Транспорт тока, ЭПР и фотолюминесценция в пористом кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ИИ4608094

Демидова Наталия Евгениевна

ТРАНСПОРТ ТОКА, ЭПР И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В ПОРИСТОМ КРЕМНИИ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

1 6 СЕН 2010

Нижний Новгород - 2010

004608094

Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Карзанов В. В. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ефремов Г.Ф. доктор физико-математических наук, в л.с. Орлов Л.К.

Ведущая организация - Ярославский филиал института Учреждение Российской академии наук Физико-технолопгческий институт РАН

университете им. Н.ИЛобачевского по адресу: 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, д.23, корп.З.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского.

на заседании

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.166.01 доктор физико-математических наук, профессор

Актуальность темы

Актуальность работы обусловлена интенсивным развитием в настоящее время нанотехнологий в электронике, необходимостью дальнейшего исследования и совершенствования уникальных свойств пористого кремния как представителя наноразмерной гетероструктуры, перспективами применения пористого кремния в оптоэлектронике, совместимой с наиболее распространённой кремниевой технологией. Поиск новых и усовершенствования уже известных способов формирования наноразмерных светоизлучающих структур на основе пористого кремния активно ведется как в нашей стране, так и за ее пределами [1-4]. Данная работа вносит вклад в понимание процессов, происходящих в пористом кремнии в результате термических отжигов, дальнейшее прояснение природы парамагнитных центров безизлучательной рекомбинации в зависимости от содержания примесей, в понимание процессов токопереноса в пористых слоях, которые важны при разработке электролюминесцентных структур на основе пористого кремния. Такие структуры с приемлемой для практического применения квантовой эффективностью являются главной целью в ряде прикладных аспектов использования пористого кремния. Вместе с тем пористый кремний является удобным модельным объектом для изучения явления дискретного туннелнрования, что важно для развитая нового направления твердотельной электроники - одноэлектроники.

Цель и основные задачи работы

К началу выполнения настоящей работы изучению свойств ПК было посвящено множество исследований, но многое оставалось не прояснённым, в частности:

- не было единого мнения о природе люминесцентных свойств ПК, связала ли она с излучательной электронно-дырочной рекомбинацией или с локальными центрами и химическими агрегатами Si-H, Si-O-H на границе кремния в порах;

- противоречивыми были данные об электронных состояниях в ПК, получаемых методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в частности о центрах безизлучательной рекомбинации, которые подавляют люминесценцию пористых слоёв кремния, в обзорных работах не было проведено детальное сопоставление данных ЭПР гетерострукгурной границы кремний - оксид кремния, ЭПР и фотолюминесценции ПК;

- слабо было изучено влияние примесей на электрофизические свойства ПК, считалось, что мелкие в объёмном кремнии примеси элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева практически не влияют на электропроводность ПК;

- слабо изучен транспорт тока в ПК, практически не рассматривался механизм переноса тока в пористых слоях путём дискретного туннелнрования электронов или дырок или, так называемая, кулоновская блокада туннелнрования.

Поэтому целью работы являлось изготовление и исследование диодных структур с прослойкой ПК на основе монокристаллического кремния (МК), с разными типами и уровнями легирования, и особое внимание уделить низкоомным образцам, что раньше, согласно литературным данным, не делалось.

В связи с выше изложенным, в настоящей работе были поставлены следующие задачи.

1. Детально проанализировать литературные экспериментальные данные с сопоставлением результатов исследований ЭПР и ФЛ гетероструктур Si-SiCh для прояснения природы Рь-центров безизлучательной рекомбинации.

2. С применением техники ЭПР исследовать влияние примесей элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева на Рь-центры безизлучательной рекомбинации.

3. Экспериментально исследовать поперечный транспорт тока в диодных структурах с прослойкой ПК для прояснения вкладов в электропроводность различных механизмов переноса тока, в частности, дискретного туннелирования.

4. Изучить возможность теоретического описания кулоновской блокады туннелирования в приближении гранулированной среды. Применить результаты для анализа транспорта тока в ПК.

Научная новизна работы

1. Впервые показано, что природа Рь-центров безызлучательной рекомбинации в наноразмерных гетероструктурах Бт^СЬ связана с более крупными дефектами, вероятно, дислокациями в кремнии вблизи границы кремний-оксид кремния.

2. Впервые установлено, что мелкие в объёмном кремнии примеси в согласии с известной высокой плотностью состояний на границе вт-втО: влияют на ЭПР Рь-центров безызлучательной рекомбинации при достаточно высокой концентрации этих примесей свыше 10" см"5, акцепторная примесь бора подавляет ЭПР Рь-центров.

3. Впервые экспериментально обнаружены проявления дискретного туннелирования в поперечном транспорте тока в ПК в экспоненциальном полевом росте тока и пиках избыточных шумов диодных структур с прослойками ПК, оксида кремния, нитрида кремния.

4. Впервые теоретически получен характерный для дискретного туннелирования линейный и экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, который позволяет объяснить экспериментальные вольтамперные характеристики диодных структур с прослойками пористого кремния, оксида кремния, нитрида кремния.

Практическая значимость работы

1. Установленное влияние мелких примесей на центры безызлучательной рекомбинации будет полезно учитывать при разработке светоизлучакнцих гетероструктур не только на основе ПК, но и на других структурах с наночастицами кремния.

2. Обнаруженные проявления в ПК дискретного туннелирования необходимо учитывать при разработке электронных, в том числе электролюминесцентных приборов на основе пористых слоСв кремния и других аналогичных наноразмерных структурах с близко расположенными наночастицами полупроводника в диэлектрической матрице.

3. Результаты теоретического анализа дискретного туннелирования в гранулированных средах практически полезны и уже применяются для определения параметров такой среды по данным электрополевой зависимости транспорта тока.

Основные положения, выноснмые на защиту

1. Природа Рь-центров безизлучательной рекомбинации в наноразмерных гетероструктурах БЬБЮг связана с дислокациями в кремнии вблизи границы кремний-оксид кремния.

2. Примеси элементов Ш и V групп периодической таблицы Менделеева влияют на ЭПР Рь-центров безызлучательной рекомбинации при их концентрации свыше 10" см"3.

3. Экспериментально обнаруженные проявления дискретного туннелирования в поперечном транспорте тока а ПК, оксиде и нитриде кремния, в экспоненциальном полевом росте тока и пиках избыточных шумов диодных структур с прослойками этих материалов.

4. Теоретически полученный характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, позволивший объяснить экспериментальные ВАХ диодных структур с прослойками гранулированных сред.

Личный вклад автора

Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем доцентом В.В. Карзановым и профессором Е.С. Демидовым. Самостоятельно выполнялись: подготовка образцов, исследование ЭПР, измерение вольтамперных и шумовых характеристик, а также анализ результатов. Совместно с профессором Е.С. Демидовым теоретически получен закон полевой зависимости тока в гранулированной среде, теория самостоятельно применялась для анализа данных эксперимента.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 21-й конференции: Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000 г., 2001 г., 2008 г.); конференции «XIX научные чтения им. Н.В.Белова» (Нижний Новгород, 14-15 декабря 2000 г.); Совещании «Нанофотоника» (Н.Новгород, 2002 г., 2003 г., 2-6 мая 2004 г.); IV Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2002); Межрегиональной научной школе для аспирантов и студентов «Материалы нано-, микро- и оптоэлеюрошиси: физические свойства и применение» (Саранск, 2003 г., 6-8 октября 2004 г., 5 - 7 октября 2005 г.); Международной конференции «Оптика, оптоэлектрошлса и технологии» (Ульяновск, 2003); Десятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» (Москва, 2-3 марта 2004 г.); IX Нижегородской сессии молодых ученых «Голубая Ока» (Н.Новгород 25-30 апреля 2004 г.); IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 5-7 июля 2004 г.); VII Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (НЛовгород, 26-29 октября 2004 г.); Симпозиуме «Нанофизика и наноэлекгроника» (Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г., 10-14 марта 2008 г., 16-20 марта 2009г.); Третьей международной научной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (г. Казань, 13-18 июня 2005 г.); IV Украинской научной конференции по физике полупроводников (Запорожье, 15-19 сентября 2009 г.)

Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:

Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.", Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела" (проект № 0541), тема НИЧ ННГУ Н-231.

Гранта Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НИЧ ННГУ НГ-172, 1998-2000 гг. (грант № 97-12-9.2-4).

Программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел "Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении", тема НИЧ ННГУ Н-223,2000 г. (проект № 01.12.01.15).

Гранта INTAS № 000 0064.

Программы Федерального агентства по образованию "Развитие потенциала высшей научной школы" 2005 г., пункт 3.3, проект № 4619.

Программы Рособразования, проект РНП 2.1.1 4022.

Гранта РФФИ проект р-Повольжье 08-02-97044&

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 32 научные работы, включая 8 статей и 24 публикации в материалах конференций. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 112 наименований. Общий объём диссертации составляет 143 страницы, включая 70 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, её актуальность, показано, в чём заключается научная новизна исследований, практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава - аналитический литературный обзор. По этой части опубликованы несколько обзорных работ, посвящённых анализу свойств пористого кремния (ПК) [1-4]. Однако в них основное внимание уделялось люминесцентным свойствам ПК и его применению в нанофотонике или детальному изучению структурных свойств в зависимости от режимов приготовления. Не проводилось детального сопоставления люминесцентных свойств и данных электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), что представляется важным для выяснения природы светоизлучающих свойств ПК. Поэтому первая его часть представляемого обзора посвящена исследованию природы Рь-центров безызлучательной рекомбинации на гетерогранице 81-8102. С ними связывают подавление красной фотолюминисценции (ФЛ) в ПК. Методом ЭПР в гетероструктурах на основе вьвЮг обнаружены около сорока непримесных дефектов. Нас интересовали Рь-цеятры. Всем дефектам приписывалась молекулярная модель. По молекулярной модели Рь-центры -оборванные связи кремния на гетерогранице 81-8102. На окисленных образцах кремния были обнаружены линейная корреляция числа Рь-центров и плотности электронных состояний на гетерогранице, немонотонный характер зависимости концентрации Рь-центров и плотности электронных состояний от толщины оксида БЮг, наблюдалась антгасорреляция интенсивностей ФЛ и ЭПР Рь-центров в ПК после различных времён отжига, в фосфорно-силикатных стёклах с ианочастицами 81 в зависимости от концентрации фосфора. Сопоставляя экспериментальные данные, можно назвать ряд противоречий молекулярной модели Рь-центров:

1. в связи с естественной поверхностной плотностью атомов кремния, по молекулярной модели поверхностная плотность Рь-центров на границе кремний-оксид кремния должна бьпъ ~1015 см2. Но на практике эта величина на 3-4 порядка меньше;

2. с точки зрения молекулярной модели не понятно почему Рь-центры не наблюдаются в условиях вакуума на свежесколотой поверхности кремния;

3. с точки зрения молекулярной модели не понятно почему Рь-центры «ощущают» изменение толщины БЮг и пропадают при толщине оксида меньше ~ 5 нм;

4. ширина линий ЭПР Рь-центров -4-5 Гс характерна дефектам в кремнии, где она обусловлена более сильными, чем в ЭЮз спин-решёгочным и сверхтонким взаимодействием с ядрами изотопа Б!29.

Но если предположить, что Рь-центры принадлежат более крупным дефектам, например, дислокациям в кремнии вблизи гетерограницы, то можно дать более последовательное толкование непонятным в рамках молекулярной модели явлениям и дать объяснение другим наблюдениям.

1. Поверхностная плотность Рь-центров 10"-1012 см*2 определяется поверхностной плотностью дислокаций, расстояние между которыми зависит от величины механических напряжений на гетерогранице, определяемых толщиной оксида кремния.

2. Возникновение, рост и дальнейший немонотонный характер изменения числа Рь-центров и плотности электронных состояний в зависимости от толщины оксида объяснимы возникновением дислокаций при толщине оксида - 5нм. Число дислокаций

растёт по мере увеличения механических напряжений на границе кремний-оксид кремния по мере роста толщины SiOz. При толщине оксида ~ 20 нм дислокации начинают аннигилировать, затем возникают новые при толщине SiCb около 100 нм.

3. Для дислокационной модели не важно, является ли атомарно гладкой поверхность кремния на гетерогранице, малый набор парамагнитных центров определяется энергетически наиболее выгодными типами дислокаций.

4. По мере окислительного высокотемпературного отжига оксида кремния с малоразмерными гранулами кремния, содержащими дислокацшш, гранулы становились бездислокацнонными, при этом спадал ЭПР сигнал и росла интенсивность ФЛ Рь-центров. То есть антикорреляция интенсивностей ЭПР и ФЛ Рь-центров безызлучательной рекомбинации объясняется исчезновением дислокаций.

5. Кроме того, близки g-факгоры и угловые зависимости линий ЭПР ПЦ пластически деформированного кремния и Рь-центров в ПК.

По литературным и няптии данным ВАХ ПК - нелинейные, поэтому во второй части литературного обзора рассмотрены известные нелинейности в средах сходных с ПК. В некристаллических полупроводниках и диэлектриках - два вида нелинсйностей при поперечном транспорте тока - токовые и полевые. К токовым относятся инжекционные токи ограниченные объёмным зарядом (ТООЗ) в диэлектриках. Полевые нелинейности проявляются при насыщении дрейфовой скорости носителей тока в сильных полях. Так же при их полевом высвобождении с мелких ловушечных энергетических уровней в некристаллических полупроводниках. Эти и другие возможные механизмы токопереноса в ПК представлены в виде таблицы в настоящей диссертационной работе, но все они основаны на одноэлектронном приближении. В то время как ПК - многочастичная система, в которой нужно учитывать корреляционные эффекты явно. Здесь возможна кулоновская блокада тукнелирования электронов (КБТ).

Руководствуясь этими соображениями, нами была решена, в приближении слабых и средних полей, задача дискретного туннелирования (ДТ) сквозь цепочку из сколь угодно большого числа наноразмерных металлических или полупроводниковых гранул в диэлектрической среде. Получен закон экспоненциального полевого роста тока. Решение задачи есть в четвёртой главе настоящей работы.

Следует отметить, что в литературе транспорту тока в ПК посвящено сравнительно мало работ. В них не предпринимались попытки выйти за рамки одноэлектронного приближения, применить идею ДТ. Для приготовления пористых слоев использовался слабо легированный кремний. Не исследовались электрические характеристики ПК в динамическом режиме.

Вторая глааа - методическая, здесь изложена технология приготовления и методы исследования структур с ПК. Особенность настоящей работы - исследование ПК, приготовленного на сильно легированном мелкими примесями кремнии (1018 -1019см"3). Это позволило свести к минимуму вклад области пространственного заряда (ОГО) подложки в ВАХ диодных структур (ДС) с пористым слоем. А так же достичь заметного влияния примеси на электрофизические свойства кремния, что согласуется с оценкой высокой плотности электрически активных состояний на границе Si-SiOa, приведённой в первой главе.

