Оптически активные центры ионов эрбия в кремниевых матрицах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

СТЕПИХОВА Маргарита Владимировна

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ ИОНОВ ЭРБИЯ В КРЕМНИЕВЫХ МАТРИЦАХ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 2006

Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН), г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор З.Ф. Красильник

Официальные оппоненты: доктор физико-матемагических наук, профессор

В.Г. Голубев

доктор физико-математических наук, профессор А.А. Ежевский

Ведущая организация:

МГУ, физический факультет, г. Москва

Защита состоится 7 декабря 2006 г. в 16 часов на заседании специализированного совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан 30 октября 2006 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Актуальность исследования кремния, легированного примесью эрбия, связана, прежде всего, с перспективами развития современной базы кремниевой оптоэлектроники. Кремний, как известно, является основным материалом современной микроэлектроники, однако, в силу непрямозонности своей энергетической структуры, не относится к числу эффективно излучающих материалов. Значительные усилия исследователей в последнее время направлены на поиски путей решения этой проблемы. Наиболее перспективными здесь следует считать направления, связанные с развитием низкоразмерных структур на кремнии и твердых растворах кремния-германия, гетероструктур кремний-прямозонный полупроводник, структур, использующих излучательные свойства структурных дефектов в кремнии и др. (см., например, обзоры [1>2]).

Легирование кремния примесями редкоземельных элементов, в частности примесью эрбия, также рассматривается как одно из перспективных направлений в этой области и представляет значительный интерес с точки зрения создания источников излучения на кремнии для волоконно-оптических систем связи, оптических соединений в схемах современных компьютеров, включая соединения на меж- и внутричиповом уровне, для схем и устройств интегральной оптоэлектроники. В этой связи особое значение приобретает развитие технологий формирования структур ЭкЕг, излучающих на длине волны 1,54 мкм, соответствующей внутриатомному переходу 41]зд —► А1г5/2 иона Ег34, выявление природы оптически активных центров, формируемых с участием ионов эрбия в кремнии, и их микроскопической структуры, механизмов взаимодействия редкоземельных ионов с другими примесями в полупроводниковой матрице, изучение процессов возбуждения и девозбуждения редкоземельного иона.

Цели работы

1. Исследование условий формирования оптически активных центров иона Ег3+ и их природы в структурах с-БкЕг, полученных методами ионной имплантации и сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, оптимизация эффективности их люминесценции.

2. Выявление процессов, определяющих температурное гашение люминесценции эрбиевой примеси в кремниевых матрицах.

3. Определение особенностей электролюминесценции (ЭЛ) оптически активных центров иона Ег3+ в монокристаллическом кремнии.

4. Исследование условий формирования, механизмов возбуждения и температурного гашения люминесценции оптически активных центров эрбия в низкоразмерных структурах пористого кремния (рог-Э1).

Научная новизна

1. Методом фурье-спекгроскопии высокого разрешения детально исследована тонкая структура спектров фотолюминесценции (ФЛ) ионно-имплактированных слоев с-51:Ег.

2. Впервые обнаружены и описаны серии оптически активных центров иона Ег3+, вносящих основной вклад в люминесцентный отклик ионно-импланированных структур с-5пЕг.

3. В структурах с-БкЕг, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), обнаружен и изучен новый оптически активный центр иона Ег3+ - центр Ег-1, относящийся к кислород-содержащим центрам иона Ег3+ орторомбической симметрии.

4. Разработаны и исследованы низкоразмерные структуры пористого кремния, легированные эрбием электролитическим методом. Выделены два типа оптически активных центров иона Егэ+ в этих материалах, различающихся местоположением редкоземельной примеси в пористой матрице. Показано, что основной вклад в сигнал ФЛ этих структур при комнатной температуре обусловлен оптически активными центрами иона Ег34 локализованными в аморфном приповерхностном слое пористого кремния оксидной природы.

5. Показано, что преимущественный вклад в сигнал ФЛ структур рол-Б^/эрбий-содержащие золь-гель пленки вносят оптически активные центры редкоземельной примеси, локализованные в пленках золь-гелей, обнаружено значительное влияние структурных дефектов в кремнии на люминесцентный отклик образцов в диапазоне 1,54 мкм.

6. Впервые показано, что температурная стабильность люминесценции диодных структур с-ЭгЕг в режиме пробоя р-п перехода и наблюдаемый сигнал ЭЛ при комнатной температуре связаны с формированием в структурах центров иона Ег1* в БЮК преципитатных включениях в кремнии.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания фундаментальных свойств легированных эрбнем кремниевых структур, в частности, процессов встраивания ионов Ег в кремниевую матрицу и условий формирования излучающих центров редкоземельного иона, так и для выяснения

принципов формирования светонзлучающих приборных структур на кремнии, представляющих интерес для схем современной оптоэлектроники. В работе:

— классифицированы серии оптически активных центров иона Ег3*, наблюдаемых в материалах монокристаллического и пористого кремния, легированных эрбием, выделены серии линий ФЛ, принадлежащих различным центрам редкоземельной примеси; для центров, вносящих преимущественный вклад в сигнал ФЛ, определена энергетическая структура уровней расщепления мультиплетов иона Ег3+;

— методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии получены структуры с-ЗЬЕг с внутренней квантовой эффективностью ФЛ, превышающей 20% при Т = 4,2 К;

— разработаны способы формирования легированных эрбием низкоразмерных структур на основе пористого кремния, излучающих при комнатной температуре;

— продемонстрирован новый тип структур на основе с-8кЕг — периодические, селективно легированные структуры 51//51:Ег/51.1:Ег/81, характеризуемые повышенной интенсивностью ФЛ;

— определены условия формирования диодных структур на основе с-51:Ег, обеспечивающие наблюдение интенсивного сигнала ЭЛ редкоземельной примеси при комнатной температуре.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В монокристаллах кремния, выращенных методами Чохральского и бестигельной зонной плавки, в зависимости условий имплантации и последующей температурной обработки происходит формирование оптически активных центров иона Ег3+ кубической и аксиальной симметрий, а также низ косим метричных центров, аналогичных по своим люминесцентным свойствам центрам, наблюдаемым в легированных эрбием материалах оксида кремния.

2. В эпитаксиальных слоях с-31:Ег, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, происходит формирование преимущественно одного типа центров люминесценции, связанных с примесью эрбия - кислородсодержащего центра иона Ег3+ орторомбической симметрии, либо низкосимметричных центров иона Егэ+, связанных с ЭЮХ преципитатными включениями в кремнии. Использование принципов селективного легирования редкоземельной примесью в периодических структурах Э1 :Ег/8.УБI:Ег/81 позволяет значительно (на порядок и более) увеличить интенсивность люминесценции.

3. В пористом кремнии, легированном эрбием, фотолюминесценция на длине волны 1,54 мкм при комнатной температуре связана с оптически активными центрами иона Er3*, локализованными в приповерхностном оксидном слое.

Личный вклад автора в получение результатов

• Основной вклад в обнаружение и описание кислород-содержащих центров иона Er3* аксиальной симметрии и прецицитатного StO„:Er центра в ионно-имплактированных слоях c-Si:Er (совместно с W. Jantsch, A. Kozanecki, S. Lanzerstorfer, Н. Przybylinska [А2,А7,А13,А14,А19]).

• Равноценный вклад в описание центра иона Er3* кубической симметрии в ионно-импл актированных слоях c-Si:Er (совместно с W. Jantsch, L. Palmetshofer, Н. Przybylinska [А1.А2]).

• Определяющий вклад в обнаружение и равноценный • в изучение оптически активного центра иона Er3* орторомбической симметрии в эпитакснальных слоях c-Si:Er, полученных методом сублимационной МЛЭ (совместно с

A.Ю. Андреевым, Б.А. Андрееввм, В.П. Кузнецовым, Н. Przybylinska, N.Q. Vinh [Аб,А10,А11А1б,А17,А26,А27]).

• Равноценный вклад в изучение особенностей люминесценции селективного легированных структур Si//Si:Er/Si,../Si:Er/Si (совместно с Б.А. Андреевым,

B.П. Кузнецовым, А.О. Солдаткиным, В.Б. Шмагиным [Аб,А8,А17,А21,А24, А261).

• Определяющий вклад в формирование структур por-Si:Er н исследование оптически активных центров иона Ег3+ в низкоразмерных структурах пористого кремния (совместно с Н.В. Гапоненко, W. Jantsch, G. Kocher, М. Schoisswohl [АЗЛ4Л9.А12]).

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы опубликованы в 27 статьях в реферируемых научных журналах и сборниках, и докладывались на 22 международных и всероссийских конференциях и совещаниях: на 24-ой, 25-ой и 2б-ой международных конференциях по физике полупроводников (ICPS-98, Иерусалим, Израиль, 1998г.; ICPS-2000, Осака, Япония, 2000г. и ICPS-2002, Эдинбург, Великобритания, 2002г.): международной конференции материаповедческого сообщества (MRS Spring Meeting 2005, Сан-Франциско, США, 2005г,); международных конференциях Европейского материаловедческого сообщества (E-MRS Spring Meeting в 199S и 2000 гг., Страсбург, Франция); 3-ей, 5-ой и 6-ой Всероссийских конференциях по физике

полупроводников (Москва, 1997г., Н. Новгород, 2001г., Санкт-Петербург, 2003г.); 18-ой, 19-ой и 20-ой международных конференциях по физике дефектов в полупроводниках (ICDS-18, Сендей, Япония, 1995г; ICDS-19, Авейро, Португалия, 1997г.; ICDS-20, Беркли, США, 1999г.); 5-ом и 9-ом международных совещаниях "Gettering and defect Engineering in Semiconductor Technology" (GADEST'99, Хёёр, Швеция, 1999г. и GAD EST'01, Катанья, Италия, 2001г.); 10-ой международной конференции по молекулярно-лучевой эпитаксии (Канны, Франция, 1998г.); международной конференции "Silicon Epitaxy and Heterostructures" (Цао, Мияджи, Япония, 1999г.); международном совещании НАТО по передовым направлениям исследований в области создания лазера на кремнии (NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser", Тренто, Италия, 2002г.); международной конференции Nanomeeting-200S (Минск, Беларусь, 2005); всероссийском совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Н. Новгород 1998г.) н всероссийских совещаниях "Нанофотоника" (Н. Новгород 1999г„ 2000г., 2002г.). Результаты работы были представлены и обсуждались на семинарах ИФМ РАН и семинарах Института физики твердого тела университета г. Линц (Австрия).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [А1-А27]. Полный список опубликованных работ по теме диссертации, включающий 27 статей в реферируемых научных журналах и сборниках, и 29 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, симпозиумов и совещаний, приводится в заключительном разделе диссертационной работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 144 страницы, включая бб рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает в себя 144 наименования, список публикаций автора по теме диссертации - 56 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введений обоснована актуальность выбранной темы исследования, показана ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цели работы, а также представлены сведения о структуре и содержании работы; приводятся положения, выносимые на защиту.

