Электронные и оптические явления в системах кремниевых нанокристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Лисаченко Максим Геннадьевич

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ

01.04.10. - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2003

Работа выполнена на кафедре Общей Физики и Молекулярной Электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор П.К. Кашкаров

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник А.Г. Казанский

кандидат физйко-математических наук, старший научный сотрудник Е.Д. Образцова

Ведущая организация:

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится 23 октября 2003 года в /Ь часов на заседании Специализированного Совета Д-501.001.70 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, ауд.2-05а криогенного корпуса.

Автореферат разослан " 25 " сентября 2003 г |

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета 1 МГУ им. М.В. Ломоносова

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д-501.001.70 в МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук профессор [{ У / Г.С.Плотников

)

сУ

'О

ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последпие десятилетия можно выделить две наиболее интенсивно развивающихся области техники - вычислительная техника и связь. Прогресс первой предопределило создание в 1948 году (Уильям Шокли) первого полупроводникового транзистора на основе германия, выполнявшего те же функции, что и электронная лампа, но имевший гораздо меньшие размеры. В 1958- 1959 гг. (Джек Килби, Роберт Нойс) были разработаны первые интегральные схемы, в которых на одном кристалле размещалось несколько транзисторов. В дальнейшем степень интеграции неуклонно росла, а размеры отдельного элемента уменьшались (от десятых долей мм до 130 нм). Современный процессор объединяет в себе 100 миллионов транзисторов и способен совершать 109 операций в секунду.

Параллельно с возрастающим объемом обрабатываемой информации растет потребность эту информацию передавать. Традиционные проволочные линии связи уже сегодня не способны справиться с все возрастающей нагрузкой. Решить проблему могут интенсивно развивающиеся оптические способы передачи информации. Преимущества связи при помощи света очевидны. Чем выше несущая частота, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ, потом метровые - КВ и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.

Дня преобразования сигнала из световой формы в электрическую и обратно необходимы всевозможные оптические и оптоэлекгрические устройства, разработка которых является весьма актуальной задачей. Необходимо отметить, что все имеющиеся на сегодня полупроводниковые светоизлучающие приборы основаны на бинарных и тринарных прямозонных полупроводниках. В то же время вся информация обрабатывается кремниевыми микропроцессорами и передается по волноводу на основе оксида кремния. Создание светоизлучающих структур на базе кремния позволило бы в рамках единого технологического цикла изготавливать оптоэлекгронные интегральные схемы, передавать информацию.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург 09

УЯ^шхкЙХ/

Основная причина того, что кремний долгое время не рассматривался как материал перспективный для оптоэлектроники, заключается в чрезвычайно низком квантовом выходе люминесценции в нем. Однако, на сегодняшний день известно, по крайней мере, два способа, позволяющих добиться эффективной люминесценции в материалах на основе кремния. Первый заключается в модификации структуры энергетических зон 81 при уменьшении размеров кристаллов до единиц нанометров. Другой метод основан на введении в кремниевую матрицу активаторов люминесценции (например, ионов редкоземельных элементов).

В данной работе рассматриваются различные кремниевые наноструктуры, в которых реализуются оба вышеуказанных способа. Эффективная люминесценция пористого кремния (ПК), а также кремниевых нанокристаллов в оксидной матрице (пс-в^Юг) обусловлена присутствием в их структуре кристаллов нанометрического размера. Также были исследованы образцы структур пс-БУвЮггЕг34 с внедренными в них ионами эрбия (Ег3+). Последние люминесцируют на длине волны 1.5 мкм, соответствующей максимуму пропускания оптических волоконных линий связи.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. На примере пористого кремния различной морфологии (мезопористого (мезо-ПК) и нанопорисгого кремния (нано-ПК)), а также мопокристаллических подложек, на которых ПК был сформирован, провести экспериментальное и теоретическое исследование изменений в рекомбинационных процессах при переходе от объемного кремния к системе изолированных кремниевых нанокристаллов.

2. Изучить роль диэлектрического окружения в экситонных процессах в кремниевых квантовых нитях. Провести экспериментальную проверку влияния диэлектрической неоднородности среды па энергию связи экситонов в квантовых нитях пористого кремния.

3. Исследовать факторы, определяющие концентрацию равновесных носителей заряда в пористом кремнии.

4. Провести комплексное исследование характеристик фотолюминесценции (ФЛ) упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в БЮ2 матрице, легированных и нелегированных ионами Ег3+.

Для решения поставленных задач был применен комплекс методов исследования включающих фотолюминесценцию (в температурном интервале от 6 до

450 К), ФЛ с временным разрешением, инфракрасную (ИК) Фурье спектроскопию, спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1) Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолекулярный характер. Предложена теоретическая модель рекомбинационных процессов в кремниевых наноструктурах.

2) Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезопористого кремния. Заполнение пор жидким диэлектриком приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезопористом кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.

3) Определена энергия ионизации примеси бора в мезопористом кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах пористого кремния энергия ионизации легирующей примеси бора может увеличиваться по сравнению с кристаллическим кремнием.

4) Исследованы спектры и кинетики фотолюминесценции нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на ширины спектров и времена релаксации фотолюминесценции ионов эрбия в структурах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.

5) Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться ионам Ег3+ с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от нанокристаллов к ионам Ег3+ возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света.

6) Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии (механизм Фйрстера) между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами Г-оболочки ионов

Автор защищает:

1) Новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в пористом кремнии различной морфологии.

2) Новую информацию о факторах, определяющих концентрацию равновесных носителей заряда в пористом кремнии.

3) Способ управления величиной энергии ионизации легирующей примеси в наноструктурах пористого кремния.

4) Новые данные о параметрах ФЛ структур упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SÍO2 матрице нелегированных и легированных ионами Er3*.

5) Выводы о механизме возбуждения люминесценции ионов эрбия в структурах упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в Si02 матрице.

Научная и практическая ценность.

В результате проведенных исследований были получены новые данные об электронных и оптических свойствах различных наноструктур на основе кремния. Показано, что на основе зависимости интенсивности межзонной ФЛ от интенсивности возбуждения можно судить как о степени локализации носителей заряда, так и о состоянии поверхности в кремниевых наноструктурах. Обнаруженный эффект влияния диэлектриков на концентрацию равновесных свободных носителей заряда в мсзопористом кремнии может быть использован для управления проводимостью в различных электронных приборах. Высокая эффективность возбуждения эрбиевой фотолюминесценции, достигаемая при комнатных температурах в квазиупорядоченных структурах кремниевых нанокристаллов, может представлять практический интерес при разработке оптических усилителей и светоизлучающих устройств для важнейшего в оптических линиях связи диапазона длин волн 1.5 мкм.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [1-15] и докладывались на следующих конференциях: Первая городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, Санкт- Петербург, Россия, 1997; First International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology (PSST-98), Mallorca, Spain, 1998; 5th International Conference on Nanometer- Scale Science and Technology, Birmingham, 1998; Second International

6

Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology(PSST-2000), Madrid, Spain, 2000; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-2001), Minsk, Belarus, 2001; X Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам (Ломоносов-2003), Москва, Россия, 2003; Конференция "Ломоносовские чтения-2003", Москва, 2003; 11th International Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, 2003.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Объем работы составляет 116 страниц текста, включая 40 рисунков и 1 таблицу.

Соруководство работой осуществлялось доктором физико-математических наук В.Ю. Тимошенко

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аюуальность выбранной темы, поставлены задачи исследования, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности, а также приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию электронных и оптических свойств различных кремниевых наноструктур.

В разделе 1.1 приводятся краткие сведения о зонной структуре монокристаллического кремния, описываются некоторые квантовые эффекты, возникающие в так называемых системах пониженной размерности, хогда есть ограничение движения свободных носителей в одном или нескольких направлениях. Дается классификация систем пониженной размерности.

Раздел 1.2 посвящен обзору способов получения различных типов кремниевых наноструктур. В частности рассмотрены такие методы как молекулярно-лучевая эпитаксия, формирование инверсионных слоев в легированных полупроводниках, электрохимическое травление монокристаллических подложек, самоорганизация и кристаллизация кремниевых кластеров в слоях Si02 с избыточным количеством атомов Si.

В разделе 1.3 рассматривается изменение потенциала точечного заряда при переходе от объемной однородной среды к структурам, диэлектрические свойства которых меняются на масштабах сравнимых или даже меньших чем расстояние между взаимодействующими носителями заряда. Также приведены результаты имеющихся в литературе расчетов величины энергии связи экситонов в различных системах пониженной размерности.

В разделе 1.4 приводятся различные модели возбуждения и релаксации возбуждения электронной системы монокристаллического объемного Si (c-Si), а также систем изолированных невзаимодействующих нанокристаллов кремния.