Пористые слои готовились стандартным способом анодного травления в электролите, содержащем равные количества этанола н плавиковой кислоты. Время травления варировалось от 1 до 10 мин., плотность тока -'от 5 до 50 мА/см2. Часть образцов подвергалась окислительному отжигу на воздухе в температурном интервале 300-900°С.

На рисунке 1 схема измерений ВАХ диодных структур с прослойками ПК, оксида кремния, нитрида кремния. В последнее время для подобных измерений используется автоматизированный мультиметр фирмы Agilent В1500А.

На рисунке 2 схема измерений осцилляций напряжения. РИН задавал ток через диодную структуру, ГСС ВЧ калибровался по напряжению ИУ ВЧ. Осцилляции напряжения и импеданс регистрировались супергетеродинным приёмником в приборе Л2-7.

Р?3500 ИДС К

ГСС ВЧ

-1- К1 Л 7ь

кш=103.10<,...10|20м

Рис.1. Схема измерений ВАХ диодных структур (ДС) с прослойками ПК, вЮз, РИН - регулируемый источник напряжения; ИДС - исследуемая диодная структура; В - электрометрический вольтметр ВК2-16.

Рис.2. Схема измерений шумовых характеристик ДС с прослойками ПК: ГСС ВЧ - ВЧ генератор Г4-158; ИУ ВЧ ~ избирательный усилитель ВЧ; РИН -регулируемый источник напряжения.

Спектры ЭПР записывались на трёхсантиметровых спектрометрах -модернизированном отечественном приборе ЭПА-2М или спектрометре ЕМХ фирмы Брукер.

В третьей главе представлены результаты исследований структуры, ЭПР, поперечного транспорта тока, ФЛ ПК.

Пористый кремний на сильно легированном мелкими примесями кремнии, согласно опубликованным и нашим данным электронной микроскопии (рис.3), имеет волокнистую структуру с размерами волокон -10 нм.

□ воздух

Рис. 3. Вид бокового скола монокристалла КДБ (111) 0.005, полученного с помощью растрового электронного микроскопа.

Рис. 4. Схематическое изображение структуры ПК.

Учитывая естественное окисление кремния, ПК можно схематически представить гирляндами наноразмерных гранул кремния в диэлектрике из воздуха и оксида кремния (рис.4).

По нашим данным ЭПР нами впервые установлено влияние уровня и типа легирования мелкими примесями на Рь-центры в ПК. При этом уровень легирования должен быть свыше 10 см"3, что согласуется с оценкой поверхностной плотности Рь-центров и электронных состояний на границе БьЗЮг, приведённой в главе 1. Методом ЭПР нами впервые обнаружены Рь-центры в пористом кремнии на кристаллах с электронным типом проводимости. Принадлежность этих линий ЭПР Рь-центрам подтверждается сходством их угловых зависимостей с аналогичными литературными данными (рис.5).

30 60

Angle, degrees

2.010

2.006

2.004

2 £02

2.000

-10

10

angle (deg)

Рис. 5. Угловые зависимости линий ЭПР ПК, сформированного на КЭС 0.01 (слева), аналогичные литературные данные дня Рь-центров в ПК (справа).

Одинаковый ход отдельных составляющих температурных зависимостей этих линий свидетельствует об их принадлежности одним и тем же парамагнитным центрам, то есть Рь-центрам (рис.6).

6

э ш

£5,5

ср. 0 о Рис.6. Температурные зависимости

%

3456789 10 11 Ю'/Т, К'

шггенсивностей линий ЭПР ПК на КЭМ 0.005

обез дополнительной обработки. Магнитное • поле параллельно плоскости (110).

Уже первые измерения показали, что ВАХ ПК существенно нелинейные. По мере хранения и в результате отжига пористые слои становились всё более высокоомными вследствие окисления кремния в ПК.

Наши первые измерения в районе 1 мА показали, что ВАХ диодных структур с ПК могут быть описаны степенным квадратичным законом теории инжекционных токов. Однако дальнейшее расширение диапазона измерений на 10-13 порядков в область меньших токов дало более крутые степенные участки с показателем ~8-9 (см. рис.7 в двойном логарифмическом масштабе), которые уже трудно было объяснить инжекционными токами.

Все особенности поперечного транспорта тока в ПК хорошо описываются, полученными нами в четвёртой главе, линейным и экспоненциальным законами ДТ:

ЗсИ -

Уе1

(Ы+\)ЯСкТ ,2

е

СкТ

е

"СкГ

ехр

Уе_)

{Ы+\)кТ)

(О

(2)

На рисунке 7 слева внизу приведены в различных масштабах две из множества подобных наших экспериментальных ВАХ диодных структур с толщиной пористого слоя, отличающейся в два раза. На графике в линейном масштабе видно, что напряжение выхода из кулоиовской блокады туннелирования пропорционально толщине образца: 1}кбг~Ь, следовательно ВАХ определяется объёмными процессами, а

-2 -3 -4 -5 РЗ сп -8 -9 -10 -11 -12 -13 -1

/

/

-/-А

/

у

,5 -0,5 0,5 1,5 •эС^. V)

Г~]воздух Я 5х0г Р'! 51

Рис.7. Экспериментальные ВАХ двух диодных структур с ПК толщиной 1.5 мкм (светлые точки) и 3 мкм (тёмные точки) на КЭС 0.01 после 10 мин. отжига при 700°С в трёх различных масштабах и схематичная картина распределения крупных фрагментов и одиночных гранул кремния.

не контактными явлениями. По наклону экспоненциального участка ВАХ в полулогарифмическом масштабе согласно (2) можно оценить число гранул N вдоль линии тока \Numar-7 и Ызма, ~13 для структур на рисунке 7). Напряжение перехода от линейного к нелинейному участкам ВАХ по механизму ДТ пропорционально числу гранул вдоль линии тока, а значит и толщине пористого слоя: [/^-N-1, эта пропорциональность характерна для наших образцов. В то время как по теории инжекционных токов Уог-Ь2, что противоречит эксперименту.

Дополнительный отжиг, как и следовало ожидать, уменьшил проводимость пористого слоя (рис.8). Согласно наклону экспоненциально участка в полулогрифмическом масштабе число гранул вдоль линии тока возросло до 300. Это объяснимо тем, что в ПК более крупные фрагменты кремния распались на отдельные наноразмерные частицы Б!, как на рис.4, вследствие окисления ПК. Напряжение выхода из кулоновской блокады туннелировапия увеличилось более чем на порядок.

5 4 о I-2 0 ' а

/

/

1

J

20 40 60 80 У У

-6 -7 -в _ -9 < -10 ~ -12 -13 -14 -15 1 С б

А

Г

р

Г

10 20 30 40 50 60 70 V.V

0

=-2

я

"-3 -4

........ в

У

п

-с Г !

-1,5 -0,5 0,5 1,5

Рис. 8. Экспериментальная ВАХ (а, б) диодной структуры с прослойкой ПК толщиной 3 мкм на КЭС 0.01 после 10 мин отжигов при 7000С и 900 С.

Рис. 9. ВАХ (в) диодной структуры с прослойкой ПК толщиной 1 мкм на КДБ (110) 0.001 при 293К и 77К.

Подобные ВАХ были получены для диодных структур со слоями ПК на кремнии р+-типа, оксида и нитрида кремния, которые также представляются как гранулированные среды.

ВАХ при различных температурах на рисунке 9 позволяют оценить ёмкость гранул кремния в ПК

С = =1.2-10-'*Ф, (3)

~10'" Ф, соответствующую диаметру гранул ~5 им, что согласуется с вышеприведёнными данными высокоразрешающей электронной микроскопии.

Рис.10. Частотная зависимость коэффициента шума К. диодной структуры с прослойкой ПК на КДБ 0.001 в прямом сверху и обратном снизу полярностей включения при различных токах.

Величина ёмкости гранул -10 Ф позволяет ожидать при комнатной температуре одноэлектронные осцилляции с частотой /=1/е согласно теории дискретного туннелирования для одиночного туннельного перехода. Для наших диодных структур с прослойкой ПК, площадью около 0-25 мм2 и расстоянием между гирляндами гранул в ~10 им такие осцилляции должны быть на частоте около 1МГц при токе 1 мА. Эти осцилляции действительно наблюдались (рис.10), и именно на частотах в районе 1 МГц. Однако не было простого линейного смещения пика в сторону больших частот с увеличением силы тока, согласно простой формуле /=1/е. Тем не менее, по крайне мере при обратном направлении тока, имело место высокочастотное расширение спектра. Вероятно для трёхмерной системы гранул ПК спектр шумов сложнее, чем для ДТ сквозь один туннельный переход.

В последнем разделе главы 3 представлены данные ФЛ ПК. В соответствии с выводами главы 1 для подавления влияния Рь-центров безызлучательной рекомбинации и повышения квантового выхода ФЛ ПК необходимы:

- оптимальный уровень легирования кремния мелкими примесями -акцепторами;

- окислительный отжиг структур с ПК, сводящий к минимуму механические напряжения на гетерогранице кремний-оксид кремния, которые приводят к образованию дислокаций и, следовательно, Рь-центров.

Наши эксперименты с термическим и химическим окислением ПК подтвердили эти выводы. Было установлено, что наиболее интенсивные спектры ФЛ наблюдались в ПК на КДБ 0.3 (рис.11). Холодное окисление в азотной кислоте увеличило

4000 3500 э 3000

CD

- 2500

g 2000 f 1500

~ 1000 500

о

KD60.3+PS

KD60.3+PS+700C

KDB0.3+PS+HN03

700 800 800 wave length, nm

1000

Рис.11. Спектры ФЛ ПК на КДБ 03. Средний спектр для исходного образца со слоем ПК. Верхний и нижний -спектры образцов после «холодного» окисления ПК в азотной кислоте и после высокотемпературного окислительного отжига в течение 10 минут при 700°С на воздухе, соответственно.

интенсивность в 2 раза, что может быть связано с возрастанием числа мелких гранул кремния вследствие распада крупных фрагментов ви В то время как высокотемпературный отжиг при 700°С подавлял свечение на несколько порядков. Это объяснимо тем, что более чем девятикратная разница в температурных коэффициентах расширения кремния и его оксида при 700°С способствует росту механических напряжений на гетерогранице и стимулирует образование дислокаций и Рь-центров безызлучательной рекомбинации.

В четвёртой главе настоящей работы в приближении слабых и средних полей аналитически решена задача ДТ сквозь цепочку из сколь угодно большого числа наноразмерных металлических гранул в диэлектрике. Получена линейная и экспоненциальная зависимость полевого роста тока.

ч^» Рис.12. Эквивалентная схема цепочки гранул с

туннельным сопротивлением Я между ними. Роль общего электрода - «земли» выполняет

: С =р С' =т= С =ф= бесконечно большое и бесконечно удаленное _I_I . I тело.

Цепочку наноразмерных гранул можно представить эквивалентной схемой из ёмкостей С, туннельных сопротивлений Яг и генератора тока 1о- Роль земли выполняет бесконечно большое и бесконечно удалённое тело.

Состояние интересующей нас системы описывается гамильтонианом:

Я^Я^+Я^ + Я^+Яг , (4)

где Hof-Л~ гамильтониан всей совокупности не взаимодействующих тел, 1

е, - энергия электронов на i-н грануле, л, - оператор числа электронов на /-й грануле;

= = ~^ - корреляционный вклад кулоповского

<2 , Ct

взаимодействия;

Hv = слагаемое, появляющееся при включении электрического поля и

определяемое разностью потенциалов между соседними гранулами;

N+Z , ч

Нт = ^l\fai.jaa,+aaiaai_,) ~ туннельный член зависит амплитуды

<">

туннелирования между соседними гранулами Гу.;, операторов рождения и уничтожения электронов а*, а,.

В стационарном состоянии считаем гранулы независимыми:

HOF+HCF = Y(Ho + Hc)f (5)

/

В этом состоянии собственные функции гамильтониана связаны с матрицей плотности состояний р и большой статистической суммой W{nJ

^{р}{ш}= Н"^) = У s »Y«a."l ,-.«Jv+i Л (6)

КЛ

Далее решалось уравнение Лиувилля с включенным туняелированнем, которое рассматривалось как возмущение

ар'/а=-!-[#',р'], (7)

Получена система уравнений для скорости изменения возмущённой функции распределения электронов на гранулах W, которая отображает всевозможные одноэлектронные переходы между соседними гранулами с рождением и уничтожением экситонов на них

'n+1 N

J"О )

+ sW^'+ - lnj-i+l}+p(nj + l«j-i-vw{4,nj +1 -l})+ (8)

M j=o

где Р - вероятности или частоты переходов, определяемые выражениями вида

= 4Г^,Re X p(i-'')<<V,('К.,(О>„„,,_<<«К,</-)>.

После перехода от суммирования по импульсам к интегрированию по энергиям получаем все восемь частот переходов в виде

Р( иу, ) = ЕП] _!-Е„.1+1„м +еУиА),

= ХЕ„н_) -+!,„, "е-1Л

Р(пм +1,иу-\) = %м-1/(Е„/1+1„н -Еп._„г 1

Р(П] = %и-хГ(Еп. - Еп. ь„м + с К,-

¿>(л/+1.л/-ц -и = -Е„м>п^1 -eVj+lj),

где Л - параметры туннелирования, связанные с плотность электронных состояний на уровне Ферми, функция { определяется изменением энергии системы двух гранул при одноэлектроиных переходах; , - разность потенциалов между

соседними гранулами зависит от смещения их уровней Ферми в электрическом поле. Из условия Ш'(щ)/д1 = Ополучаем уравнение стационарности

+ + -1)»^,л, -1})+

ж у'

V'-1 У

Поскольку предметом нашего интереса является режим малых токов до начала выхода из режима кулоновской блокады туннелирования, используем приближение достаточно слабых полей

(11)

и достаточно низких температур

ещ>(Е„м-£.л_,)/кТ»1. (12)

Для случая, когда все гранулы являются одинаковыми

где взаимная корреляционная энергия (ВКЭ) соседних гранул и корреляционная энергия не зависят от номера гранулы (11^.1=1^=1/). При этих условиях и одинаковых параметрах туннелирования влево и вправо - = Я. выражение (10)

сводится к формуле:

1

2(И + 1)

(М)

ехр(и / кТ),

2 {«/.«/ "'-"/И -ф

из которой видно, что каждая из неравновесных величин ж{п(,л/±1,пу_,+1} или И^.и, ±1,лу,| Т1} удовлетворяет условию малости

И'Ц-.л, ±1,и;_1 Т1}« + Ф{п1}ехр(~и/кТ)<< (15)

Поэтому при вычислении тока сквозь цепочку гранул с малой погрешностью можно использовать равновесную статистическую сумму. Средний ток цепочки гранул равен току между любой парой соседних гранул, который определяется суммой вкладов в процесс туннелирования по полю и против него со всевозможными весовыми значениями

"ог+1 "ог+1 "ог+1

I I ... 1К{>ч}(Г(пР"]-1)-Р(«]-

"0=пог-1п\=пог-1 пУ+1=лог-1

Я е(Р(п}, )-Р( л7_,, п} )) « ^ «р^- —

(16)

лс

с*г

После преобразований с использованием условия нормировки, явного вида частот переходов, выражений для ёмкости и туннельного сопротивления, с учётом того, что напряжение цепочки равно сумме падений напряжения между соседними гранулами, получаем закон изменения тока с напряжением цепочки наноразмерных металлических гранул в диэлектрической среде

еУ ^

' ксещ{ от)^

(К+1)кТ )'

который переходит в линейный в приближении слабых полей « кТ)

е2У ( и \

Ы'

(17)

1сИ =

е2Г

(К+\)ЧСкТеХР\ СкТ

-еЩ

(N + 1 )КСкТ

и в экспоненциальный - в приближении средних полей (I/ >>еУи_, » кТ)

=-

п/-—1 Л Уе )= е е ( У е1

ЛС \ СкТ) ц^ + ^г; ЯС гкТ\Ы +1 где под N имеется ввиду число гранул между металлическими берегами.

