автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электронные и оптические свойства наноразмерных кремниевых кластеров и пленок

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

: и и,,

УДК 537.311.322 с ■■ г

; | -

ХОЛОД АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ КРЕМНИЕВЫХ КЛАСТЕРОВ И ПЛЕНОК

05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физпко-математических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Белорусском государственном университете информатики радиоэлектроники.

Научные руководители: д.ф.-м.н., проф. Борисенко В.Е.

к.ф.-м.н. Филонов А.Б.

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., проф. Яблонский Г.П.

к.ф.-м.н., доя. Дорожкин H.H.

Оппонирующая организация: Научно-исследовательский институт прикладных

физических проблем Белорусского государственного университета.

Защита состоится 7 мая 1998 г. в 14 час. на заседании совета по защите диссерташ Д.02.15.03 при Белорусском государственном университете информатики радиоэлектроники (220027, г. Минск, ул. П.Бровки 6).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Белорусского государственно университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан^ марта 1998 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, д.ф.-м.н., проф.

Абрамов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Актуальность темы исследований. Достигнутый в последние годы прогресс в ювершенствовании оборудования и технологических процессов сделал возможным формировать структуры, геометрические размеры которых контролируются с точностью до размера атомов. В структурах с размерами от единиц до десятков манометров носители испытывают квантовое ограничение, что приводит к кардинальному изменению электронных и оптических свойств материала, из которого изготовлены эти структуры. Квантовая природа, протекающих в них процессах, приводит к тому, что создаваемые на этой основе электронные и оптические приборы Зазируются на иных физических принципах по сравнению с традиционными приборами микроэлектроники, функционирование которых определяется законами классической физики. Установление закономерностей поведения электронов в наноразмерных структурах и создание на их основе перспективных элементов обработки информации привело к появлению нового направления в электронике -наноэлектроники.

На сегодняшний день самым распространенным полупроводниковым материалом, для интегральной микроэлектроники остается кремний. Очевидно, что именно этот материал предпочтительно применять и для приборов и устройств каноэлекпроники. Практическое использование наноразмерных кремниевых структур обеспечило бы существенное продвижение вперед на пути миниатюризации и увеличения быстродействия интегральных систем обработки информации. Однако оно сдерживается из-за противоречивых данных, касающихся электронных и оптических свойств таких структур. С этой точки зрения задача исследования электронных и оптических свойств наноразмерных кремниевых структур является актуальной и представляет значительный интерес. Такие исследования служат базой для совремешюй кремниевой нанотехнологии, так как создание устройств с необходимыми электрофизическими параметрами напрямую зависит от наличия информации о фундаментальных электронных свойствах используемого материала, об их изменениях, обусловленными различными факторами и в первую очередь размерными эффектами.

Важно отметить, что с развитием современной вычислительной техники изучение свойств твердотельных структур значительно упрощается при использовании мегодов квантово-механического моделирования, позволяющих длительные и дорогостоящие исследования на экспериментальных установках заменить численными экспериментами па ЭВМ. Кроме того, без проведения таких

расчетов однозначная интерпретация экспериментальных результатов часто затруднена и не является достаточно полной, а в ряде случаев вообще невозможна. С другой стороны, расчеты позволяют получить результаты, которые по тем или иным причинам не могут быть получены экспериментально, создавая тем самым предпосылки для более глубокой разработки теоретического описания; процессов, протекающих на атомарном и электронных уровнях.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники в рамках исследовательских проектов Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь, Республиканской научно-технической программы "Информатика" и Республиканской Межвузовской программы фундаментальных и поисковых исследований "Наноэлектроника".

Часть представленных исследований проводилась в кооперации со специалистами центра кристаллографических исследований СКМС2 (г. Марсель, Франция) в рамках договора о сотрудничестве между Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники и этим центром.