В Главе I обсуждается состояние проблемы, которой посвящена диссертационная работа, определен круг задач диссертационного исследования. Приводятся данные об энергетической структуре уровней редкоземельного иона Ег3+ в свободном состоянии и в твердотельных матрицах, описаны влияние кристаллического поля на энергетическую структуру мультиплетов редкоземельного иона и методы теоретического анализа расщепления энергетических уровней в полях различной симметрии (разделы 1.1 и 1.2). В разделе 1.3 обсуждаются имеющиеся сведения о методах получения и люминесцентных свойствах структур монокристаллического кремния, легированных эрбием. Рассмотрены вопросы, связанные с проблемами внедрения примеси эрбия в кремниевую матрицу, обсуждаются имеющиеся представления о положении иона эрбия в решетке кремния, о структуре оптически активного центра и механизмах взаимодействия редкоземельной примеси с примесями других элементов, в частности, с кислородом, и с дефектами кристаллической решетки. Приводятся данные о механизмах и процессах возбуждения и девозбуждения ионов Ег3+ в кремниевых матрицах. В разделе 1.4 рассмотрены вопросы, связанные со спецификой возбуждения и особенностями люминесценции ионов эрбия в низкоразмерных структурах на основе кремния. В заключение сформулированы задачи исследования (раздел 1.5).

В Главе 2 изложены основные сведения о методах формирования, структурных свойствах и составе исследованных образцов, приводится описание использованных в работе методов исследования.

В разделе 2.1 приведены данные об образцах с-ЭгЕг, полученных методом ионной имплантации. В работе рассматривались структуры м оно кристаллического кремния, имплантированные ионами эрбия с энергиями 2 МэВ, 600 и 300 кэВ, дозы имплантации - 1012 + 1015 см"2. Дается описание условий имплантации, включая имплантацию солегирующими примесями, и режимов посленмплантационного отжига.

Метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии структур с-Б^Ег изложен в разделе 2.2. Для роста структур с-БЬЕг в работе использовались две методики сублимационной МЛЭ: методика роста из поликристаллического источника кремния, легированного эрбием, и методика роста из раздельных источников монокристаллического кремния и металлического источника Ег. Приводятся данные исследований элементного состава и структурных параметров выращенных слоев, полученные методами вторичной ионной масс-спектрометрии и спектроскопии обратного резерфорловского рассеяния.

В разделе 2.3 описаны условия получения слоев пористого кремния и методы легирования редкоземельной примесью. В работе рассматривались методы электролитического легирования и легирования слоев рог-Я! из эрбий-содержащих золь-гель пленок, где были использованы эрбий-содержащие пленки оксидов кремния, титана и железа.

В разделе 2.4 описаны экспериментальные методы люминесцентного анализа структур: методы фото- и электролюминесценции, спектроскопии возбуждения ФЛ, методики измерений кинетики ФЛ.

В заключение, в разделе 2.5 дано описание методов структурного анализа и анализа элементного состава исследуемых образцов.

В Главе 3 представлены результаты исследований люминесцентных свойств слоев с-ЭиЕг, полученных методами ионной имплантации и сублимационной МЛЭ. Основное внимание уделялось выделению в спектрах фото- и электролюминесценции отдельных серий линий, связанных с оптически активными центрами иона ', анализу структуры и симметрии наблюдаемых центров иона Ег3+, исследованию влияния солегирующих примесей и проблемам температурного гашения люминесценции редкоземельной примеси.

Наиболее хорошо воспроизводимым в ионно-имплантированных слоях с-БкЕг является центр иона Ег3+ кубической симметрии с характерной структурой спектра, представленной пятью линиями в люминесцентной серии: 6504,8 см'1, 6426,0 см*1,6348,0см"1,6256,0 см"1 и 6087,0 см"1 (центр Ег-С, рис. 1а)-раздел 3.1. По результатам исследований, проведенных для нескольких серий образцов с-ЭкЕг, полученных при разных условиях имплантации и процедурах отжига, показано, что наблюдаемый центр кубической симметрии формируется как в материале Б), полученном методом бестигельной зонной плавки так и

методом Чохральского В зависимости от условий имплантации,

максимум сигнала ФЛ центра Ег-С достигается в ионно-имплантированных слоях при концентрациях примеси Ег~ 10|в+ 1019см"3. Показано, что центр формируется в образцах, прошедших стадию отжига при температуре 900°С в течение 30 мин, либо 15 с, а также при двухстадийном отжиге при температурах 600 н 90(УС в течение 30 мин и 15 с, соответственно. По результатам проведенного расчета энергетического расщепления мультиплетов *1ц/2 и 41]эя нона Ег3+ методом эквивалентных операторов сделан вывод о Т,) симметрии центра с положением внедрения иона Егэ+ в решетке кремния.

Другими оптически активными центрами иона Ег3+, детектируемыми в спектрах ФЛ ионно-имплантированных слоев с-БЬЕг являются кислород-

содержащие центры аксиальной симметрии, так называемые центры Ег-01 и Ег-02, представленные в спектрах фотолюминесценции сериями линий: 6507,5 см"1, 6472,8 см*1, 6437,3 см*1, 6384,3 см*1, 6314,5 см'\ 6229,0 см"1, 6173,0 СМ*1 (серия Ег-01, рис. 1Ь) и 6508,6см"', 6471,0см"1, 6438,2 см"1, 6386,0см'1, 6314,5см'1, 6229,0 см"1, 6173,0 см"1 (серия Ег-02). Центры этого типа формируются в материалах при уровнях легирования Ег < 5'10п см"1 и в материалах Рг-Б], дополнительно имплантированных кислородом. В отличие от центра кубической симметрии, для кислород-содержащих центров иона Ег34 характерны пониженные температуры отжига (800°С в течение 30 мин) и кратковременные отжиги при температуре 900°С в течение 15 с.

Волновое число (ем ")

Рис. 1. Спектры ФЛ оптически активных центров иона Ег3*, идентифицированных в ионно-имплантированных слоях с-БгЕг.

Значительный вклад в сигнал ФЛ ионно-им планированных слоев с-Б^Ег вносят также низкосимметричные центры иона Ег3*, связанные со структурными нарушениями решетки кремния (рис. 1с): ЕЕ>-1 — комплексы иона Ег34 с радиационными дефектами, стабильные при процедурах отжига 900°С, 30 мин (6498,5 см"1, 6498,3 см"1, 6498,0 см"1, 6497,5 см"1); ЕО-2 - комплекс иона Ег3"1" с радиационными дефектами и кислородом, отжигаемый при температуре 900°С (6464,4 см'1); ЕО - центр, возникающий в материалах Сг-Б! и Р2-81 при повышенных дозах имплантации Ег и О (6504,1 см'1 и 6503,4 см'1); а также центры иона Ег3* с характерным положением линий ФЛ в высокоэнергетической области спектра, относящиеся, предположительно, к комплексам ионов эрбия с протяженными дефектами в кремнии (6528 см"1,6538 см"1,6549,4 см"1).

Наибольший интерес с точки зрения достижения эффективной люминесценции при комнатной температуре, в частности ЭЛ, представляют центры иона Ег3+ в вЮ* преципитатных включениях в кремнии. Спектры ФЛ

этих центров аналогичны спектрам иона Егэ+ в кварцевых стеклах и пленках оксида кремния и представлены неоднородно уширенной линией ФЛ с максимумом на длине волны 6497 см'1 и характерным плечом в диапазоне 6470 см'1, ширина линии ФЛ основного максимума составляет ~ 20 см'1 (Рис. М). Наблюдаемые центры формируются при Т > 950"С и длительности отжига > 30 мин в образцах с высоким содержанием кислорода ([О] > 10[Ег]), т.е. в условиях, известных из литературы как условия формирования ЗЮХ преципитатных включений в ЭГ По результатам исследований диодных структур с ион но-им планированным и слоями с-БиЕг показано, что формирование центров этого типа является необходимым для достижения интенсивной электролюминесценции при комнатной температуре в режиме пробоя р-п перехода.

В разделе 3.2 рассмотрено влияние дефектов и примесей на интенсивность сигнала ФЛ ионно-имплантированных слоев с-ЭкЕг. В люминесцентном отклике слоев с-81:Ег выделены серый линий ФЛ дислокационной природы (линии и Ш в серии линий «дислокационной люминесценции» [3]), отличающиеся характерными температурными зависимостями и зависимостями от давления (при гидростатическом давлении линии 01 и 02 смещаются в длинноволновую область спектра, величина смещения составляет - -2 мэВ/кбар). Высказано предположение о локализации структурных нарушений кремниевого слоя вблизи границы профиля распределения эрбиевой примеси. Показано, что солегирование слоев с-$кЕг мелкими примесями (В и Р) в диапазоне концентраций от I *1017 до 2*10" см'3 (концентрация Ег - 1018 см'3) приводит к уменьшению сигнала ФЛ (примерно в 6 раз), связанного с примесью Ег, без существенных изменений структуры спектра. Наблюдаемое влияние примесей В и Р объясняется процессами оже-девозбуждения ионов Ег3+.

В разделе 3.3 приведены результаты исследований структур с-ЭкЕг, выращенных методом сублимационной МЛЭ, рассмотрены однородно легированные слои с-БкЕг, и периодические, селективно легированные структуры пЕг/Б¡.../£1:Ег/Б1 с толщинами промежуточных (81) и легированных эрбием (Э1:Ег) слоев 1,7-100 нм.

Показано, что в зависимости от условий роста и последующей процедуры отжига, в эпитаксиальных слоях с-81:Ег, выращенных из поликристаллического источника, формируются центры преципитатного ЭЮ^Ег типа, кислородсодержащий центр Ег-01 и новый, впервые идентифицированный в этих материалах, центр Ег-1 (рис. 2). Центр Ег-1 формируется в эпитаксиальных слоях

с-БйЕг с высоким содержанием кислорода, выращенных при температурах роста > 500°С, а также наблюдается 8 результате трансформации кислород-со держащих центров иона Ег3+ в процессе отжига при температуре 800°С в течение 30 мин. Исследования расщепления

энергетических уровней мультиплетов иона Ег3+ в магнитном поле [4] позволили сделать вывод об орторомбической (С^у) симметрии центра с положением внедрения иона Ег в решетке кремния. Центр Ег-1, формируемый в эпитаксиальных слоях с-Б1:Ег, характеризуется минимальной, из известных в литературе, шириной линии ФЛ основного перехода (< 10 мкэВ) [А27].

В слоях с-ЭгЕг, выращенных из металлического источника Ег, наиболее интенсивный сигнал ФЛ наблюдается при относительно низких уровнях легирования редкоземельной примесью ([Ег] < 1017 см'3). Показано, что в образцах этого типа преобладающую роль играют углерод-содержащие центры иона Ег3* с положением линий ФЛ, смешенным в низкоэнергетическую область спектра = 6489 - 6493 см*1).

По результатам исследований серии селективно легированных структур 1: Ег/в I... 51 гЕг/Б! показано, что интенсивность ФЛ структур этого типа значительно превышает интенсивность ФЛ однородно легированных слоев ЭУ/ЗкЕг и зависит от параметров промежуточных слоев 51. Наблюдаемое увеличение интенсивности ФЛ не связано с формированием новых оптически активных центров иона Ег3+ и объясняется увеличением темпа генерации экситонов в нелегированных кремниевых слоях и, как следствие, увеличением эффективности возбуждения редкоземельной примеси.

Полученное значение внутренней квантовой эффективности фотолюминесценции эпитаксиальных структур с-БкЕг при температуре 4,2 К превышает 20% (при мощности возбуждающего излучения 4 мВт) [А25.26].

В разделе 3.4 обсуждаются результаты исследований температурных зависимостей сигнала ФЛ, проведенных для разного типа оптически активных центров иона Егэ+ в нонно-им планированных и эпитаксиальных слоях с-5кЕг.

центр Ег-1

\ \ Й | |

¡с 2 ЙД 3 3

а з I

I I и!

6200 еэоо 6400 «300

Волновое число (см")

Рис. 2. Спектр ФЛ оптически активного центра Ег-1, наблюдаемого в эпитаксиальных слоях с-8!:Ег, выращенных методом сублимационной МЛЭ.