Выводы

1. Анализ опубликованных экспериментальные данных ЭПР, ФЛ и других методов исследования наноразмерных гетероструктур БьвЮг, показал, что природа Рь - центров безизлучательной рекомбинации связана , вероятно, с дислокациями в кремния вблизи границы кремний-оксид кремния.

2. Мелкие в объёмном кремнии примеси элементов Ш и V групп периодической таблицы Менделеева в согласии с известной высокой плотностью состояний на границе 81-БЮ2 влияют на ЭПР Рь -центров безизлучательной рекомбинации при концентрации свыше 101' см"3. Акцепторная примесь бора подавляет ЭПР Рь -центров.

3. Поперечный транспорт тока в ПК, сформированном на сильно легированном мелкими примесями кремнии может быть объяснён на основе теории инжекционных токов в диэлектриках и дискретным туннелированием электронов или дырок между наноразмерными частицами кремния.

4. Шумовые характеристики диодных структур с прослойкой ПК, сформированном на кремнии как р+- так и гН-типов, показывают немонотонный спектр колебаний напряжения, с пиками избыточных шумов в районе частот, соответствующих одноэлектронным осцилляцмм при дискретном туннелировании электронов или дырок.

5. Для получения высокого квантового выхода ФЛ ПК на красной границе видимого диапазона длин волн необходимы оптимальный уровень легирования исходного кремния мелкими акцепторами и оптимизация режима окислительной пассивации ПК, при котором механические напряжения на границе кремний-оксид кремния сводятся к минимуму.

6. Теоретически выведен характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, позволяющий объяснить ВАХ диодных структур с прослойкой ПК и ему подобных систем.

Список цитированной литературы

1. Thieß, W. Optical properties of porous silicon / W. Thieß // Surf. Sei. Rep. - 1997. -Vol.29, Nos3/4.-P.91-192.

2. Bisi, S. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics / O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surf. Sei. Rep. - 2000. - Vol.38, Nosl/3. - P.l-126.

3. П.К. Кашкаров, Необычные свойства пористого кремния, Соросовский

Образовательный Журнал, том 7, №1,2001, с.102-107.

4. С.П. Зимин, Пористый кремний - материал с новыми свойствами, Соросовский

Образовательный Журнал, том 8, №1,2004, с.101-107.

Публикации по теме диссертации

1 А. Демидова, Н.Е. Электронный парамаг нитный резонанс в пористом кремнии / Е.С. Демидов, В.Г. Шенгуров, Н.Е. Демидова, ВЛ. Шабанов // ФТП. - 1994. - Т. 28, Вып.4. - С. 701-705; Вып.8. - С.1503. 2А. Демидова, Н.Е. Д искретное туннелировакие дырок в пористом кремнии/ Е.С. Демидов, Н.Е. Овчаренко (Демидова), В.В. Карзанов, ДА. Жестин // Оптика полупроводников: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Ул. гос. ун-т. - Ульяновск, 2000. -С.112

ЗА. Демидова, Н.Е. ЭПР и электрические свойства пористого кремния / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов // XDC научные чтения им. Н.В.Белова: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Нижегород. гос. ун-т. - Н-Новгород, 2000. - С. 121. 4А. Демидова, Н.Е. Дискретное туннелирование электронов или дырок и инжекциониые токи в пористом кремнии с примесями d-, f-переходных элементов / Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Д.И. Жестин, Н.Е. Демидова, A.C. Калмыкова // Оптика, оптоэлектроника и технологии: сб. тр. Междунар. науч. конф. / Ул. гос. унт. - Ульяновск, 2001. - С.112. 5А. Демидова, Н.Е. Пики избыточных шумов диодных структур на пористом кремнии/ Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, ВЛ. Карзанов, В.Н. Шабанов// Нанофотоника: сб. тр. совещ. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2002. - С. 157-160. 6А.Демидова, Н.Е. ЭПР в термических и ионно-имплантированных структурах/ Е.С. Демидов, В Л. Карзанов, Н.Е. Демидова // Физические и физико-химические основы ионной имплантации: сб. тр. IV Всероссийского семинара / Нижегород. гос. ун-т. -Н.Новгород, 2002. - С.35-37.

7А. Демидова, Н.Е. Избыточные шумы в структурах на основе плёнок SiOi, облученных ионами кремния / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, Д.И. Тетельбаум, В.Н. Шабанов II Физические в физико-химические основы ионной имплантации: сб. тр. IV Всероссийского семинара / Нижегород. гос. ун-т. - Н.Новгород, 2002. - С.81-82.

8А.Демидова, Н.Е. Пики избыточных шумов диодных структур на пористом кремнии / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, ВЛ. Шабанов // Письма в ЖЭТФ. -2002. - Т.75. - Вып.11. - С.673-675.

9А.Демидова, Н.Е. ЭПР и люминесценция в наноразмерных гетероструктурах Si-SiCh / Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова//Нанофотоника: сб. тр. совещ. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2003. - С.48-51. 10А. Демидова, Н.Е. Электронный парамагнитный резонанс, волыамперные характеристики и шумовые свойства слоёв пористого кремния / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов // Материалы нано-,микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб.тр. 2-й межрегион, научн. шк. для асп. и студ. / Саранск, 2003. - С.98. 11 А. Демидова, Н.Е. Перенос тока в пористом кремнии, сформированном на сильно легированных мелкими примесями монокристаллах кремния / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, Д.А. Жестин II Оптика, оптоэлектроника н технологии: сб. тр. Междунар. научн. конф. / Ул. гос. ун-т. - Ульяновск, 2003. - С.199. 12А. Демидова, Н.Е. Избыточные шумы в структурах на основе плёнок S1O2, облученных ионами кремния/ Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, В.Н. Шабанов // Вестник Нижегородского госуниверсикга, серия Физика твёрдого тела. - 2003. - Вып. 1(6). - С.66-69. 13А. Демидова, Н.Е. ЭПР и электрические свойства пористого кремния / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, И.С. Белорунова II Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика: сб. тр. X Междунар. научн.-техн. конф. студ. и аспир. / Москва, 2004. - С.231-232. 14А. Демидова, Н.Е. ЭПР и электрические свойства пористого кремния / И.С. Белорунова, Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов // Голубая Ока: сб. тр. IX Нижегород. сессии молодых ученых / Н.Новгород, 2004. - С. 65. 15А. Демидова, Н.Е. Свойства силиката магния с примесью хрома в пористом кремнии / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, И.С. Белорунова, О.Н. Горшков, М.В. Степяхова, А.М. Шаронов И Нанофотоника: сб. тр. совещ. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2004. - С.267-270. 16А. Демидова, Н.Е. ЭПР и перенос тока в пористом кремнии, сформированном на сильно легированных мелкими примесями монокристаллах кремния / И.С. Белорунова, Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, Д.А. Жестин // Аморфные н микрокристаллические полупроводних: сб. тр. IV Междунар. конф. ! Санкт-Петербург, 2004. - С. 129. 17А. Демидова, Н.Е. Электронный парамагнитный резонанс и перенос тока в пористом кремнии / И.С. Белорунова, Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов II Материалы нал о-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Межрегион, научн. шк. для студ. н асп. / Саранск, 2004. - С. 77. 18А. Демидова, Н.Е. Свойства силиката магния с примесью хрома в пористом кремнии. / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, И.С. Белорунова, О.Н. Горшков, М.В. Степихова, А.М. Шаронов // ФТТ. - 2005. - Т.47. - Вып.1. - С. 136138.

19А. Демидова, Н.Е. ЭПР и перенос тока в пористом кремнии. / И.С. Белорунова, Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов // Физические и физико-химические основы ионной имплантации: сб. тр. VII Всерос. сем. / КНовгород, 2004. - С. 112. 20А. Демидова, Н.Е. Перенос тока в Нитриде кремния, синтезированном ионной имплантацией азота в кремний / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, К.А. Марков II Физические и физико-химические основы ионной имплантации: сб. тр. VII Всерос. сем. / Н.Новгород, 2004. - С.ЗЗ. 21 А. Демидова, Н.Е., Демидова Н.Е., Экспоненциальный полевой рост проводимости в гранулированных средах, обусловленный кулоновской блокадой туннелирования / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Нанофизика и наноэлектропика: сб. тр. симпоз. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2005. - C.I94-195.

22А. Демидова, Н.Е. Карзанов В.В., Демидова Н.Е., Белорунова И.С., Горшков О.Н., Марычев М.О. Свойства силиката эрбия с примесью хрома в пористом кремнии. / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, И.С. Белорунова, ОЛ. Горшков, М.О. Марычев // Нанофизика и ианоэлектроника: сб. тр. симпоз. / ИФМ РАН. -Н.Новгород, 2005. - С.346-347.

23А. Демидова, Н.Е. Свойства силикатов мапшя и эрбия с примесью хрома в пористом кремнии / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, И.С. Белорунова, О.Н. Горшков, М.О. Марычев, М.В. Степихова, А.В. Шаронов // Фундаментальные проблемы физики: сб. тр. Ш Междунар. научн. конф. / Казань, 2005. - С.140.

24А. Демидова, Н.Е. Формирование оптически активных оксидных фаз переходных и тяжёлых элементов в пористом кремнии. / И.С. Белорунова, Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. IV Межрегион, молодежи, научн. ппс. / Саранск, 2005.-С.141.

25А. Демидова, Н.Е. ЭПР и люминесценция в наноразмерных гетероструиурах Si-SiOz / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник Нижегородского госуниверситета, серия Физика твёрдого тела. - 2005. - Вып. 1(8). - С. 22-46.

26А. Демидова, Н.Е. Свойства силиката эрбия с примесью хрома в пористом кремнии/ Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова, И.С. Рассолова, О.Н. Горшков, М.О. Марычев, М.В. Степихова, А.М. Шаронов // ФТТ. - 2007. - Т.49. -Вын.3.-С.508-511.

27А. Демидова, Н.Е. Экспоненциальный полевой рост проводимости в гранулированных средах, обусловленный кулоновской блокадой туннелирования/ Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник Нижегородского госуниверситета, серия Физика твердого тела. - 2007. - Вып.4. - С.39-46.

28А. Демидова, Н.Е. Дискретное туннелирование в электронных транспортных свойствах наногранулированного пористого кремния и подобных гетерофазных системах / Е.С.Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, К. А. Марков, В. В. Сдобников, С. А. Филлипов // Нанофизика и ианоэлектроника: сб. тр. симпоз. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2008. - С.305-306.

29А. Демидова, Н.Е. Увеличение эффективности фотолюминесценции эрбия в теллуридаом стекле путём передачи энергии через нанокристаплы кремния / Е.С. Демидов, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, Н. Е. Демидова Ю.И. Чигиринский, Ю.А. Дудин, А.Н. Шушунов, ДЛ. Тетельбаум, С. А. Филиппов Н Оптика, оптозлектроншса и технологии: сб. тр. Междунар. научн. конф. / Ул. гос. ун-т. -Ульяновск, 2008. - С.37.

ЗОА. Демидова, Н.Е. Фотолюминесценция пористого кремния, пропитанного теллуридным стеклом с примесями эрбия и иттербия / Е.С. Демидов, А.Н. Михайлов, А.Н. Белов, Н.Е. Демидова, Ю.И. Чигиринский, А.Н. Шушунов, Д.И. Тетельбаум, О.Н. Горшков, С .А. Филлипов // Нанофизика и ианоэлектроника: сб. тр. симпоз. / ИФМ РАН. - Н.Новгород, 2009. - С.326-327.

31 А. Демидова, Н.Е. Люминесцентные и транспортные свойства пористого кремния, пропитанного вольфрам-теллуридным стеклом с примесями иттербия и эрбия / Е.С. Демидов, Н. Е. Демидова, А.Н. Михайлов, АЛ. Белов, Ю.И. Чигиринский, Ю.А. Дудин, А.Н. Шушунов, Д.И. Тетельбаум // Физика полупроводников - УНКФП-4: сб. тр. IV Укр. научн. конф. / Запорожье, 2009. - С.125.

32А. Демидова, Н.Е. Дискретное туннелирование в электронных транспортных свойствах наногранулированного пористого кремния и подобных гетерофазных системах / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, К .А. Марков, В.В. Сдобнгков // ФТТ. - 2009. - Т.51. - Вып.10. - С.1894-1899.

Подписано в печать 07.04.2010. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Объём 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 227

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭПР И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В НАНОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ Si-Si02 И МЕХАНИЗМЫ НЕЛИНЕЙНОГО ТРАНСПОРТА ТОКА В ДИЭЛЕКТРИКАХ И НЕКРИСТАЛЛИЧЕКИХ

ВЕЩЕСТВАХ (АНАЛИТИЧНСКИЙ ОБЗОР).

1.1. Введение.

1.2. ЭПР и люминесценция в наноразмерных гетероструктурах Si-Si02.

1.2.1. Наиболее значимые парамагнитные центры.

1.2.2. Рь-центры.

1.2.2.1 Рь-центры в ориентированных гетероструктурах.

1.2.2.1.1 Рь-центры на плоских границах Si-Si02.

1.2.2.1.2 Рь-центры в пористом кремнии.

1.2.2.2. Рь-центры в структурах с хаотической ориентацией нанокристаллов кремния.

1.2.2.2.1. Рь-центры в напылённых плёнках Si02 с избытком кремния.

1.2.2.2.2. Рь-центры в S1O2, облученном ионами кремния.

1.2.3. ЕХ-центры.

1.2.4. Е'-центры.

1.2.5. Заключительное обсуждение.

1.3. Литературные сведения о механизмах нелинейного транспорта тока в диэлектриках и некристаллических веществах. Три вида нелинейностей.

1.4. Литературные сведения о транспорте тока в ПК.

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ, СФОРМИРОВАННОГО НА СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННОМ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ КРЕМНИИ.

2.1. Введение.

2.2. Технология.

2.2.1 Изготовление структур с пористым слоем кремния.

2.2.2. Нанесение металлических контактов.

2.2.3. Окислительный отжиг пористого кремния.

2.3. Методы исследования.

2.3.1 Измерение вольтамперных характеристик.

2.3.2 Измерение шумовых характеристик.

2.3.3 ЭПР спектроскопия.