Раздел 1.5 посвящен анализу имеющихся данных о.концентрации равновесных свободных носителей заряда в пористом кремнии. Рассмотрены некоторые факторы, определяющие наличие равновесных свободных носителей в пористых полупроводниках.

В разделе 1.6 анализируются люминесцентные свойства ионов Ег3+ в различных матрицах на основе кремния (c-Si, аморфном Si (a-Si), nc-Si/SiOa). Делается вывод о существенных преимуществах использования кремниевых нанокристаллов в оксиде в качестве матрицы для ионов Ег3+.

На основе анализа литературных данных в конце главы поставлены задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведены данные об исследованных в работе образцах, описаны методики, использованные в работе, а также условия, в которых проводились эксперименты.

Раздел 2.1 посвящен методике приготовления образцов. Слои ПК получались путем электрохимического травления кремниевых подложек в электролите на основе плавиковой кислоты HF(48%):C2H5OH (1:1). Мезопористый кремний формировался на подложках с удельным сопротивлением /?=0.015 П-см при токе 25 мА/см2 и времени травления 15 мин. Слои микропористого (или нанопористого) кремния выращивались на подложках с удельным сопротивлением р=10 Псм при плотности тока 40 мА/см2 в течение 15 мин. Пористость образцов мезо-ПК и нано-ПК составила 45% и 70%, соответственно. Слои мезо-ПК и нано-ПК имели толщины ~15 мкм.

Упорядоченные нанокристаллы в матрице

БЮг были изготовлены на основе сверхрешеток из

аморфных слоев БЮ/БЮг, сформированных

последовательным нанесением слоев вЮ и ЯЮ2 на

подложку с-81 методом реактивного распыления [1,2].

Толщины слоев БЮ варьировались от 2 до 6 нм, БЮг

- от 2 до 4 нм. Структуры состояли из 30-50 пар слоев

при общей толщине 200-300 нм. Образцы были

подвергнуты термическому отжигу при температуре

1100 °С в атмосфере азота в течение 60 минут. Такая

процедура приводила к формированию слоев плотно

упакованных нанокристаллов Б!, разделенных слоями

8Ю2 (рис.1). Согласно данным электронной

микроскопии и рентгеновской дифракции

сформированные нанокристаллы имели средние

размеры с! близкие к толщине исходных слоев БЮ.

Дисперсия размеров нанокристаллов 8с1 составляла Рис-1 Изображение в

просвечивающем электронном около 0.5 нм. Концентрация нанокристаллов 81 микроскопе структуры с

приблизительно равна 1019 см'3. упорядоченными кремниевыми

г нанокшсталлами.

В часть сформированных структур были имплантированы ионы Ег3+ с энергией 300 кэВ и дозами 5-1014и 2-Ю15 см"2. Аналогичные дозы ионов были также имплантированы в однородные слои аморфного БЮг толщиной 250 нм, которые использовались для сравнения. После имплантации все образцы подвергались дополнительному термическому отжигу при температуре 950 °С в течение времени от 5 минут до 1 часа для устранения радиационных дефектов. Согласно оценкам, средняя концентрация атомов Ег в приготовленных образцах составляла 1019 см"3 и 4-Ю19 см"3 для меньшей и большей используемых доз имплантации, соответственно.

В разделах 2.2 и 2.3 описаны экспериментальные установки и приборы, использованные при исследованиях. В частности регистрация спектров фотолюминесценции осуществлялась на автоматизированной установке СДЛ-2, реализованной на базе монохроматора МДР-23, для измерений кинетик ФЛ

применялся цифровой осциллограф Tektronix TDS-3032B. При регистрации ФЛ температура образцов в интервале 6-450 К поддерживалась гелиевым криостатом замкнутого цикла DE-204N (Advanced Research Systems).

Измерение спектров ИК поглощения осуществлялось на инфракрасном фурье-спектрометрс Вотет DA-3 или Perkin-Elmer Spectrum RX I в диапазоне 500 см'1 до 4500 см"1 с разрешением 2 см"1. В ходе экспериментов имелась возможность варьировать температуру в диапазоне 77 - 650 К, а также изменять состав атмосферы, в которой находился образец.

ЭПР сигналы от исследуемых образцов регистрировались стандартным ЭПР-спектрометром PS100.X, в X - полосе (9.45 ГГц) при чувствительности не хуже 10" Спин/Гяусс. Полученные сигналы подвергались математической обработке, позволяющей получить абсолютное значение концентрации спиновых центров. В качестве эталона использовались ионы Мп++ в соединении МпО. Эксперименты проводились при комнатной температуре.

Третья глава посвящена исследованию рекомбинационных процессов в наноструктурах пористого кремния.

В разделе 3.1 выполнено моделирование электронных процессов в наноструктурах ПК. В частности предложена феноменологическая модель, в которой с единых позиций описывается релаксации фотовозбуждения в объемных полупроводниках и системах связанных нанокристалов, в которых возможно свободное перетекание зарядов. Предполагалось, что излучательная рекомбинация осуществляется через связывание свободных носителей заряда в экситон и дальнейшей его аннигиляцией за время ту. Безызлучательно рекомбинировать могут только свободные носители на поверхностных дефектах за время т„г. Рассматривались такие уровни возбуждения, когда еще можно пренебречь оже-рекомбинацией. В этом приближении процессы рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводнике р-типа можно описать следующей системой кинетических уравнений:

8?- = g-Cn(p + p0) + AN-~;

* Т- (1)

8N ^ / Ч АУ, N

= Сп(р + р0)- AN - - ;

dt г.

где пир- концентрации неравновесных электронов и дырок (при отсутствии прилипания и= р), ро - концентрация равновесных дырок, N - концентрация экситонов, g - темп генерации неравновесных носителей заряда, С - коэффициент, пропорциональный вероятности связывания в экситон свободных электрона и дырки, А - вероятность термической диссоциации экситона.

При описании системы изолированных нанокристаллов было учтено, что в этом случае вероятность связывания свободных носителей в экситон оказывается пропорциональной не произведению концентраций свободных электронов и дырок, а концентрации неравновесных носителей заряда. Тогда, кинетические уравнения (1) принимают вид [3]:

где С - вероятность связывания в экситон свободных электрона и дырки. Соотношение между коэффициентами А и С или (С*) определяется величиной энергии связи экситонов Еехс. При фиксированных рекомбинационных параметрах, а также темпе генерации неравновесных носителей, интенсивность ФЛ будет определяться величиной Еехс. В свою очередь Еехс зависит от диаметра нанокристалла, в котором находится экситон и от диэлектрических свойств окружения. Теоретическому анализу этого вопроса посвящена вторая часть раздела 3.1.

Структуру пористого кремния образуют пересекающиеся между собой нити переменного сечения. В нано-ПК диаметры нитей варьируются от 2 до 5 нм. При расчетах параметров экситонов рассматривалась идеализированная модель, в которой реальные нити заменялись бесконечными цилиндрами (нитями) с диаметрами <1. Если поместить один из зарядов (например, дырку) в начало координат на оси нити, то потенциальная энергия электрона в поле дырки с учетом неоднородной поляризации среды в цилиндрических координатах (г, р) имеет вид [4,5]:

N

г.

т,

п

пг

(2)

Щр,г) =

е'

Ш + ¿„(А)

/(/?, г, у) = |с<к(2Аг / Л)10 (2кр/ с1) у

Лк

2 пш

здесь y^sJej, где es- диэлектрическая проницаемость полупроводниковой нити (рассматривался случай ss = es,— 12), cd - диэлектрическая проницаемость среды окружающей нить, Ku h I0j - функции Бесселя мнимого аргумента. Путем численного решения уравнения Шредингера для экситона с потенциальной энергией вида (3), были найдены волновые функции основного и первых возбужденных состояний, радиусы и энергии связи экситонов в кремниевых нитях с d= 1 - 5 нм. Величина £j варьировалась в диапазоне от 1 до 32. Зависимость Еехс от диэлектрической проницаемости внешней среды е^ показана на рис.2. При £¿=1 для нитей с d = 4 - 2 нм Еехс составляет 300-500 мэВ, что значительно больше энергии связи экситонов в c-Si

(~14'мэВ). Для квантовой нити в среде с большим значением диэлектрической проницаемости (e,f>ss) энергия связи экситона уменьшается до единиц миллиэлектронвольт.

Влияние соседних

нанокристаллов на параметры экситонных состояний в ансамблях кремниевых

квантовых нитей было учтено путем замены диэлектрической проницаемости диэлектрика ец эффективной диэлектрической проницаемостью £ец системы, которая учитывала как поляризуемость диэлектрика, так и соседних нанокристаллов. Значение е^ находилось по известной формуле Бругемана [6]:

> 100

•и

В

10

= 12

3 4 5 6 7 891 0

Рис. 2. Зависимость энергии связи экситона в кремниевых нитях от диэлектрической проницаемости внешней среды при различных диаметрах Л.