Цель настоящей диссертационной работы - теоретическое исследование фундаментальных электронных и оптических свойств наноразмерных кластеров и пленок крешшя путем их квантово-механического моделирования и определение возможностей создания оптоэлектронных приборов на их основе.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

провести анализ современного состояния исследований электронных и оптических свойств наноразмерных кремниевых структур; разработать теоретический подход и комплекс программ для сквозного моделирования атомной конфигурации, электронных и оптических свойств наноразмерных кремниевых структур;

провести теоретическое моделирование электронных свойств монокристаллических и ианокристаллических пленок кремния с водородной пассивацией оборванных связей;

исследовать влияние кислорода на электронные и оптические свойства кремниевых нанокристаллитов;

развить физические основы функционирования светоизлучающих приборов на наноразмерных слоистых структурах кремния.

Выбор в качестве основпого объекта исследования наноразмерных кластеров и пленок кремния продиктован значительными достижениями в технологии их воспроизводимого формирования методом молекулярно-лучевой эпптаксии, что дает эснование надеяться на наиболее быстрое их освоение в серийных электронных и эптоэлекхронных приборах наноэлектрокики.

Научная повизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Теоретическими расчетами электронных свойств монокристаллических (111) пленок кремния установлено, что для таких структур эффекту квантового ограничения подвергаются, главным образом, состояния носителей заряда в валентной зоне и, что воспроизведение объемных электронных свойств (характер межзонного перехода, ширина запрещенной зоны) начинается с толщины пленки около 3 нм.

2. Теоретически показано, что при формировании в эпитаксиальных наноразмерных пленках кремния межзеренных границ в них возникает тенденция к смене характера межзоппого перехода от непрямого к прямому, величина которого зависит от толщины пленки и размеров нанокристаллитов.

3. Показана необходимость учета взаимодействия волновых функций электронов, принадлежащих атомам смежных нанокристаллитов, при расчете электронных свойств напокристашшческих пленок кремния.

4. Обнаружено, что длина волны люминесценции кремниевых кластеров не зависит от условий пассивации поверхности, в то время как последние в значительной степени определяют энергию поглощешы света такими кластерами.

5. В рамках теории эффективных масс разработана модель, впервые рассматривающая нанокристаллическую пленку как систему двухмерных взаимодействующих квантовых ям и учитывающая эффекты квантового ограничения переноса носителей заряда в плоскости такой пленки.

6. Предложена модель токопереноса и выполнены расчеты интенсивности электролюминесценции в структурах с квантовыми ямами, образованными чередующимися наноразмерными эпитаксиалышми слоями кремния и дифторида кальция.

Практическая значимость результатов диссертационной работы. 1. Разработан программный комплекс, который позволяет проводить сквозное моделирование атомно-струкгурпых, электронных, оптических и транспортных

свойств нуль-, одно-, двух- ¡1 трехмерных твердотельных периодических структур на IBM-совместимых компьютерах и рабочих станциях на базе RISC-процессоров с минимальными затратами машинных ресурсов.

2. Полученные данные по электронной структуре ионокркегаллических и нанокристашшческих пленок кремния обеспечивают прогнозирование и корректную интерпретацию результатов экспериментальных исследований оптических свойств Si/CaF2 сверхрешеток и оптоэлекгронных структур на их основе.

3. Предложенная в рамках теории эффективных масс модель, учитывающая взаимодействие между соседними нанокристаллитами, помогает упростить исследования эффектов квантового ограничения в наноразмерных кремниевых структурах как на теоретическом, так и на экспериментальном уровнях.

4. Установленные закономерности влияния геометрических и электрофизических параметров на интенсивность электролюминесценции в периодической наноразмерной структуре Si/CaF2 позволяют сделать практические рекомендации по достижению в ней максимальной интенсивности излучения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Формирование в наноразмерной монокристаллической (111) пленке кремния межзеренных границ, пассивированных водородом, приводит к трансформации межзонного перехода из непрямого в прямой при толщинах пленки менее 2.0 нм, что является следствием дополнительного квантового ограничения переноса носителей заряда в плоскости такой пленки.

2. Учет взаимодействия волновых функций электронов, принадлежащих атомам смежных нанокристаллитов, при моделировании электронных свойств наноразмерных кремниевых структур, приводит к существенному уменьшению ширины запрещенной зоны по сравнению с энергетическим зазором изолировашюго нанокристаллита.

3. Величина Стоксового сдвига наноразмерных кремниевых кластеров не зависит от наличия атомов кислорода в объеме кластера, а определяется только условиями пассивации ими поверхности кластера.

