О ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК КРЕМНИЯ

A model of radiative and nonradiative transitions in silicon quantum dots is presented that describes the temperature dependence of photoluminescence of ion-synthesized ensembles of Si nanocrystals in SiO2. The four−level scheme of transitions is considered taking into account thermally activated processes and exchange splitting of the ground state of excited exciton to triplet and singlet sublevels, transitions from which are responsible for the luminescence. The expression for temperature dependence of the monochromatic photoluminescence components that is in agreement with a number of analogous dependencies from literature is derived on the basis of solution of a system of kinetic equations. The obtained expression describes adequately experimental results of the given work and allows to determine the splitting value for the exciton state in dependence on the energy of emitted photons, i.e. the nanocrystal size.Представлена модель излучательных и безызлучательных переходов в квантовых точках кремния, которая описывает температурную зависимость фотолюминесценции ионно-синтезированных массивов нанокристаллов Si в SiO2. Рассмотрена четырехуровневая схема переходов, учитывающая термоактивированные процессы и обменное расщепление основного энергетического состояния экситона в нанокристалле кремния на триплетный и синглетный уровни, переходы с которых в основное состояние ответственны за люминесценцию. На основе стационарного решения системы кинетических уравнений, описывающих заселенность уровней, получено выражение для температурной зависимости монохроматических составляющих фотолюминесценции, которое удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Найдены и сравнены с литературными данными величины расщепления энергетического состояния экситона в зависимости от энергии излучаемых фотонов

ДИФРАКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ В СТРУКТУРАХ SiOx/Si С ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ УГЛЕРОДА

The films have been deposited on the silicon subtracts with the (111) and (100) orientations by thermal evaporation of SiO powder and carbon implanted with doses of 6 · 1016 to 1,2 · 1017 cm−2 followed by annealing in nitrogen at 1100 oC. Diffraction studies of these structures confirm the occurrence of a preferred orientation in the nanocrystals during high temperature thermal annealing, controlled by the substrate orientation. It was possible to detect the existence of two arrays of silicon nanocrystals in the dielectric matrix, with one having a smaller average size of 5—10 nm and a lattice parameter close to that of crystalline silicon, and the other one having a large size of 50—100 nm and a greater lattice parameter. We have estimated the carbon implantation doses for which the large size nanocrystals (> 50 nm) do not form. This dose is 6 · 1016 cm−2 for the (111) substrates and 9 · 1016 cm−2 for the (100) ones.В пленки, нанесенные на подложки кремния с ориентацией (111) и (100) путем термического распыления порошка SiO, проведена имплантация углерода с дозами от 6 · 1016 до 1,2 · 1017 см−2 с последующим отжигом в азоте при 1100 oС. С помощью дифракционных исследований этих структур подтверждено появление преимущественной ориентации нанокристаллов кремния в процессе высокотемпературного термического отжига, обусловленной ориентацией подложки. Обнаружено существование в диэлектрической матрице двух массивов нанокристаллов кремния: одного — с меньшим средним размером (области когерентного рассеяния — ОКР) 5—10 нм и параметром решетки, близким к параметрам кристаллического кремния, и второго — с большим размером (ОКР) 50—100 нм и увеличенным параметром решетки. Выявлены дозы имплантации углерода, при которых не образуются нанокристаллы крупных размеров (>50 нм). В случае подложки с ориентацией (111) такая доза составляет 6 · 1016 см−2, а для подложки (100) ~ 9 · 1016см−2

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНТРОВ ДИСЛОКАЦИОННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ D1 В КРЕМНИИ, ПОДВЕРГНУТОМ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ Si+, И МОДЕЛЬ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Using step−by−step removal of silicon layers, in which dislocation−related photoluminescence is observed after Si+ (100 keV, 1 ·1015 cm−2) ion implantation followed by high−temperature annealing in a chlorine−containing atmosphere, it has been found that a majority of dislocation−related centers of luminescence at ~ 1,5 μm (D1 line) is localized at the depths of Si+ ion ranges. Cross−sectional electron microscopy shows that the dislocations introduced by the implantation treatment (implantation plus annealing) penetrate to depths of ~ 1μm. A phenomenological model of the D1−line dislocation−related luminescence is developed based on the assumption that the K−centers and modified A−centers located in the atmospheres of dislocations are responsible for this luminescence line. The temperature dependence of luminescence intensity calculated on the basis of the model fits well the experimental data for the D1 line.Путем последовательного удаления слоев с кремния, в котором наблюдается дислокационная фотолюминесценция после ионной имплантации Si+ (100 кэВ, 1 · 1015 см−2) с последующим высокотемпературным отжигом в хлорсодержащей атмосфере, установлено, что основная доля центров дислокационной люминесценции при ~1,5 мкм (линия D1) сосредоточена в области пробегов ионов Si+. Методом электронной микроскопии поперечного среза показано, что введенные имплантационной обработкой (имплантация и последующий отжиг) дислокации проникают до глубин ~1 мкм. Предложена феноменологическая модель дислокационной фотолюминесценции для линии D1, базирующаяся на предположении, что за эту линию ответственны расположенные в атмосферах дислокаций К−центры и модифицированные А−центры. Температурная зависимость интенсивности линии D1, рассчитанная на основе модели, описывает экспериментальные данные.