(1 -Р)-

+ Р-

= 0,

(4)

где Р -пористость, определяемая как отношение объема пор к полному объему образца. При Р=70% экситоны в кремниевых квантовых нитях в образцах ПК, находящихся на воздухе или в вакууме (£¿=1), должны испытывать влияние диэлектрического окружения с е^р2. Для нитей с с/ = 4 - 2 нм это приведет к снижению Еехс с 300-500 до 150-250 мэВ. Подобное уточнение значений энергии связи

представляется весьма существенным при сравнении теоретических и экспериментальных результатов.

В разделе 3.2 проведено экспериментальное исследование изменения характера рекомбинационных процессов при переходе от объемного монокристаллического кремния к практически полностью изолированным кремниевым нанокристаллам (нано-ПК). Был также рассмотрен промежуточный случай, когда структуру кремниевого скелета образуют сообщающиеся между собой кремниевые нанокристаллы достаточно большого размера (мезо-ПК). Исследования показали, что в структурах мезо-ПК, как и в монокристаллическом кремнии, релаксация электронного возбуждения носит бимолекулярный характер, и может быть описана уравнениями вида (1). В нано-ПК наблюдается мономолекулярная рекомбинация, описываемая уравнениями (2).

Экспериментальная проверка влияния диэлектрической неоднородности среды на параметры экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях (вторая часть раздела 3.2) выполнялась на образцах свежеприготовленного нано-ПК (Р=70%), содержащих кремниевые нити с диаметром 2-4 нм. Образцы находились в вакууме или в парах различных полярных диэлектриков. Конденсация последних в порах контролировалась по сигналу отражения пробного лазерного луча от поверхности образца. Регистрировались спектры стационарной ФЛ, возбуждаемые короткими лазерными импульсами. Концентрация поверхностных дефектов типа оборванных связей кремния контролировалась методом ЭПР.

Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем качественном, а порой, и количественном согласии с предсказаниями модели, описанной в разделе 3.1. Так, например, зафиксировано гашение ФЛ после заполнения пор в ПК молекулами полярных диэлектриков. По данным ЭПР образования новых оборванных связей при этом не происходит. Эффект гашения ФЛ был обратим и усиливался с ростом величины статической диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего поры. Это позволяет целиком отнести данный эффект к уменьшению энергии связи экситонов и, следовательно, снижению их относительной концентрации в кремниевых квантовых нитях.

В четвертой главе исследовались факторы, влияющие на концентрацию равновесных носителей заряда в пористом кремнии.

13

В разделе 4.1 выполнен расчет энергии связи Еь дырки на акцепторной примеси бора в кремниевых квантовых нитях, окруженных различными диэлектрическими средами. Задача была решена методом, аналогичным использованному в задаче об экситоне в 3-й главе. Результаты расчетов зависимости энергии Еь от диэлектрической проницаемости внешней среды, выполненные для кремниевых цилиндрических нитей с ¿/= 7 и 10 нм, представлены на рис.3. Величина Еь при малых значениях /;</ может достигать десятых долей эВ. При е^ = = £'з, заряды изображения на поверхности нити

отсутствуют, и Еь= 45 мэВ, что совпадает со значением энергии ионизации бора в объемном кремнии. Если > е8|, то Еь становится меньше чем в объемном 81.

На вставке к рис.3 показаны зависимости энергии ионизации бора от размеров нитей для двух значений диэлектрической проницаемости внешней среды. е^ =4.5 совпадает с эффективной диэлектрической

проницаемостью мезо-ПК (при пористости последнего 0.5) в вакууме, е^ =17.2 - в этаноле. Диапазон изменения диаметров нитей выбран с учетом данных о реальных размерах нанокристаллов в мезо-ПК.

В разделе 4.2 описан метод нахождения концентрации свободных носителей заряда в ПК из спектров поглощения инфракрасного излучения. Показано, что коэффициент поглощения исследованных образцов мезо-ПК возрастают с увеличением длины волны по степенному закону с показателем степени 2 (рис.4). Такое спектральное поведение может быть интерпретировано в рамках классической модели Друде. Согласно квантовыми представлениями, для различных механизмов рассеяния показатель степени может принимать значения 1.5, 2.5 и 3 (при рассеянии на акустических, оптических фононах или ионизованных примесях соответственно). В нашем случае квадратичная зависимость коэффициента поглощения от длины волны

14

Рис. 3 Зависимость энергии ионизации бора Еь от диэлектрической проницаемости внешней среды, выполненные для кремниевых цилиндрических нитей с диаметрами 7 и 10 нм.

свидетельствует об имеющих место нескольких механизмов рассеяния без доминирования одного из них.

Исходя из модели Друде и известного значение ро в монокристаллическом р+-31, была найдена концентрация равновесных свободных дырок в мезо-ПК. В свежеприготовленном мезо-ПК рй= 6-Ю16 см"3, что на два порядка меньше исходного значения в кристаллической подложке. В образцах с естественным оксидом р0 увеличивается до (2-4)'1017 см"3.

Раздел 4.3 посвящен исследованию влиянию дефектов на поверхности нанокристаллитов мезопористого кремния на концентрацию свободных носителей в нем. Показано, что десорбция водородного покрытия приводит к уменьшению концентрации дырок в образцах. Эффект был объяснен захватом части дырок на дефектные состояния типа оборванных кремниевых связей, образующихся при десорбции водорода в вакууме.

В разделе 4.4 проведено исследование по влиянию диэлектрического окружения на энергию ионизации Еъ акцепторной примеси бора в мезо-ПК. Исходя из температурной зависимости концентрации свободных дырок образца мезо-ПК с 50%-й пористостью в вакууме, была найдена Еъ =72 мэВ. Данная величина очень близка к теоретически рассчитанному в разделе 4.1 значению £ь =78 мэВ. Влияние диэлектриков с е^ > на энергию ионизации бора (и концентрацию свободных ноет елей) в кремниевых нанокристаллах было исследовано на примере мезо-ПК, в порах которого конденсировался этанол. Последний в жидком состоянии обладает большой статической диэлектрической проницаемостью (при комнатной температуре е(1 = 24). При его конденсации эффективная диэлектрическая проницаемость мезо-ПК

15

Рис. 4. Спектральные зависимости коэффициента поглощения свежеприготовленного мезо-ПК (1), окисленного мезо-ПК (2) и монокристаллического Р+ Б1(3) (р=5'1018) (3).

увеличивается с 4.5 до 17.2 при пористости 50%. Энергия ионизации бора при этом уменьшается до 38 мэВ, что должно приводить к росту концентрации свободных дырок в 4.5 раза. В эксперименте концентрация свободных носителей возрастала только в 2.5 раза. Это различие было объяснено возникновением донорных поверхностных состояний в мезо-IIK при конденсации в нем этанола.

В пятой главе проведено комплексное исследование характеристик ФЛ упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SiC>2 матрице, легированных и нелегированных ионами Ег3\

В разделе 5.1 исследованы люминесцентные свойства нелегированных слоев пс-Si/SiC>2 с нанокристаллами различных размеров. Образцы характеризовались достаточно интенсивной ФЛ с внешним квантовым выходом 0.1 -1 % при Т=300 К.

Для структур с более мелкими нанокристаллами наблюдался сдвиг спектров ФЛ в область больших энергий (рис.5). ' Смещение спектров было связано с ростом ширины запрещенной зоны в нанокристаллах вследствие квантового размерного эффекта, а сама полоса приписана излучательной рекомбинации экситонов в ne-Si. Исследованные структуры отличались высокой температурной стабильностью. Понижение температуры до 8 К приводит лишь к незначительному изменению интенсивности люминесценции (на 35%) и сдвигу спектров в область больших энергий (связанному с увеличением ширины запрещенной зоны кремниевых нанокристаллов при низких температурах). Ширина спектров при этом пе менялась. Кинетики релаксация ФЛ не являются моноэкпоненциальными зависимостями, однако, они могут быть хорошо аппроксимированы, так называемой, "растянутой" экспонентой:

1 2 3 4 5

© a w /\ ¡е

л // Х\/ Y*\ >

g // /V\ Л \ А

S 0.5 M // //у/\\ л

m tj X Ht Ж \\ ^

E JJ JJ у * \

Я 0.0 Г . Г . 1 »

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

A v(eV)

Рис.5 Нормированные спектры ФЛ образцов со

средними размерами нанокристаллов а-6 им (1),

5 нм (2), 4 нм (3), 3 нм (3), 2 нм (5) при

возбуждении излучением с hcoi=3.7 эВ при

Т = 300К. Линия 6 - аппроксимация функцией

Гаусса спектра 5.

