Оптическое излучение из квантоворазмерных кремниевых p-n переходов
Диссертация
Итак, в результате изучения электролюминесценции из квантоворазмерных кремниевых р-п переходов в спектральном интервале от 3 мкм до 25 мкм при комнатной температуре было обнаружено мощное инфракрасное излучение, спектр которого представляет собой довольно широкую неоднородную полосу с небольшими линиями различной спектральной ширины. Сравнение полученных результатов с имеющимися данными… Читать ещё >
Содержание
- 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
Список литературы
- Aboy, М. et al. Atomistic modeling of deactivation and reactivation mechanisms in high-concentration boron profiles. Applied Physics Letters 83,4166 (2003).
- Alexandrov, А. и Ranninger, J. Bipolaronic superconductivity. Physical Review В 24, 1164−1169(1981).
- Altukhov, P. и Kuzminov, E. Direct evidence of the self-compression of injected electron-hole plasma in silicon, physica status solidi (b) 245, 11 811 183 (2008).
- Bagraev, N.T., Chaikina, E.I., Klyachkin, L.E., Markov, I.I. и Gehlhoff, W. Infrared-induced emission from silicon quantum wires. Superlattices and Microstructures 23, 337−344 (1998).
- Bagraev, N.T., Galkin, N.G., Gehlhoff, W., Klyachkin, L.E. и Malyarenko, A.M. Phase and amplitude response of the «0.7 feature» caused by holes in silicon one-dimensional wires and rings. Journal of Physics: Condensed Matter 20, 164 202 (2008).
- Bagraev, N.T., Klyachkin, L.E., Kudryavtsev, A.A., Malyarenko, A.M. и Romanov, V.V. Superconductivity-Theory and applications. 69 (Croatia SCIYO, 2010).
- Bagraev, N.T. и Mashkov, V.A. Negative-U tunnelling centers and photostimulated reactions in semiconductors. JETP Lett. 39, 211−213 (1984).
- Bagraev, N., Shelykh, I., Ivanov, V. и Klyachkin, L. Spin depolarization in quantum wires polarized spontaneously in zero magnetic field. Physical Review В 70, 155 315 (2004).
- Bagraev, N.T. et al. Self-Assembled Impurity Superlattices and Microcavities in Silicon. Defect and Diffusion Forum 194−199, 673−678 (2001).
- Bagraev, N.T., Gehlhoff, W., Klyachkin, L.E., Naser, A. h Rykov, S.A. Quantum-Well Boron and Phosphorus Diffusion Profiles in Silicon. Defect and Diffusion Forum 143 147, 1003−1008 (1997).
- Bagraev, N.T. h Mashkov, V.A. Tunneling negative-U centers and photo-induced reactions in solids. Solid State Communications 51, 515−520 (1984).
- Bagraev, N.T. h Mashkov, V.A. A mechanism for two-electron capture at deep level defects in semiconductors. Solid State Communications 65, 1111−1117(1988).
- Bagraev, N. et al. Spin-dependent transport of holes in silicon quantum wells confined by superconductor barriers. Physica C: Superconductivity 468, 840−843 (2008).
- Bebb, H.B. h Williams, E.W. Chapter 4 Photoluminescence I: Theory. Semiconductors and Semimetals Volume 8, 181−320 (1972).
- Bergersen, B., Rostworowski, J., Eswaran, M., Parsons, R. h Jena, P. Electron-hole droplets and impurity band states in heavily doped Si (P): Photoluminescence experiments and theory. Physical Review B 14, 16 331 648 (1976).
- Bergersen, B., Rostworowski, J., Eswaran, M., Parsons, R. h Jena, P. Erratum: Electron-hole droplets and impurity band states in heavily doped Si (P): Photoluminescence experiments and theory. Physical Review B 15, 2432−2432 (1977).
- Bisi, O., Ossicini, S. h Pavesi, L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics. Surface Science Reports 38, 1−126 (2000).
- Biteen, J.S., Lewis, N.S., Atwater, H.A. h Polman, A. Size-dependent oxygen-related electronic states in silicon nanocrystals. Applied Physics Letters 84, 5389 (2004).
- Bruno, M., Palummo, M., Marini, A., Sole, R.D. h Ossicini, S. From Si Nanowires to Porous SiliconD: The Role of Excitonic Effects. Physical Review Letters 98, 36 807 (2007).
- Butov, L., Zrenner, A., Abstreiter, G., Bohm, G. n Weimann, G. Condensation of Indirect Excitons in Coupled AlAs/GaAs Quantum Wells. Physical Review Letters 73, 304−307 (1994).