4. Интенсивность электролюминесценции наноразмерной периодической структуры Si/CaF2 имеет немонотонное распределение по слоям с максимумом, определяемым концентрацией носителей заряда на внешних контактах и коэффициентом их рекомбинации в кремнии.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад iBTopa. Он заключается з непосредственном его участии в разработке моделей, подготовке и проведении теоретических расчетов, в анализе, интерпретации и эбобщенки полученных теоретических и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции 'Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 г.), международной конференции "Nanostructures: physics and technology" (Санкт-Петербург, 1996 г.), международных конференциях «NANOMEETING-95, -97» [Минск, 1995 г., 1997 г.), международной конференции Европейского материаловедческого общества "E-MRS'97" (Страсбург, Франция, 1997 г.), международном семинаре "II-International Workshop on Light Emitting Low Dimensional Silicon Structures" (Лагонисси, Греция, 1997 г.).

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах и 7 тезисов докладов в сборниках конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Она включает 76 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 9 таблиц в библиографию из 135 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель и основные задачи, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы и определено современное состояние исследований электронных и оптических свойств наноразмерных кремниевых структур.

Отмечено, что к настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по изучению светоизлучающих Свойств таких структур. Причем для объяснения механизма их видимой люминесценции в литературе называются несколько причин: квантово-размерный эффект, локализованные состояния на поверхности нанокристаллита, новые молекулярные образования (полисиланы, гидриды, силаксены). Тем не менее, последние экспериментальные исследования свидетельствуют о несостоятельности моделей молекулярных комплексов, и для объяснения люминесценции используется комбинация модели квантового ограничения и модели поверхностных локализованных состояний.

Обсуждаются возможные причины существующего многообразия гипотез о причинах люминесценции и отмечается, что в настоящее время, для синтеза наноразмерных кремниевых структур предпочтение отдается технологическим методам, позволяющим получать воспроизводимые результаты, в частности методу молскулярно-лучевой эштаксии. Наиболее отработанной является технология формирования эпитаксиалышх наноразмерных зпитаксиальных (111) пленок кремния на слоях дифторида кальция. Рассматриваются имеющиеся данные по изучению структурных и оптических свойств Si/CaF2 систем.

Далее проанализированы работы, в которых проводилось квантово-механическое моделирование свойств наноразмерных кремниевых структур. Отмечено, что в литературе широко представлены результаты зонных расчетов для кластерных и нитевидных структур, в тоже время рассмотрение нетривиальных пленочных систем находится в начальной стадии. Для всех рассматриваемых объектов отмечается, что эффект квантового ограничения приводит к значительному, по сравнению с объемным кремнием, уширению запрещенной зоны. Характер перехода зависит от кристаллографического направления, размеров структуры и типа атомов, используемых для насыщения оборванных на поверхности связей кремния.

Абсолютные значения энергии варьируются от работы к работе, что объясняется использованием различных методов расчета.

В заключении, на основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи диссертациошюй работы.

Во второй главе предлагается теоретический подход и дается характеристика программного комплекса SFERPS (Simulation of Fundamental Electronic and Related Properties of Solids), предназначенного для сквозного моделирования электрошшх, оптических и электрофизических свойств твердотельных структур. Отдельные программные единицы, входящие в комплекс, можно разделить на три основные группы: блок структурного моделирования, блок моделирования электрошшх свойств и блок расчета параметров материала.

Назначение блока структурного моделирования - генерация кристаллических структур требуемой пространственной периодичности. Поэтому наряду с объемом кристалла блок позволяет создавать наноразмерные структуры, такие как пленки, нити и кластеры. В этом случае требуется задание дополнительных геометрических (кристаллографическое направление, форма, размер структуры) и технологических (пассивация поверхности) условий.

Для расчета электронных свойств сгенерировашшх структур используются самосогласовашше полуэмпирические методики линейной комбинации атомных орбиталей (ИКАО): расширенный метод Хюкеля и метод модифицированного нулевого дифференциального перекрывания. Результатами работы блока моделирования электронных свойств являются: зонная структура, полные и парциальные плотности электронных состояний, а также тензор эффективных масс носителей заряда.