2.3.4 Другие методы исследований.

Глава 3. СТРУКТУРА, ЭПР, ПОПЕРЕЧНЫЙ ТРАНСПОРТ ТОКА И

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В ПОРИСТОМ КРЕМНИИ.

3.1. Введение

3.2. Структура пористого кремния.

3.3. ЭПР в пористом кремнии.

3.3.1. Введение.

3.3.2. Влияние типа и уровня легирования на ЭПР в пористом кремнии.

3.3.2.1 Методика эксперимента.

3.3.2.2 Результаты эксперимента.

3.3.3. Угловые зависимости ЭПР ПК на сильно легированном кремнии.

3.3.4. Температурные зависимости ЭПР в ПК на сильно легированном кремнии.

3.4. Поперечный транспорт тока в пористом кремнии.

3.4.1. Статические вольтамперные характеристики.

3.4.2. Экспериментальные вольтамперные характеристики диодных структур с прослойкой ПК.

3.4.2.1. Изменение вольтамперных характеристик со временем.

3.4.2.2. Обсуждение данных поперечного транспорта тока на основе теории инжекционных токов в диэлектриках.

3.4.2.3. Диодных структуры с прослойкой ПК со сверхквадратичным ростом тока с напряжением.

3.4.2.4. Поперечный транспорт тока в тонких слоях оксида кремния.

3.4.2.5. Поперечный транспорт тока в слоях нитрида кремния, полученных ионной имплантацией азота в кремний.

3.4.2.6. Транспорт тока в ПК, легированном переходными элементами.

3.4.3. Пики избыточных шумов в пористом кремнии.

3.5. Фотолюминесценция ПК.

3.5.1. Введение.

3.5.2. Фотолюминесценция ПК в пограничном к видимому излучению диапазоне длин волн.

4.2 Исходные предположения.111

4.3. Решение задачи для цепочки гранул в приближении однородного среднего поля.115

4.4. Сравнение с экспериментом.124

4.5. Заключение.128

Общее заключение.128

Литература.130

Публикации по теме диссертации.139

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейший прогресс твердотельной электроники связывается с интенсивно развиваемой в настоящее время наноэлектроникой, созданием структур с размерами активных и пассивных областей в единицы нанометров [1 —5]. При этом не только увеличивается степень интеграции, но и особенно начинают проявляться и использоваться качественно новые физические явления, такие как квантовые размерные эффекты и кулоновская блокада туннелирования. Эти явления позволяют на порядки увеличить быстродействие электронных устройств, уменьшить энергопотребление и стоимость обработки информации в цифровых устройствах, увеличить чувствительность к малым сигналам аналоговых приборов. Появляются новые возможности и в развитии наиболее распространённой кремниевой твердотельной электроники. Все наноразмерные структуры являются гетероструктурами, в которых, в общем случае, наряду с полупроводниковыми фазами присутствуют диэлектрические и металлические фазы. В настоящее время объектом многочисленных исследований, отображённых в ряде обзоров [б - 10], является наноразмерная гетероструктура - пористый кремний (ПК), в котором сочетаются наноразмерные области кремния и диэлектрических фаз оксида кремния и воздуха. ПК интересен как в прикладном, так и познавательном плане. Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию представлений об электрофизических свойствах ПК.

Впервые пористые слои на кремнии были получены случайно при отработке режимов анодной электрополировки кремния в вводно-спиртовом растворе плавиковой кислоты [11]. Было установлено, что при пониженных плотностях тока на поверхности монокристаллического кремния образуются цветные слои, в которых в дальнейшем была обнаружена наноразмерная пористая структура. Вначале такие пористые слои стали применять для получения с последующим окислительным отжигом толстых диэлектрических слоев оксида кремния в микроэлектронике. Особенно большой интерес к ПК возник в связи с обнаружением в нём видимой люминесценцией и возможным проявлением квантово-размерных эффектов, впервые отмеченных автором [12]. Квантово-размерные эффекты приводят к такой перестройке электронных состояний, которая позволяют преодолеть главный недостаток монокристаллического кремния - его непрямозонность, препятствующий созданию кремниевых излучателей света для оптоэлектронных устройств, совместимых с наиболее распространённой кремниевой технологией микроэлектроники. Наблюдалась фотолюминесценция в диапазоне от ближнего ИК излучения до голубого свечения, в районе красного 5 излучения была достигнута квантовая эффективность фотолюминесценции ПК до 10% [8]. Вместе с тем было установлено, что возможность управления в широких пределах пористостью слоев и эффективными показателем преломления и диэлектрической проницаемостью позволяют создавать периодические структуры ПК для оптических избирательных фильтров и отражателей. Поэтому, уже в первых обзорных работах [6,7], наряду с данными о технологии и структуре, наибольшее внимание уделено механизмам люминесценции и оптическим свойствам диэлектрических мультислоёв с избирательными отражением и пропусканием света для планарных световодов, оптических интерференционных фильтров и фотонных кристаллов [8-10]. Важно, что и механизм электрохимического анодного травления, обеспечивающего наноразмерную пористую структуру, объясним на основе квантового конфайнмента [8], что является предпосылкой для нового направления - квантовой электрохимии травления кристаллов. Сильно развитая поверхность ПК до 10 м /см отрицательно сказывается на стабильности его свойств из-за высокой абсорбционной способности, но может быть использована для применения ПК в газовых сенсорах [9,10]. В последнее время были предложены новые области применения пористого кремния для создания акустических излучателей широкого диапазона, использование пористых слоев для отделения и перенесения монокристаллических кремниевых пленок на другие подложки и т.д. [10]. В работе [13] была приведена аргументация, согласно которой ПК представляет собой систему наноразмерных частиц кремния, вкрапленных в диэлектрический оксид кремния, было предположено, что вследствие малой ёмкости близко расположенных наночастиц кремния должна проявляться кулоновская блокада туннелирования, впервые экспериментально наблюдались признаки дискретного туннелирования на вольтамперных характеристиках диодных структур с прослойкой ПК.

Таким образом, уникальные свойства ПК обуславливают его многочисленные применения в микроэлектронике, наноэлектронике, оптоэлектронике и даже в технологии биосовместимых материалов [10]. Вместе с тем ПК является интересным модельным объектом для развития физики токопереноса, фото- и электролюминесценции в наноразмерных гетероструктурах, физики фотонных кристаллов. Однако, хотя к началу выполнения настоящей работы изучению свойств ПК было посвящено множество исследований, многое оставалось не прояснённым, в частности:

- не было единого мнения о природе люминесцентных свойств ПК, связана ли она с излучательной электронно-дырочной рекомбинацией или с локальными центрами и химическими агрегатами Si-H, Si-O-H на границе кремния в порах;

- противоречивыми были данные об электронных состояниях в ПК, получаемых методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в частности о центрах безизлучательной рекомбинации, которые подавляют люминесценцию пористых слоев кремния, в обзорных работах не было проведено детальное сопоставление данных ЭПР гетероструктурной границы кремний - оксид кремния, ЭПР и фотолюминесценции ПК;

- слабо было изучено влияние примесей на электрофизические свойства ПК, считалось, что мелкие в объёмном кремнии примеси элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева практически не влияют на электропроводность ПК;

- слабо изучен транспорт тока в ПК, практически не рассматривался механизм переноса тока в пористых слоях путём дискретного туннелирования электронов или дырок или так называемая кулоновская блокада туннелирования.

В связи с выше изложенным, в настоящей работе были поставлены следующие задачи.

1. Детально проанализировать литературные экспериментальные данные с сопоставлением результатов исследований ЭПР гетероструктурной границы кремний - диоксид кремния, ЭПР и фотолюминесценции ПК и других родственных наноразмерных объектов на основе кремния для прояснения природы центров безызлучательной рекомбинации.

2. Экспериментально исследовать ЭПР в ПК, сформированном на монокристаллах кремния с различным типом и уровнем легирования мелкими в объёмном кремнии примесями элементов III и V групп Периодической таблицы Менделеева, а также переходными элементами с целью выяснить влияние таких примесей на центры безызлучательной рекомбинации и возможности расширения люминесцентных свойств ПК в актуальную для волоконной оптики область более длинноволновой ИК люминесценции.

3. Экспериментально исследовать статический и динамический поперечный транспорт тока в диодных структурах с прослойкой ПК на предмет дальнейшего прояснения вклада различных механизмов переноса тока, в частности, дискретного туннелирования в электропроводность ПК, что представляется важным при определении условий наиболее эффективной электролюминесценции структур на основе ПК и ему подобных систем.

4. Теоретически изучить проявление кулоновской блокады туннелирования в электропроводности ПК в приближении гранулированной среды. Применить результаты для анализа транспорта тока в ПК.

Актуальность работы обусловлена интенсивным развитием в настоящее время нанотехнологий в электронике, необходимостью дальнейшего исследования и совершенствования уникальных свойств пористого кремния как представителя наноразмерных гетероструктур, перспективами применения пористого кремния в оптоэлектронике, совместимой с наиболее распространённой кремниевой технологией. Поиск новых и усовершенствования уже известных способов формирования наноразмерных светоизлучающих структур на основе пористого кремния активно ведется как в нашей стране, гак и за ее пределами. Настоящая работа вносит вклад в понимание процессов, происходящих в пористом кремния в результате термических отжигов, дальнейшее прояснение природы парамагнитных центров безизлучательной рекомбинации в зависимости от содержания примесей, в понимание процессов токопереноса в пористых слоях, которые необходимы при разработке электролюминесцентных структур на основе ПК. Такие структуры с приемлемой для практического применения квантовой эффективностью являются главной целью в ряде прикладных аспектов использования пористого кремния. Вместе с тем пористый кремний является удобным модельным объектом для изучения явления дискретного туннелирования, что важно для развития нового направления твердотельной электроники - одноэлектроники.

Основными экспериментальными методами исследований в данной работе являлись: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), спектроскопия фотолюминесценции (ФЛ), высокоразрешающая электронная микроскопии, статические и динамические электрические измерения. В результате выполнения работы установлено: анализ опубликованных экспериментальные данных ЭПР, ФЛ и других методов исследования наноразмерных гетероструктур Si-Si02, представляющих интерес для кремниевых оптоэлектроники и одноэлетроники, показал несоответствия молекулярной модели для так называемых Рь-центров безызлучательной рекомбинации, природа этих центров связана с более крупномасштабными дефектами, вероятно, дислокациями в кремнии вблизи границы кремний-оксид хсремния.

1. Мелкие в объёмном кремнии примеси элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева, в согласии с известной высокой плотностью состояний на 8 границе Si-Si02, влияют на ЭПР Рь-центров безызлучательной рекомбинации

18 3 при достаточно высокой концентрации этих примесей свыше 10 см" , акцепторная примесь бора подавляет ЭПР Рь-центров.

2. Поперечный транспорт тока в ПК, сформированном на сильно легированном мелкими примесями кремнии в ограниченном диапазоне сравнительно больших токов может быть объяснён на основе теории инжекционных токов в диэлектриках. Но наблюдавшиеся изломы на вольтамперных характеристиках диодных структур с прослойкой ПК и экспоненциальный рост тока с напряжением в области малых токов, не укладывается в рамки инжекционной теории и объясняется дискретным туннелированием электронов или дырок между наноразмерными частицами кремния. Термический окислительный отжиг усиливает проявление экспоненциального роста тока с напряжённостью электрического поля.

3. Шумовые характеристики диодных структур с прослойкой ПК, сформированного на кремнии как р+- так и п+-типов показывают сильно неоднородный спектр колебаний напряжения, с пиками избыточных шумов в районе частот, соответствующих одноэлектронным осцилляциям при дискретном туннелировании электронов или дырок.

4. Для получения высокого квантового выхода ФЛ ПК на красной границе видимого диапазона длин волн необходимы оптимальный уровень легирования исходного кремния мелкими акцепторами и оптимизация режима окислительной пассивации ПК, при которой механические напряжения на границе кремний-оксид кремния сводятся к минимуму.

5. Теоретически получен характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, который позволяет объяснить экспериментальные вольтамперные характеристики диодных структур с прослойкой ПК, оксида кремния, нитрида кремния.

Научная новизна работы

1. Впервые показано, что природа Рь-центров безызлучательной рекомбинации в наноразмерных гетероструктурах Si-SiC>2 связана с более крупными дефектами, вероятно, дислокациями в кремнии вблизи границы кремний-оксид кремния.

2. Впервые установлено, что мелкие в объёмном кремнии примеси, в согласии с известной высокой плотностью состояний на границе Si-Si02, влияют на ЭПР Рь-центров безызлучательной рекомбинации при достаточно высокой 9 in л концентрации этих примесей свыше 10 см", акцепторная примесь бора подавляет ЭПР Рь-центров.

3. Впервые экспериментально обнаружены проявления дискретного туннелирования в поперечном транспорте тока в ПК: в экспоненциальном полевом росте тока и пиках избыточных шумов диодных структур с прослойкой ПК, оксида кремния или слоев нитрида кремния.

4. Впервые теоретически получен, характерный для дискретного туннелирования, линейный и экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, который позволяет объяснить экспериментальные вольтамперные характеристики диодных структур с прослойкой пористого кремния, оксида кремния, нитрида кремния.

Практическая значимость работы

1. Установленное влияние мелких примесей на центры безызлучательной рекомбинации будет полезно учитывать при разработке светоизлучающих гетероструктур не только на основе ПК, но и на других структурах с наночастицами кремния

2. Обнаруженные проявления в ПК дискретного туннелирования необходимо учитывать при разработке электролюминесцентных приборов на основе пористых слоев кремния и других аналогичных наноразмерных структур с близко расположенными наночастицами полупроводника в диэлектрической матрице.

3. Результаты теоретического анализа дискретного туннелирования в гранулированных средах практически полезны и уже применяются для определения параметров такой среды по данным электрополевой зависимости транспорта тока.

Личный вклад автора

Основные эксперименты были спланированы автором совместно с научным руководителем доцентом В.В. Карзановым и профессором Е.С. Демидовым. Самостоятельно выполнялись: подготовка образцов, исследование ЭПР, измерение вольтамперных и шумовых характеристик, а также анализ результатов. Совместно с профессором Е.С. Демидовым выведена теория полевой зависимости тока в гранулированной среде, самостоятельно эта теория применялась для анализа эксперимента.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 21-й конференции: Международная, конференция «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000 г., 2001 г., 2008 г.); конференции «XIX научные чтения им. Н.В.Белова» (Нижний Новгород, 14-15 декабря 2000 г.); Совещании «Нанофотоника» (Н.Новгород, 2002 г., 2003 г., 2-6 мая 2004 г.); IV Всероссийском семинаре «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2002); Межрегиональной научной школе для аспирантов и студентов «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2003 г., 6-8 октября 2004 г., 5-7 октября 2005 г.); Международная конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2003); Десятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика" (Москва, 2-3 марта 2004 г.); IX Нижегородской сессии-молодых ученых, «Голубая Ока» (Н.Новгород 25-30 апреля 2004- г.); IV Международной конференции («Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 5-7 июля' 2004 г.); VII Всероссийский семинар «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 26-29 октября 2004 г.); Симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.Новгород, 25-29 марта 2005 г., 10-14 марта 2008 г., 16-20 марта 2009г.); Третьей международной'научной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (г. Казань, 13-18 июня» 2005 г.); IV Украинской научной конференции по физике полупроводников (Запорожье, 15-19 сентября 2009 г.)

