Фотолюминесцентные свойства ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия и в структурах с кремниевыми нанокристаллами

• Автор: Жигунов, Денис Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ЛЮМИНЕЦЕНЦИИ ИОНОВ ЭРБИЯ (Ег3+) В
ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МАТРИЦАХ (обзор литературы)
1.1 Энергетический спектр и люминесцентные свойства ионов Ег31- в твердотельных диэлектрических матрицах
1.2 Характеристики фото- и электролюминесценции ионов Ег3* в полупроводниках: энергетический спектр, среднее время жизни, механизм возбуждения
1.2.1 Кристаллический кремний и другие полупроводниковые
ц кристаллы, легированные эрбием
1.2.2 Тонкие слои и волноводные структуры на основе твёрдых растворов Б11-х(1ех:Ег
1.2.3 Аморфный кремний, легированный эрбием
1.2.4 Кремниевые нанокристаллы в диоксиде кремния,
легированном эрбием
1.3 Структура оптически активных эрбневых центров в кремнии и диоксиде кремния
1.4 Особенности оптических свойств легированных эрбием
кремниевых структур при высоких уровнях возбуждения
1.5 Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования
ГЛАВА II. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Слои твердых растворов 8ц.*Ссх:Ег

2.2 Структуры кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида
кремния, легированной эрбием (пс-ЗУвЮггЕг)
2.3 Методика измерения спектров и кннстик фотолюминесценции
(ФЛ)
2.4 Схема эксперимента по исследованию оптического усиления
ГЛАВА III. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИОНОВ ЭРБИЯ В СЛОЯХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЯ
3.1 Зависимость характеристик ФЛ от состава и условий формирования образцов
3.2 Температурная зависимость ФЛ
3.3 Зависимость характеристик ФЛ образцов 8і/8іі.хСех:Ег/8і от к интенсивности оптического возбуждения
3.4 Динамика населённости состояний ионов Ег3+ в 8ц.хСех:Ег структурах
ГЛАВА IV. ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ
СТРУКТУР пс-віЛЗЮггЕг
4.1 Характеристики ФЛ нелегированных структур пс-Зі/віОг
4.1.1 Спектры и кинетики ФЛ при Т=300 К
4.1.2 Температурная зависимость ФЛ
4.2 Фотолюминесцеитные свойства структур пс-8і/8і02:Ег
4.2.1 Зависимость характеристик ФЛ ионов Еґ*+ от размеров
нанокристаллов
4.2.2 Расчет энергии штарковского расщепления уровней ионов
Еґ* имплантированных в пс-Бі/БЮг

4.2.3 Температурная зависимость ФЛ
4.2.4 Зависимость интенсивности ФЛ образцов пс-8і/8Ю2:Ег
от концентрации эрбия
4.3 Теоретический и экспериментальный анализ люминесцентных характеристик структур пс-ві/віОзгЕг при интенсивном оптическом возбуждении
4.3.1 Зависимость характеристик ФЛ ионов Ег3+ от интенсивности накачки
4.3.2 Феноменологическая модель возбуждения/девозбуждения экситонов и ионов Еґи в структурах с кремниевыми нанокристаллами
4.3.3 Определение относительной концентрации
возбужденных ионов Ег3+ и оптического усиления в структурах пс-8і/8і02.’Ег
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ГЛАВА II. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Слои твердых растворов Sii-,Gex:Er
Образцы Si/Si i.xGex'.Er/Si* выращивались методом сублимационной молекулярнолучевой эпитаксии (СМЛЭ) в газовой фазе (атмосфера германа СеН4) на подложке кремния CZ-Si (100). Потоки атомов Si, Ег и О формировались посредством сублимации соответствующего твердотельного источника - поликристаллического кремния, легированного эрбием и кислородом (Si:Er:0, Nei-~ 5-102°см‘3, No~ 1019см'3). Спецификой метода является поступление германия в растущий слой за счёт пиролиза GeH* на
а б
Рис. 2.1. Схематичные изображения образца (а) и процесса роста 81/8ц.хОех:Ег/81
структур (б).
поверхности разогреваемой током кремниевой подложки [112]. Покровный и буферный слои были образованы путем сублимации монокристаллического кремния п-типа. Схематичные изображения образца и процесса роста представлены на рис. 2.1. Данный метод позволяет формировать 8ц.хОех:Ег слои толщиной до 1100 нм с содержанием Ое до 30%. Условия роста и параметры исследуемых структур 8Е8ц.хОех:Ег/81 приведены в таблице 2.1. Для анализа структурных параметров и элементного состава выращенных эпитаксиальных слоев 811-хОех:Ег использовались методы рентгеновской дифракции
Изготовлены в Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского Государственного Университета и Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).