и (0= 'оехр {- (г/г0у }, (5)

где и /о -значения интенсивности ФЛ в момент времени (и /=0 соответственно, г0 - время за которое интенсивность ФЛ упадет в е раз, а /5 - параметр неэкспоненциальности. Объяснение подобных зависимостей основано на предположении о способности экситонов мигрировать из одного нанокристалла в соседние. Анализ кинетик ФЛ показал, возрастало от единиц до десятков микросекунд при изменении энергии квантов ФЛ от 2 до 1.5 эВ. При этом параметр р сохранял практически неизменное значение около 0.5 (рис.6). Укорочение времен рекомбинации для больших энергий квантов связано с увеличением вероятности

тунелирования экситона из меньших нанокрисгаллов. Расчеты показывают [7], чтр вероятность туннелирования через прямоугольный барьер, высота которого много больше чем его изменение при уменьшении размеров нанокрисгаллов, экспоненциально возрастает с увеличением энергии рекомбинации. Экспоненциальность зависимости То(Нсо) указывает на доминирование процесса туннелирования над излучательной рекомбинацией экситонов в исследуемых образцах.

В разделе 5.2 рассматривались свойства структур пс-81/8Ю2:Ег3+. Внедрение в образцы с кремниевыми нанокристаллами ионов эрбия приводило к значительному (~ 100 раз) подавлению экситонной ФЛ и появлению интенсивной полосы в области 0.81 эВ Последняя характерна для внутрицентровых переходов 41!з/2—>41и/2 в ионах Ег3н , внедренных в твердотельную матрицу. Гашение экситонной ФЛ и появление эрбиевой полосы фиксировалось для всех исследованных структур. В то же время, однородные слои а-8102:Ег3+, характеризовались крайне малоэффективной ФЛ в области 0.8 эВ. Это свидетельствует о том, что возбуждение Ег3+ происходит не путем прямого поглощения светового кванта, а благодаря обмену энергией с матрицей,

что значение параметра тд экспоненциально

Рис. 6 Зависимость параметров кинетик люминесценции то и /? от энергии квантов света для образца со средним размером нанокристаллов (1 = 2нм.

1450

1550

1600

1650 1700

Л(пт)

Рис. 7 Спектры ФЛ образцов пс-вУвЮггЕг3* с различными средними диаметрами нанокристаллов. На вставке - зависимость ширины спектра от среднего размера нанокристаллов в структуре.

возбуждения Учитывая между ФЛ

поглотившей фотон. Кремниевые нанокристаллы в этих структурах выполняют роль

сенсибилизаторов люминесценции ионов эрбия.

С уменьшением средних размеров пс_81 наблюдается рост полосы ФЛ на 1.53 мкм. (рис. 7), что говорит о увеличении эффективности ионов эрбия, соотношение интенсивностями легированных эрбием и нелегированных структур, можно говорить о передаче большой части поглощенной нанокристаллами энергии к оптически активным ионам Ег3+. Было установлено, что эффективность переноса энергии увеличивается с ростом энергии квантов накачки и уменьшением размеров нанокристаллов (рис.8). Данные зависимости были объяснены эффективным диполь - дипольным резонансным взаимодействием между экситонами в кремниевых нанокристаллах и возбужденными состояниями ионов Ег3+ в окружающем нанокристаллы БЮг [8].

При гелиевых температурах наблюдалось дополнительное увеличение интенсивности

эрбиевой ФЛ, связанное с вкладом нерезонансных процессов с участием фононов, а также, возможно, температурно-

25 20 15 10 05 00

-1-

JV=4,lrf*«a 20 25 10 15 «

6 Av (eV)

/rv=3.68eV

1 2 3 4 5 6 7 Вюмер наициишв (шп)

Рис. 8 Коэффициент передачи энергии ц д ля структур с различными размерами нанокристаллов и фиксированной средней концентрацией ионов ж 4-1019 см"3. На вставке - зависимость коэффициента г} от энергии квантов света, использованных для возбуждения ФЛ.

зависимым вкладом эрбиевых центров внутри нанокристаллов 81. Установлено, что

18

даже при комнатной температуре в структурах с нанокристаллами диаметром 2 нм возможна настолько сильная связь экситонов с ионами Ег3+, что это приводит к повышению полного выхода излучательной рекомбинации, по сравнению с нелегированными образцами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе рассмотрены электронные и оптические свойства различных типов кремниевых наноструктур. Были получены следующие основные результаты:

1. На основе сравнительного исследования ФЛ в пленках шезоРв и папоРЯ, а также в образцах кристаллического Б!, на которых они были сформированы, выявлены особенности рекомбинации носителей заряда в наноструктурах различной морфологии. Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолекулярный характер.

2. Выполнен расчет параметров экситонов в кремниевых квантовых нитях, окруженных средой с различной диэлектрической проницаемостью. Показано, что энергии связей экситонов в кремниевых квантовых нитях в вакууме составляют сотни миллиэлекгронвольт, что определяет их устойчивость при комнатной температуре.

3. Экспериментально исследованы рекомбинационные процессы в слоях пористого кремния в вакууме, и после заполнения средами с различной диэлектрической проницаемостью. Установлено хорошее качественное, а порой и количественной соответствие между результатами экспериментов и расчетами з рамках экситонной модели.

4. Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезопористого кремния. Конденсация паров диэлектрика в порах приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезопористом кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.

5. Определена энергия ионизации примеси бора в мезопористом кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах пористого кремния энергия ионизации

19

легирующей примеси бора может увеличиваться по сравнению с кристаллическим кремнием за счет неоднородной поляризации среды.

6. Исследованы спектры и кинетики фотолюминесценции нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на параметры спектров и времена релаксации как экситонной люминесценции, так и ФЛ ионов эрбия в структурах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.

7. Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться донам Ег3+ с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от нанокристаллов к ионам Ег3+ возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света.

8. Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами /- оболочки ионов Ег*.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. M.Schmidt, J.Heitmann, R.Scholz, V.Y.Timoshenko, M.G. Lisachenko, M.Zacharias "Er doping of ordered size controlled Si nanocrystals", Advanced Luminescence Materials and Quantum Confinement П, Electrochemical Society Proceedings, 2003, Vol. 2000-9, 8392.

2. M.G. Lisachenko, E.A.Konstantinova, V.Yu.Timoshenko, P.K. Kashkarov "Peculiarities of recombination of noneqilibrium charge carriers in porous silicon with different morphology of nanostructures ", Физика и техника полупроводников, 2002 , 36,

3. 344-348

3. V.Yu. Timoshenko, M.G. Lisachenko, Th. Dittrich, V. Lysenko, F. Koch " Free charge carries in mesoporous silicon", Phys. Rev. B, 2001, v 64,085314

4. M.G. Lisachenko, E.A.Konstantinova, P.K. Kashkarov, and V.Yu.Timoshenko "Dielectric Effect in Silicon Quantum Wires", Phys. Stat. Sol. (a), v. 182,297-300, (2000)

5. P.K.Kashkarov, E.A.Konstantinova, A.I.Efimova, B.V.Kamenev, M.GJLisachenko, A.V.Pavlikov, and V.Yu.Timoshenko "Carrier Recombination in Silicon Quantum Wires

20

Surrounded by Dielectric Medium", Physics of Low-Dimensional Structures, 1999, v.3/4, p.191-202.

6. М.Г.Лисаченко, В.Ю.Тимошенко. "Влияние диэлектрического окружения на экситонный спектр кремниевых квантовых нитей". Вестник Московского университета. Серия Физика. Астрономия (Moscow University Physics Bulletin) 1999, № 5, стр. 30-33.

7. М.Г. Лисаченко, " Влияние диэлектрического окружения на спектр экситонов в кремниевых квантовых нитях", Тезисы докладов 1-й городской студенческой научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, Санкт- Петербург, 1997, с. 30-31.

8. P.K.Kashkarov, B.V.Kamenev, E.Konstantinova, M.G.Lisachenko, A.V.Pavlikov, V.Yu.Timoshenko, "Effect of Dielectric Ambient and Temperature on Dynamics of Carrier Recombination in Porous Silicon Nanostructures ", Materials of the International Conference PSST-98, 16-20 March, 1998, Mallorca, Spain, pp. 158-159.

9. P.K.Kashkarov, B.V.Kamenev, E.Konstantinova, M.G.Lisachenko, A.V.Pavlikov, V.Yu.Timoshenko, "Surface Effect on Recombination in Nanostructures of Porous Silicon" Abstract Book of the 5th International Conference on Nanometer- scale Science and Technology, Birmingham, 1998 p. 120.

10. V.Yu. Timoshenko, M.G. Lisachenko, P.K. Kashkarov, E.A. Konstantinova, A.E. Efimova, B.V. Kamenev, A.V. Pavlikov, "Dynamics of Carrier Recombination in Silicon Quantum Wires Surrounded by Dielectric Ambients", Book of Abstracts of E-MRS 1999 Spring Meeting, Strasbourg, France, June 1 -4,1999, p.I-44,1-П1Л>24.

