Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»
Люминесцентные свойства нанокристаллического кремния
жүктеу/скачать 4,61 Mb.
|
Люминесцентные свойства нанокристаллического кремнияОпределяющим фактором, влияющим на эффективность излучения света полупроводником при межзонной рекомбинации, является структура его энергетических зон. В так называемых “непрямозонных” полупроводниках (к числу которых относится кремний) потолок валентной зоны и дно зоны проводимости находятся в разных точках зоны Бриллюэна (рис. 1.10) [11]. Минимум зоны проводимости кристаллического кремния (c-Si) расположен в точке Δ на оси <100> (и ей эквивалентных) зоны Бриллюэна. Электрон в точке Δ обладает квазиимпульсом ~ 0.85/a, где а – постоянная решетки с-Si. В центре зоны Бриллюэна (точке Г) смыкаются две валентные зоны (тяжелых и легких дырок), каждая из которых двукратно вырождена. Электрон вблизи потолка валентной зоны обладает квазиимпульсом, примерно равным нулю. Ширины запрещенных зон равны при этом ΔЕ = 1,12 эВ, ΔЕ0 = 3,4 эВ, ΔЕ1 = 1,2 эВ, ΔЕ1’ = 3,1 эВ, ΔЕ2 = 1,9 эВ, ΔЕ2’ = 2,2 эВ, ΔЕ5 = 0,035 эВ. 
Рисунок 1.10 – Схематическое изображение зонной структуры c-Si. Таким образом, в c-Si межзонный переход электрона может происходить только с изменением квазиимпульса последнего. Испущенный при рекомбинации фотон не может унести весь начальный импульс электрона, в результате чего возникает необходимость участия в процессе третьей частицы – фонона. Благодаря тому, что электрон вынужден взаимодействовать не только с фотоном, но еще и с фононом, вероятность внутренних оптических переходов в непрямозонных полупроводниках крайне мала [11]. Квантовый выход люминесценции в с-Si при комнатной температуре составляет всего 10-4. Одним из способов увеличения эффективности ФЛ с-Si является модификация его электронной структуры за счет квантово-размерного эффекта [12-14]. Интерес к слоям SiOx связан с наблюдением в них ФЛ в видимой области спектра. Спектральное положение максимума ФЛ зависит от содержания кремния. Возникновение ФЛ после высокотемпературного отжига (около 1100 оС) связывают с образованием в пленке нанокристаллов кремния (nc-Si). Связь между наличием нанокристаллов кремния и ФЛ в области 700-900 нм установлена, однако механизм формирования нанокристаллов кремния в SiOx-слоях пока недостаточно ясен. Формирование nc-Si позволяет резко увеличить квантовый выход люминесценции кремния и наблюдать интенсивную эмиссию света при комнатных температурах, вызванную излучательной рекомбинацией экситонов, локализованных в nc-Si [15]. Преимущество нанокристаллов по сравнению с объёмным кремнием состоит, во-первых, в увеличении энергии связи экситонов, в результате чего уменьшается вероятность их тепловой диссоциации [16]. Во-вторых, за счёт пространственного ограничения носителей заряда увеличивается неопределённость их квазиимпульса. В результате вероятность излучательной рекомбинации экситонов в непрямозонном nc-Si растёт, поскольку для выполнения законов сохранения требуется меньшее количество фононов [17]. Характерные спектры ФЛ образцов nc-Si/SiO2, приготовленных двумя различными методами, представлены на рис. 1.11. Как видно из рисунка, максимум ФЛ сдвигается в высокоэнергетическую область спектра при уменьшении размеров нанокристаллов, что объясняется увеличением ширины запрещённой зоны nc-Si вследствие квантового размерного эффекта [18-20]. 
Рисунок 1.11 – Спектры ФЛ образцов nc-Si/SiO2 с различными средними диаметрами nc-Si, приготовленных различными методами: (а) – одновременное напыление мишеней Si и SiO2 [16], (b) – высокотемпературный отжиг сверхрешеток SiOx/SiO2 [21]. жүктеу/скачать 4,61 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|