Теория межзонной излучательной рекомбинации в кремниевых нанокристаллах, легированных мелкими примесями

• Автор: Беляков, Владимир Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Обзор экспериментальных данных
1.1.1 Голубой сдвиг
1.1.2 Характерное время люминесценции в нанокристаллах
1.1.3 Усиление и гашение фотолюминесценции за счет легирования
мелкими примесями
1.2 Теоретический обзор
1.2.1 Энергетический спектр в нелегированных нанокристаллах
1.2.2 Мелкие примеси в кремниевых нанокристаллах
1.2.3 Межзонные излучательные переходы
1.2.4 Безызлучателъная рекомбинация
ГЛАВА 2. Электронная структура кремниевого нанокристалла с атомом бора
2.1 Нулевое приближение и кулоновский потенциал примеси
2.1.1 Функции нулевого приближения и энергетический спектр
в валентной зоне
2.1.2 Функции нулевого приближения и энергетический спектр
в зоне проводимости
2.2 Электронная структура валентной зоны нанокристалла кремния с атомом бора
2.3 Электронная структура зоны проводимости нанокристалла кремния
с атомом бора
ГЛАВА 3. Донорные состояния в нанокристалле кремния. Долинно-орбитальное взаимодействие
3.1 Проблема экранировки. Поправка «центральной ячейки»
3.2 Потенциал центральной ячейки фосфора в к-р гамильтониане
3.3 Зона проводимости. Долинно-орбитальное расщепление

3.4 Валентная зона. Вклад потенциала центральной ячейки
ГЛАВА 4. Межзоннаи излучательная рекомбинация в кремниевых
нанокристаллах, легированных бором
4.1 Интенсивность излучения. Квантовый выход. Излучательный и безызлучательный каналы рекомбинации
4.2 Времена излучательных бесфононных переходов
4.3 Переходы с участием фононов
ГЛАВА 5. Межзонная излучательная рекомбинация в кремниевых
нанокристаллах с фосфором
5.1 Роль потенциала центральной ячейки - Г-Х смешивание
5.2 Времена переходов с участием фононов
5.3 Бесфононная излучательная рекомбинация
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
Приложение Б
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Хорошо известно, что кремний является основным элементом современной микроэлектроники. Возможность высокой очистки кремния, его доступность и дешевизна, высокие качества границы раздела обеспечили кремнию лидирующие позиции в создании различных приборов микроэлектроники и их применении. Тем не менее, в оптоэлектронике, вплоть до настоящего времени кремний не получил широкого распространения. Причиной тому - фундаментальная особенность кремниевой зонной структуры - ее непрямозонность.
Непрямые излучательные переходы, фактически, являются запрещенными в объёмном кремнии, потому что при переходе электрона из энергетического минимума зоны проводимости (А-точка) в максимум валентной зоны (Г-точка) излучаемый фотон не может обеспечить выполнение закона сохранения импульса. Волновой вектор фотона с требуемой для перехода энергией оказывается на три порядка меньше, чем необходимо для перехода между А - и Г -точками. Эта разница в к -пространстве равна к& = 0.86х 2л/п0, где аг = 5.43 А - постоянная решётки кремния. Наиболее вероятный способ совершить непрямой излучательный переход, не нарушая закон сохранения импульса, заключается в дополнительном поглощении или излучении фонона. Однако, известно, что электрон-фононное взаимодействие в полупроводниках достаточно слабое. Следовательно, переход с участием фонона требует дополнительного времени. Это ведёт к существенному увеличению полного времени рекомбинации и уменьшению вероятности рекомбинации, по сравнению с прямыми бесфононными Г-Г излучателытыми переходами в прямозонных полупроводниках. В этом смысле, такие переходы в кремнии можно назвать «сильно подавленными».

Экспериментальное значение энергии связи для бора (44.4 мэВ) полностью совпадает с величиной, полученной в рамках водородоподобной модели [96]. В этом случае короткодействующую часть W (г) можно считать равной нулю. Следовательно, бор является водородоподобным акцептором. Вообще же, для других акцепторов (или доноров), короткодействующая часть отлична от нуля и возникает на расстояниях порядка истинного боровского радиуса вокруг ядра атома примеси ввиду невозможности полной экранировки заряда ядра на любых, сколь угодно малых, расстояниях от него.
В нанокристалле далънодействующий потенциал V претерпевает существенные изменения вследствие появления поляризационных полей. В результате в квантовой точке потенциальная энергия электрона начинает зависеть от положения примеси, и, кроме того, в выражении (2.3) возникают добавки, связанные с наличием поляризационных полей:
F(h,r) = (h,r) + (r), (2.4)
где Vle (М обозначает электрон-ионное взаимодействие [97]. Теперь оно включает не только прямое кулоновское отталкивание, но также взаимодействие электрона с изображением иона:
ГУ /U — &d) XT’ l + l nr п r'l
(h’r)=+-gfe. ЙгпЙ P'(cose%(25)
где sd - статическая диэлектрическая проницаемость широкозонной матрицы, окружающей нанокристалл (sd « 3 для SiC>2), в - угол между векторами г и h, и Р,(cos в) - полином Лежандра. Второе слагаемое в (2.4), зависящее только от расстояния между электроном и центром квантовой точки, описывает взаимодействие электрона с его собственным изображением, которое в дальнейшем будем называть энергией поля самополяризации:
*' < ’ /Д1_. (2.6,
2s,R tfU )is,+g+)st

ed SsJ