- Canham, L.T., Leong, W.Y., Beale, M. I J., Cox, T.I. h Taylor, L. Efficient visible electroluminescence under cathodic bias from highly porous silicon. Applied Physics Letters 61, 2563−2565 (1992).
- Canham, L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. Applied Physics Letters 57, 1046 (1990).
- Carey, J.D. et al. Electron paramagnetic resonance and photoluminescence study of Er-impurity complexes in Si. Physical Review B 59, 2773 (1999).
- Chabal, Y., Raghavachari, K., Zhang, X. h Garfimkel, E. Silanone (Si=0) on Si (100): intermediate for initial silicon oxidation. Physical Review B 66, 161 315® (2002).
- Chakraverty, B.K. Bipolarons and superconductivity. J. Physique 42, 1351 (1981).
- Chamard, V., Dolino, G. h Muller, F. Origin of a parasitic surface film on p + type porous silicon. Journal of Applied Physics 84, 6659 (1998).
- Chelikowsky, J. h Cohen, M. Nonlocal pseudopotential calculations for the electronic structure of eleven diamond and zinc-blende semiconductors. Physical Review ?14, 556−582 (1976).
- Chuang, S.-F., Collins, S.D. h Smith, R.L. Preferential propagation of pores during the formation of porous silicon: A transmission electron microscopy study. Applied Physics Letters 55, 675 (1989).
- Cullis, A.G. h Canham, L.T. Visible light emission due to quantum size effects in highly porous crystalline silicon. Nature 353, 335−338 (1991).
- Cuthbert, J., Henry, C. h Dean, P. Temperature-Dependent Radiative Recombination Mechanisms in GaP (Zn, 0) and GaP (Cd, 0). Physical Review 170, 739−748 (1968).
- Dal Negro, L. Stimulated emission in plasma-enhanced chemical vapour deposited silicon nanocrystals. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 16, 297−308 (2003).
- Dal Negro, L. et al. Light amplification in silicon nanocrystals by pump and probe transmission measurements. Journal of Applied Physics 96, 5747 (2004).
- Dal Negro, L. et al. Dynamics of stimulated emission in silicon nanocrystals. Applied Physics Letters 82, 4636 (2003).
- Dean, P.J., Haynes, J.R. h Flood, W.F. New Radiative Recombination Processes Involving Neutral Donors and Acceptors in Silicon and Germanium. Physical Review 161, 711 (1967).
- Dean, P., Cuthbert, J. h Lynch, R. Interimpurity Recombinations Involving the Isoelectronic Trap Bismuth in Gallium Phosphide. Physical Review 179, 754−763 (1969).
- Drozdov, N.A., Patrin, A.A. n Tkachev, V.D. Recombination radiation on dislocations in silicon. JETP Lett. 23, 597 (1976).
- Filonov, A.B., Petrov, G.V., Novikov, V.A. h Borisenko, V.E. Orientation effect in electronic properties of silicon wires. Applied Physics Letters 67, 1090−1091 (2001).
- Fischer, 0., Kugler, M., Maggio-Aprile, I., Berthod, C. h Renner, C. Scanning tunneling spectroscopy of high-temperature superconductors. Reviews of Modern Physics 79, 353−419 (2007).
- Frank, W., Gosele, U., Mehrer, H. h Seeger, A. Diffusion in silicon and germanium. Diff. in Crystlline Solids 63 (1984).
- Fraser, K. et al. The role of dislocations in producing efficient near-bandgap luminescence from silicon, physica status solidi © 4, 2977−2980 (2007).
- Gardeiis, S. et al. Evidence for quantum confinement in the photoluminescence of porous Si and SiGe. Applied Physics Letters 59, 2118 (1991).
- Gehlhoff, W., Bagraev, N.T. h Klyachkin, L.E. Shallow and Deep Centers in Heavily Doped Silicon Quantum Wells. Materials Science Forum 196−201, 467−472 (1995).
- Gehlhoff, W. h Segsa, K.H. EPR of iron-boron centres in silicon, physica status solidi (b) 115, 443−453 (1983).
- Gosele, U.M. h Tan, T.Y. Point Defects and Diffusion in Silicon and Gallium Arsenide. Defect and Diffusion Forum 59, 1−16 (1988).
- Green, M.A., Zhao, J., Wang, A., Reece, P.J. h Gal, M. Efficient silicon light-emitting diodes. Nature 412, 805−808 (2001).
- Halliwell, R.E. h Parsons, R.R. Electron-Hole Droplets in Semiconducting and Metallic Silicon. Canadian Journal of Physics 52, 1336−1344 (1974).
- Heitmann, J. et al. Excitons in Si nanocrystals: Confinement and migration effects. Physical Review B 69, 195 309 (2004).