Показано, что гашение сигнала ФЛ эрбиевых центров в интервале температур от 20 до 100 К обусловлено процессами термической деактивации экситонов, связанных на примеси Ег. Энергия связи экситонов определяется типом оптически активного центра и варьируется в диапазоне от 9 до 15 мэВ. По результатам исследований показано, что в области температур выше 100 К энергия деактивации эрбиевой фотолюминесценции изменяется в интервале от 70 до 150 мэВ и непосредственно зависит от условий формирования образцов. Наблюдаемое гашение ФЛ в высокотемпературной области объясняется процессами оже-девозбуждення ионов Ег3* на свободных носителях заряда.

В спектрах ФЛ при повышенных температурах выделены серии "горячих" линий ФЛ, соответствующих переходам с возбужденных уровней мультиплета 41ц/г на уровни мультиплета *1ц(2 иона Ег3*.

По результатам спектрального анализа ФЛ построены энергетические диаграммы расщепления мультиплетов 41ц/г и 41ц/2 иона Ег3+ для оптически активных центров Ег-С, Ег-01, Ег-02 и Ег-1.

В 4-ой Главе работы представлены результаты исследований структур пористого кремния, легированных эрбием, рассмотрены особенности формирования оптически активных центров иона Ег3* в этих материалах, где

особое внимание уделялось вопросу о природе центра, ответственного за сигнал ФЛ при комнатной температуре. В разделе 4.1 рассмотрены особенности ФЛ структур рог-Б1/эрби й-содержащие золь-гель пленки. Показан значительный вклад в люминесцентный отклик структур линий ФЛ дислокационной природы, являющихся следствием условий подготовки образцов и их высокотемпературной обработки. В образцах рог-И ¡/эрбий-содержащие пленки оксидов титана и железа выделена тонкая структура спектров ФЛ, наблюдаемых вплоть до комнатной температуры (рис. За). По результатам сравнительных измерений ФЛ структур рог-ЗУэрбий-содержащие золь-гель пленки и порошков исходных золь-гелей делается вывод о преимущественной

4ЛК

ММсм в443си"

ШНМ4 1 (

но"

(Ь)

42К

л.

«200 «ЗОЙ «400 6500 «600 6700 Волновое число (см*)

Рис. 3. Спектры ФЛ образцов рог-Б^Ег, полученных методом нанесения эрбий-содержаших золь-гель пленок (образец с пленкой ксерогеля оксида железа - (а)) и легированных электролитически — (Ь),

локализации оптически активных центров иона Ег3+ в эрбнй-содержащих пленках и их слабом взаимодействии с матрицей пористого кремния.

В образцах por-Si:Er, полученных методом электролитического легирования (раздел 4.2), обнаружено формирование двух типов оптически активных центров иона Ег3+, различающихся временами релаксации и температурными зависимостями сигнала ФЛ. Сигнал ФЛ в этих структурах претерпевает лишь незначительное (примерно в 8 раз) гашение с ростом температуры от 4,2 до ЗбОК и определяется оптически активным центром иона Ег3+ с линией ФЛ на длине волны 6499 см'1 (рис. ЗЬ). Проведенные измерения спектроскопии возбуждения ФЛ в диапазонах длин волн 740 — 860 нм и 950 — 1020 нм (раздел 4.3) позволили сделать вывод о природе и местоположении наблюдаемых центров редкоземельного иона. Показано, что центр, вносящий основной вклад в сигнал ФЛ при комнатной температуре, связан ионами Ег1*, локализованными в приповерхностном, оксидном слое /юг-Si. Центр другого типа, с максимумами ФЛ на длинах волн 6457 см"1 и 6471 см"1 (рис. ЗЬ), характеризуемый сильным гашением сигнала ФЛ при повышенных температурах (Т > 60 К), относится к центрам иона Ег5+, локализованным в нано кристаллических включениях (волокнах) пористого кремния. Наблюдаемая для этого центра тонкая структура спектров возбуждения ФЛ свидетельствует о локализации центра в кристаллической матрице с аксиальной симметрией поля. По результатам исследований спектроскопии возбуждения ФЛ и спектроскопии ФЛ с селективным возбуждением для центра построена энергетическая диаграмма расщепления мультиплетов л\цп и 4llw иона Ег3+.

Заключение содержит основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты работы

1. Методом фотолюминесцентной спектроскопии высокого разрешения идентифицированы оптически активные центры иона Ег3+ в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er: центр Er-С кубической симметрии, определяемый как изолированный центр иона Ег3* в положении внедрения в решетке кремния; кислород-содержащие центры иона Er3* аксиальной симметрии Er-Ol и Ег-02; низкосимметричные центры иона Ег3+ ED, EDI, ED2, включающие в свой состав дефекты кристаллической решетки; центры иона Ег3+ в SÍOx преципитатных включениях в кремнии.

2. Установлено, что гашение ФЛ эрбиевых центров в интервале температур от 20 до 100 К обусловлено процессами термической деактивации экситонов, связанных на примеси Ег. Энергия связи экситонов для разных оптически

активных центров иона Ег3+ варьируется в диапазоне от 9 до 15 мэВ. В области температур выше 100 К энергия деактивации эрбиевой фотолюминесценции составляет 70-150 мэВ и зависит от условий формирования образцов.

3. Определены оптически активные центры иона Ег3+ и выявлены закономерности их формирования в слоях c-Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии: кислород-содержащий центр иона Er34, идентичный по структуре центру Er-Ol, наблюдаемому в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er; центр иона Егэ+ в SiOx преципитатных включениях в кремнии; кислород-содержащий центр Ег-1 симметрии ниже кубической; углерод-содержащий центр иона Er**, наблюдаемый в эпитаксиапьных слоях c-SÍ:Er, выращенных из металлического источника Ег.

4. Показано, что периодические, селективно легированные структуры Si//Si:Er/SÍ.../Si:Er/SÍ характеризуются более высокой интенсивностью люминесценции по сравнению с однородно легированными слоями Si//Si:Er, что объясняется увеличением концентрации фотоносителей в нелегированных слоях кремния, способных участвовать в возбуждении редкоземельной примеси.

5. Исследована ФЛ структур por-Si / эрбий-содержащие оксидные пленки, полученные золь-гель методом. Установлено, что наблюдаемый сигнал ФЛ преимущественно связан с оптически активными центрами иона Ег3*, локализованными в золь-гель пленках, выделен значительный вклад дислокационной люминесценции в люминесцентный отклик структур.

6. Используя методы спектроскопии возбуждения фотолюминесценции, в слоях por-Sr.Er, полученных электролитическим методом, выделены два типа оптически активных центров иона Ег3*: низкосимметричный центр иона Er3*, локализованный в нанокристаллических включениях кремния, и центры нона Er3* в приповерхностном оксидном слое. Показано, что центры второго типа являются ответственными за сигнал ФЛ, наблюдаемый в por-Si:Er при комнатной температуре.

Список цитируемой литературы

1. Towards the First Silicon Laser / Eds. L. Pavesi, S. Gaponenko, L. Dal Negro // NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. V.93. Kluwer Academic Publishers. - 2003. - 482P.

2. Ossicini, S. Light Emitting Silicon for Microphotonics / S. Ossicini, L. Pavesi, F. Priolo // Springer Tracts in Modern Physics. V.194. Springer-Verlag. Berlin -Heidelberg. - 2003. - 282P.

3. Sauer, R. Dislocation-related photoluminescence in silicon / R. Sauer, J. Weber, J. Stolz, E.R. Weber, K.-H. KDstersand, H. Alexander // Appl. Phys. A. - 1985. - V.36. -P.l.

4. Vinh, N.Q. Microscopic structure of Er-related optically active center in crystalline Si / N.Q. Vinh, H. Przybylirtska, Z.F. Krasil'nik, T. Gregorkiewicz It Phys. Rev. Lett. -2003.- V.90.-P.066401.

Список публикаций автора no теме диссертации

A1. Jantsch, W. Erbium related centers in CZ-silicon / W. Jantsch, H. Przybylinska, Vu. Suprun-Belevich, M. Stepikhova, G. Hendorfer, L. Palmetshofer И Mater. Sci. Forum. -1995. - V. 196-201. - P.609-614.

A2. Przybylinska, H. Optically active erbium centers in silicon / H. Przybylinska, W. Jantsch, Yu. Suprun-Belevitch, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, G. Hendorfer, A. Kozanecki, R.J. Wilson, B.J. Sealy // Phys. Rev. B. - 1996. - V.54. - P.2532-2547. A3. Stepikhova, M. High temperature luminescence due to Er in porous Si / M. Stepikhova, W. Jantsch, G. Kocher, M. Schoisswohl, J.L. Cantin, H.J. von Bardeleben // Mater. Sci. Forum. - 1997. - V.258-263. - P.1533-1538.

A4. Stepikhova, M. Direct excitation spectroscopy of Er centers in porous silicon / M. Stepikhova, W. Jantsch, G. Kocher, L. Palmetshofer, M. Schoisswohl, H.J. von Bardeleben //Appl. Phys. Lett. - 1997. - V.71, No.20. - PJ2975-2977. A5. Kozanecki, A. Excitation of Er3* ions in silicon dioxide films thermally grown on silicon / A. Kozanecki, M. Stepikhova, S. Lanzeretorfer, W. Jantsch, L. Palmetshofer, B.J. Sealy, C. Jeynes//Appl. Phys. Lett. - 1998. - V.73, No.20. -P.2929-2931. A6. Stepikhova, M. Optically active Si:Er layers grown by the sublimation MBE method / M. Stepikhova, A. Andreev, B. Andreev, Z. Krasil'nik, V. Shmagin, V. Kuznetsov, R. Rubtsova, W. Jantsch, H. Ellmer, L. Palmetshofer, H. Preier, Yu. Karpov, K. Piplits, H. Hutter // Acta Physica. Polonica. A. - 1998. - V.94, No.3. -P.549-554.

A7. Jantsch, W. Different Er centers in Si and their use for electroluminescence devices / W. Jantsch, S. Lanzerstorfer, L. Palmetshofer, M. Stepikhova, H. Preier // J. Lumin. -1999.-V.80.-P. 9-17.

A8. Андреев, А.Ю. Электрические и оптические характеристики кремния, легированного эрбием в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксин / А.Ю. Андреев, БА. Андреев, М.Н. Дроздов, X. Еллмер, В.П. Кузнецов, Н.Г. Калугин, З.Ф. Красильник, Ю.А. Карпов, Л. Паль метсхофер, К. Пиплитц, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова, Е.А. Ускова, В.Б. Шмагин, X. Хуттер // Изв. АН: Сер. физическая. - 1999. - Т.63, Jis2. - С.392-399.

А9. Gaponenko, N.V. On the origin of 1.5 pm luminescence in porous silicon coated with sol-gel derived erbium doped Fe^s films / N.V. Gaponenko, A.V. Mudryi, O.V.

Sergeev, V.E. Borisenko, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, W. Jantsch, J.C. Pivin, A.S. Baran, A.I. Rat'ko // J. Lumin. - 1999. - V.80. - P.399-403.

A10. Андреев, А.Ю. Оптически активные слои кремния, легированного эрбием в процессе молекулярно-лучевой эпнтаксии / А.Ю. Андреев, Б.А. Андреев, М.Н. Дроздов, В.П. Кузнецов, З.Ф. Красильник, Ю.А. Карпов, Р,А. Рубцова, М.В. Степихова, Е.А. Ускова, В.Б. Шмагин, Н. Ellmer, L. Palmetshofer, К. PipHts, Н. Hutter // ФТП. - 1999. -Т.ЗЗ., вып.2. - С.156-160.