Диссертационная работа выполнялась при поддержке следующих грантов и целевых программ:

Федеральной целевой программы, "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 гг.", Учебно-научный центр "Физика и химия твердого тела" (проект № 0541), тема НИЧ ННГУ Н-231;

Гранта Минобразования РФ Конкурсного центра по исследованиям в области ядерной физики и физики пучков ионизирующих излучений, тема НИЧ ННГУ НГ-172, 1998-2000 гг. (грант № 97-12-9.2-4);

Программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел "Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении", тема НИЧ ННГУ Н-223,2000 г. (проект № 01.12.01.15).

Гранта INTAS № 000 0064

Программы Федерального агентства по образованию "Развитие потенциала высшей научной школы" 2005 г., пункт 3.3, проект № 4619. Программы Рособразования, проект РНП 2.1.1 4022, Гранта РФФИ проект р-Повольжье 08-02-97044а

Основные положения, выносимые на защиту

1. Природа Рь-центров безызлучательной рекомбинации в наноразмерных гетероструктурах Si-Si02 связана с дислокациями в кремнии вблизи границы кремний-оксид кремния.

2. Примеси элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева влияют на ЭПР Рь-центров безызлучательной рекомбинации при их концентрации свыше 1018 см"3.

3. Экспериментально обнаружены проявления дискретного туннелирования в поперечном транспорте тока в ПК, оксиде и нитриде кремния, в экспоненциальном полевом росте тока и пиках избыточных шумов диодных структур с прослойками этих материалов.

4. Теоретически получен характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, позволивший объяснить экспериментальные ВАХ диодных структур с прослойками гранулированных сред.

результаты работы [23], в которой после высокотемпературного формирования нанокристаллов кремния совсем не наблюдался спектр ЭПР Рь-центров даже при 20К как в темноте, так и при подсветке.

Авторы [23] исследовали термически выращенные во влажном кислороде 600 нм плёнки SiC>2 на монокристаллах Si (100), облучённые ионами Si+ с энергией 150 кэВ с пониженной, по сравнению с ранними работами других исследователей, дозой 6-1016 см" . Проецированный пробег ионов Rp=230 нм, ширина распределения ARp=70 нм. Для сравнения такие же образцы облучались эквивалентными по пробегу ионами Аг+, Е=200 кэВ, доза Ф-3-1016 см"2 или неоном Ne+, Е=100 кэВ, Ф=3-1016 см'2. Затем был отжиг в атмосфере азота N2 при 300 - 1200°С 15 — 60 мин. Часть образцов дополнительно обрабатывалась в ВЧ плазме форм-газа (10% Нг +90% N2) при мощности 1.2 Вт/см2 в течение 15 мин. при 200 — 300°С. ФЛ возбуждалась аргоновым лазером 487.9 нм, в рамановской спектроскопии использовалось также излучение аргонового лазера А.=514.5 нм. ЭПР спектры снимались на частоте 9.44 ГГц, при комнатной температуре, часть образцов после отжига при Т>1000°С при 20 К.

Сразу после облучения ионами Si+ появляется, широкая полоса ФЛ с максимумом 620 нм, после отжига 300°С появляется более слабый максимум 550 нм. Отжиг 400°С уменьшает пик 620 нм, но оставляет неизменным полосу 550 нм, при 500°С отжига исчезает 550 нм, уменьшается ФЛ 620 нм. После 15 мин. отжига 1200°С исчезает полоса 620 нм, появляется яркая красная ФЛ с максимумом 740 нм. Эта полоса может быть ещё усилена приблизительно в 5 раз путём обработки в форм-газе и последующим отжигом (350°С, 10 мин) в азоте. Облучение ионами неона или аргона вызывало значительно более слабую ФЛ с максимумами 550 нм и 620 нм.

Спектр ЭПР наблюдался сразу после облучения, была замечена асимметричная линия с g«2,0009, которая меняла свою форму с отжигами и становилась всё менее интенсивной и более сложной. Авторы интерпретировали его как радиационные дефекты в Si02, которые будут обсуждены ниже в другом параграфе. С этими радиационными дефектами авторы связывают оранжевую ФЛ около 620 нм.

Красная ФЛ не появляется при облучении Аг+ и Ne+ и поэтому она отнесена к Si-нанокристаллам. Это подтверждено рамановской спектроскопией, наблюдался сдвиг 60 см"1, который, согласно оценкам, можно отнести к механическим колебаниям частиц кремния диаметром 4 нм в Si02 ■

Корреляцию между ФЛ и Рь-центрами в ионно-облучённых Si+ плёнках Si02 наблюдали, как утверждают авторы [24]. Они исследовали слои Si02 на термически окисленных во влажном кислороде кристаллах (100) Si-p. Облучение ионами кремния с энергией 150 кэВ и дозой 1016 - 3-1017 см"2 производилось при комнатной температуре. Проецированный пробег оценён как Rp«200 нм, избыток кремния в максимуме 1 — 30%. Последующий отжиг производился в азоте N2 в течение 1 мин. — 16 час. ФЛ возбуждалась He-Cd УФ лазером 60 мВт, А-325 нм (3.82 эВ). Для наблюдения Si-нанокристаллов применялась высокоразрешающая электронная микроскопия (HREM). Применялась также Фурье-ИК-спектроскопия (FTIR), рентгеновская фотоспектроскопия (XPS).

Путём варьирования времени отжига удалось проследить стадии зарождения, чистого роста и созревания нанокристаллов Si. Зарождение и чистые стадии роста почти полностью завершаются после нескольких минут отжига в N2 при 1100°С. Напротив, интенсивность ФЛ с пиками 1,4 — 1,95 эВ (640 - 890 нм) в зависимости от избытка Si плавно возрастает и достигает насыщения после 3 — 4 часов отжига при 1100°С. Это согласуется с малой величиной коэффициента диффузии Si в Si02 при 1100°С около 10"17 см2/с. Последующий отжиг при 450°С в течение 20 мин. в форм-газе дополнительно увеличивал красную ФЛ. Положение пика ФЛ зависело от избытка кремния и находилось в неплохом согласии с расчётами увеличения ширины запрещённой зоны нанокристаллов кремния в соответствии с квантовым конфайнментом.

Рис. 1.2.12. ЭПР спектр образца имплантированного ионами кремния с пресыщением в слое Si02 в 10%. к Е'-дефекгы с g = 2.00158 наблюдались только в образцах сразу после облучения; после 4-х часового отжига при 1100°С" такие дефекты не наблюдаются, появляется другой спектр, центрированный при g=2.00552 и отнесённый к Рь-центрам [24].

Как сразу после облучения, так и после отжига при 1100°С наблюдался спектр ЭПР с g-фактором около чисто спинового значения свободного электрона, как показано на рис. 1.2.12. Сразу после отжига появляется широкая асимметричная линия с g«2,00158, которую авторы относят к Е' дефектам Si02 . После отжига 1100°С в N2, как видно на рис. 1.2.12, линия от Е' исчезает и появляется линия с g«2,00552, которую авторы интерпретируют как Рь-центры. Как видно на рис. 1.2.13 (рис. 10 в [24]), наблюдается всё та же упоминавшаяся выше антикорреляция в росте ФЛ и спаде числа Рь-центров после нескольких минут отжига при 1100°С. На начальной стадии возникновения нанокристаллов Si растёт интенсивность ФЛ и число Рь-центров. Затем происходит, по мнению авторов [24], кислородная пассивация безизлучательно рекомбинационных Рь-центров, что стимулирует рост ФЛ.

Рис.1.2.13. Интенсивность ФЛ образца Si02, имплантированного ионами кремния в зависимости от времени отжига в азоте при 1100°С при 10% пресыщении кремнием (левая ось) и одновременная эволюция концентрации Рь-центров по данным ЭПР [24].

К сожалению, в [14] не указан уровень легирования кристаллов акцепторами, на которых термически выращивался слой SiC>2 . Скорее всего, она была невелика, и мелкая акцепторная примесь практически не играла роли.

В последние годы группой сотрудников лаборатории НИФТИ и! аспирантов кафедры электроники твёрдого тела под руководством профессора Д. И. Тетельбаума проделан большой цикл исследований ФЛ наночастиц кремния в оксиде кремния, образованных после облучения SiC>2 ионами кремния совместно с ионами бора или фосфора и последующих отжигов [53,54]. Показано, что делегирование наночастиц кремния фосфором может многократно увеличить эффективность ФЛ таких наноструктур.

1.2.3. ЕХ-центры

Несколько позже Рь-центров на границе Si-Si02 в термически выращенном SiC>2 на (111) Si обнаружены парамагнитные центры, обозначенные как ЕХ-центры [27,28]. Их спектр состоит из трёх изотропных линий: узкая формы Фогта линия с

200 400 600 600 1000 Annealing time (min) g=2,00246±0,00003 и ABpp=0.1 мТл посередине'межу двумя более слабыми и широкими ДВрр=0.12 мТл линиями с расщеплением в 1.61 мТл.

Позже было установлено [29], что после окисления при 700-930°С поверхностная плотность ЕХ-центров зависит от толщины окисла d и имеет максимум при d~12.5 нм, они располагаются наверху 4 нм плёнки, распределены приблизительно по профилю полугауссианы, центрированной на внешней поверхности Si02. В [29] исследовались ЕХ- центры в термически выращенном при 800°С на Si (111)-р в сухом кислороде при 24 кПа. Использовался кислород, обогащенный изотопом 170. Хотя сверхтонкая структура могла быть лишь частично наблюдаема, авторы считают, что ЕХ-центры являются дефектами ЭЮг с избытком кислорода. Рабочая модель — это есть вакансия кремния в SiC>2, в которой не спаренный электрон на четырёх граничных атомах кислорода в эффективно чистом s-состоянии подвергается сверхтонкому взаимодействию с ядрами изотопа 29Si на соседних атомах кремния.

Отметим, что в [29] наблюдался интенсивный спектр Рь-центров с амплитудой, много большей, чем у EX. Однако нет возможности судить о какой либо связи ЭПР и ФЛ поскольку в этой работе люминесценция не исследовалась.

Несколько позже [30] ЕХ-центры были обнаружены и в пористом кремнии. На Si-p (100) 1 Ом-см пористый слой получался анодным травлением в 25% HF: С2Н5ОН током 10-30 мА/см2 в течение 30 мин. Спектр ЭПР снимался на частоте 9,5 ГГц и криостате с гелиевым охлаждением. ФЛ при комнатной температуре возбуждались аргоновым Х=488 нм лазером. ЕХ-центры с характерной узкой центральной линией ЭПР, слабыми спутниками СТС, отделёнными 1.65+0.03 мТл интервалами, и g=2,00245±0,00001 регистрировались при 4 и 20 К. Они появлялись только в образцах с коротким временем 30-60 с отжига при 800°С в сухом кислороде. Концентрация ЕХ-центров оценена как 101б-1017 см . Возникновение ЕХ-центров сопровождалось резким в ~5,5 раз увеличением красной ФЛ с максимумом около 750 нм. Поэтому авторы [30] считают, что красная ФЛ пористого кремния обусловлена кислородно-дырочными центрами (oxygen hole centres) около Si-Si02 границы.

Интересно, что в [30] даже при 20 К наблюдался лишь очень слабый сигнал от Рь- центров, который совсем исчезал после короткого отжига в кислороде. Т.е. имела место антикорреляция Рь-центров и яркой красной ФЛ.

Два вида ЕХ-центров с g-2,0024, низкотемпературные EXl и высокотемпературные ЕХн-центры, наблюдались авторами [55] в ультратонком порошке Si. Частицы кремния были приготовлены термическим испарением раскрошенных кристаллов Si 3000 Ом-см в покрытом AI2O3 вольфрамовом тигле в атмосфере Не чистотой 99,9999% при давлении 130 Па. Частицы оседали на стенки камеры и кремниевую подложку. Затем подложки выдерживались на воздухе для последующего окисления. Средний размер частиц 20 нм. В результате последующего отжига в вакууме при 600°С в течение 10 мин. появился спектр EXl- и спектр Рь-центров. По мере увеличения температуры вакуумного отжига интенсивность ЭПР ЕХ-центров падала, достигала минимума при 200°С, затем снова возрастала почти до той же величины при температуре 1000°С со сдвигом g-фактора от 2,0024, ЛВрр от 0.12 мТл до 0.19 мТл. После отжига свыше 800°С не наблюдался спектр Рь-центров.

Дополнительный 400-600°С отжиг в сухом кислороде при давлении 20 кПа образцов с 600°С вакуумным отжигом приводил, начиная с 400°С отжига, к уменьшению ЕХ- и Рь-спектров и их почти полному исчезновению при 600°С окислении. Последующий отжиг в вакууме при 600°С не восстанавливал ЭПР ЕХ-центров. По-другому менялся с окислением сигнал ЭПР ЕХ-центров в образцах, предварительно отожжённых в вакууме при 1000°С. До 500°С окислительного отжига он не менялся. Затем при 550-700°С произошёл резкий спад и далее до 1000°С медленное уменьшение интенсивности ЭПР. Исследование зависимости интенсивности ЭПР ЕХ-спектров в образцах, отожжённых в вакууме при 600°С и при 1000°С от уровня СВЧ- мощности ЭПР-спектрометра показало, что в 1000°С образцах наблюдалось насыщение линий при меньшей на порядок мощности, чем в 600°С образцах. На основании этих наблюдений авторы [55] считают, что есть два вида ЕХ-центров. ЕХн-центры, возникающие при 1000°С вакуумном отжиге, являются теми же, что и дефекты термического слоя Si02 на Si, в [29]. В то время как EXl- центры идентичны дефектам, о которых сообщалось в давней работе [56] и которые были отнесены к Si-OH связям. Однако, аргументация, основанная на разном характере насыщения линий ЭПР, не убедительна. При исследовании ЭПР азота в кристаллах алмаза авторами [57] наблюдался разный характер насыщения линий для одних и тех же центров азота, надёжно идентифицированных по одинаковой сверхтонкой структуре в кристаллах с разной дефектностью. От нарушений кристалла в окрестности парамагнитного центра естественно ожидать изменений в скорости спин-решёточной релаксации и, следовательно, разного насыщения спектров.