11. P.K. Kashkarov, E.A. Konstantinova, M.G. Lisachenko, V.Yu. Timoshenko, "Dielectric effect in silicon quantum wires ", Book of Abstracts of the International Conference "Porous semiconductors -science and technology" (PSST-2000), 12-17 March, 2000, Madrid, Spain,: 0-13, p.44-46.

12. M.G. Lisachenko, V.Yu. Timoshenko, V.A. Bazylenko, E.A. Konstantinova, P.K. Kashkarov, "Photoluminescence of silicon Nanocrystals in weak confinement regime ", Technical Digest of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), Minsk, Belarus, 2001, WU 20, p. 69

13. V.Yu.Timoshenko, Th. Dittrich, V. Lysenko, M.G. Lisachenko, A.V. Pavlikov, E.A. Kurepina, E.A. Konstantinova, L.A. Osminkina,P.K. Kashkarov, F.Koch 'Tree Charge

Carriers in porous silicon: experiment and theory", Extended Abstracts of the 3d International Conference PSST-2002,11-15.03.2002, Tenerife, Spain, pp. 40-42

14. П.К. Кашкаров, Б.В. Каменев, М.Г. Лисаченко, O.A. Шалыгина, В.Ю. Тимошенко, М. Schmidt, J. Heitmann, М. Zacharias, "Эффекшвная люминесценция ионов эрбия в аморфном кремнии и системах кремниевых нанокристаллов", Материалы совещания «Нанофотоника», Нижний Новгород, Россия, 17-20 марта 2003г., рр 111-115.

15. P.K.Kashkarov, M.G.Lisachenko, O.A.Shaligina, V.Yu.Timoshenko, J.Heitmann, M.Schmidt, M. Zacharias "Size- controlled Si nanocrystalls as efficient sensitizer of erbium ions", Proceedings of the 11th International Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Peterburg, 2003, p. 137.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] M. Zacharias, J. Heitmann, R. Shcholz,U. Kahler, M.Schmidt, J. Biasing IlSize-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A SiO/SiC>2 superlattice approachll Appl. Phys. Lett., 2002, 80, pp. 661 -663.

[2] M. Schmidt, M. Zacharias, S. Richter, P. Fisher, P. Veit, J. Bläsing, В. BreegerIIEr doping ofnanocrystalline-Si/Si02 super lattices!I Thin Sol. Film., 2001, 397, pp. 211 -215.

[3] П.К. Кашкаров, Б.К. Каменев, E.A. Константинова, А.И. Ефимова, A.B. Павликов, В.Ю. Тимошенко "Динамика неравновесных носителей заряда в кремниевых квантовых нитях" // УФН, 1998, т.168, №5, стр. 577-582.

[4] B.C. Бабиченко, Л.В. Келдыш, А.П. Силин ПКулоновское взаимодействие в тонких полупроводниковых и полуметаллических нитях!/ 1980, ФТТ, т. 22, в. 4 стр. 1238-1240.

[5] Д.Д. Иваненко, A.A. Соколов НКлассическая теория поляИ Л.: ГИТТЛ,1949.

[6] D.A.G. Bruggeman IIBerechnung verschiedener physikalisher Konstanten von heterogen SubstanzenII Annalen der Physik, 1935, v.24, pp.636-664.

[7] J.C.Vial, A.Bsiesy, F.Gaspard, R. Herino, M. Ligeon, F. Muller, R. Romestain // Mechanisms of visible-light emission from electro-oxidized porous silicon/I Phys. Rev. B, 1992,45, pp. 14171 - 14176.

[8] B.M. Агранович, М.Д. Галанин, //Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах!I Москва, "Наука", 1978.

ООП Фюф-та МГУ За* 100-80-03

(4 29 о

»14290 7

СПИСОК ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Структура энергетических зон кристаллического кремния.

Квантово- размерный эффект в кремнии. Классификация наноструктур

1.2. Способы получения кремниевых наноструктур

1.3. Кулоновское взаимодействие в полупроводниковых наноструктурах. 16 1.3.1. Электростатическое взаимодействие зарядов в полупроводниковых наноструктурах (квантовых ямах, нитях и точках).

1.3.2 Экситоны в системах пониженной размерности

1.4. Модели рекомбинации неравновесных носителей заряда в кремнии и кремниевых нанокристаллах

1.5. Равновесные носители заряда в пористом кремнии.

1.6. Люминесценция ионов Ег3+ в матрицах на основе кремния

1.6.1. Ег3+ в монокристаллическом кремнии

1.6.2. Ег3* в аморфном кремнии

1.6.3. Ег3+ в слоях кремниевых нанокристаллов

1.7. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Используемые образцы

2.2. Регистрация фотолюминесценции

2.3. Регистрация ИК и ЭПР спектров

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В НАНОСТРУКТУРАХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

3.1. Моделирование электронных процессов в наноструктурах пористого кремния

3.1.1. Феноменологическая модель релаксации фотовозбуждения в объемных полупроводниках и системах связанных нанокристалов

3.1.2. Расчет параметров экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях

3.1.3. Приближение эффективной среды для учета влияния диэлектрического окружения на параметры экситонных состояний в кремниевых квантовых нитях

3.2. Экспериментальное исследование процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда в наноструктурах пористого кремния

3.2.1. Влияние морфологии образцов на статистику рекомбинации неравновесных носителей. Сравнение экспериментальных данных с моделью

3.2.2. Влияние диэлектриков на экситонные состояния нанопористого кремния. Сравнение с теоретической моделью

3.3. Выводы из главы

ГЛАВА 4 РАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В КРЕМНИЕВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

4.1. Расчет энергии ионизации примеси бора в кремниевых квантовых нитях

4.2. Поглощение ИК излучения свободными носителями заряда

4.3. Влияние дефектов на концентрацию свободных носителей в мезопористом кремнии

4.4. Влияние диэлектриков на концентрацию свободных носителей в мезопористом кремнии

4.5. Выводы из главы

ГЛАВА 5 ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ

КВАЗИУПОРЯДОЧЕННЫХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ

5.1. Нелегированные кремниевые квантовые точки в Si02- матрице

5.1.1. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре

5.1.2. Температурная зависимость фотолюминесценции

5.1.3.Кинетики фотолюминесценции

5.2. Кремниевые квантовые точки в Si02- матрице легированной ионами эрбия

5.2.1. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре

5.2.2. Температурная зависимость фотолюминесценции

5.2.3.Кинетики фотолюминесценции

5.3. Модель возбуждения ионов Ег3+ в кремниевых нанокристаллах

5.4. Выводы из главы

Актуальность проблемы

В последние десятилетия можно выделить две наиболее интенсивно развивающихся области техники- вычислительная техника и связь. Прогресс первой предопределило создание в 1948 году (Уильям Шокли) первого полупроводникового транзистора на основе германия, выполнявшего те же функции, что и электронная лампа, но имевший гораздо меньшие размеры. В 1958- 1959 гг. (Джек Килби, Роберт Нойс) были разработаны первые интегральные схемы, в которых на одном кристалле размещалось несколько транзисторов. В дальнейшем степень интеграции неуклонно росла, а размеры отдельного элемента уменьшались (от десятых долей мм до 130 нм). Современный процессор объединяет в себе 100 миллионов транзисторов и способен совершать 109 операций в секунду.

Параллельно с возрастающим объемом обрабатываемой информации растет потребность эту информацию передавать. Традиционные проволочные линии связи уже сегодня не способны справиться с все возрастающей нагрузкой. Решить проблему могут интенсивно развивающиеся оптические способы передачи информации. Преимущества связи при помощи света очевидны. Чем выше несущая частота, тем больший объем информации можно на ней передать. Еще до появления лазеров радиосвязь шла по пути повышения несущей частоты: километровые волны - ДВ и СВ , потом метровые - KB и УКВ, - и, в конце концов, дошла до СВЧ - миллиметровый диапазон. Частота световых волн на пять порядков превышает частоту миллиметровых волн, поэтому передача информации с использованием лазерного излучения обладает громадными преимуществами.

Для преобразования сигнала из световой формы в электрическую и обратно необходимы всевозможные оптические и оптоэлектрические устройства, разработка которых является весьма актуальной задачей. Необходимо отметить, что все имеющиеся на сегодня полупроводниковые светоизлучающие приборы основаны на бинарных и тринарных прямозонных полупроводниках. В то же время вся информация обрабатывается кремниевыми микропроцессорами и передается по волноводу на основе оксида кремния. Создание светоизлучающих структур на базе кремния позволило бы в рамках единого технологического цикла изготавливать оптоэлектронные интегральные схемы, способные обрабатывать, преобразовывать и передавать информацию.