All. Andreev, A.Yu. Optical Ег-doping of Si during sublimational molecular beam epitaxy / A.Yu. Andreev, B.A. Andreev, H. Ellmer, H. Hutter, Z.F. Krasil'nik, V.P. Kuznetsov, S. Lanzerstorfer, L, Palmetshofer, K. Pip]its, R.A. Rubtsova, N.S. Sokolov, V.B. Shmagin, M.V. Stepikhova, E.A. Uskova И Journal of Crystal Growth. - 1999. -V.201/202. - P.534-537.

A12. Stepikhova, M., 1.54 цт infrared photoluminescence phenomena in Er doped porous silicon / M. Stepikhova, L. Palmetshofer, W. Jantsch, H.J. von Bardeleben, N. Gaponenko//Appl. Phys. Lett. - 1999. - V.74, No.4. - P.537-539. A13. Jantsch, W. Status, hopes and limitations for the Si:Er- based 1.54 цт emitter / W. Jantsch; S. Lanzerstorfer, M. Stepikhova, H. Preier, L. Palmetshofer И Solid State. Phenomena. Scitec Publications. Switzerland. - 1999. - V.69-70. - P.53-62. A14. Jantsch, W. On the generation of optically active Er centers in Si light emitting diodes / W. Jantsch, S. Lanzerstorfer, L. Palmetshofer, M. Stepikhova, G. Kocher, H. Preier // Physica B. - 1999. - V.273-274. - P.330-333.

A15. Шенгуров, В.Г. Фотолюминесценция на длине волны 1.54 мкм в слоях, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпнтаксии кремния, и легированных эрбием и кислородом / В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чапков, Е.А. Ускова, З.Ф. Красильник, Б.А. Андреев, М.В. Степихова // Изв. АН: Сер. физическая. - 2000. - Т.64, №2. - C.353-3S7.

А16. Андреев, Б.А. Оптически активные центры в кремнии, легированном эрбием в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпнтаксии / Б.А. Андреев, А.Ю. Андреев, Д.М. Гапонова, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, А.В. Новиков, М.В. Степихова, В.Б. Шмагин, Е.А. Ускова, S. Lanzerstorfer // Изв. АН: Сер. физическая. - 2000. - Т.64, Ха 2. - С.269-272.

А17. Stepikhova, M.V. Properties of optically active Si:Er and SixGei.x layers grown by the sublimation MBE method / M.V. Stepikhova, B.A. Andreev, V.B. Shmagin, Z.F. Krasil'nik, V.P. Kuznetsov, V.G. Shengurov, S.P. Svetlov, W. Jantsch, L. Palmetshofer, H. Ellmer II Thin Solid Films. - 2001. - V.381. - P.164-169. A18. Светлов, С.П. Легирование слоев кремния из сублимирующего источника эрбия в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии / С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, В.Г. Шенгуров, Е.А. Ускова, Г.А. Максимов, Б.А, Андреев, З.Ф. Красильник, М.В. Степихова, X. Еллмер // Письма в ЖТФ - 2000. - Т.26, вып.1. - С.84-89.

А19. Jantsch, W. Optimisation of Er centers in Si for reverse biased light emitting diodes / W. Jantsch, G. Kocher, L. Palmetshofer, H. Przybylinska, M. Stepikhova, H. Preier // Mater. Sci. & Eng. B. - 2001 ■ - V.81.- P.86-90.

A20. Шенгуров, В.Г. Влияние условий роста на встраивание легирующего редкоземельного элемента в слой кремния в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии / В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, Г.А. Максимов, З.Ф. Красильник, Б.А. Андреев, М.В. Степихова, L. Palmetshofer, Н. Ellmer // Изв. АН: Сер. физическая. - 2001. - Т.65, № 2. - С.289-291.

А21. Stepikhova, М. Uniformly and selectively doped silicon: erbium structures produced by the sublimation MBE method / M. Stepikhova, B. Andreev, Z. Krasil'nik, A. Soldatkin, V. Kuznetsov, O, Gusev // Mat. Sci. & Eng. B. - 2001. - V.81. - P.67-70. A22. Шенгуров, В.Г. Солегирование эрбием и кислородом кремниевых слоев в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии / В.Г. Шенгуров, С.П. Светлов, В.Ю. Чалков, Г.А. Максимов, З.Ф. Красильник, Б.А. Андреев, М.В. Степихова, Д.В. Шенгуров, L. Palmetshofer, Н. Ellmer// ФТП - 2001. - Т.35, вып.8. - С.954-959. А23. Kocher, G. Erbium in SiOK environment: ways to improve the 1.54 jim emission/ G. Kocher, H. Przybylinska, M. Stepikhova, L. Palmetshofer, W, Jantsch // Physica B. -2001. - V.308-310. - P.344-347.

A24. Stepikhova, M. Effect of Selective doping on photo- and electroluminescence efficiency of Si:Er structures / M. Stepikhova, B. Andreev, V. Kuznetsov, Z. Krasil'nik,

A. Soldatkin, V. Shmagin, M. Bresler // Solid State Phenomena. Scitec Publications. Switzerland. - 2002. - V.82-84 - P. 629-636.

A25. Андреев, Б.А. Эффективность и температурное гашение люминесценции в эпитаксиальных кремниевых структурах, легированных эрбием / Б.А. Андреев, Т. Грегоркевич, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, Д.И. Курицын, М.В. Степихова,

B.Г. Шенгуров, В.Б. Шмагин, А.Н. Яблонский, В. Янч // Изв. АН: Сер. физическая. - 2003. - Т.67, №2. - С.273-276.

А26. Krasilnik, Z.F. SMBE grown uniformly and selectively doped Si:Er structures for LEDs and lasers / Z.F. Krasilnik, V.Ya. Aleshkin, B.A. Andreev, O.B. Gusev, W. Jantsch, L.V. Krastlnikova, D.I. Kryzhkov, V.P. Kuznetsov, V.G. Shengurov, V.B. Shmagin, N.A. Sobolev, M.V. Stepikhova, A.N. Yablonsky // in 'Towards the First Silicon Laser" Eds. L. Pavesi, S. Gaponenko, L. Dal Negro. NATO Science Series. Kluwer Academic Publishers. - 2003. - P.445-454.

A27. Krasilnik, Z.F. Erbium doped silicon single- and multilayer structures for LED and laser applications / Z.F. Kiasilnik, B.A. Andreev, T. Gregorkiewicz, W. Jantsch, M.A.J. Klik, D.I. Kryzhkov, L.V. Krasil'nikova, V.P. Kuznetsov, H. Przybylinska, D.Yu. Remizov, V.G.Shengurov, V.B. Shmagin, M.V. Stepikhova, V.Yu. Timoshenko, N.Q. Vinh, A.N. Yablonskiy, D.M. Zhigunov // in "Rare-Earth Doping for Optoelectronic Applications", Eds. Г. Gregorkiewicz, Y. Fujiwara, M. Lipson, J.M. Zavada, Mat. Res. Soc. Proc. - 2005. - V.866. - P.I3-24.

СТЕПИХОВА Маргарита Владимировна

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ ИОНОВ ЭРБИЯ В КРЕМНИЕВЫХ МАТРИЦАХ

Автореферат

Подписано к печати 26Л0.2006 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.

1.1. 1.2.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ИОНА Ег ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТРИЦАХ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) Структура энергетических уровней свободного иона

Влияние кристаллического поля на энергетическую структуру 15 уровней иона

Методы получения и люминесцентные свойства легированного 20 эрбием монокристаллического кремния

Фотолюминесценция ионов Ег3+ в низкоразмерных кремниевых 33 структурах

Выводы из обзора литературы и постановка задачи

ГЛАВА 2.

2.1. 2.2.

ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы c-Si:Er, полученные методом ионной имплантации

Структуры c-Si:Er, выращенные методом сублимационной 43 молекулярно-лучевой эпитаксии

Слои пористого кремния, легированные эрбием

Методы фото- и электролюминесценции

Методы структурного анализа и анализа элементного состава

ГЛАВА 3.

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ ИОНА Ег3+ В 60 СТРУКТУРАХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Спектры фото- и электролюминесценции оптически активных 60 центров иона Ег3+ в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er Влияние дефектов и примесей на интенсивность сигнала 76 фотолюминесценции ионно-имплантированных слоев c-Si:Er Фотолюминесценция оптически активных центров иона Ег в 81 слоях c-Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии

Температурная зависимость фотолюминесценции ионов

Ег3+ в слоях c-Si:Er Выводы к Главе

ГЛАВА 4.

ПРИРОДА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ИОНА Ег3+ 103 В СТРУКТУРАХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

4.1. Фотолюминесценция структур рог-Ъх / эрбий-содержащие 103 оксидные пленки, сформированных золь-гель методом

4.2. Фотолюминесцентные свойства слоев />or-Si:Er, полученных 109 методом электролитического легирования

4.3. Спектроскопия возбуждения фотолюминесценции слоев 112 por-S'y.Er

4.4. Выводы к Главе

Актуальность исследования кремния, легированного примесью редкоземельного элемента эрбия, связана, прежде всего, с перспективами использования светоизлучающих структур на основе Si:Er в современных волоконно-оптических системах связи. Используемое в настоящее время в оптических световодах кварцевое волокно имеет абсолютный минимум потерь в области 1.5 мкм и здесь особое значение приобретает развитие эффективных, технологичных и, что наиболее важно, интегрируемых с системами электронной обработки сигнала источников излучения для этого диапазона. В этом плане очевидны перспективы развития структур Si:Er, излучающих на длине волны 1.54 мкм, соответствующей внутриатомному переходу \уг \$а иона Ег3+. В сравнении с используемыми в настоящее время лазерными диодными структурами на основе соединений А3В5, преимуществами разрабатываемых структур Si:Er являются: а) совместимость с базовыми технологиями современной микроэлектроники, до 97% продукции которой производится на кремнии; б) возможность формирования узких спектральных полос излучения, практически не подверженных температурному дрейфу вследствие атомарной природы излучения и в) предполагаемая относительная дешевизна новых источников излучения.

Другой немаловажной причиной, обусловившей пристальное внимание исследователей к структурам Si:Er, является возможность реализации на их основе новых, перспективных схем и устройств кремниевой оптоэлектроники. Как уже отмечалось, кремний является базовым материалом современной микроэлектроники, однако в силу непрямозонности своей энергетической структуры не относится к числу эффективно излучающих материалов. В настоящее время значительные усилия исследователей направлены на поиск возможностей создания светоизлучающих структур на кремнии. Основные направления исследований в этой области связаны с развитием низкоразмерных структур на кремнии и кремниевых твердых растворах, гетероструктур кремний-прямозонный полупроводник, структур, использующих излучательные свойства структурных дефектов в кремнии, а также структур, задействующих принципы оптически активирующего легирования кремния примесями редкоземельных элементов. Создание эффективных светоизлучающих устройств на основе Si:Er, в принципе, позволило бы решить проблему увеличения скорости обмена информацией на меж- и внутричиповом уровне в схемах современных компьютеров, объединяя на одном кремниевом чипе устройства, выполняющие электронные и оптические функции.

Решение этих задач невозможно без ответа на фундаментальные вопросы физики активированных сред, легированных примесями редкоземельных элементов, такие, как: вопрос о положении в кристаллической решетке исходного материала и микроскопической структуре оптически активного центра редкоземельного иона, вопрос о взаимодействии редкоземельных ионов с другими примесями и их влиянии на оптическую активность редкоземельных ионов, вопрос об энергетической структуре оптически активного центра, а также вопросы, касающиеся механизмов и процессов возбуждения и девозбуждения редкоземельной примеси в твердотельных матрицах. Большинство из этих вопросов остаются открытыми для материалов Si:Er.