- Henry, C., Dean, P. n Cuthbert, J. New Red Pair Luminescence from GaP. Physical Review 166, 754−756 (1968).
- Horiguchi, S. Conditions for a direct band gap in Si quantum wires. Superlattices andMicrostructures 23, 355−364 (1998).
- Kavokin, A., Malpuech, G. h Laussy, F.P. Polariton laser and polariton superfluidity in microcavities. Physics Letters A 306, 187−199 (2003).
- Kenyon, A.J. Erbium in silicon. Semiconductor Science and Technology 20, R65-R84 (2005).
- Khriachtchev, L., Rasanen, M., Novikov, S. h Pavesi, L. Systematic correlation between Raman spectra, photoluminescence intensity, and absorption coefficient of silica layers containing Si nanocrystals. Applied Physics Letters 85, 1511 (2004).
- Kveder, V., Steinman, E., Shevchenko, S. n Grimmeiss, H. Dislocation-related electroluminescence at room temperature in plastically deformed silicon. Physical Review B 51, 10 520−10 526 (1995).
- Kveder, V. et al. Room-temperature silicon light-emitting diodes based on dislocation luminescence. Applied Physics Letters 84, 2106 (2004).
- Lee, M.K. h Peng, K.R. Blue emission of porous silicon. Applied Physics Letters 62,3159 (1993).
- Levy, M., Yu, P.Y., Zhang, Y. n Sarachik, P.M. Photoluminescence of heavily doped, compensated Si: P, B. Physical Review B 49, 1677 (1994).
- London, F. On the Bose-Einstein Condensation. Physical Review 54, 947−954(1938).
- Mangolini, L., Thimsen, E. h Kortshagen, U. High-yield plasma synthesis of luminescent silicon nanocrystals. Nano letters 5, 655−659 (2005).
- Mitchard, G.S. h McGill, T.C. Photoluminescence of Si-rich Si-Ge alloys. Physical Review B 25, 5351 (1982).
- Moore, G. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics 38, (1975).
- Namavar, F., Maruska, H.P. h Kalkhoran, N.M. Visible electroluminescence from porous silicon np heterojunction diodes. Applied Physics Letters 60, 2514(1992).
- Ng, W.L., Lourenc, M.A., Gwilliam, R.M., Ledain, S. h Shao, G. An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode. Nature 410, 1036−1039(2001).
- Pankove, J.I. Cathodoluminescence of n-Type GaAs. Journal of Applied Physics 39, 5368 (1968).
- Parsons, R.R. On the origin of photoluminescence in heavily-doped silicon. Solid State Communications 29, 763 (1979).
- Parsons, R.R. Photoluminescence in heavily-doped Si (p). Canadian Journal of Physics 56, 814 (1978).
- Pavesi, L. Will silicon be the photonic material of the third millenium? *. Journal of Physics: Condensed Matter 15, R1169-R1196 (2003).
- Pavesi, L. Routes toward silicon-based lasers. Materials Today 18 (2005).
- Pelaz, L. et al. Modeling of the effects of dose, dose rate, and implant temperature on transient enhanced diffusion. Applied Physics Letters 74, 2017(1999).
- Philipp, H.R. h Ehrenreich, H. Optical Properties of Semiconductors. Physical Review 129, 1550 (1963).
- Poindexter, E.H., Caplan, P.H., Deal, B.E. h Gerardy, G.J. The physics and chemistry of Si02 and Si-Si02 interfaces. 299 (Plenum: New York, 1988).
- Polman, A. Erbium implanted thin film photonic materials. J. Appl. Phys. 82,1.39(1997).
- Przybylinska, H. et al. Optically active erbium centers in silicon. Physical review. B, Condensed matter 54, 2532−2547 (1996).
- Robertson, J. Electronic structure of amorphous semiconductors. Advances in Physics 32, 361−452 (1983).
- Schmid, P.E., Dumke, W.P., Heights, Y. h Fraser, S. Photoluminescence in heavily doped Si: B and Si: As. Solid State Communications 38, 1091−1093 (1981).V
- Simanek, E. Superconductivity at disordered interfaces. Solid State Communications 32, 731−734 (1979).
- Sun, J. et al. Below-band-gap electroluminescence related to doping spikes in boron-implanted silicon pn diodes. Physical Review B 70, 1−11 (2004).
- Ting, C., Talwar, D. h Ngai, K. Possible Mechanism of Superconductivity in Metal-Semiconductor Eutectic Alloys. Physical Review Letters 45, 1213−1216(1980).
- Trovarelli, O. et al. Evolution of magnetism and superconductivity in CeCu2(Si 1 -xGex)2. Physical Review B 56, 678−685 (1997).