Основная причина того, что кремний долгое время не рассматривался как материал перспективный для оптоэлектроники, заключается в чрезвычайно низком квантовом выходе люминесценции в нем [1]. Однако, на сегодняшний день известно, по крайней мере, два способа, позволяющих добиться эффективной люминесценции в материалах на основе кремния [1,2]. Первый заключается в модификации структуры энергетических зон Si при уменьшении размеров кристаллов до единиц нанометров. Другой метод основан на введении в кремниевую матрицу активаторов люминесценции (например, ионов редкоземельных элементов).

В данной работе рассматриваются различные кремниевые наноструктуры, в которых реализуются оба вышеуказанных способа. Эффективная люминесценция пористого кремния (ПК), а также кремниевых нанокристаллов в оксидной матрице (пс-Si/Si02) обусловлена присутствием в их структуре кристаллов нанометрического размера. Также были исследованы образцы структур nc-Si/Si02 с внедренными в них ионами эрбия (Ег3"1"). Последние люминесцируют на длине волны 1.5 мкм, соответствующей максимуму пропускания оптических волоконных линий связи.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. На примере пористого кремния различной морфологии (мезопористого (мезо-ПК) и нанопористого кремния (нано-ПК)), а также монокристаллических подложек, на которых ПК был сформирован, провести экспериментальное и теоретическое исследование изменений в рекомбинационных процессах при переходе от объемного кремния к системе изолированных кремниевых нанокристаллов.

2. Изучить роль диэлектрического окружения в экситонных процессах в кремниевых квантовых нитях. Провести экспериментальную проверку влияния диэлектрической неоднородности среды на энергию связи экситонов в квантовых нитях ПК.

3. Исследовать факторы, определяющие концентрацию равновесных носителей заряда в ПК.

4. Провести комплексное исследование характеристик фотолюминесценции (ФЛ) упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SiC>2 матрице, легированных и нелегированных ионами Ег3+.

Для решения поставленных задач был применен комплекс методов исследования включающих фотолюминесценцию (в температурном интервале от 6 до 450 К), ФЛ с временным разрешением, инфракрасную (ИК) Фурье спектроскопию, спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1) Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолекулярный характер. Предложена теоретическая модель рекомбинационных процессов в кремниевых наноструктурах.

2) Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезо-ПК кремния. Заполнение пор жидким диэлектриком приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезо-ПК кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.

3) Определена энергия ионизации примеси бора в мезо-ПК кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах ПК энергия ионизации легирующей примеси бора может увеличиваться по сравнению с кристаллическим кремнием.

4) Исследованы спектры и кинетики ФЛ нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на ширины спектров и времена релаксации фотолюминесценции ионов эрбия в структурах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.

5) Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться ионам Ег3+ с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от нанокристаллов к ионам Ег3+ возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света.

6) Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии (механизм Фёрстера) между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами f- оболочки ионов

Автор защищает:

1) Новые данные о характере релаксации электронного возбуждения в ПК различной морфологии.

2) Новую информацию о факторах, определяющих концентрацию равновесных носителей заряда в ПК.

3) Способ управления величиной энергии ионизации легирующей примеси в наноструктурах ПК.

4) Новые данные о параметрах ФЛ структур упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в Si02 матрице нелегированных и легированных ионами Ег3"1".

5) Выводы о механизме возбуждения люминесценции ионов эрбия в структурах упорядоченных слоев кремниевых нанокристаллов в SiC>2 матрице.

Научная и практическая ценность.

В результате проведенных исследований были получены новые данные об электронных и оптических свойствах различных наноструктур на основе кремния. Показано, что на основе зависимости интенсивности межзонной ФЛ от интенсивности возбуждения можно судить как о степени локализации носителей заряда, так и о состоянии поверхности в кремниевых наноструктурах. Обнаруженный эффект влияния диэлектриков на концентрацию равновесных свободных носителей заряда в мезо-ПК может быть использован для управления проводимостью в различных электронных приборах. Высокая эффективность возбуждения эрбиевой ФЛ, достигаемая при комнатных температурах в квазиупорядоченных структурах кремниевых нанокристаллов, может представлять практический интерес при разработке оптических усилителей и светоизлучающих устройств для важнейшего в оптических линиях связи диапазона длин волн 1.5 мкм.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [3-17] и докладывались на следующих конференциях: Первая городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 1997; First International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology (PSST-98), Mallorca, Spain, 1998; 5th International Conference on Nanometer-scale Science and Technology, Birmingham, 1998; Second International Conference on Porous Semiconductors - Science and Technology(PSST-2000), Madrid, Spain, 2000; International

Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-2001), Minsk, Belarus, 2001; X Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам (Ломоносов-2003), Москва, Россия, 2003; Конференция "Ломоносовские чтения-2003", Москва, 2003; 11th International Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, 2003.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе рассмотрены электронные и оптические свойства различных типов кремниевых наноструктур. Были получены следующие основные результаты:

1. На основе сравнительного исследования ФЛ в пленках мезо-ПК и нано-ПК, а также в образцах кристаллического Si, на которых они были сформированы, выявлены особенности рекомбинации носителей заряда в наноструктурах различной морфологии. Обнаружено, что в зависимости от морфологии пористого кремния, релаксация электронного возбуждения в нем может носить бимолекулярный или мономолекулярный характер.

2. Выполнен расчет параметров экситонов в кремниевых квантовых нитях, окруженных средой с различной диэлектрической проницаемостью. Показано, что энергии связей экситонов в кремниевых квантовых нитях в вакууме составляют сотни миллиэлектронвольт, что определяет их устойчивость при комнатной температуре.

3. Экспериментально исследованы рекомбинационные процессы в слоях пористого кремния в вакууме и после заполнения средами с различной диэлектрической проницаемостью. Установлено хорошее качественное, а порой и количественной соответствие между результатами экспериментов и расчетами в рамках экситонной модели.

4. Установлено присутствие равновесных свободных носителей заряда (дырок) в наноструктурах мезопористого кремния. Конденсация паров диэлектрика в порах приводит к увеличению концентрации равновесных дырок в мезопористом кремнии, в то время как наличие на поверхности нанокристаллов дефектов типа оборванных связей уменьшает ее.

Определена энергия ионизации примеси бора в мезопористом кремнии. Обнаружено, что в наноструктурах пористого кремния энергия ионизации легирующей примеси бора может увеличиваться по сравнению с кристаллическим кремнием за счет неоднородной поляризации среды.

Исследованы спектры и кинетики фотолюминесценции нелегированных и легированных эрбием многослойных структур квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния. Получены данные по влиянию размеров нанокристаллов на параметры спектров и времена релаксации как экситонной люминесценции, так и ФЛ ионов эрбия в структурах квазиупорядоченных кремниевых нанокристаллов.

Показано, что энергия оптического возбуждения нанокристаллов кремния может с высокой эффективностью передаваться ионам Ег3+ с последующим излучением на длине волны 1.5 мкм. Установлено, что эффективность передачи энергии от нанокристаллов к ионам Ег3+ возрастает с уменьшением размеров кремниевых нанокристаллов и с ростом энергии квантов возбуждающего света. Дано объяснение процесса возбуждения люминесценции ионов эрбия в исследуемых структурах, основанное на диполь-дипольном взаимодействии (механизм Фёрстера) между экситонами в кремниевых нанокристаллах и электронами f- оболочки ионов

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору Павлу Константиновичу Кашкарову за предоставление интересной темы, неоценимую помощь и всестороннюю поддержку, оказанную при выполнении данной работы. Особую благодарность автор выражает доктору Виктору Юрьевичу Тимошенко за соруководство работой на всех ее этапах.

Автор также глубоко признателен всему коллективу кафедры ОФиМЭ за постоянное внимание и теплое отношение в процессе обучения на кафедре и помощь в работе.

1. DJ.Lockwood // Light Emission from Silicon И Academic, Boston 1997.

2. L.C.Kimerling, K.D.KoIenbrander, J.Michel, J.Palm // Light Emission from Silicon И Solid State Phys., 1997, v.50, p. 333

3. V.Yu. Timoshenko, M.G. Lisachenko, Th. Dittrich, V. Lysenko, F. Koch //Free charge carries in mesoporous silicon II, Phys. Rev. B, 2001, v 64, p. 085314

4. M.G. Lisachenko, E.A.Konstantinova, P.K. Kashkarov, and V.Yu.Timoshenko //Dielectric Effect in Silicon Quantum Wires //, Phys. Stat. Sol. (a), 2000, v.182, p. 297-300

5. М.ГЛисаченко, В.Ю.Тимошенко. IIВлияние диэлектрического окружения на экситонный спектр кремниевых квантовых нитей!! Вестник Московского университета. Серия Физика. Астрономия (Moscow University Physics Bulletin) 1999, № 5, стр. 30-33.

6. К.В.Шалимова //Физика полупроводников//Москва, Энергоатомиздат, 1985.

7. В.Л. Бонч- Бруевич., С.Г. Калашников //Физика полупроводников// М.: Наука, 1990.