1.2.4. Е'-центры

В случае формирования нанокристаллов кремния ионным облучением ЭЮг в ЭПР спектроскопии проявляются радиационные дефекты двуокиси кремния, среди которых в наибольшем количестве проявляются Е'-центры или им подобные центры и HCi-центры (табл. 1). В работах, посвященных нанокристаллам, HCi-центры не упоминаются. Поэтому мы здесь рассмотрим Е'-центры. Технологические вопросы и измерительная техника уже были рассмотрены выше по поводу Рь-центров. Поэтому здесь остановимся лишь на результатах измерений ЭПР и сопоставлении их с ФЛ. В изучении радиационных дефектов в аморфных плёнках SiCh в отличие от монокристаллического кварца спектры ЭПР являются изотропными из-за наложения спектров от случайно ориентированных парамагнитных центров. То есть, как и в случае идентификации Рь-центров на случайно ориентированных нанокристаллах Si имеется та же трудность в идентификации ЭПР от разных видов дефектов, у которых близки величины g-факторов и уширения линий спектров ЭПР.

В работе [22] после облучения ионами Si+ (190 кэВ, 3-1017 см"2) и Аг2+ (130 кэВ, 2,Ы017 см"2), термически выращенных на (100) Si 500 нм плёнок SiC^ появились парамагнитные центры с g от 1,996 до 2,002, которые были отнесены к Е'-центрам -кислородным вакансиям в Si04 тетраэдрах. Большая интенсивность спектра ЭПР Е'-центров была в случае облучения ионами кремния, почти на порядок меньше при облучении ионами аргона (рис. 1.2.14). Авторы [22] это объясняют тем, что в SiC>2 с избытком кремния создаются более благоприятные условия образования Е'-центров — вакансий кислорода в БЮ^тетраэдре. Отжиг образцов в N2 или на воздухе при 600°С приводит к исчезновению Е'-центров, как это видно на рис. 1.2.14. В облучённых ионами кремния образцах кремния появляются Рь-центры со слегка анизотропным g-фактором, g| (=2,004, g±~2,009, которые отнесены к Рь-центрам. Отжиг при 900°С приводит к исчезновению ЭПР. В облучённых Аг образцах g-фактор не сдвигается свыше 2,002, что связывается с проявлением в ЭПР только Е'- центров. Интересно отметить, что возникновение Е'-центров в [22] коррелирует с возникновением пика ФЛ около 660 нм (1,88 эВ). С отжигом вместе с Е'-центрами этот пик исчезает. Авторы относят этот пик к дефектам в субоксиде SiOx, созданным имплантацией кремния, хотя напрямую не утверждают, что эти дефекты есть Е'-центры.

В работе [23] в результате облучения также термически выращенного во влажном кислороде SiCb (100) Si ионами Si+ (150 кэв, б-1016 см*2), ионами Аг+(200 кэВ, 3-Ю16 см"2) и ионами Ne+ (100 кэВ, 3-Ю16 см"2) наблюдали ЭПР-спектры из одиночной линии (рис.1.2.15) с g=2,009 как у Е'-центров в табл. 1 во всех трёх случаях, но отличающиеся по форме и интенсивности. Эти спектры отнесены авторами [23] к Е'-центрам. Как и в [22], наибольшее количество Е'-центров возникло при облучении ионами кремния. При этом, как и в [22], возникала ФЛ с близким максимумом около 620 нм. И этот пик вместе с Е'- центрами исчезали при отжиге в азоте при 600°С. При облучении Аг+ и Ne+ ФЛ в этом районе была в 5 - 10 раз слабее и имела более сложную структуру.

ESR Spectra of Various Samples

2500

2000

1500

1000 •

500 " i i i ■ i ■ i ■

I 14 I'

SI' as'implanted -Si' 600' С anneal -Si' 000е С anneal 'SI' (annealed 4 times) "Ar* as-implanted "Ar*«900o С anneal

1.995

Рис. 1.2.14. ЭПР спектры образцов кремния со слоем оксида кремния, облученного ионами кремния с последующими различными обработками [22].

В (тТ)

Рис.1.2.15. ЭПР-спектры неотожжённых Si-SiC>2 структур, облученных различными ионами с одинаковой настройкой спектрометра [23].

В отличие от [22] авторы [23] более подробно изучили отжиг в азоте при низких температурах, начиная с 300°С. С ростом температуры изохронного 15 мин. отжига спектр ЭПР меняет свою форму и интенсивность. После 600°С он распадается на отдельные узкие линии. Авторы [23] интерпретируют этот спектр как результат наложения линий от нескольких Е'-подобных центров. Линии с g= 1,999 - 2,0018 представляют спектр ЭПР кислородной вакансии Е'у-центра, обозначаемого как Оз з Si-+Si гОз. Линия с g=2,0045 отнесена к ЕРг-центрам, также Е'-подобным центрам. Идентификация линии с g=2,0022 и шириной АВрР=0.11 мТл затруднена, так как она промежуточная между g=2,00246 ЕХ-центров, описываемых как захватившая дырку вакансия кремния и gi=2,0019 для E's -центров, рассматриваемых как дырка, захваченная на 8Ю4-вакансии. При большом уровне СВЧ наблюдались дополнительно две слабые линии ЭПР. Одна с g=2,009, отнесена к несвязным кислородным дырочным центрам (NBOHC), обозначаемым =Si-0, которые раньше наблюдались в плавленом кварце. Другая линия с g=l,9918 раньше редко наблюдалась и не отнесена к какому-либо определённому дефекту.

Интересно отметить, что в [23] после отжигов при температуре свыше 1100°С не зарегистрировано далее какое-либо поглощение ЭПР. Хотя наблюдалась яркая красная ФЛ с пиком около 740 нм, отнесённая авторами к ФЛ нанокристаллов Si, присутствие которых подтверждено КРС, позволившим оценить диаметр нанокристаллов в 4 нм.

Сходные с [22,23] результаты по поводу Е'-центров получены в [24]. Облучались ионами Si+ (150 кэВ, 1016-3-1017 см"2) толстые 800 нм слои Si02 , термически выращенные окислением при 1100°С на р-типа Si (100). Отжиг производился в атмосфере азота, но только при 1100°С. До отжига наблюдался спектр ЭПР с g=2.00158, который был отнесён к Е'-центрам. После отжига при 1100°С произошёл сдвиг в g-факторе (рис.1.2.15) до g=2.0055, интерпретированный авторами [24] как исчезновение Е'-центров и возникновение Рь-центров, При этом возникла красная ФЛ с пиком от 1,4 до 1,95 эВ, антикоррелирующая с Рь-центрами, о чём говорилось выше в разделе, посвященном Рь- центрам. К сожалению, в работе [24] не приводятся данные о ФЛ до отжигов и нет сведений о корреляции пика около 620 - 640 нм и Е'-центрами как в [22,23].

1.2.5. Заключительное обсуждение

В ЭПР-спектроскопии разнообразных НГС различают около сорока парамагнитных центров — не примесных дефектов даже в тех случаях, когда не

38 наблюдалась тонкая или сверхтонкая структура, g-факторы были близки к 2 и отличались в третьем или четвёртом знаках. Почти все измерения проводились при комнатной температуре. Для ПЦ с практически совпадающими факторами g отличие в характере насыщения линий ЭПР интерпретировалось как их разная природа, что не бесспорно. Непосредственно не применялся спиновый гамильтониан, дефекты различались по величине g-фактора, угловой зависимости спектра, где она могла быть, и разным условиям возникновения.

С ФЛ в НГС наиболее непосредственно связаны Рь-, ЕХ-, Е'- и им подобные центры. Из них наибольшее значение имеют Рь-центры с обычно наиболее интенсивными спектрами ЭПР. Исследованы угловые зависимости их спектров ЭПР на плоских границах (111), (100) Si-SiC>2 и в ПК. Наблюдались Рь-центры и в структурах с хаотически ориентированными нанокристаллами в напылённых с избытком Si слоях SiC>2 или облучённым ионами кремния оксиде SiC>2. Установлена чёткая антикорреляция в интенсивностях красной ФЛ НГС и спектров ЭПР Рь-центров, которая объясняется безызлучательной рекомбинацией экситонов на этих центрах.

Во всех случаях радиационных дефектов, Рь-центров, ЕХ-, Е'- центров и им подобных центров предлагалась молекулярная модель ПЦ в рамках приближения сильной связи с волновыми функциями электронов с не спаренными спинами, локализованными как следует, например, из рис.1.2.1 и 1.2.3, в пределах межатомного промежутка около 0.2 нм. Однако, по крайне мере в случае Рь-центров, как отмечено в [58], можно привести соображения и экспериментальные факты, противоречащие молекулярной модели. Во-первых, по молекулярной модели их поверхностная плотность на границе Si-Si02 в соответствии с естественной плотностью атомов г -у кремния должна быть порядка 10 см" на практике же, согласно [14,31] на плоской границе наблюдается около 1012 см"2, а в ПК по [34] около 1011 см"2, что на 3-4 порядка меньше ожидаемой. Во-вторых, при таком богатом разнообразии ожидаемых по молекулярной модели вариантов связей на границе Si-Si02 наблюдается лишь один или два типа центров. В-третьих, с точки зрения молекулярной модели не понятно почему, согласно рис.1.2.5, Рь-центры «ощущают» изменение толщины слоя Si02 в сотню нанометров и пропадают при толщине меньше 5 нм. В-четвёртых, в случае ПК с точки зрения молекулярной модели ещё более странным является наблюдение в основном лишь одного сорта центров - Рь-центров.

К сказанному можно добавить, согласно рис. 1.2.1 и 1.2.3 граница Si-Si02 не является атомарно гладкой. Это означает, что по молекулярной модели не должно быть

39 существенной разницы в ЭПР на границах (111) и (100), что противоречит эксперименту. Ширина линий ЭПР Рь-центров около 0.5 мТл приблизительно в четыре-пять раз больше, чем у ЕХ- и Е'-центров, характерна для парамагнитных центров с нулевым или замороженным кристаллическим полем орбитальным моментом в объёме кремния, где она обусловлена сверхтонким взаимодействием с ядрами изотопа Si . А малая ширина линий ЭПР ЕХ- и Е'-центров подтверждает их принадлежность дефектам Si02 с почти на порядок меньшей плотностью ядер Si в оксиде кремния.

В сообщении [58] было высказано предположение, что Рь-центрам соответствуют существенно более делокализованные (пространственно более протяжённые, чем по молекулярной модели) электронные состояния в кремнии, возникающие из-за механических напряжений с наноразмерными неоднородностями как на плоской границе Si-Si02, так и на не плоской границе наночастиц кремния в Si02. Механические напряжения приводят к изменениям в энергетическом спектре зонных электронных состояний кристалла, возникновению несферических из-за анизотропии упругих свойств и электронных состояний кристалла потенциальных ям, в каждой из которых располагается электрон с не спаренным спином. Эта не сферичность приводит к угловой зависимости спектров ЭПР. Различные обработки НГС могут приводить не только к изменению электронных заселённостей ям, но и к изменению их параметров при снятии или увеличении механических напряжений. При громадных напряжениях на границе Si-Si02 возможно образование дислокаций с локализованными на них электронами.

Здесь заметим, что в дислокационной модели Рь-центров тригональная анизотропия лишь одного типа ЭПР на границе (111) может быть отнесена к локализованным электронным состояниям на дислокациях с осью симметрии перпендикулярно границе. Скорее всего, это одного вида 60° дислокации» с осью <110> и вектором Бюргерса с такого же типа направлением, образующие шестиугольные петли в плоскости (111). На границе (100), которая не совпадает ни с одной из наиболее плотно упакованных плоскостей кремния (111), растягивающие напряжения уже в этой плоскости (100) снимаются образованием двух видов дислокационных петель или полупетель также с осями (110) и тригональной симметрией, соответствующих Рьо- и Ры-центрам.

Подтверждением дислокационной природе Рь-подобных центров являются практически совпадающие в пределах погрешностей и разброса точек угловые зависимости g-фактора для Рь-центров, например, в ПК из работы [37] и спектров ЭПР

40 дислокаций в пластически деформированном кремнии из обзора Вебера [59] на рис. 1.2.16. Небольшое отличие в величине g-фактора Д§р0.0003 для gmin и Ag^0.004 для gmax (почти в пределах погрешностей на этом рисунке и рис. 1.2.2) может быть связано с более высокими механическими напряжениями в пластически деформированном кремнии. Эти напряжения особенно сильно должны влиять на возбуждённые состояния парамагнитного центра, определяющие Ag относительно g-фактора свободного электрона. angle (deg) angle (deg)

Рис. 1.2.16. g-факторы парамагнитных центров в пластически деформированном кремнии (слева) [56] и Рь-центров в ПК (справа) [32].

Дислокационная модель не только позволяет качественно объяснить вышеприведённые не понятные в рамках молекулярной модели факты, но и дать толкование другим наблюдениям.

11 *)

1) Поверхностная плотность Рь-центров 10" - 10 см определяется поверхностной плотностью дислокаций, расстояние между которыми зависит от величины механических напряжений, определяемых толщиной слоя SiC>2.

2) В дислокационной модели не играет роли, является ли атомарно гладкой поверхность кремния на границе Si-SiC>2.

3) Электронные состояния всевозможных оборванных связей на границе Si-Si02 скорее всего быстро компенсируются подвижными ионами кислорода. Малый набор парамагнитных центров в дислокационной модели определяется энергетически наиболее выгодными типами дислокаций.

4) Возникновение, рост и дальнейший немонотонный характер изменения числа парамагнитных центров и плотности электронных состояний на рис. 1.2.5 объяснимы возникновением дислокаций при толщине оксида свыше 5 нм. Их плотность возрастает с ростом напряжений по мере увеличения толщины оксида до 20 нм. Они сливаются при толщине выше 20 нм, генерируются новые дислокации при толщине оксида свыше

100 нм. Вероятно, на плоской границе минимальное расстояние между дислокациями порядка толщины слоя SK>2 достигается при толщине оксида 20 нм, что соответствует

11 ? их плотности около 2.5-10 см"*".

5) В дислокационной модели Рь-центры относятся к электронам, локализованным на дислокациях внутри кремния, с протяжённостью в несколько межатомных расстояний в отличие от молекулярной модели на рис. 1.2.1 и 1.2.3 с «оборванными связями» в БЮг длиной порядка межатомного расстояния. Этим объясняются сравнительно широкие линии ЭПР, связанные с более сильными, чем в Si02 сверхтонким взаимодействием с ядрами изотопа Si и спин-решёточным взаимодействием. В ширину линий также может привносить и девиация g-фактора, зависящая от положения возбуждённых электронных уровней Рь-центров в областях с различной величиной механических напряжений около дислокаций.

6) Вполне понятна и корреляция в числе Рь-центров и интенсивности пика 0.9 эВ на рис. 1.2.9, согласующегося с данными ФЛ дислокаций, наводящих в кремнии, локализованные в запрещённой зоне, электронные состояния с энергетическими уровнями Ec-EDe~EDh-Ev^70 - 80 мэВ [60].

7) Дислокационная модель легко объясняет и немонотонное изменение ЭПР Рь-центров в неориентированных нанокристаллах в пересыщенном кремнием Si02 на рис.1.2.13. Вначале коалесценция кремния приводит к образованию сравнительно крупных около 6 нм нанокристаллов, как на рис. 1.2.11 слева, с хорошо различимым нарушением кристаллического порядка наличием дислокаций или сеток дислокаций. По мере окислительного отжига или диффузионной разгонки избытка кремния размеры нанокристаллов уменьшаются, как видно на рис.1.2.11 справа, нанокристаллы диаметром около 2 нм становятся бездислокационными. В этом процессе дислокации могут выводиться из нанокристаллов и в результате высокотемпературного пластического течения стекла, снимающего механические напряжения.