В данной диссертационной работе изучена природа и структура оптически активных центров иона Ег3+, вносящих преимущественный вклад в сигнал фото- и электролюминесценции структур монокристаллического (c-Si:Er) и пористого (por-Si) кремния, рассмотрены условия их формирования, и процессы возбуждения и девозбуждения редкоземельной примеси в кремниевых матрицах.

Цели работы:

1. Исследование условий формирования оптически активных центров иона Ег3+ и их природы в структурах c-Si:Er, полученных методами ионной имплантации и сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, оптимизация эффективности их люминесценции.

2. Выявление процессов, определяющих температурное гашение люминесценции эрбиевой примеси в кремниевых матрицах.

3. Определение особенностей электролюминесценции (ЭЛ) оптически активных центров иона Ег3+ в монокристаллическом кремнии.

4. Исследование условий формирования, механизмов возбуждения и температурного гашения люминесценции оптически активных центров эрбия в низкоразмерных структурах пористого кремния (por-Si).

Научная новизна работы

1. Методом фурье-спектроскопии высокого разрешения детально исследована тонкая структура спектров фотолюминесценции (ФЛ) ионно-имплантированных слоев c-Si:Er.

2. Впервые обнаружены и описаны серии оптически активных центров иона еЛ вносящих основной вклад в люминесцентный отклик ионно-имплантированных структур c-Si:Er.

3. В структурах c-Si:Er, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), обнаружен и изучен новый оптически активный центр иона Ег3+ -центр Ег-1, относящийся к кислород-содержащим центрам иона Ег3+ орторомбической симметрии.

4. Разработаны и исследованы низкоразмерпые структуры пористого кремния, легированные эрбием электролитическим методом. Выделены два типа оптически активных центров иона Ег3+ в этих материалах, различающихся местоположением редкоземельной примеси в пористой матрице. Показано, что основной вклад в сигнал ФЛ этих структур при комнатной температуре обусловлен оптически активными центрами иона Ег3"1 , локализованными в аморфном приповерхностном слое пористого кремния оксидной природы.

5. Показано, что преимущественный вклад в сигнал ФЛ структур рог-Si/эрбий-содержащие золь-гель пленки вносят оптически активные центры редкоземельной примеси, локализованные в пленках золь-гелей, обнаружено значительное влияние структурных дефектов в кремнии на люминесцентный отклик образцов в диапазоне 1.54 мкм.

6. Впервые показано, что температурная стабильность люминесценции диодных структур c-Si:Er в режиме пробоя р-п перехода и наблюдаемый сигнал ЭЛ при комнатной температуре связаны с формированием в структурах центров иона Ег3+ в SiOx преципитатных включениях в кремнии.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания фундаментальных свойств легированных эрбием кремниевых структур, в частности, процессов встраивания ионов Ег в кремниевую матрицу и условий формирования излучающих центров редкоземельного иона, так и для выяснения принципов формирования светоизлучающих приборных структур на кремнии, представляющих интерес для схем современной оптоэлектроники. В работе:

- классифицированы серии оптически активных центров иона Ег34 , наблюдаемых в материалах монокристаллического и пористого кремния, легированных эрбием, выделены серии линий ФЛ, принадлежащих различным центрам редкоземельной примеси; для центров, вносящих преимущественный вклад в сигнал ФЛ, определена энергетическая структура уровней расщепления мультиплетов иона Ег34";

- методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии получены структуры с-Si:Er с внутренней квантовой эффективностью ФЛ, превышающей 20% при Т = 4.2 К;

- разработаны способы формирования легированных эрбием низкоразмерных структур на основе пористого кремния, излучающих при комнатной температуре;

- продемонстрирован новый тип структур на основе c-Si:Er - периодические, селективно легированные структуры Si//Si:Er/Si./Si:Er/Si, характеризуемые повышенной интенсивностью ФЛ;

- определены условия формирования диодных структур на основе c-Si:Er, обеспечивающие наблюдение интенсивного сигнала ЭЛ редкоземельной примеси при комнатной температуре.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В монокристаллах кремния, выращенных методами Чохральского и бестигелыюй зонной плавки, в зависимости от условий имплантации и последующей температурной обработки происходит формирование оптически активных центров иона Ег3+ кубической и аксиальной симметрий, а также иизкосимметричных центров, аналогичных по своим люминесцентным свойствам центрам, наблюдаемым в легированных эрбием материалах оксида кремния.

2. В эпитаксиальных слоях c-Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, происходит формирование преимущественно одного типа центров люминесценции, связанного с примесью эрбия - кислород-содержащего центра иона Ег3+ орторомбической симметрии, либо низкосимметричных центров иона Ег3*, связанных с SiOx преципитатными включениями в кремнии. Использование принципов селективного легирования редкоземельной примесью в периодических структурах Si//Si:Er/Si./Si:Er/Si позволяет значительно (на порядок и более) увеличить интенсивность люминесценции.

3. В пористом кремнии, легированном эрбием, фотолюминесценция па длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре связана с оптически активными центрами иона Ег3+, локализованными в приповерхностном оксидном слое.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы опубликованы в 27 статьях в реферируемых научных журналах и сборниках, и докладывались на 22 международных и всероссийских конференциях и совещаниях: на 24-ой, 25-ой и 26-ой международных конференциях по физике полупроводников (ICPS-98, Иерусалим, Израиль, 1998г.; ICPS-2000, Осака, Япония, 2000г. и ICPS-2002, Эдинбург, Великобритания, 2002г.); международной конференции материаловедческого сообщества (MRS Spring Meeting 2005, Сан-Франциско, США, 2005г.); международных конференциях Европейского материаловедческого сообщества (E-MRS Spring Meeting в 1998 и 2000 гг., Страсбург, Франция); 3-ей, 5-ой и 6-ой Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва, 1997г., Н.Новгород, 2001г., Санкт-Петербург, 2003г.); 18-ой, 19-ой и 20-ой международных конференциях по физике дефектов в полупроводниках (ICDS-18, Сендей, Япония, 1995г; ICDS-19, Авейро, Португалия, 1997г.; ICDS-20, Беркли, США, 1999г.); 8-ом и 9-ом международных совещаниях "Gettering and defect Engineering in Semiconductor Technology" (GADEST'99, Хёёр, Швеция, 1999г. и GADEST'01, Катанья, Италия, 2001г.); 10-ой международной конференции по молекулярно-лучевой эпитаксии (Канны, Франция, 1998г.); международной конференции "Silicon Epitaxy and Heterostructures" (Цао, Мияджи, Япония, 1999г.); международном совещании НАТО по передовым направлениям исследований в области создания лазера на кремнии (NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser", Тренто, Италия, 2002г.); международной конференции Nanomeeting-2005 (Минск, Беларусь, 2005); всероссийском совещании "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Н. Новгород, 1998г.) и всероссийских совещаниях "Нанофотоника" (Н. Новгород 1999г., 2000г., 2002г.). Результаты работы были представлены и обсуждались на семинарах ИФМ РАН и семинарах Института физики твердого тела университета г. Линц (Австрия).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [А1-А56]. Полный список опубликованных работ по теме диссертации включает 27 статей в реферируемых научных журналах и сборниках и 29 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций, симпозиумов и совещаний. Список работ приводится в заключительном разделе диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы, содержащего 144 наименования. Объем диссертации составляет 144 страницы, включая 66 рисунков и 3 таблицы.

4.4. Выводы к Главе 4

Таким образом, характерными особенностями образцов рог-Si:Er, полученных методом нанесения эрбий-содержащих золь-гель пленок, являются: преобладание в спектрах их ФЛ отклика дислокационной природы с максимумом на длине волны

1.53 мкм, а также наблюдаемая эффективность, с люминесцентной точки зрения, самих пленок золь-гелей, используемых для легирования пористого материала. Интенсивный сигнал ФЛ, связанный с примесью Ег, наблюдаемый в образцах /w-Si/эрбий-содержащие золь-гель пленки оксидов титана и железа, связан с излучательными переходами ионов Ег3+, локализованных в нановключениях металлоксидов и не взаимодействующих с пористой матрицей.

В образцах por-S'v.Er, легированных электролитическим методом, показано формирование двух типов оптически активных центров иона Ег34 , представленных в спектрах низкотемпературной ФЛ основными линиями с максимумами на длинах волн 1.548 и 1.539 мкм. Проведенные исследования ФЛ и спектроскопии возбуждения ФЛ позволяют выделить, два типа оптически активных центров иона Ег3+, различающихся местоположением редкоземельной примеси в пористой матрице, а именно: а) центр, локализованный в нанокристаллических включениях (волокнах) пористого материала и б) центр, локализованный в приповерхностном, оксидном слое пористого кремния. Из анализа энергетической структуры штарковских уровней расщепления мультиплетов \\а и\sa можно сделать вывод об аксиальной симметрии первого центра. Наблюдаемый в исследованных образцах интенсивный сигнал ФЛ в высокотемпературном диапазоне, вплоть до 360 К обусловлен ионами Ег3+, локализованными в приповерхностном, оксидном слоеpor-S'u

Отметим, что указанные центры существенно отличаются от ионов Ег в структурах кремниевых нанокристаллов в Si02 матрице, сформированных высокотемпературным отжигом однородных слоев кремниевых субоксидов, для которых характерны широкие линии ФЛ и высокая температурная стабильность (см. п. 1.4). Такое отличие очевидно связано с различной морфологией кремниевых наноструктур в исследуемых нами образцах рог-Si и образцах на основе субоксидов кремния. Существенной особенностью образцов por-Si:Er, сформированных электролитическим методом, является возможность наблюдения в них узких линий эрбиевой ФЛ, чувствительных как к длине волны возбуждения, так и к температуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплексного исследования особенностей формирования, структурных свойств, состава и люминесцентных характеристик образцов кремниевых структур, легированных эрбием, получены следующие основные результаты:

1. Методом фотолюминесцентной спектроскопии высокого разрешения идентифицированы оптически активные центры иона Ег3+ в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er: центр Er-C кубической симметрии, определяемый как изолированный центр иона Ег3* в положении внедрения в решетке кремния; кислород-содержащие центры иона Ег3* аксиальной симметрии Ег-01 и Ег-02; низкосимметричные центры иона Ег3* ED, EDI, ED2, включающие в свой состав дефекты кристаллической решетки; центры иона Ег3* в SiOx преципитатных включениях в кремнии.

2. Установлено, что гашение ФЛ эрбиевых центров в интервале температур от 20 до 100 К обусловлено процессами термической деактивации экситонов, связанных на примеси Ег. Энергия связи экситонов для разных оптически активных центров иона Ег3* варьируется в диапазоне от 9 до 15мэВ. В области температур выше 100 К энергия деактивации эрбиевой фотолюминесценции составляет 70- 150 мэВ и зависит от условий формирования образцов.

3. Определены оптически активные центры иона Ег3* и выявлены закономерности их формирования в слоях c-Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии: кислород-содержащий центр иона Ег3*, идентичный по структуре центру Ег-01, наблюдаемому в ионно-имплантированных слоях c-Si:Er; центр иона Ег3* в SiOx преципитатных включениях в кремнии; кислород-содержащий центр Ег-1 симметрии ниже кубической; углерод-содержащий центр иона Ег3* ', наблюдаемый в эпитаксиальных слоях c-Si:Er, выращенных из металлического источника Ег.

