Миграция и процессы безызлучательной рекомбинации фотовозбуждений в пленках нитрида кремния с аморфными кремниевыми нанокластерами В.А. Стучинский, В.А. Володин, Т.Т. Корчагина, M. Vergnat* Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск * Laboratoire de Physique des Matériaux, Nancy- Université, France

Зависимость I(T) в слоях диэлектриков с кремниевыми нановключениями K.S. Zhuravlev and A.Yu. Kobitskii, Semiconductors, 34, 1254 (2001). J. Heitmann, et al., Phys. Rev. B., 69, (2004). A.Yu. Kobitski, et al., Phys. Rev. B, 63, (2001). A. Irrera, et al. Nano- technology, 17, 1428 (2006). J. Wang, et al., Solid State Communications, 147, 461 (2008).

PL models for Si nanoinclusions embedded within a dielectric matrix a) excitonic, or confined c-Si:H, PL model (P.D.J. Calcott, et al. J. Phys.: Condens. Matter, 5, L91 (1993)), b) band-tail a-Si:H PL model (M.J. Estes and G. Modell, Phys. Rev. B, 54 (5), (1996)), c) intermediate a-Si:H PL model. Обе модели, (a) и (b), в принципе объясняют все основные закономерности исследуемой ФЛ: (1) характерную величину энергии ФЛ, (2) неэкспоненциальный спад интенсивности ФЛ после выключения подсветки, (3) красный сдвиг ФЛ при увеличении размера полупроводниковых нановключений, (4) необходимость предварительной термической активации фотовозбуждений для их излучательной рекомбинации (высвечивания ФЛ), (5) уменьшение излучательного времени жизни фотовозбуждений с уменьшением размера полупроводниковых нановключений. Si 3 N 4 c-Si a-Si (a) (b) (c)

Raman spectra of several samples.

PL spectra of all samples measured at T=-190 o C under mercury-lamp excitation. Upper panel – SRN films grown at T=100 о С, curve 1 – sample 611; 2 – 612; 3 – 613; 4 – 614; 5 – 615. Bottom panel – SRN films grown6 at T=380 о С, curve 1 – sample 621; 2 – 622; 3 – 623; 4 – 624; 5 – 625. The PL intensity scale is logarithmic.

PL spectra of sample 613 measured at different temperatures.

Maximum PL intensity versus temperature in the spectra of samples grown at temperatures T=100 o C (a) and 380 o C (b). The fitting quality ensured by the developed model is illustrated by curve 623*, which was calculated by formula (3) to fit the experimental data for sample 623.

t Δ =5-16 meV, τ t = 1 ms, τ s = 20 μs

TABLE 2. Parameter values found in examined samples. SampleE act 1, meVE act 2, meVf 2 / f 1 R nc, nmR tunnel, nm m/n= m/n= m/n= m/n= m/n= 0.3 m/n=1m/n=1 m/n=3m/n= (2.59) 1.45 (2.29) 1.17 (1.70) 0.86 (1.40) 0.72 (1.26) 0.56 (1.12) 0.42 (0.98) (2.12) 1.23 (1.84) 0.94 (1.27) 0.65 (1.02) 0.52 (0.92) 0.37 (0.82) 0.23 (0.74) (1.51) 1.28 (1.31) 1.00 (0.96) 0.73 (0.84) 0.60 (0.79) 0.46 (0.74) 0.33 (0.71) (2.57) 1.44 (2.28) 1.15 (1.69) 0.85 (1.40) 0.71 (1.26) 0.55 (1.11) 0.41 (0.98) (1.64) 1.34 (1.41) 1.07 (1.02) 0.80 (0.88) 0.67 (0.82) 0.52 (0.76) 0.39 (0.729) Note: No estimates of R tunnel for samples 614, 615, 624, and 625 is given because the nanocluster sizes R nc in those samples could not be evaluated using the formula for R nc (I PL ) reported in [24].

1.5 eV 2.0 eV E act eV 1.56 eV EvEv EcEc Зонная диаграмма системы двух аморфных кремниевых нанокластеров в матрице нитрида кремния

Экситон: туннелирование как сложной частицы N. Saito and Y. Kayanuma, J. Phys.: Condens. Matter, 6, 3759 (1994). N. Saito and Y. Kayanuma, Phys. Rev. B, 51, 5453 (1995). S. Bacca and H. Feldmeier, Phys. Rev. C, 73, (2006). C.A. Bertulani, V.V. Flambaum, and V.G. Zelevinsky, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 34, 2289 (2007).

The activation energy E act 2 of the second nonradiative process versus the tunneling distance R tunnel. The values of R tunnel are values obtained assuming m/n=1.

0.37 nm < R tunnel < 0.57 nm eV/cm Электростатическая задача +q -q

The ratio f 2 /f 1 versus the energy E act 2. 1 and 2 – data for sample series and , respectively. The curve is the dependence calculated by the developed model for fixed m/n-ratio, nanocluster size, and PL emission energy value (m/n=1, R nc =1.4 nm, and E PL =2.52 eV, respectively).

Литературные прецеденты T. Orii, M. Hirasawa, T. Seto, N. Aya, and S. Onari, Temperature dependence of photoluminescence from mono-dispersed Si nanoparticles, Eur. Phys. J. D, 24, 119 (2003).

Выводы 1. Безызлучательная релаксация фотовозбуждений в изученных пленок нестехиометрического нитрида с аморфными кремниевыми нанокластерами включает два параллельных канала с энергиями активации процессов эВ и эВ, первый из которых доминирует при температурах менее 200 K, а второй – при более высоких температурах. Исходя из соотношения частотных факторов процессов и наблюдающейся корреляции между их отношением и энергией активации второго процесса, первый процесс идентифицирован как безызучательная рекомбинация экситонов в дефектных нанокластерах, происходящая в результате миграции экситонов как целого по системе кремниевых нанокластеров, а второй – как термическая диссоциация экситонов, осуществляемая путем покидания нанокластера наиболее подвижным компонентом – дыркой. Тем самым фактически установлен механизм термического гашения ФЛ в изученных пленках. Фактором, определяющим температурную зависимость гашения ФЛ выше 200 K, является кулоновская энергия взаимодействия электрона и дырки, локализованных на соседних кремниевых нанокластерах. Наиболее вероятным фактором, определяющим температурную зависимость гашения ФЛ ниже этой температуры, является разброс энергий экситона в нанокластерах, обусловленный дисперсией размеров нанокластеров. 2. Полученные данные указывают на то, что ФЛ от изученных пленок нестехиометрического нитрида с аморфными кремниевыми нанокластерами имеет экситонную природу, а не является следствием излучательной рекомбинации электронов и дырок из состояний в хвостах зон полупроводника.

Спасибо за внимание!