8. В.А.Кульбачинский //Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверхрешетки//М.: Физ. фак. МГУ, 1998.

9. H.Takagi, H.Ogawa, Y.Yamazaki, A.Ishizaki, T.Nakagiri // Quantum Size Effects on Photoluminescence in Ultrafine Si Particles // Appl. Phys. Lett., 1990, v.56, p.2379.

10. S.Tong, X.N.Liu, L.C.Wang, F.Yan, X.M.Bao //Visible Electroluminescence from Nanocrystallites of Silicon Films Prepared by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition // Appl. Phys. Lett., 1996, v.69, p.596.

11. L.T.Canham // Silicon Quantum Wire Array Fabrication by Electrochemical and Chemical Dissolution of Wafers // Appl. Phys. Lett., 1990, v.57, p.1046-1048.

12. G.D.Sanders, Y.C. Chang //Theory of optical properties of quantum wires in porous silicon// Physical Review B, 1992, v. 45, n. 16, p. 9202- 9213.

13. Ю.В.Копаев., C.H. Молотков, C.C. Назин //Размерный эффект в квантовых проводахкремния// Письма в ЖЭТФ, 1992, т. 55, вып. 12, стр. 696- 700.

14. О. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics II Surface Science Rep., 2000,38, pp. 1- 126.

15. А.П.Силин // Полупроводниковые сверхрешетки IIУФН, 1985, т. 149, с.485.

16. R.People, S.A.Jeckson // Indirect, Quasidirect, and Optical Transitions in the Pseudomorphic (4x4)- Monolayer Si-Ge Strained- Layer Superlattice on Si (001)H Phys.Rev. В., 1987,36, p. 1310.

17. J.Endvall, J.Olajos, H.G.Grimmeis, H.Presting, H.Kibbel, E.Dasper I I Electroluminescence at Room Temperature of a SimGe„ Strained- Layer Superlattice И Appl. Phys. Lett., 1993, v.63, p.491.

18. DJ.B.Lockwood HLight Emission in Silicon Nanostructuresll Nanoscale Sci. & Technol. 1998, Ser.E, v.348, pp. 185-209.

19. R.L.Smith, S.D.Collins //Porous silicon formation mechanisms // J. Appl. Phys., 1992, v.70, pp.Rl-R30.

20. G.Bomchil, A.Halimaoi, R.Herino UPorous Silicon: the Material and Its Application in Silicon-on-Insulator technologies!I Appl. Surf. Sci., 1989, v.41/42, pp.604-613.

21. T.Shimizu-Iwayama, S.Nakao, K.Saitoh //Visible photoluminescence in Si + -implanted thermal oxide films on crystalline Si// Appl. Phys. Lett. 1994, 65, p. 1814-1816.

22. K. S. Min, K.V. Shcheglov, С. M. Yang, H. A. Atwater, M. L. Brongersma, A. Polman I I Defect-related versus excitonic visible light emission from ion beam synthesized Si nanocrystals in Si02ll Appl. Phys. Lett., 1996, 69, p. 2033 -2035.

23. H. Z. Song, X. M. Bao //Visible photoluminescence from silicon-ion-implanted Si02sfilm and its multiple mechanisms И Phys. Rev. B, 1997, 55, pp. 6988 -6993.

24. T. Shimizu-Iwayama, N. Kurumado, D. E. Hole, P. D. Townsend //Optical properties of silicon nanoclusters fabricated by ion implantation!/ J.Appl. Phys., 1998, 83, pp. 6018-6022.

25. S. Hayashi and K. Yamamoto //Optical properties of Si-rich Si02 films in relation with embedded Si mesoscopic particlesII J. Lumin., 1996, 70, pp. 352 -363.

26. U. Kahler, H. Hofmeister //Visible light emission from Si nanocrystalline composites via reactive evaporation of SiO!I Optical Mater., 2001,17, pp. 83 -86.

27. M. Zacharias, J. Heitmann, R. Shcholz,U. Kahler, M.Schmidt, J. Biasing I I Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A Si0/Si02 superlattice approach// Appl. Phys. Lett., 2002, 80, pp. 661 -663.

28. B.C. Бабиченко, JI. В. Келдыш, А. П. Силин ИКулоновское взаимодействие в тонких полупроводниковых и полуметаллических нитях// ФТТ, 1980, т. 22, в. 4 стр. 1238- 1240.

29. Л. В. Келдыш ИКулоновское взаимодействие в тонких пленках полупроводников и полуметаллов // Письма в ЖЭТФ, 1979, 29, № 11, стр. 716- 719.

30. Н. С. Рытова //Экранированный потенциал точечного заряда в тонкой пленке// Вестник МГУ, Физика, Астрономия, 1967,30, № 3, стр. 30- 37.

31. А. В. Чаплик, М. В. Энтин //Заряженные примеси в очень топких слоях// ЖЭТФ, 1971, т. 61, вып. 6, стр. 2496- 2503.

32. Д. Д. Иваненко, А. А. Соколов //Классическая теория поля// Л.: ГИТТЛ, 1949.

33. Е.А. Муляров, С.Г. Тиходеев I/Диэлектрическое усиление экситонов в полупроводниковых квантовых нитях// ЖЭТФ, 1997, т. 111, вып. 1,стр. 274- 282.

34. В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин //Сборник задач по электродинамике// М.: Наука, 1970.

35. X.F. Не HExcitons in anisotropic solids: The model of fractional- dimensional space// Phys. Rev. В., 1991, v.43, n.3, p.2063-2069.

36. M. Shinada, S. Sugano Ulnterband optical transition in extremely anisotropic semiconductors. 1. Bound and unbound exciton absorption// J. Phys. Soc. Japan, 1966, v.21, n.10, pp. 1936-1946.

37. R. Loudon //One- dimensional hydrogen atom// Am. J. Phys., 1959, v. 27,n.9, p.649.

38. Двуреченский А.В., Качурин Г.А., Нидаев Е.В., Смирнов Л.С. //Импульсный отжиг полупроводниковых материалов// М., Наука, 1982.

39. В. И. Гавриленко, А. М. Грехов, Д. В. Корбутяк, В. Г. Литовченко //Оптические свойства полупроводников I/ Киев, Наукова думка, 1987.

40. T.Schmidt, К. Lischka, W. Zulehner // Excitation-power dependence of the near-band-edge photoluminescence of semiconductors!/ Phys. Rev. B, 1992, 45, 8989-8994.

41. M.Lannoo, C.Delerue, G.Allan //Theory of radiative and nonradiative transitions for semiconductor nanocrystals// Journal of Lumin., 1996, 70, pp. 170-184.

42. D. J. Lokwood, Z. H. Liu, J. M. ЪшЫгмПQuantum Confined Luminescence in Si/Si02 SuperlatticesH Phys. Rev. Lett., 1996, 76, pp. 539 -541.

43. A. G. Cullis, L. T. Canham, P. D. J. Calcott // The structural and luminescence properties of porous silicon // J. Appl. Phys., 1997, 82, pp. 909 -965.

44. D.Kovalev, H.Heckler, G.Polisski, F.Koch // Optical Properties of Si Nanocrystals// Phys. Stat. Sol (b), 1999, v.215, p. 871

45. П.К. Кашкаров, Б.К. Каменев, E.A. Константинова, А.И. Ефимова, А.В. Павликов, В.Ю. Тимошенко //Динамика неравновесных носителей заряда в кремниевых квантовых нитях//УФН, 1998, т.168, №5, с.577-582.

46. L.Canham //Properties of Porous Silicon// INSPEC, London, 1997, p. 99.

47. A.J.Read, R.J.Needs, K.J.Nash, L.T.Canham, P.D.J.Calcott, A.Qteish 11 First-principles calculations of the electronic properties of silicon quantum wires // Phys. Rev. Lett., 1992, 69, pp. 1232-1235.

48. Y.M.Niquet, C.Delerue, G.Allan, M.Lannoo //Method for tight-binding parametrization: Application to silicon nanostructures // Phys. Rev. B, 2000, 62, pp. 5109 -5116.

49. A.Grosman, С. Ortega I I Properties of Porous Silicon// edited by L.Canham, INSPEC, London,1997, p. 328.

50. G.PoIisski, D.Kovalev, G. G.Dollinger, T.SuIima, F.Koch // Boron in mesoporous Si — Where have all the carriers gone? U Physica B, 1999,273-274, pp.951 -954.

51. M. Ben-Chorin //Properties of Porous Silicon// edited by L.Canham, INSPEC, London, 1997, p. 165.

52. L.A.Balagurov, D.G.Yarkin, E.A.Petrova //Electronic transport in porous silicon of low porosity made on ap+ substrate// Mater. Sci. Eng. B, 2000, B69-B70, pp. 127 -131.

53. V.Lehmann, F.Hofmann, F.Moller, U.Griining //Resistivity of porous silicon: a surface effect// Thin Solid Films, 1995, 255, pp. 20 -22.