4. Показано, что периодические, селективно легированные структуры Si//Si:Er/Si./Si:Er/Si характеризуются более высокой интенсивностью люминесценции по сравнению с однородно легированными слоями Si//Si:Er, что объясняется увеличением концентрации фотопосителей в пелегированных слоях кремния, способных участвовать в возбуждении редкоземельной примеси.

5. Исследована ФЛ структур рог-Si / эрбий-содержащие оксидные пленки, полученные золь-гель методом. Установлено, что наблюдаемый сигнал ФЛ преимущественно связан с оптически активными центрами иона Ег3*, локализованными в золь-гель пленках, выделен значительный вклад дислокационной люминесценции в люминесцентный отклик структур.

6. Используя методы спектроскопии возбуждения фотолюминесценции, в слоях рог-Si:Er, полученных электролитическим методом, выделены два типа оптически активных центров иона Ег3*: низкосимметричный центр иона Ег3+, локализованный в нанокристаллических включениях кремния, и центры иона Ег3+ в приповерхностном оксидном слое. Показано, что центры второго типа являются ответственными за сигнал ФЛ, наблюдаемый в por-Si:Ег при комнатной температуре. * *

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю, профессору З.Ф. Красильнику за постоянное внимание и всестороннюю поддержку, оказанные при подготовке диссертационной работы. Автор благодарит В.П. Кузнецова, В.Г. Шенгурова и других сотрудников группы эпитаксиальных технологий НИФТИ ИНГУ за предоставленные образцы для исследований и плодотворное сотрудничество в разработке структур c-Si:Er, выращиваемых методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Автор выражает признательность Б.А. Андрееву, В.Б. Шмагину и всем сотрудникам отдела 110 ИФМ РАН за ценные советы, замечания и доброжелательную поддержку в процессе написания работы. Особенно хочется выразить благодарность моим зарубежным коллегам - профессору В. Янчу (Институт физики твердого тела университета г. Линц, Австрия) и доктору X. Пржибылинской (Институт физики Польской академии наук), внесшим значительный вклад и практически предопределившим направленность данной работы. Автор благодарит руководителя лаборатории "Нанофотоника" БГУИР Н.В. Гапоненко за предложенную тематику исследований низкоразмерных структур на основе кремния, легированных золь-гель методами. Искреннюю признательность и благодарность автор выражает профессору В.Ю. Тимошенко и коллективу кафедры общей физики и молекулярной электроники Московского государственного университета за большую помощь в подготовке диссертационной работы, живой интерес к работе, критические замечания и многочисленные плодотворные дискуссии, стимулировавшие ее написание.

1. Список публикаций автора по теме диссертации

2. Публикации в реферируемых журналах и сборниках:

3. Al. Jantsch W., Przybylinska Н., Suprun-Belevich Yu., Stepikhova M., Hendorfer G., and Palmetshofer L. Erbium related centers in CZ-silicon // Materials Science Forum. 1995. V. 196-201. P.609-614.

4. A2. Przybylinska H., Jantsch W., Suprun-Belevitch Yu., Stepikhova M., Palmetshofer L., Hendorfer G., Kozanecki A., Wilson R.J. and Sealy B.J. Optically active erbium centers in silicon // Physical Review B. 1996. V.54. P.2532-2547.

5. A3. Stepikhova M., Jantsch W., Kocher G., Schoisswohl M., Cantin J.L., von Bardeleben J.H. High temperature luminescence due to Er in porous Si // Materials Science Forum. 1997. V.258-263. P.1533-1538.

6. A4. Stepikhova M., Jantsch W., Kocher G., Palmetshofer L., Schoisswohl M. and von Bardeleben H.J. Direct excitation spectroscopy of Er centers in porous silicon // Applied Physics Letters 1997. V.71. P.2975-2977.

7. A5. Kozanecki A., Stepikhova M., Lanzerstorfer S., Jantsch W., Palmetshofer L., Sealy B.J., and Jeynes C. Excitation of Er3* ions in silicon dioxide films thermally grown on silicon // Applied Physics Letters 1998. V.73. No.20. P.2929-2931.

8. A7. Jantsch W., Lanzerstorfer S., Palmetshofer L., Stepikhova M. and Preier H. Different Er centers in Si and their use for electroluminescence devices // Journal of Luminescence. 1999. V.80. P. 9-17.

9. A12. Stepikhova M., Palmetshofer L., Jantsch W., von Bardeleben H.J., Gaponenko N. 1.54 |im infrared photoluminescence phenomena in Er doped porous silicon // Applied Physics Letters. 1999. V.74. № 4. P.537-539.

10. A13. Jantsch W., Lanzerstorfer S., Stepikhova M., Preier H. and Palmetshofer L. Status, hopes and limitations for the Si:Er- based 1.54 цт emitter // Solid State Phenomena. Scitec Publications. Switzerland. 1999. V.69-70. P.53-62.

11. A14. Jantsch W., Lanzerstorfer S., Palmetshofer L., Stepikhova M., Kocher G. and Preier H. On the generation of optically active Er centers in Si light emitting diodes // Physica B.1999. V.273-274. P.330-333.

12. А19. Jantsch W., Kocher G., Palmetshofer L., Przybylinska H., Stepikhova M., Preier H. Optimisation of Er centers in Si for reverse biased light emitting diodes // Materials Science and Engineering B. 2001. V.81. P.86-90.

13. А21. Stepikhova М., Andreev В., Krasil'nik Z., Soldatkin A., Kuznetsov V., Gusev О. Uniformly and selectively doped silicon: erbium structures produced by the sublimation MBE method // Materials Science and Engineering B. 2001. V.81. P.67-70.

14. А23. Kocher G., Przybylinska Н., Stepikhova М., Palmetshofer L. and Jantsch W. Erbium in SiOx environment: ways to improve the 1.54 pm emission // Physica B. 2001. V.308-310. P.344-347.

15. A40. Stepikhova M., Lanzerstorfer S., Jantsch W., Palmetshofer L. Dislocation- and Er-related photoluminescence at 1.5цт in Er- doped silicon // 20th International Conference on

16. Defects in Semiconductors, Berkeley, California, 26 -30 July 1999, Conference Program and Abstracts, P.267.

17. A54. Алешкин В.Я., Андреев Б.А., Красильник З.Ф., Крыжков Д.И., Кузнецов В.П., Степихова М.В., Шмагин В.Б., Яблонский А.Н., Gregorkiewicz Т., Jantsch W.

18. Список цитируемой литературы

19. Hiifner S. Optical spectra of transparent rare earth compounds. Academic Press. New York. 1978. 230P.

20. Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. М.: Мир. 1973. T.I. 651с. Т.2. 349с.

21. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. М.: Наука. 1975. 256С.

22. Miniscalco W.J. Erbium-doped glasses for fiber amplifiers at 1500 nm // J. Lightwave Technol. 1991. V.9. P.234.

23. Tiinnermann A., Zellmer H., Welling H. Faserlaser. Neuartige Lasersstrahlquellen mit Emissionen im sichtbaren Spektralbereich// Phys. Bl. 1996. V.52. Nr.l 1. P.l 123.

24. Lea K.R., Leask M.J.M., and Wolf W.P. The raising of angular momentum degeneracy of f-electron terms by cubic crystal fields // J. Phys. Chem. Solids. 1962. V.23. P.l381.

25. Ennen H., Schneider J., Pomrenke G., and Axmann А. 1.54-цт luminescence of erbium-implanted III-V semiconductors and silicon // Appl. Phys. Lett. 1983. V.43. P.943.

26. Ennen H., Pomrenke G., Axmann A., Eisele K., Haydl W., and Schneider J. 1.54-цт electroluminescence of erbium- doped silicon grown by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1985. V.46. P.381.

27. Polman A., Coffa S. Properties of rare-earth doped crystalline silicon // in Properties of silicon. R. Hull ed. INSPEC. 1EE. London. 1999. P.583.

28. Tang Y.S., Heasman K.C., Gillin W.P., and Sealy B.J. Characteristics of rare-earth element erbium implanted in silicon// Appl. Phys. Lett. 1989. V.55. P.432.

29. Polman A. Erbium implanted thin film photonic materials // J. Appl. Phys. 1997. V.82. No.l.P.l.

30. Ren F.Y.G., Michel J., Sun-Paduano Q., Zheng В., Kitagawa H., Jacobson D.C., Poate J.M., and Kimerling L.C. 1С compatible processing of Si:Er for optoelectronics // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1993. V.301. P.87.

31. Sobolev N.A. Defects and their influence on the luminescence of rare earth ions implanted in single crystal Si // Physica B. 2001. V.303-310. P.333.

32. Sobolev N.A., Alexandrov O.V., Bresler M.S., Gusev O.B., Shek E.I., Makoviichuk M.I., and Parshin E.O. Optical and electrical properties of Si:Er light-emitting structures // Materials Science Forum. 1995. V.196-201. P.597.

33. Priolo F., Coffa S., Franzo G., Spinella C., Camera A., Bellani V. Electrical and optical characterization of Er-implanted Si: The role of impurities and defects // J. Appl. Phys. 1993. V.74. P.4936.

34. Liu P, Zhang J.P., Wilson R.J., Curello G., Rao S.S., Hemment P.L.F. Effect of fluorine co-implantation on MeV erbium implanted silicon // Appl. Phys. Lett. 1995. V.66. P. 3158.

35. Efeoglu H., Evans J.H., Jackman Т.Е., Hamilton В., Houghton D.C., Langer J.M. Peaker A.R., Perovic D., Poole I., Ravel N., Hemment P., Chan C.W. Recombination processes in erbium-doped MBE silicon. // Semicond. Sci. Technol. 1993. V.8. P.236.

36. Serna R., Lohmeier M., Zagwijn P.M., Vlieg E., Polman A. Segregation and trapping of erbium during silicon molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1995. V.66, P.1385.

37. Serna R., Shin J.H., Lohmeier M., Vlieg E., Polman A. Incorporation and optical activation of erbium in silicon using molecular beam epitaxy // J. Appl. Phys. 1996. V.79. No.5, P.2658.

38. Miyashita K., Shiraki Y., Houghton D.C., Fukatsu S. Incorporation kinetics of rare-earth elements in Si during molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1995. V.67. P.235.

39. Stimmer J., Reittinger A., Niitzel J.F., Abstreiter G., Holzbrecher H., Buchal Ch. Electroluminescence of erbium-oxygen-doped silicon diodes grown by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1996. V.68. P.3290.

40. Morse M., Zeng В., Palm J., Duan X., Kimerling L.C. Properties of ion implanted and UHV-CVD grown Si:Er//Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422. P.41.

41. Rogers J.L., Andry P.S., Varhue W.J., Adams E., Lavoie M., Klein P.B. Erbium-doped silicon films grown by plasma-enhanced chemical-vapor deposition // J. Appl. Phys. 1995. V.78. No.2. P.6241.

42. Andry P.S., Varhue W.J., Adams E., Lavoie, Klein P.B., Hengehold R., Hunter J. Low-temperature growth of Si:Er by electron cyclotron resonance PECVD using metal organics // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422. P.57.

43. Matsuoka M. Shun-ichi Tohno. 1.54 (дш photoluminescence of in situ erbium-oxygen co-doped silicon films grown by ion-beam epitaxy // J. Appl. Phys. 1995. V.78. P.2751.

44. Nakashima K., Eryu O., Iioka O., Minami H., Watanabe M. Optical centers related to laser-doped erbium in silicon // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422. P.75.

45. Asatsuma Т., Dodd P., Donegan J.F., Lunney J.G., Hegarty J. Er3+-doped silicon prepared by laser doping // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1993. V.301. P.67.