- Wagner, J. Photoluminescence and excitation spectroscopy in heavily doped n- and p-type silicon. Physical Review B 29, 2002 (1984).
- Wolkin, M.V., Jorne, J. и Fauchet, P.M. Electronic States and Luminescence in Porous Silicon Quantum Dots: The Role of Oxygen. Physical Review Letters 82, 197−200 (1999).
- Xie, Y.H. et al. Luminescence and structural study of porous silicon films. Journal of Applied Physics 71, 2403 (1992).
- Zalm, P.C. Ultra shallow doping profiling with SIMS. Reports on Progress in Physics 58, 1321−1374 (1995).
- Zhang, Q. и Bayliss, S.C. The correlation of dimensionality with emitted wavelength and ordering of freshly produced porous silicon. Journal of Applied Physics 79, 1351 (1996).
- Zhao, J. et al. Near-band edge light emission from silicon semiconductor on insulator diodes. Applied Physics Letters 85, 2830 (2004).
- Алферов, Ж.И. et al. Излучательная рекомбинация на гетерогранице. Письма в ЖЭТФ 43, 442 (1986).
- Андронов, А.А., Баграев, Н.Т., Клячкин, Л.Е., Маляренко, A.M. и Робозеров, С. В. Радиационная проводимость в самоупорядоченных кремниевых квантовых ямах. ФТП 33, 58−63 (1999).
- Баграев, Н.Т. et al. Квантованная проводимость в кремниевых квантовых проволоках. Ф777 36, 462−483 (2002).
- Баграев, Н.Т. et al. Локальная туннельная спектроскопия кремниевых наноструктур. ФТП 39, 716 (2005).
- Баграев, Н.Т., Буравлев, А.Д., Клячкин, Л.Е., Маляренко, A.M. и Рыков, С. А. Самоупорядоченные микрорезонаторы в сверхмелких кремниевых р + n-переходах. ФТП ЗА, 726 (2000).
- Баграев, Н.Т. et al. Переход металл-диэлектрик в сильно легированных р±квантовых ямах на поверхности кремния n-типа. ФТП 29, 2133 (1995).
- Баграев, Н.Т., Клячкин, Л.Е., Кудрявцев, А.А., Маляренко, A.M. и Романов, В. В. Сверхпроводящие свойства кремниевых наноструктур. ФТП 43, 1481−1495 (2009).
- Бреслер, М.С. и Яссиевич, И.Н. Физические свойства и фотолюминесценция пористого кремния. ФТП 27, 871 (1993).
- Воробьев, JI.E. и Ивченко, E.J1. Оптические свойства наноструктур. (Наука: СПб, 2001).
- Емельянов, A.M. и Соболев, Н.А. Кремниевые светодиоды с большой мощностью излучения краевой люминесценции. ФТП 42, 336−340 (2008).
- Каганович, Э.Б., Манойлов, Э.Г., Базылюк, И.Р. и Свечников, С. В. Спектры фотолюминесценции нанокристаллов кремния. ФТП 37, 353 357 (2003).
- Кузнецов, В.П., Кузнецов, М.В. и Красильник, З. Ф. Диодные структуры SiD: Er / Si для наблюдения электролюминесценции на длине волны 1. 5 мкм при 300 К. ФТП 44, 402−408 (2010).
- Лазарук, С.К. et al. Фотолюминесценция легированных эрбием алюмооксидных пленок со встроенными кремниевыми наночастицами. ФТП 39, 927−930 (2005).
- Панков, Ж. Оптические процессы в полупроводниках. 124 («Мир:» Москва, 1973).
- Решина, И.И. и Гук, Е.Г. Комбинационное рассеяние и люминесценцияпористого кремния. ФТП 21, 728 (1993).
- Степихова, М.В. et al. Инверсная населенность уровней энергии ионовэрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия. Письма в ЖЭТФ 81, 614 (2005).
- Шмидт, В.В. Введение в физику сверхпроводников. (Наука: Москва, 1982).
- Эфрос, А.Л. Плотность состояний и межзонное поглощение света в сильно легированных полупроводниках. УФН 111,451 (1973).
- Ю.В. Тубольцев, M.M. Мездрогина, E.M. Хилькевич, Ю. В. Чичагов, H.K. Полетаев, Р. В. Кузьмин, Установка для измерения спектров излучения широкозонных полупроводниковых материалов, ЖТФ, т. 81, вып. 9, стр. 77 (2011).
- Н.Т. Баграев, Л. Е. Клячкин, Р. В. Кузьмин, A.M. Маляренко, В. А. Машков, Инфракрасное излучение из кремниевых наноструктур, сильно легированных бором, ФТП, т. 46, вып. 3, стр. 289 (2012).