54. R.Schwarz, F.Wang, M.Ben-Chorin, S.Grebner, A.Nikolov, F.Koch UPhotocarrier grating technique in mesoporous silicon!/ Thin Solid Films, 1995, 255, pp. 23 -26.

55. R.Tsu, D.Babic HDoping of a quantum dotll Appl. Phys. Lett., 1994,64, pp. 1806 1808.

56. M. Lannoo, C.Delerue, G.Allan UScreening in Semiconductor Nanocrystallites and Its Consequences for Porous Silicon!I Phys. Rev. Lett., 1995, 74, pp. 3415 -3418.

57. J.Simons, T.I.Cox, M.J.Uren, P.D.J.Calcott //The electrical properties of porous silicon produced from n+ silicon substrates// Thin Solid Films, 1995, 255, pp. 12 -15.

58. G. S. Pomrenke, P. B. Klein, D. W. Langer //Rare Earth Doped Semiconductors!/, Mat.Res.Soc. Symp.Proc., 1993, vol. 301, MRS, Pittsburgh.

59. K. Iga, S. Kinoshita //Progress Technology for Semiconductors Lasers!!, Springer Ser. In Mater Sci., 1996, vol. 30, Springer-Verlag, Berlin.

60. H.Ennen, J.Schneider, G.Pomrenke, A.Axmann Н1.54-цт Luminescence of Erbium-Implanted III- V Semiconductors and Silicon // Appl. Phys. Lett., 1983, v.43, p.943.

61. F.Priolo, G.Franzo, S.Coffa, A.PoIman, S.Libertino, D.Carey // The Erbium Impurity Intetaction and its Effects on the 1.54 цт Luminescence of Er3+ in Crystalline Silicon II Appl. Phys., 1995, v.78, p.3874.

62. A.Terrasi, F.Priolo, G.Franzo, S.Coffa, F.D'Acapito, S.Mobilio // EXAFS Analysis of Er Sites in Er-0 and Er-F co-Doped Crystalline Si И J. Luminescence, 1999, v.80, p.363.

63. J.D.Carey, R.Barklie, J.F.Donegan, F.Priolo, G.Franzo, S.Coffa IIEPR Study of Erbium -Impurity Complexes in Silicon II J. Luminescence, 1999, v.80, p.297.

64. W.Jantsch, S.Lanzerstorfer, L.Palmetshofer, M. Stepekhova, H.Preier //Different Er Centers in Si and Their Use for Electroluminescent Devices//J. Luminescence, 1999, v.80, p. 9.

65. S.Coffa, F.Priolo, G.Franzo, V.Bellani, A.Camera, C.Spinella HOptical activation and excitation mechanisms of Er implanted in Sill Phys.Rev. В., 1993, 48, pp. 11782 -11788.

66. D.L.Adler, D.C.Jacobson, D.J.Eaglesham, M.A.Marcus, J.L. Benton, J.M.Poate, P.H.Citrin // // Appl. Phys. Lett., v.61, p.2182 (1992).

67. H. Przybylinska, W.Jantsch, Yu.Suprun-Belevich, M. Stepekhova, L.Palmetshofer, G.Hendorfer, A.Kozanecki, R.J.Wilson, B.J.Sealy // Optically active erbium centers in silicon!/ Phys.Rev. В., 1996,54, p.2532 -2547.

68. WJantsch, S.Lanzerstorfer, M. Stepekhova, H.Preier, L.Palmetshofer // // Solid State Phenomena, v.69-70, p.53 (1999).

69. В.Х.Кудоярова, А.Н.Кузнецов, Е.И.Теруков, О.Б.Гусев, Ю.А.Кудрявцев, Б.Я.Бер,

70. Г.М.Гусинский, W.Fuhs, G.Weiser, H.Kuehne // Влияние кислорода на интенсивностьфотолюминесценции Er (1.54 мкм.) в пленках a-Si:H, легированных эрбием!I ФТП, 1998, т.32, с. 1384.

71. J.S. Custer, E.Snoeks, A.Polman, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 235, 51 (1992)

72. G.N. van den Hoven, J.H.Shin, A.Polman, S.Lombardo, S.U.Campisano HErbium in oxygen-doped silicon: Optical excitation!! J.Appl. Phys., 1995, v.78, pp. 2642 -2650.

73. W.Fuhs, I.Ulber, G.Weiser, M.S.Bresler, O.Gusev, A.N.Kuznetsov, V.Kh.Kudoyarova, E.I.Terukov, I.N.Yassievich // Excitation and Temperature Quenching of Er-Induced Luminescence in a-Si:H<Er>f! Phys.Rev. B, 1997, 56, p.9545.

74. O.Gusev, M.S.Bresler, A.N.Kuznetsov, V.Kh.Kudoyarova, P.Pak, E.I.Terukov, K.Tsendin, I.N.Yassievich, W.Fuhs, G.Weiser // Room-Temperature Electroluminescence of Er-Doped Hydrogenated Amorphous Silicon!! J. Non-Crystall. Sol., 1998, v.227-230, p.l 164.

75. В. V. Kamenev, V. Yu. Timoshenko, E. A. Konstantinova, V. Kh. Kudoyarova, E. I. Terukov, P. K. Kashkarov IITime-resolved photoluminescence of erbium centers in amorphous hydrogenated silicon II J. Non-Crystall. Sol., 2002, 299, pp. 668 -672.

76. M. Schmidt, M. Zacharias, S. Richter, P. Fisher, P. Veit, J. Biasing, B. BreegerHEr doping of nanocrystalline-Si/Si02 superlattices/l Thin Sol. Film., 2001,397, pp. 211 -215.

77. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., IIКвантовая механика. Нерелятивистская теория!I, М.: Наука, 1989.

78. Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш IСпециальные функции!/, М.: Наука, 1977.

79. Р. П. Федоренко //Введение в вычислительную физику// МФТИ, 1994.

80. П.К. Кашкаров, Е.А.Константинова, С.А. Петрова, В.Ю. Тимошенко, А.Э. Юнович ПК вопросу о температурной зависимости фотолюминесценции пористого кремни // ФТП, 1997, т.31, вып.6, с.745-748.

81. D. A. G. Bruggeman //Berechnung verschiedener physikalisher Konstanten von heterogen SubstanzenH Annalen der Physik, 1935, v.24, pp.636-664.

82. I. H. Campbell, P. M. Fauchet //The effects of microcrystal size and shape on the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors// Sol. St. Comm., 1986,58, pp. 739 741.

83. В. Ф. Киселев, О. В. Крылов //Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлектриках/У М., Наука, 1979.

84. Е.А. Konstantinova, Р.К. Kashkarov, V.Yu. Timoshenko //Spin centers peculiarities in nanostructures of porous silicon!/ Phys. Low-Dim. Struct., 1995, v. 12, pp. 127-131.

85. H. J. Bardeleben, D. Stievenard, A. Grosman, C. Ortega, J. Siejka ПDefects in porous p-type Si: An electron-paramagnetic-resonance study// Phys. Rev. B, 1993, 47, pp. 10899-10902.

86. E.A. Konstantinova, Th.Dittrich, V.Yu. Timoshenko, P.K. Kashkarov //Adsorption-induced modification of spin and recombination centers in porous silicon// Thin Solid Films, 1996, 276, pp. 265 -267.

87. G.C. John, V.A. Singh UPorous silicon: theoretical studies!! Phys. Rep., 1995, v. 263, pp. 63-151.

88. A.O.E.Animalu ПIntermediate Quantum Theory of Crystalline Solids!/ Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1977.

89. J. Valenta, R. Juhasz, J. Linnros l/Photoluminescence spectroscopy of single silicon quantum dots// Appl. Phys. Lett., 2002, 80, pp. 1070 1072.

90. J.Linnros, N.Lalic, A.Galeckas, V.Grivickas IIAnalysis of the stretched exponential photoluminescence decay from nanometer-sized silicon crystals in Si О2/I J. Appl. Phys., 1999, 86, p. 6128.

91. Roman H. Eduardo, L.Pavesi // Monte Carlo simulations of the recombination dynamics in porous silicon II J. Phys.: Condens. Matter, 1996,8, pp. 5161- 5187.

92. J.C.Vial, A.Bsiesy, F.Gaspard, R. Herino, M. Ligeon, F. Muller, R. Romestain // Mechanisms of visible-light emission from electro-oxidized porous silicon!I Phys. Rev. B, 1992, 45, pp.14171 14176.

93. K. Watanabe, M. Fujii, S. Hayashi IIResonant excitation of Er3 + by the energy transfer from Si nanocrystals // J. Appl. Phys., 2001, 90, pp. 4761 -4767.

94. B.M. Агранович, М.Д. Галанин, ППеренос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах!I Москва, "Наука", 1978.