LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Ультрадисперсные субфазы в молекулярной электронике

ос- новываясь на том факте, что система кластеров име- ет довольно большую поверхность, где поверхност- ные атомы кремния формируют химические связи типа Si---Н (Н -- атомы водорода), или Si---O---H. Предполагается, что люминесценция обусловлена электронными переходами в приграничных фрагмен- тарных кластерных группах. Эта модель объясняет чрезвычайную чувствительность параметров люми- несценции к термообработке и другим физико-хими- ческим влияниям, в т. ч. и к структурному составу поверхности НС, т. е зависит от концентрации т. н. ''оборванных'' химических связей в АКС. Естествен- но, что обе эти модели ограниченны и определяют лишь некоторые свойства por-Si. Технологические проблемы обусловлены трудно- стями в проведении эффективной токовой накачки Si- АКС, ``погруженных'' в изолирующую твердотельную матрицу. Причем идея поиска эффективной среды в системе Si---SiO 2 сейчас особенно популярна [23]. В [23] приведены результаты экспериментальных исследова- ний структурных характеристик сферически-подобных наномет- ровых частиц кремния (Si-НЧ), полученных с помощью импуль- сного СО 2 лазерного отжига. Геометрическая структура НЧ была выявлена с помощью дифрактограмм цифрового электронного микроскопа. Выяснено, что Si-НЧ образована из кристаллически- подобного ядра, ``закрытого'' аморфной (окисной) оболочкой. Толщина этой оболочки линейно уменьшается (приблизительно от 2,9 до 0,8 нм) при уменьшении размеров Si-НЧ. Как видим, электронно-микроскопический цифровой анализ позволяет опре- делить диаметр НЧ, а также толщину окисного слоя. Полученные Si-НЧ имели довольно широкое распределение по геометричес- ким размерам: радиус НЧ изменялся в пределах от 2 до 25 нм. Качественные экспериментальные исследования характеристик эмиссии позволили получить величи- ну оптического усиления для образца с АКС в квар- це на ~15% меньше, чем для АКС, локализованных в SiO 2 -слое на поверхности c-Si. Тем не менее для элек- тролюминесценции SiO 2 -среда не является оптималь- ной, чтобы реализовать эффективную инжекцию за- рядов в Si-АКС --- слишком велика запрещенная зона. Аналогичные эффекты обнаружены в оксиди- рованном por-Si [24]. Поэтому большинство практи- ческих разработок были направлены на усовершен- ствование технологии получения твердотельной мат- рицы SiO 2 с высокой плотностью квантовых точек в форме Si-АКС [18]. Варьируя концентрацию кисло- рода и силана, из которого проводится осаждение кремния, удается получать слои SiO 2 , в которых со- держатся Si-АКС [25]. Эта технология позволяет ``строить'' тонкослойную структуру, где среднее то- ковое возбуждение электролюминесценции АКС со- ставляет 10---50 мА/см 2 . Сверхрешетки чередующих- ся слоев Si / SiO 2 --- это наборы упорядоченных спа- ренных слоев. Уменьшения ширины запрещенной зоны (DE g ) по сравнению с системой SiO 2 ---Si-АКС можно добиться путем нанесения крем- ния из силана в атмосфере азота [20, 26]. Образуется слоеный ``пирог'' типа Si 3 N 4 --Si, причем нанометровые частицы кремния характеризуются аморфной структурой. Заметим, что а-Si имеет DE g = ~1,6 эВ (DE g =1,1 эВ для c-Si, что отвечает ИК-области спектра). ``Расшире- ние'' DE g облегчает инжекцию зарядов вовнутрь Si- АКС. Варьируя степень аморфности Si-НЧ, реализуя переход от ``упорядоченной субфазы'' (в смысле сим- метрии, близкой к симметрии кристаллической ре- шетки) к разупорядоченной ее структуре, можно до- биться свечения в области видимого спектра. Кван- товая эффективность электролюминесценции состав- ляет в этом случае ~0,2% при сопротивлении слоев в десятки Ом [18]. Экспериментально выявленные еще в 1980-е годы кластерные пучки кремния, вылетающие (сублими- рующие) с поверхности полупроводника в условиях ультравысокого вакуума, характеризуются высокой концентрацией оборванных химических связей (ОХС) [27, 28]. Поэтому в большинстве моделей тех лет [29 и др.] основное внимание отводилось решению про- блемы пассивирования ОХС в АКС --- и путем моде- лирования, и экспериментально. Как ни парадоксально, но ``массированное'' кван- тово-механическое моделирование различных по раз- мерам и симметрии Si-АКС оказало медвежью услу- гу в исследовании оптических свойств квантово-раз- мерных структур, которые требовали точных оценок энергетических характеристик. Большинство модель- ных результатов определялись выборомметодики рас- чета. В теории применялись подходы, предложенные 8 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2002, № 3 ранее для определения электронной структуры моле- кул [30], т. н. неэмпирические, полуэмпирические схе- мы [31]. Корректнополученныеоценкивероятныхпро- странственныхконфигураций продемонстрировали за- висимость многих характеристик АКС от их размеров (количества атомов). Наращивание АКС приводило к переходу к упрощенным расчетным методам анализа, а следовательно, и к неточным оценкам. Несмотря на то, что история развития исследова- ний НС-материалов, а также практические разработ- ки в этом направлении не привели к появлению но- вых эффективных излучателей на основе кремния, тем не менее стало очевидным, что сформированные НС-субфазы типа Si-АКС способны все же вызвать люминесценцию. В пользу вывода о том, что именно квантово-размерные структурыSiответственны за воз- никновение необычного свечения, свидетельствуют результаты достаточно большого количества работ, на- пример [32 и др.]. Автор работы [33], проводя классификацию электрических свойств por-Si, отмечает, что одну из групп составляет структу- ра с высокой степенью пористости (более 40---50%). Такой por- Si представляет собой совокупность Si-нанокристаллитов (раз- мером 1---10 нм, т. е. Si-АКС, Si-НС) с различной фрактальной размерностью [34], находящихся в пористой матрице сложного химического состава. Отмечается, что для таких НС (АКС), раз- мер которых <4 нм, характерным является проявление кванто- во-размерных эффектов, которые приводят не только к кванто- ванию энергетического спектра носителей, но и к увеличению DE g (до 1,8---2,9 эВ), а также к росту диэлектрической проница- емости. Локализация носителей заряда в такой структуре стано- вится причиной аномально высокого удельного сопротивления (~10 11 Ом·см). По мере возрастания пористости структуры (40--- 80%) растет энергия активации температурных зависимостей тем- новой проводимости: от 0,3 до 1,01 эВ . Определяя por-Si как кластеризованный матери- ал (КМ), подчеркнем, что в такой структуре DE g мо- жет изменяться соответствующим образом с измене- нием геометрических размеров пор. Поэтому начи- ная с момента открытия при комнатной температуре видимой фотолюминесценции в por-Si и Si-НЧ [15 и др.] основная цель теоретических исследований со- стояла в определении зависимости DE g от размеров (количества атомов --- n) и геометрии