Закономерности формирования и свойства ионно-синтезированных систем на основе нанокристаллических включений кремния в двуокиси кремния и аморфном кремнии

• Автор: Трушин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 150 с. : ил

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор литераторы.

1.1. О проблеме создания оптоэлектронных устройств

на базе кремния.

1.2. Квантовые точки и их свойства.

1.3. Свойства полупроводниковых нанокристаллических включений в матрице двуокиси кремния и аморфного кремния.

1.3.1. Введение

1.3.2. Нан о кристаллы и Ое в , полученные без применения ионной имплантации.

1.3.3. Нанокристаллы 5 и Ое в , полученные методом ионной имплантации

1.3.4. Влияние легирующих примесей на люминесценцию, связанную с нанокристаллами в матрице двуокиси кремния
1.3.5. Нанокрисгаллы в матрице а.
1.3.6. Нанокристаллы АзВ и А2В6 в 8Юг.
1.4. Оптические и люминесцентные свойства двуокиси
кремния.
1.5. Люминесцентные свойства аморфного кремния
1.6. Формулировка задач исследований.
ГЛАВА 2. Исследование люминесцентных свойств двуокиси кремния с нановюночениями кремния 0
2.1. Мегодика эксперимента.
2.1.1. Подготовка образцов.
2.1.2. Методика исследования свойств экспериментальных образцов
2.2. Закономерности влияния режимов ионной имплан
тации на фотолюминесценцию системы 8Ю23 на подложке кремния
2.3. Теоретический анализ процесса формирования на
новключений 5 в вЮ2 при ионной имплантации.
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. Исследование влияния легирования мелкими примесями
на люминесцентные свойства двуокиси кремния с нановключениями кремния ЮЗ
3.1. Мет одика эксперимента
3.2. Влияние легирования мелкими примесями на люминесцентные свойства системы ЗЮ2 .
3.3. Теоретический анализ влияния легирования на
новключений донорной примесью
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. Свойства системы а8гпс, полученной методом ионной имплантации тяжелых ионов в кристаллический
кремний
4.1. Компьютерное моделирование процесса формирования системы а7.т.
4.2. Методика эксперимента.
4.3. Фотолюминесценция системы аЗг.пс
4.4. Исследование эволюции системы а8г.с методом
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Возможность решения данной задачи была продемонстрирована в связи с обнаружением люминесценции в пористом кремнии |1|. Хотя природа ее до сих пор остается предметом дискуссий, преобладает мнение о том, что люминесцентные свойства связаны с эффектом размерного квантования, которое возникает в результате образования наноразмерных кристаллов &1! Но пористый кремния обладает существенными недостатками из-за низкой стабильности и неудовлетворительных механических свойств. Поэтому в настоящее время ведутся интенсивные исследования альтернативных путей создания низкоразмерный квантовых структур на базе кремния. Квантовые точки и их свойства. Если размер полупроводникового кристалла уменьшен до нескольких десятков или сотен межатомных расстояний в кристалле, го все основные характеристики материала кардинально изменяются вследствие эффектов размерного квантования []. Структуры с пространственным ограничением носителей заряда в грех измерениях - квантовые точки (КТ) реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках. Электронный спектр идеальной КТ представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и похож на электронный спектр одиночного атома. В связи с этим, в КТ возможны излучатель-ные переходы носителей заряда (люминесценция) с дискретными длинами волн. Если расстояние между уровнями заметно больше тепловой энергии, атомоподобный электронный спектр носителей в КТ дает возможность решить одну из основных проблем современной микро- и оптоэлекгроники, связанную с тепловым ’размыти-ем” энергий носителей заряда порядка кТ []. Такие важнейшие для применений характеристики материалов, как длины волн излучений, время излучательной рекомбинации, время энергетической релаксации, эффективность Оже-рскомбинации и др. КТ. Это позволяет использовать одну и ту же полупроводниковую систему для реализации приборов с существенно различающимися требованиями к активной среде. Согласно теоретическим оценкам диодные лазеры, использующие КТ в качестве активной среды, должны обладать существенно лучшими свойствами по сравнению с широко использующимися в настоящее время лазерами на квантовых ямах []: большим коэффициентом усиления, уменьшенной пороговой плотностью юка, меньшей чу вствительностью к температуре. Эффект размерного квантования делает возможным в принципе применение в качестве материалов оптоэлектроники таких полупроводников, которые ранее считались неперспективными в этой области. Реальным примером может служить кремний, в котором, в силу непрямозонности, излучательные переходы между краями зон обладают низкой эффективностью (запрещены правилами отбора). Максимальный размер КТ можно определить из условия, чтобы тепловая энергия 3кТ была недостаточна для переброса носителей с основного уровня квантовой точки на вышележащий Е? Преимущества структур с КТ могут быть полностью реализованы лишь в том случае, если КТ достаточно однородны по форме и размеру. Упорядочение КТ в плоскости подложки и возможность создания периодических решеток из КТ во всех трех измерениях также желательны в ряде случаев. Одним из примеров такого применения КТ является использование КТ для исследования процессов дискретного туннелирования и кулоновской блокады в массивах КТ []. В этом случае ту ннелирование происходит через энергетические барьеры -тонкие слои материала матрицы, в которую погружены КТ, на уровни и с уровней размерного квантования, при этом ВАХ имеет ступенчатый характер. Одной из важнейших характеристик для массива КТ является их плотность. В области верхнего предела плотности КТ характеризуются малым размером, срав! При этом энергия размерного квантования и энергия кулоновского взаимодействия оказываются одного порядка [], и носители заряда в соседних КТ начинают «чувствовать» друг друга. Эта особенность плотного массива КТ позволяет осуществить механизм передачи информации в системе КТ, основанный на одноэлектронном туннелировании и кулоновском взаимодействии между соседними КТ. Проявление взаимодействия между КТ и их окружением (кулоновская блока/т) было продемонстрировано экспериментально [].