46. Eaglesham D.J., Michel J., Fitzgerald E.A., Jacobson D.C., Poate J.M., Benton J.L., Polman A., Xie Y.-H., and Kimerling L.C. Microstructure of erbium-implanted Si // Appl. Phys. Lett. 1991. V.58.No.24. P.2797.

47. Polman A., Custer J.S., Snoeks E., van den Hoven G.N. Incorporation of high concentrations of erbium in crystal silicon // Appl. Phys. Lett. 1993. V.62. P.507.

48. Coffa S., Priolo F., Franzo G., Bellani V., Camera A., Spinella C. Optical activation and excitation mechanisms of Er implanted in Si: // Phys. Rev. B. 1993. V.48. P.11782.

49. Custer J.S., Polman A., van Pinxteren H.M. Erbium in crystal silicon: Segregation and trapping during solid phase epitaxy of amorphous silicon. // J. Appl. Phys. 1994. V.75. P.2809.

50. Coffa S., Franzo G., Priolo F. Light emission from Er-doped Si: materials, mechanisms, and device performance // MRS Bulletin. 1998. V.23. No.4. P.25.

51. Efeoglu H., Evans J.H., Langer J.M., Peaker A.R., Rowell N.L., Noel J.P., Perovic D.D., Jackman Т.Е. and Houghton D.C. Electrical and optical properties of erbium in MBE silicon and Si/Ge alloys// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1992. V.220. P.367.

52. Adler D.L., Jacobson D.C., Eaglesham D.J., Marcus M.A., Benton J.L., Poate J.M., and Citrin P.H. Local structure of 1.54-nm-luminescence Er34" implanted in Si // Appl. Phys. Lett. 1992. V.61. P.2181.

53. Michel J., Ren F.Y.G., Zheng В., Jacobson D.C., Poate J.M., and Kimerling L.C. The physics and application of Si:Er for light emitting diodes // Materials Science Forum. 1993. V.143-147. P.707.

54. Michel J., Kimerling L.C., Benton J.L., Eaglesham D.J., Fitzgerald E.A., Jacobson D.C., Poate J.M., Xie Y.-H., Ferrante R.F. Dopant enhancement of the 1.54 цт emission of erbium implanted in silicon // Mater. Sci. Forum. 1992. V.83-87. P.653.

55. Terrasi A., Franzo G., Coffa S., Priolo F., D'Acapito F., Mobilio S. Evolution of the local environment around Er upon thermal annealing in Er and О co-implanted Si // Appl. Phys. Lett. 1997. V.70. P.1712.

56. Needels M., Schliiter, Lannoo M. Erbium point defects in silicon // Phys. Rev. B. 1993. V.47. No.23. P.15533.

57. Kozanecki A., Kaczanowski J., Wilson R.J., Sealy B.J. Lattice location of erbium atoms implanted into silicon //Nucl. Instr. & Methods in Phys. Res. B. 1996. V.l 18. P.709.

58. Wahl U., Vantomme A., De Wachter J., Moons R., Langouche G., Marques J.G., Correia J.G. Direct Evidence for Tetrahedral Interstitial Er in Si // Phys. Rev. Lett. 1997. V.79. P.2069.

59. Michel J., Benton J.L., Ferrante R.F., Jacobson D.C., Eaglesham D.J., Fitzgerald E.A., Xie Y.-H., Poate J.M., and Kimerling L.C. Impurity enhancement of the 1.54|im Er3* luminescence in silicon // J. Appl. Phys. 1991. V.70. P.2672.

60. Benton J.L., Michel J., Kimerling L.C., Jacobson D.C., Xie Y.-H., Eaglesham D.J., Fitzgerald E.A., and Poate J.M. The electrical and defect properties of erbium-implanted silicon//J. Appl. Phys. 1991. V.70. P.2667.

61. Buyanova I.A., Chen W.M., Pozina G., Ni W.-X., Hansson G.V., Monemar B. Properties of Er-related emission in in situ doped Si epilayers grown by molecular beam epitaxy // J. Vac. Sci. Technol. B. 1998. V.l6. P. 1732.

62. Priolo F., Franzo G., Coffa S., Polman A., Libertino S., Barklie R., Carey D. The erbium-impurity interaction and its effects on the 1.54 цт luminescence of Er3* in crystalline silicon // J. Appl. Phys. 1995. V.78. P.3874.

63. Markmann M., Neufeld E., Sticht A., Brunner K., Abstreiter G., Buchal Ch. Enhancement of erbium photoluminescence by substitutional С alloying of Si // Appl. Phys. Lett. 1999. V.75. P.2584.

64. Favennec P.N., Haridon H.L', Moutonnet D., Salvi M. and Gauneau M. Optical activation of Er3* implanted in silicon by oxygen impurities // Jap. J. Appl. Phys. 1990. V. 29. No.4. P.L524.

65. Соболев H.A. Светоизлучающие структуры Si:Er. Технология и физические свойства //ФТП. 1995. Т.29. В.7. С.1153.

66. Ossicini S., Pavesi L., Priolo F. Light emitting silicon for microelectronics. Springer Tracts in Modern Physics. V.194. Springer. Berlin. P. 179.

67. Franzo G., Priolo F., Coffa S., Polman A., Camera A. Room-temperature light emitting diodes fabricated by erbium ion implantation //Nucl. Instr. and Meth. В 1995. V.96. P.374.

68. Ren F.Y.G., Michel J., Jacobson D.C., Poate J.M., Kimerling L.C. Fluorine-enhanced Si:Er light emission//Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1994. V.316. P.493.

69. Michel J., Palm J., Gan F., Ren F.Y.G., Zheng В., Dunham S.T., Kimerling L.C. Erbium in silicon: A defect system for optoelectronic integrated circuits // Materials Science Forum. 1995. V.196-201. P.585.

70. Coffa S., Franzd G., Priolo F., Polman A., Serna R. Temperature dependence and quenching processes of the intra-4f luminescence of Er in crystalline Si // Phys. Rev. B. 1994. V.49. P.16313.

71. Libertino S., Coffa S., Franzo G., Priolo F. The effects of oxygen and defects on the deep-level properties of Er in crystalline Si // J. Appl. Phys. 1995. V.78. P.3867.

72. Schmitt-Rink S., Varma C.M., and Levi A.F.J. Excitation mechanisms and optical properties of rare-earth ions in semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. Iss.21. P.2782.

73. Yassievich I.N. and Kimerling L.C. The mechanisms of electronic excitation of rare earth impurities in semiconductors // Semicond. Sci. Technol. 1993. V.8. P.718.

74. Бреслер M.C., Гусев О.Б., Захарченя Б.П., Пак П.Е., Соболев Н.А., Шек Е.И., Яссиевич И.Н., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. Электролюминесценция кремния, легированного эрбием // ФТП. 1996. Т.ЗО. В.5. С.898.

75. Shin J.H., van den Hoven G.N. and Polman A. Direct experimental evidence for trap-state mediated excitation of Er3+ in silicon // Appl. Phys. Lett. 1995. V.67. P.377.

76. Tsimperidis I., Gregorkiewicz Т., Ammerlaan C.A.J. Excitation of rare earth in semiconductors by the excitonic Auger recombination // Materials Science Forum. 1995. Vs.196-201. P.591.

77. Бреслер M.C., Гусев О.Б., Захарченя Б.П., Яссиевич И.Н. Экситонный механизм возбуждения ионов эрбия в кремнии // ФТТ. 1996. Т.38. С.1474.

78. Ammerlaan C.A.J., Thao D.T.X., Gregorkiewicz Т., Sobolev N.A. Photoluminescence of erbium-doped silicon: excitation power dependence // ФТП. 1999. Т.ЗЗ. B.6. C.644.

79. Priolo F., Franzo G., Coffa S., Camera A. Excitation and nonradiative deexcitation processes of Er3* in crystalline Si // Phys. Rev. B. 1998. V.57. P.4443.

80. Gusev O.B., Bresler M.S., Рак P.E., Yassievich I.N., Forcales M., Vinh N.Q., Gregorkiewicz T. Excitation cross section of erbium in semiconductor matrices under optical pumping// Phys. Rev. B. 2001. V.64. P.075302.

81. Takahei K., Taguchi A., Energy transfer in rare-earth-doped III-V semiconductors // Mater. Sci. Forum. 1992. Vols.83-87. P.641.

82. Kenyon A.J. Erbium in silicon // Semicond. Sci. Techn. 2005. V.20. P.R65.

83. Franzo G., Priolo F., Coffa S., Polman A., Camera A. Room-temperature electroluminescence from Er-doped crystalline Si // Appl. Phys. Lett. 1994. V.64. P.2235.

84. Sobolev N.A., Emel'yanov A.M., ShteFmakh K.F. Avalanche breakdown-related electroluminescence in single crystal Si:Er:0 // Appl. Phys. Lett. 1997. V.71, P. 1930.

85. Du С.-Х., Ni W.-X., Joelsson K.B., Hansson G.V. Room temperature 1.54 |дт light emission of erbium doped Si Schottky diodes prepared by molecular beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 1997. V.71, P. 1023.

86. Palm J., Gan F., Zheng В., Kimerling L.C. Electroluminescence of erbium-doped silicon // Phys. Rev. B. 1996. V.54. P.17603.

87. Klein P.B., Pomrenke G.S. Photoluminescence decay of 1.54 |дт Er emission in Si and III-V semiconductors // Electr. Lett. 1988. V.24. P.1502.

88. Polman A., van den Hoven G.N., Custer J.S., Shin J.H., Serna R., Alkemade P.F.A. Erbium in crystal silicon: optical activation, excitation, and concentration limits // J. Appl. Phys. 1995. V.77. P.1256.

89. Ушаков B.B., Гиппиус A.A., Дравин B.A., Спицин А.В. Люминесценция редкоземельной примеси эрбия в арсениде и фосфиде галлия // ФТП. 1982. Т. 16. В.6. С.1127.

90. Przybylinska Н., Hendorfer G., Bruckner М., Palmetshofer L., Jantsch W. On the local structure of optically active Er centers in Si // Appl. Phys. Lett. 1995. V.66. P.490.3+ • ♦ •

91. Wortman D.E., Morrison C.A., Bradshaw J.L. Optical spectra and analysis of Er in silicon with C, 0, and N impurities // J. Appl. Phys. 1997. V.82. P.2580.

92. Ammerlaan C.A.J. Spectroscopic characterisation of the erbium impurity in crystalline semiconductors // Physica B. 2001. Vols.308-310. P.387.

93. Zheng В., Michel J., Ren F.Y.G., Kimerling L.C., Jacobson D.C., Poate J.M. Room-temperature sharp line electroluminescence at X=1.54 |дт from an erbium-doped, silicon light-emitting diode // Appl. Phys. Lett. 1994. V.64. P.2842.

94. Du С.-Х., Duteil F., Hansson G.V., Ni W.-X. Si/SiGe/Si:Er:0 light-emitting transistors prepared by differential molecular-beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. 2001. V.78. P. 1697.

95. Pickering C., Beale M.I.J., Robbins D.J., Pearson P.J., Greef R. Optical studies of the structure of porous silicon films formed in p-type degenerate and non-degenerate silicon // J. Phys. C. 1984. V.17. P.6535.

96. Canham L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers // Appl. Phys. Lett. 1990. V.57. Iss.10. P. 1046.

97. Delerue С., Allan G., Lannoo M. Theoretical aspects of the luminescence of porous Si // Phys. Rev. B. 1993. V.48.11024.