8) Согласно зонной диаграмме беспримесной дислокации в [57] дислокационные Рь-центры должны быть эффективными ловушками для экситонов, аннигиляция которых вызывает красную или близкую по энергии ИК ФЛ 1,2-1,8 эВ. По данным [42,48,49] ФЛ с пиком 0,9 эВ наблюдалась лишь при низких температурах, т.е. она характеризуется очень малым временем излучательной рекомбинации. Тем самым в

42 дислокационной модели объясняется антикорреляция интенсивностей красной ФЛ и ЭПР Рь-центров.

9) В дислокационной модели понятно, почему в [22,42,45] пик ФЛ слабо зависел от размеров нанокристаллов, что как бы не соответствовало модели квантового конфайнмента. На самом деле дислокации или дислокационные стенки привносят дополнительное возмущение в пространственное распределение потенциала внутри нанокристаллов, как бы разрезая их на более мелкие области со своим размерным квантованием. Поэтому трёхкратное уменьшение диаметра нанокристаллов на рис. 1.2.11 приводило по данным [22] лишь к 1.2% синему сдвигу ФЛ с пиком около 790 нм.

10) В дислокационной модели пассивирующее действие водорода, кислорода или фосфора на Рь-центры [42] может быть связано не столько с изменением их электронного заполнения, сколько с влиянием атомов этих элементов на механические свойств оксида и напряжения на гетерогранице, от которых зависит плотность дислокаций в полупроводнике. Согласно данным [38,39] в ПК мелкие доноры, включая фосфор, напротив, способствуют возрастанию интенсивности ЭПР Рь-центров.

11) Близость g-факторов линий ЭПР Рь-центров в неориентированных нанокристаллах кремния и парамагнитных центров в аморфном кремнии скорее не случайна, аморфный кремний можно представить как кристалл, нарушенный сверхвысокой плотностью дислокаций - свыше 1012 см"2.

1.3. Литературные сведения о механизмах нелинейного транспорта тока в диэлектриках и некристаллических веществах. Три вида нелинейностей

Большое сопротивление току и сложная гетерофазная структура ПК позволяют полагать, что подвижность носителей тока в этом материале очень мала, много меньше, чем в объемных монокристаллических полупроводниках без глубоких примесей.

Поэтому известные нелинейности, например, эффект Ганна, баллистический транспорт в полупроводниках с высокой подвижностью носителей тока р»1 см /В-с мы здесь рассматривать не будем. Влияние границ в стуктурах металл-диэлектрикполупроводник подробно проанализировано в монографии [61]. Естественно полагать, что длина свободного пробега в наноразмерной структуре ПК - наноразмерные гранулы кремния вкраплённые в диэлектрический оксид кремния [13] — порядка расстояния между гранулами кремния, которое обычно много меньше толщины L слоя

ПК. Поэтому диффузионная длина носителей тока много меньше L. Это даёт основание

43 не учитывать вклад диффузионных процессов в вид вольтамперной характеристики слоя ПК при поперечном- транспорте тока. Т.е. считаем, что нелинейность вольтамперной характеристики определяется дрейфом носителей тока. Наноразмерные гранулы кремния в ПК могут рассматриваться как глубокие амфотерные центры [62]. Наличие оксида кремния означает, что ПК обладает также свойствами некристаллического диэлектрика. Поэтому рассмотрим нелинейности переноса тока в сходных средах. В компенсированных глубокими примесями полупроводниках, диэлектриках и некристаллических веществах дрейфовые нелинейности условно можно разделить на два вида. Первый из них — это токовые нелинейности, связанные с инжекцией носителей тока, ограничением тока областью пространственного заряда (ТООЗ) и подробно разобранные в монографиях [63,64]. Второй - это электрополевые нелинейности, связанные с переносом тока в сравнительно сильных электрических полях. Этот вид нелинейностей рассмотрен, например, в монографии, [65]. Наконец, сравнительно слабая электропроводность и пористая структура ПК может означать, что в этом материале возможен'вклад ионной проводимости, которая-в случае оксидных плёнок давно исследованы и представлены в монографии [66]. Все эти виды нелинейностей вольтамперных характеристик (ВАХ) приведены в таблице 1.3.1. Также в этой таблице 1.3.1 представлены, разобранные в главе 4 настоящей работы, результаты нашего анализа переноса тока в гранулированной среде при кулоновской блокаде туннелирования электронов сквозь металлические гранулы в диэлектрической матрице (см. также [68]).

4.5. Заключение

Таким образом, теоретически выведен характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, который позволяет объяснить экспоненциальные вольтамперные характеристики диодных структур с прослойкой ПК, оксида кремния или нестехиометрического нитрида кремния, полученного ионной имплантацией азота в кремний, а также в аморфных полупроводниках вида Te48As3oGei2Siio.

Результаты настоящей главы опубликованы в работах [А6, А24].

Общее заключение

На основании приведённых в диссертационной работе данных можно сделать следующие выводы:

1. Анализ опубликованных экспериментальные данных ЭПР, ФЛ и других методов исследования наноразмерных гетероструктур Si-Si02, представляющих интерес для кремниевых оптоэлектроники и одноэлетроники показал несоответствия молекулярной модели для так называемых Рь-центров безизлучательной рекомбинации, природа этих центров связана с более крупномасштабными дефектами, вероятно, дислокациями в кремнии вблизи границы кремний — оксид кремния.

2. Мелкие в объёмном кремнии примеси элементов III и V групп периодической таблицы Менделеева в согласии с известной высокой плотностью состояний на границе Si-SiC>2 влияют на ЭПР Рь-центров безизлучательной рекомбинации при достаточно высокой концентрации этих примесей порядка 1018-1019 см"3, акцепторная примесь бора подавляет ЭПР Рь-центров.

3. Поперечный транспорт тока в ПК, сформированном на сильно легированном мелкими примесями кремнии в ограниченном диапазоне сравнительно больших токов может быть объяснён на основе теории инжекционных токов в диэлектриках. Но наблюдавшиеся изломы на вольтамперных характеристиках диодных структур с прослойкой ПК и экспоненциальный рост тока с напряжением в области малых токов, не укладывается в рамки инжекционной теории и объясняется дискретным туннелированием электронов или дырок между наноразмерными частицами кремния. Термический окислительный отжиг или введение примесей переходных элементов усиливают проявление экспоненциального роста тока с напряжённостью электрического поля.

4. Шумовые характеристики диодных структур с прослойкой ПК, сформированного на кремнии как р+- так и п+-типов, показывают сильно неоднородный спектр колебаний напряжения, с пиками избыточных шумов в районе частот, соответствующих одноэлектронным осцилляциям при дискретном туннелировании электронов или дырок.

5. Для получения высокого квантового выхода ФЛ ПК на красной границе видимого диапазона длин волн необходимы оптимальный уровень легирования исходного кремния мелкими акцепторами и оптимизация режима окислительной пассивации ПК, при которой механические напряжения на границе кремний-оксид кремния сводятся к минимуму.

6. Теоретически выведен характерный для дискретного туннелирования экспоненциальный полевой рост тока в гранулированной среде, который позволяет объяснить экспоненциальные вольтамперные характеристики диодных структур с

129 прослойкой ПК, оксида кремния или нестехиометрического нитрида кремния, полученного ионной имплантацией азота в кремний, а также в аморфных полупроводниках вида Te48As3oGei2Siio.

Автор настоящей работы считает приятным долгом выразить благодарность заведующему лаборатории НИФТИ д.ф.м.н. В.Г. Шенгурову, под руководством которого выполнялась дипломная работа, с которой началось изучение автором пористого кремния, заведующему кафедрой элетроники твёрдого тела профессору Е.С. Демидову за консультации и помощь в работе, сотрудникам кафедры за поддержку и полезные советы и, безусловно, доценту кафедры электроники твёрдого тела В.В. Карзанову за научное руководство работой.

1. Кульбачинский, В.А. Структуры малой размерности в полупроводниках / В.А. Кульбачинский. - М.: Изд. МГУ, 1998. - 160 с.

2. Драгунов, В.П. Основы наноэлектроники: Учеб. Пособие / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 332 с.

3. Чурилов, А.Б. Введение в наноэлектронику / А.Б. Чурилов. Ярославль: 2000. -132ис.

4. Шик, А.Я. Физика низкоразмерных систем. Под ред. А.Я. Шика / А.Я. Шик, Л.Г.Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. СПб.: Наука, 2001.-160 с.

5. Уайтсайдс, Д. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. Под ред. М.К.Роко, С.Уильямса и П.Аливисатоса. / Д. Уайтсайдс, Д.иЭйглер, Р. Андерс и др. Пер. с англ. М.: Мир, 2002. - 292 с.

6. Cullis, A. G. The structural and luminescence properties of porous silicon / A.G. Cullis, L.T.Canham, P.D.J. Calcott // J. Appl. Phys. 1997. - Vol. 82, № 3. - P. 909-965.

7. Thiep, W. Optical properties of porous silicon / W. Thiep // Surf. Sci. Rep. 1997. -Vol. 29, Nos3/4. - P.91-192.

8. Bisi, S. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics / O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi // Surf. Sci. Rep. 2000. - Vol. 38, Nosl/3. - P.l - 126.

9. Кашкаров, П.К. Необычные свойства пористого кремния / П.К. Кашкаров // Соросовский Образовательный Журнал. -2001. -Т. 7, №1, -С. 102-107.

10. Зимин, С.П. Пористый кремний материал с новыми свойствами / С.П. Зимин //

11. Соросовский Образовательный Журнал. 2004. — Т. 8, №1, - С. 101 - 107.130

12. Uhlir, A. Electrolytic shaping of germanium and silicon / A.Uhlir // The Bell Syst. Technic. J. 1956. - Vol. 35. - P. 333-338.

13. Canham, L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L.T. Canham // Appl. Phys. Lett. 1990. - Vol. 57. - P. 1046 -1048.

14. Демидов, E.C. Дискретное туннелирование дырок в пористом кремнии / Е.С. Демидов, В. В. Карзанов, В. Г. Шенгуров // Письма в ЖЭТФ. 1998. - Т.67, №10. -С. 794.

15. Caplan P.J., Poindexter Е.Н., Deal В.Е., Razouk R.R. / ESR Centers, Interface States, and Oxide Fixed CHRGe in Thermally Oxidized Silicon Wafers // J. Appl. Phys. — 1979. Т.и50 - P. 5847.

16. Демидов, E.C. Пики избыточных шумов диодных структур на пористом кремнии / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова, В.В. Карзанов, В.Н. Шабанов // Письма в ЖЭТФ. -2002. Т.75, №11.- С.673-675.

17. Imamura, Н. Coulomb staircase in STM current through granular films / H. Imamura, J. Chiba, S. Mitani, K. Takanashi, S. Maekava, H. Fujimori // Phys. Rev. 2000. - T. 61.-P. 46-49.

18. Takagi, H. Quantum size effects on photoluminescence in ultrafine Si particles / H. Takagi, H. Ogawa, Y. Yamazaki, A. Ishizaki, and T. Nakagiri // Appl. Phys. Lett. — 1990.-Vol. 56.- P. 2379-2380.

19. Osaka, Y.T.K. Visible photoluminescence from Si microcrystals embedded in Si02 glass films / OsakaYukio Tsunetomo Keiji, Toyomura Fumitaka, Myoren Hiroaki, Kohno Kenji // Jpn. J. Appl. Phys. 1992. - Vol. 31. - P. L365 - L366.

20. Kim, K. Visible light emissions and single-electron tunneling from silicon quantum dots embedded in Si-rich Si02 deposited in plasma phase / K. Kim // Phys. Rev. -1998.-Vol. 57.-P. 13072-13076.

21. Братусь, В.Я. Структурные превращения и образование нанокристаллитов кремния в плёнках Si02 / В.Я. Братусь, В.А. Юхимчук, Л.И. Бережинский, М.Я. Валах, И.П. Ворона, И.З. Индутный, Т.Т. Петренко, П.Е.Шепелевый, И.Б. Янчук // ФТП. 2001. - Т. 35. - С.554.

22. Shimizu-Iwayama, Т. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh // Appl. Phys. Lett. 1994. -Vol.65, №14. -P.1814- 1816.

23. Guha, S. Visible light emission from Si nanociystals grown by ion implantation and subsequent annealing / S. Guha, M.D. Pace, D.N. Dunn, I.L. Singer // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol.70, №10. - P.1207-1209.

24. Nishi, Y. Electron Spin Resonance in SiOi Grown on Silicon / Y. Nishi // Jpn. J. Appl. Phys. 1965. - Vol. 5. - P. 333.

25. Nishi, Y. Study of Silicon-Silicon Dioxide Structure by Electron Spin Resonance I / Y. Nishi // Jpn. J. Appl. Phys. 1971. - Vol.10, № 1. - P. 52.

26. Stesmans, A. New intrinsic defect in as-grown thermal Si02 on (111) Si / A. Stesmans // Phys. Rev. 1992. - Vol.45, №2. - P. 9501-9504.

27. Stesmans, A. Structural relaxation of Pb defects at the (111) Si/Si02 interface as a function of oxidation temperature: The Pb-generation-stress relationship / A. Stesmans // Phys. Rev. 1993. - Vol. 48. - P. 2418 - 2435.

28. Stesmans, A. Natural intrinsic EX center in thermal Si02 on Si: 17О hyperfine interaction / A. Stesmans, F. Scheerlick // Phys. Rev. 1994. - Vol. 50. - P. 5204 -5206. /

29. Carlos, W.E. The EX defect center in porous silicon / W.E. Carlos, S.M. Prokes // J.HAppl. Phys. 1995. - Vol. 78, № 3. - P. 2129 - 2131.

30. Poindexter, E.H. Interface States and Electron Spin Resonance Centers in Thermally

31. E.H. Poindexter, P.J. Caplan, B.E. Deal, 52.-P. 879-884.

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

33. Bardeleben, H. J. Defects in porous p-type Si: an electron-paramagnetic-resonance study / H. J. von Bardeleben D. Stievenard A. Grosman, C. Ortega, and J. Siejka // Phys. Rev.-1993.-Vol. 47.-P. 10899- 10902.

34. Stesmans, A. / Undetectability of the point defect as an interface state in thermal (100) Si/Si02 / A. Stesmans, V.V. Afanas'ev // J. Phys., Condens. Mat. 1998. - Vol. 10. - P. L19.

35. Brandt, M.S. Spin-dependent effects in porous silicon / M.S. Brandt, M. Stutzman // Appl. Phys. Lett. 1992. - Vol. 61. - P. 2569 - 2571.

36. Yokomichi, H. Electron spin resonance centers and light-induced effects in porous silicon / H. Yokomichi, H. Takakura, M. Kondo // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. - Vol. 32. -P. L365-367.

