рауезц 2000], кремния, легированного эрбием [Кузнецов, 2010], пластически деформированного кремния [Куеёег, 2004]. В последнее десятилетие также появилось большое число работ, посвящённых обнаружению относительно интенсивной близкраевой люминесценции из монокристаллического кремния, имплантированного бором. Этот совершенно неожиданный результат первоначально объяснялся пространственной локализацией носителей посредством дислокационных петель, возникающих в процессе имплантации. Однако обнаружение похожего эффекта при введении бора методом диффузии, а также учёт влияния примесей, захваченных на дислокации, поставили под сомнение правомерность такого объяснения. Основываясь на этом, ответ следует искать в другой области, и внимание привлекает, прежде всего, тот факт, что независимо от метода легирования, концентрация бора в структурах с большой интенсивностью излучения была высокой и достигала предела растворимости. Причём было показано, что интенсивность

подтвердил данные ВИМС (рис. 10Ь) и позволил обнаружить флуктуации концентрации бора, формирующие 8-барьеры, которые ограничивают квантовую яму р-типа проводимости на поверхности кремния (100) п-типа. При использовании для этой цели ВИМС-методики возникали определенные трудности, обусловленные ограничениями её разрешающей способности и сглаживанием сверхмелкого диффузионного профиля вследствие диффузии примесных атомов под ионным пучком.
2.2 Структура квантоворазмерных кремниевых р-п переходов
2.2.1 Самоупорядоченная кремниевая квантовая яма
Для выяснения детальной структуры сверхмелких сильно легированных диффузионных профилей бора использовались данные большого числа методик, в том числе циклотронного резонанса (ЦР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), локальной туннельной спектроскопии.
Наличие СККЯ р-типа проводимости было идентифицировано по данным угловых зависимостей циклотронного резонанса электронов и дырок при вращении магнитного поля в плоскости {110}, перпендикулярной плоскости диффузионного профиля бора на поверхности кремния (100) (рис. 12а и Ь) [СлеЬШоП', 1995; Баграев, 2002]. Причём гашение и сдвиг линий ЦР, зарегистрированных с помощью ЭПР спектрометра (Х-Ьапб, 9.1 -г 9.5 ГГц), продемонстрировали 180°-ую симметрию при ориентации магнитного поля параллельно плоскости полученного сверхмелкого профиля бора, что однозначно указало на ориентацию квантовой ямы параллельно плоскости (100) (рис. 12а).