98. White R., Wu X., Hommerich U., Namavar F., Cremins-Costa A.M. Characterization of visible and infrared (1.54цт) luminescence from Er-doped porous Si // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422.P.137.

99. Lehmann V., Gosele U. Porous silicon formation: A quantum wire effect // Appl. Phys. Lett. 1991. V.58. Iss.8. P.856.

100. Beale M.I.J., Benjamin J.D., Uren M.J., Chew N.G., Cullis A.G. An experimental and theoretical study of the formation and microstructure of porous silicon // J. Cryst. Growth. 1985. V.73.P.622.

101. Kimura Т., Yokoi A., Horiguchi H., Saito R., Ikoma Т., and Sato A. Electrochemical Er doping of porous silicon and its room-temperature luminescence at ~1.54 цт // Appl. Phys. Lett. 1994. V.65.P.983.

102. Henley W., Koshka Y., Lagowski J., Siejka J. Infrared photoluminescence from Er doped porous Si // J. Appl. Phys. 2000. V.87. P.7848.

103. Filippova V.V., Pershukevich P.P., Kuznetsova V.V., Homenko V.S. Photoluminescence excitation properties of porous silicon with and without Er^-Yb^-containing complex // J. of Lumin. 2002. V.99 P. 185.

104. Shin J.H., van den Hoven G.N., and Polman A. Origin of the 1.54 pm luminescence of erbium-implanted porous silicon // Appl. Phys. Lett. 1995. V.66. P.2379.

105. Namavar F., Lu F., Perry C.H., Cremins A., Kalkhoran N. M., Soref R.A. Strong room-temperature infrared emission from Er-implanted porous Si // J. Appl. Phys. 1995. V.77. P.4813.

106. Hommerich U., Namavar F., Cremins A. A spectroscopic study of the luminescence of Er in porous silicon // Appl. Phys. Lett. 1996. V.68. P. 1951.

107. Гапоненко Н.В. Пленки, сформированные золь-гель методом на полупроводниках и в пористых матрицах. Минск. Беларусская навука. 2003.136С.

108. Wu X., White R., Hommerich U., Namavar F., Cremins-Costa A.M. Time-resolved photoluminescence spectroscopy of Er-implanted porous Si // J. Lumin. 1997. V.71. P.13.

109. Zhao X., Komuro S., Maruyama S., Isshiki H., Aoyagi Y. and Sugano T. To probe the absorption edge of porous silicon by erbium // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422. P.143.

110. Wu X. and Hommerich U., Namavar F., Cremins-Costa A.M. Correlation between visible and infrared (1.54 pm) luminescence from Er-implanted porous silicon // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 1903.

111. Kozanecki A., Stepikhova M., Lanzerstorfer S., Jantsch W., Palmetshofer L., Sealy B.J., and Jeynes C. Excitation of Er3* ions in silicon dioxide films thermally grown on silicon // Appl. Phys. Lett. 1998. V.73, No.20. P.2929.

112. Polman A., Jacobson D.C., Eaglesham D.J., Kistler R.C., and Poate J.M. Optical doping of waveguide materials by MeV Er implantation // J. Appl. Phys. 1991. V.70. P.3778.

113. Lombardo S., Campisano S.U., van den Hoven G.N., Cacciato A., and Polman A. Room-temperature luminescence from Er-implanted semi-insulating polycrystalline silicon // Appl. Phys. Lett. 1993. V.63. P.1942.

114. Taskin Т., Gardelis S., Evans J.H., Hamilton B. and Peaker A.R. Sharp 1.54pm luminescence from porous erbium implanted silicon // Electr. Lett. 1995. V.31. No.24. P.2132.

115. Nesbit L.A. Annealing characteristics of Si-rich Si02 films // Appl. Phys. Lett. 1985. V.46. P.38.

116. Linnros J., Lalic N., Galeckas A., Grivickas V. Analysis of the stretched exponential photoluminescence decay from nanometer-sized silicon crystals in Si02 // J. Appl. Phys. 1999. V.86. P.6128.

117. Torre J., Soui A., Poncet A., Busseret C., Lemiti M., Bremond G., Guillot G., Gonzalez O., Garrido В., Morante J.R., Bonafos C. Optical properties of silicon nanocrystal LEDs // PhysicaE. 2003. V. 16. P.326.

118. Zacharias M., Heitmann J., Scholz R., Kahler U., Schmidt M., Biasing J. Size-controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A Si0/Si02 superlattice approach // Appl. Phys. Lett. 2002. V.80. P.661.

119. Heitmann J., Schmidt M., Zacharias M., Timoshenko V.Yu., Lisachenko M.G., Kashkarov P.K. Fabrication and photoluminescence properties of erbium doped size-controlled silicon nanocrystals // Mat. Sci.& Engin. B. 2003. V.105. P.214.

120. Takeoka S., Fujii M., Hayashi S. Size-dependent photoluminescence from surface-oxidized Si nanocrystals in a weak confinement regime // Phys. Rev. B. 2000. V.62. P. 16820.

121. Priolo F., Franzo G., Pacifici D., Vinciguerra V., Iacona F., Irrera A. Role of the energy transfer in the optical properties of undoped and Er-doped interacting Si nanocrystals // J. Appl. Phys. 2001. V.89. P.264.

122. Wojdak M., Klik M., Forcales M., Gusev O.B., Gregorkiewicz Т., Pacifici D., Franzo G., Priolo F., Iacona F. Sensitization of Er luminescence by Si nanoclusters // Phys. Rev. B. 2004. V.69. P.233315.

123. Kik P.G., Brongersma M.L., Polman A. Strong exciton-erbium coupling in Si nanocrystal-doped Si02 // Appl. Phys. Lett. 2000. V.76. P.2325.

124. Kik P.G., Polman A. Exciton-erbium energy transfer in Si nanocrystal-doped SiC>2 // Mat. Sci.& Engin. B. 2001. V.81.P.3.

125. Kik P.G., Polman A. Exciton-erbium interactions in Si nanocrystal-doped SiC>2 // J. Appl. Phys. 2000. V.88. P.992.

126. Schmidt M., Heitmann J., Scholz R., Zacharias M. Bright luminescence from erbium doped nc-Si/Si02 superlattices // J. Non-Cryst. Solids. 2002. V.299-302. P.678.

127. Schmidt M., Zacharias M., Richter S., Fischer P., Veit P., Biasing J., Breeger B. Er doping of nanocrystalline-Si/Si02 superlattices // Thin Solid Films. 2001. V.397. P.211.

128. Yassievich I.N., Moskalenko A.S. Excitation mechanism of erbium photoluminescence in bulk silicon and silicon nanostructures // Mat. Sci. & Engin. B. 2003. V.l05. P.l92.

129. Fujii M., Imakita K., Watanabe K., Hayashi Sh. Coexistence of two different energy transfer processes in Si02 films containing Si nanocrystals and Er // J. Appl. Phys. 2004. V.95. P.272.

130. Yassievich I.N., Moskalenko A.S., Prokofiev A.A. Microscopic theory for excitation of erbium ions via silicon nanocrystals in silicon dioxide // Opt. Mat. 2006. V.28. P.810.

131. Franzo G., Vinciguerra V., Priolo F. The excitation mechanism of rare-earth ions in silicon nanocrystals // Appl. Phys. A. 1999. V.69. P.3.

132. Fujii M., Yoshida M., Kanzava Y., Hayashi S., Yamamoto K. 1.54 цт photoluminescence of Er3* doped into Si02 films containing Si nanocrystals: Evidence for energy transfer from Si nanocrystals to Er3+//Appl. Phys. Lett. 1997. V.71. P.l 198.

133. Fuhs W., Ulber I., Weise G.r, Bresler M.S., Gusev O.B., Kuznetsov A.N., Kudoyarova V.Kh., Terukov E.I., Yassievich I.N. Excitation and temperature quenching of Er-induced luminescence in a-Si:II(Er) // Phys. Rev. B. 1997. V.56. P.9545.

134. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids.-Pergamon. New York. 1985. V.l. 321P.

135. Технология СБИС под ред. 10.Д. Чистякова-М. Мир. 1986. Кн. 1,2. 857С.

136. Takahei К., Taguchi A., Horikoshi Y., Nakata J. Atomic configuration of the Er-0 luminescence center in Er-doped GaAs with oxygen codoping // J. Appl. Phys. 1994. V.76. P.4332.

137. Takahei K., Hogg R.A., Taguchi A. Energy-transfer processes in oxygen-codoped GaAs:Er // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1996. V.422. P.267.

138. Hashimoto M., Yanase A., Harima H., Katayama-Yoshoda H. Determination of the atomic configuration of Er-0 complexes in silicon by the super-cell FLAPW method // Physica B. 2001. Vols. 308-310. P. 378.

139. Ishii M., Komukai Y. Theoretical prediction of local distortion in an Er06 cluster: Stabilization of a C4v structure by a rack and pinion effect // Appl. Phys. Lett. 2002. V.80. P. 3430.

140. Sauer R., Weber J., Stolz J., Weber E.R., Kiistersand K.-H., Alexander H. Dislocation-related photoluminescence in silicon // Appl. Phys. A. 1985. V.36. P.l.

141. Vinh N.Q., Przybylinska H., Krasil'nik Z.F., Gregorkiewicz T. Microscopic structure of Er-related optically active center in crystalline Si // Phys. Rev. Lett. 2003. V.90. P.066401.

142. Vinh N.Q., Przybylinska H., Krasil'nik Z.F., Andreev B.A., Gregorkiewicz T. Observation of Zeeman effect in photoluminescence of Er3+ ion imbedded in crystalline silicon // Physica B: Physics of Condensed Matter. 2001. V.308-310. P.340.

143. Vinh N.Q. Optical properties of isoelectronic centers in crystalline silicon // PhD Thesis, Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam, The Netherlands. 2004. 113P.

144. Uebbing R.H., Wagner P., Baumgart H., and Queisser H.J. Luminescence in slipped and dislocation-free laser-annealed silicon // Appl. Phys. Lett. 1980. V.37. P.1078.

145. Majima A., Uekusa S., Ootake K., Abe K. and Kumagai M. Optical direct and indirect excitation of Er3+ ions in silicon // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1993. V.301. P. 107.

146. Zhao X., Hirakawa K., and Ikoma T. Intracenter transitions in triply ionized erbium ions diffused into III-V compound semiconductors // Appl. Phys. Lett. 1989. V.54. P.712.

147. Bantien F., Bauser E., and Weber J. Incorporation of erbium in GaAs by liquid-phase epitaxy // J. Appl. Phys. 1987. V.61. P.2803.

148. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

149. БГУИР Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники,

150. ВИМС метод масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS в английском варианте), ВФЛ - спектроскопия возбуждения фотолюминесценции (PLE в английском варианте),

151. ИФМ институт физики микроструктур Российской академии наук, РАН

152. МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия,

153. НИФТИ Нижегородский исследовательский физико-технический институт при

154. ННГУ Нижегородском государственном университете,

155. ОРР метод спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния (RBS ванглийском варианте), РД метод рентгенодифракционного анализа (XRD в английском варианте), РСГУ - метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (DLTS в английском варианте),

156. СМЛЭ сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия,

157. МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия,1. ФЛ фотолюминесценция,1. ЭЛ электролюминесценция,a-Si аморфный кремний,c-Si монокристаллический кремний,

158. CZ-Si кремний, выращенный методом Чохральского,

159. TRIM программа расчета профилей распределения имплантируемых примесей (TRansport of Ions in Matter).

160. Защита состоится 7 декабря 2006 г. в 16 часов на заседании специализированного совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105).

161. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.