37. Laiho, R. Electron paramagnetic resonance in heat treated porous silicon / R. Laiho, L.S. Vlasenko, M.M. Afanasiev, M.P. Vlasenko // J. Appl. Phys. 1994. - Vol. 76, № 7.-P. 4290-4293.

38. Xiao, Y. Existence of a Pbl-like defect center in porous silicon / Y. Xiao, T.J. McMahon, J.I. Pankove, Y.S. Tsuo // J. Appl. Phys. 1994. - Vol. 76, № 3. - P. 1759 -1763.

39. Демидов, E.C. Электронный парамаг нитный резонанс в пористом кремнии / Е.С. Демидов, В.Г. Шенгуров, Н.Е. Демидова, В.Н. Шабанов // ФТП. 1994. - Т. 28, вып.4. - С. 701 - 705. - вып.8. - С.1503.

40. Takagu, Н. Quantum size effects on photoluminescence in ultrafine Si particles / H. Takagu, H. Ogawa, Y. Yamazaki, A. Ishizaki, T. Nakagiri // Appl. phys. lett. 1990. -Vol. 56, №24.-P. 2379-2380.

41. Osaka, Y. Visible Photoluminescence from Si Microcrystals Embedded in Si02 Glass Films / Y. Osaka, K. Tsunetomo, F. Toyomura, H. Myoren, K. Kohno // Jpn. J. Appl. Phys. 1992. - Vol. 31. - P. L365 - 367.

42. Shimizu-Iwayama, T. Visible photoluminescence related to Si precipitates in Si+-implanted SiCh / T. Shimizu-Iwayama, M. Ohshima, T. Niimi, S. Nakao, K. Saiton, T. Fujita, N. Iton // J. Phys. 1993. - Vol. 5. - P. L375 - L380.

43. Kanemitsu, Y. Visible photoluminescence from oxidized Si nanometer-sized spheres: Exciton confinement on a spherical shell / Y. Kanemitsu, T. Ogawa, K. Takeda // Phys. Rev. 1993. - Vol. 48. - P. 4883 - 4886.

44. Min, K.S. Defect-related versus excitonic visible light emission from ion beam synthesized Si nanocrystals in SiC>2 / K.S. Min, K.V. Seheglov, C.M. Yang, H. Atwater, M.L. Brongersma, A. Polman // Appl. Phys. Lett 1996. - Vol. 69. - P. 2033 - 2035.

45. Mimura, A. Photoluminescence and free-electron absorption in heavily phosphorus-doped Si nanocrystals / A. Mimura, M. Fujii, S. Hayashi, D. Kovalev, F. Koch // Phys. Rev. 2000. - Vol. 62. - P. 12625 - 12627.

46. Meyer, В. K. Defects in porous silicon investigated by optically detected and by electron paramagnetic resonance techniques / В. K. Meyer, D. M. Hofinan, W. Stadler, V. Petrova-Koch, F. Koch // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 63. - P. 2120 - 2122.

47. Качурин, Г. А. Влияние имплантации ионов Р на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях Si02 / Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, Д.И. Тетельбаум, А.Н.иМихайлов // ФТП. 2003. - Т.36, вып.6. - С. 738 -742.

48. Тетельбаум, Д.И. Влияние ионной имплантации Р , В и на люминесцентные свойства Si02:nc-Si / Д.И. Тетельбаум, О.Н. Горшков, В.А. Бурдов, С.А. Трушин, А.Н. Михайлов, Д.М. Гапонова, С.В. Морозов, А.И. Ковалёв // ФТТ. 2004. - Т. 46, вып.1. — С. 21 -25.

49. Dohi, M. Paramagnetic defects in ultrafine silicon particles / M. Dohi, H. Yamatani, T.bFujita // J. Appl. Phys. 2002. - Vol. 91. -P. 815-818.

50. Kusumoto, H. Paramagnetic Centers Produced at the Silicon Surface by Heat-Treatment in Atmosphere Containing No Oxygen / H. Kusumoto, M. Shoji // J. Phys. Soc.Jpn.-1962.-Vol. 17.-P. 1678-1679.

51. Демидов, E.C. ЭПР-спектры алмазов, выращенных на Ni, облучённом ионами углерода / Е.С.Демидов, С. И. Кулаков, С. А. Чурин // Неорг. Матер. 1981. -Vol. 17. Р. 1307- 1308.

52. Демидов, Е.С. ЭПР и люминесценция в наноразмерных гетероструктурах Si-SiOi / Е.С. Демидов, В.В. Карзанов, Н.Е. Демидова // Нанофотоника: сб. тр. совещ. ИФМ РАН. (Н.Новгород). 2003. - С. 48 - 51.

53. Weber, E.R. Electronic paramagnetic resonance characterization of defects in semiconductors / E.R.Weber // SPIE, 524 Spectroscopic Characterization Techniques for Semiconductor Technology II. 1985. - P. 160.

54. Kveder, V. Temperature dependence of the recombination activity at contaminated dislocations in Si: A model describing the different EBIC contrast behavior / V. Kveder, M. Kittler, W. Shroter // Phys. Rev. 2001. - Vol. 63. - P. 115208-115218.

55. Свойства структур металл диэлектрик - полупроводник / монография под ред. чл.-корр. АН СССР А. В. Ржанова. - М.: Наука, 1976. - 276 с.

56. Демидов, Е.С. Альтернативная корреляционная модель электронных состояний в оптических свойствах пористого кремния / Е.С. Демидов, В.В Карзанов, А.Б. Громогласова // Материалы Всероссийского совещания «Нанофотоника» Н.Новгород. 1999. - С. 201 - 202.

57. Ламперт, М. Инжекционные токи в диэлектриках / М. Ламперт, П. Марк. Пер. с англ. под ред. С. М. Рывкина- М.: Мир, 1973. - 416 с.

58. Милне, А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках / А. Милне. — М.: Мир, 1977.-562 с.

59. Мотт, Н. Электронные процессы в некристаллических веществах / Н. Мотт, Э. Дэвис. М.: Мир, 1982. - Т.1, 2. - 368 е., 658 с.

60. Юнг Л., Анодные оксидные плёнки / Л. Юнг. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1967.- С.18.

61. Marshall, J. М. Field-Dependent Carrier Transport in Non-Crystalline Semiconductors / J. M. Marshall, G. R. Miller // Phil. Mag. 1973. - Vol. 27. - P. 1151 - 1168.

62. Демидов, Е.С. Экспоненциальный полевой рост проводимости в гранулированных средах, обусловленный кулоновской блокадой туннелирования / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник Нижегородского госуниверситета. Сер. физ. тв. тела. — 2007.-Вып. 4.- С. 39-46.

63. Properties of Porous Silicon / Ed. by L.T. Canham. IEE INSPEC. The Institution of Electrical Engineers. London, 1997 - 317 p.

64. BenChorin, M. Nonlinear electrical transport in porous silicon / M. BenChorin, F. Moller, F. Kohc // Phys.Rev. 1994. - Vol. 49. - P. 2981 - 2984.

65. Peng, C. Carrier transport in porous silicon light emitting devices / Peng C., Hirchman K.D., Fauchet P.M. // J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 80, №1. - P. 295 - 300.

66. Демидов, Е.С. Примесные состояния ионов группы железа в алмазоподобных полупроводниках: Дис. докт. физ.-мат. наук: 01.04.10 / Е.С. Демидов. Нижний Новгород, 1994.-319 с.

67. Пул, Ч. Техника ЭПР спектроскопии / Ч. Пул. М., 1970. - 488 с.

68. Демидов, Е.С., Карзанов В.В., Физика твёрдого тела, Лабораторный практикум/ Физические свойства твёрдых тел / Е.С. Демидов, В.В. Карзанов. Под ред. А.Ф. Хохлова, М.: ВШ, 2001. - Т.2. - С.362 - 388.

69. Демидов, Е.С. Магнитные резонансы в твёрдых телах / Демидов Е.С., Ежевский А.А., Карзанов В.В. Нижний Новгород: ННГУ, 2007. - 126 с.

70. Гусев, С.А. Получение и исследование ферромагнитных нитей в матрице пористого кремния / С.А. Гусев, Н.А. Короткова, Д.Е. Розенштейн, А.А. Фраерман, В.Г. Шенгуров // Письма в ЖТФ. 1994. - Т.20, вып.11. - С. 50 - 53.

71. Бондаренко, В.П. Пористый кремний в полупроводниковой электронике / Бондаренко В.П., Борисенко В.Е. // Зарубежн. электр. техн. / М.: ЦННИ Электроника. 1978. - № 15. - С. 3 - 46.

72. Ortega, С. Characterization of porous silicon by NRA, RBS and channeling / C. Ortega, J. Siejka. G. Vizkelethy // Nucl. Instrum. Meth. 1990. - Vol. 45. - P. 622 - 626.

73. Miyoshi, T. Time-Resolved Luminescence Spectra of Porous Si / Tadaki Miyoshi, Kyu-Seok Leel and Yoshinobu Aoyagi* // Jap. J. Appl. Phys. 1992. - Vol. 31. - P. 2470-2471.

74. Murayama, K. Visible Photoluminescence from Porous Silicon / Kazuro Murayama, Seiichi Miyazakil and Masataka Hirose // Jap. J. Appl. Phys. 1992. - Vol. 31. - C. L1358 - 1361.

75. Копаев, Ю.В. Размерный эффект в квантовых проводах кремния / Ю.В. Копаев, С.Н. Молотков, С.С. Назин // Письма в ЖЭТФ. 1992. - Т.55. - С. 696 - 700.

76. Караванский, В.А. Морфология "квантовых проволок" пористого кремния / В.А. Караванский, М.А. Качалов, А.П. Маслов, Ю.Н. Петров, В.Н. Селезнёв, А.О. Шувалов // Письма в ЖЭТФ. 1993. - Т.57. - С. 229 - 232.

77. Демидов, Е.С. Криостат для исследования ЭПР при температурах 80-400 К / Е.С. Демидов, А.А. Ежевский // Заводская лаборатория. 1981. — Т.47 вып. 1. — С. 42 -43.

78. Демидов, Е.С. Примесные состояния ионов группы железа в арсениде галлия и кремнии / Е.С. Демидов // ФТТ. 1977. - Т. 18, вып.1. - С. 175 - 180.

79. Демидов, Е.С. Возбуждённые состояния иона Fe3+ в арсениде и фосфиде галлия / Е.С. Демидов, А.А. Ежевский, В.В. Карзанов//ФТП. 1983,- Т. 17, вып.4. - С. 661 -664.

80. Демидов, Е.С. Изменение фононного спектра кристалла при возбуждении и перезарядке Fe3+ в GaAs / Е.С. Демидов // ФТТ. 1988. - Т.ЗО, вып.6. - С.1836 -1838.

81. Peng, С. Carrier transport in porous silicon light emitting devices / C. Peng, K.D. Hirschman, P.M. Fauchet, // J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 80, № 1. - P. 295 - 300.

82. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 407 с.

83. Лихарев, К. К. Одноэлектроника / К.К. Лихарев. Микроэлектроника, 1987. - Т. 16.- С. 195.

84. Демидов, Е.С. Аттосекундная высокотемпературная субнаноразмерная одноэлектроника на атомах переходных элементов /Е.С. Демидов // Письма в ЖЭТФ.-2000.-Т. 71.-С. 513.

85. Кулик, И.О. Кинетические явления и эффекты дискретного заряда в гранулированных средах / И.О. Кулик, Р. И. Шехтер // ЖЭТФ- 1975. Т. 68. - С. 623 - 640.

86. Коттон, Ф. Современная неорганическая химия / Ф. Котгон, Дж. Уилкинсон. М.: Мир, 1969 - Т.З. 592 с. (пер. с англ.: Cotton, F.A. Advanced inorganic chemistry / F.A. Cotton, Wilkinson, G. John. - Wiley&Sons, N.-L.-Sydn., 1967)

87. M. И. Страшникова, В. Л. Возный, В. Я. Резниченко, В. Я. Гайворонский / Оптические свойства пористого кремния // ЖЭТФ, Т. 120, С. 409-419 (2001).

88. Bloom, I. Nonlinear 1/f Noise Characteristics in Luminescent Porous Silicon / I. Bloom, I. Balberg // Appl.Phys. Lett. 1999. - Y.74, № 10. - P. 1427 - 1430.

89. Аверин, Д.В Когерентные колебания в туннельных переходах малых размеров / Д.В. Аверин, К.К. Лихарев // ЖЭТФ. 1986. - Т.90, вып.2. - С.733 -746.

90. Суходоев, И.В. Шумовые параметры транзисторов / И.В.Суходоев. — М.: Связь. — 1967- 64 с.

91. KUck, S. Laser-related spectroscopy of ion-doped crystals for tunable solid-state lasers / S. Kiick // Appl.Phys. Lett. 2001. - V.72. - P. 515 - 562.

92. Wai Lek Ng, An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode / Wai Lek Ng, M. A. Lourenco, R. M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, K. P. Homewood // Nature 2001.-V. 410, № 8.-P. 192-194.

93. Вугальтер, Г.А. Физика квантовых широкоразмерных структур / Г.А. Вугальтер, В.Я. Демиховский. М.: Логос, 2000. 248 с.

94. Ruzin, I.M. Stochastic Coulomb blockade in a double-dot system / I.M. Ruzin, V. Chandrasekar, E.I. Levin, L.I. Glazman // Phys. Rev. 1992. - V. B45. - P. 13469 -13478.

95. Coherent transport through a coupled-quantum-dot system with strong intradot interaction / Niu Cheng, Liu Li-jun, Lin Tsung-han // Phys. Rev. 1995. - V. B51. -P.5130 — 5137.

96. Sushil Lamba, Role of interdot interactions. Transport through a coupled quantum dotsystem / Sushil Lamba, S.K. Joshi // Phys. Rev. 2000. - V. B62. - P. 1580 - 1583.138

97. Likharev, K.K. Single-electron tunnel junction array: an electrostatic analog of the Josephson transmission line / Likharev K.K., Bakhvalov N.S., Kazacha G.S., Serdyukova S.I. // IEEE Trans. On Magnetics. 1989. - V.25. - P. 1436 - 1439.

98. Батыгин, B.B. Сборник задач по электродинамике / В. В. Батыгин, И. Н. Топтыгин М.: Наука, 1970. 503 с.

99. Likharev, К.К. Correlated discrete transfer of single electrons in ultrasmall tunnel junctions / K.K. Likharev // IBM Res.Develop. 1988. - V.32. - P. 144 - 158.

100. Кубо, P. Статистическая механика / P. Кубо. M.: Мир, 1967. - 452 с. (пер. с англ. под ред. Д. Н. Зубарева / Kubo R. Statistical Mechanics, North-Holland, Amsterdam, 1965).

101. Киттель, Ч. Квантовая теория твёрдого тела / Ч. Киттель М.: Наука, 1967. 491с. (пер. с англ. А.А. Гусева: Kittel, С. Quantum Theory of Solids, John Wiley&Sons, N.-L., 1963).

102. Публикации по теме диссертации

103. Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник Нижегородского госуниверситета, серия