Блок параметров материала включает расчеты транспортных и оптических свойств. Подвижности носителей и их времена релаксации определяются в зависимости от температуры для различных механизмов рассеяния. Оптические параметры моделируемых структур оцениваются через расчет комплексной диэлектрической функции.

Информация, получаемая в результате работы программного комплекса, представляется в графическом виде с использованием средств машинной графики. Такое представление позволяет не только делать более наглядными и информативными результаты расчетов, но также проводить непосредственное сравнение с данными экспериментов. Таким образом, созданный программный комплекс позволяет моделировать экспериментальные результаты и в этом смысле

составляющие его программы можно рассматривать как элементы машинного моделирования свойств твердотельных объектов.

Далее для апробации программного комплекса была проведена серия тестовых расчетов для хорошо известных и изученных кремниевых структур: объема кристалла и простейших кластеров. Отмечено, что полученные результаты хорошо коррелируют с экспериментальными данными. В сравнении с величинами, приводимыми в других теоретических работах, нами получено лучшие для первопринципных и полуэмпирических методов JIKAO соответствие эксперименту.

В заключительном разделе данной главы рассмотрены вопросы моделирования свойств наноразмерпых кремниевых структур в рамках теории эффективных масс. Показано, что ширина запрещенной зоны папокристаллической (111) пленки кремния Ее определяется как

Eg=Ego+Egi+Eg2,

где Ego - ширина запрещенной зоны объемного кремния; Egi - уширение запрещенной зоны в результате квантового ограничения движения носителей заряда в направлении <111>; Eg2 - увеличение энергии межзонного перехода в результате дополнительного ограничения переноса носителей заряда в плоскости нанокристаллической пленки. Величина Eg2 получается решением двумерного уравнения Шредингера. Установлено, что при представлении нанокристаллической пленки как двумерного набора взаимодействующих квадратных ям с прямоугольными барьерами между ними двумерная задача сводится к двум независимым одномерным уравнениям Кронига-Пеш1, решение которых хорошо известно. Таким образом, для исследуемых в диссертационной работе нанокристаллических пленок кремния строится квантово-механическая модель, учитывающая возникающие в плоскости пленки эффекты квантового ограничения, а также взаимодействие между соседними нанокристаллитами.

В третьей главе проведено комплексное исследование фундаментальных электронных свойств монокристаллических и нанокристаллических (111) пленок кремния с пассивацией поверхности водородом.

Приведены атомно-структурные модели исследуемых пленочных структур. Для построения нанокристаллической (111) пленки кремния, передающей мелкозернистую структуру, наблюдаемую в эксперименте, предложена упрощенная модель. Формирование межзерениых границ представлено как удаление атомов кремшм из монокрис галлической пленки. Возникающие оборванные связи насыщали атомами водорода.

Для монокристаллических (Ш) пленок кремния делается подробный анализ зонной структуры, орбитального состава зон, зарядовых состояний на атомах. Обнаружено, что монокристаллические Si(lll) пленочные структуры, так же как и объемный кремний, характеризуются наличием непрямого межзонного перехода, расположенного в направлении Г-М двумерной зоны Бриллюэна. Рассмотрена тенденция изменения электронных свойств к объемным при увеличении толщины пленки. В частности отмечается, что монокристаллическая пленка кремния толщиной 3,13 нм воспроизводит объемные электронные свойства данного материала.

Рассмотрены размерные зависимости ширины запрещешгой зоны, а также собственных значений потолка валентной зопы и дна зоны проводимости. Установлено, что эффект квантового ограничения, действующий в таких наноразмерных структурах, приводит к существенному уширеншо запрещенной зоны по сравнению с её величиной для объемного кристалла, причем до 70 % от всего эффекта приходится на носители заряда в валентной зоне. Применение приближения эффективных масс для оценки электронных свойств рассматриваемых монокристаллических пленок кремния позволило сделать вывод, что если требуется определить уширение запрещенной зоны в результате квантового ограничения, то, в общем, допустимо использование компонентов тензора эффективных масс объемного кристалла. Наиболее критическим параметром, в этом случае, является показатель степени п (&Eg ~\jd"). Однако, при независимом рассмотрении действия размерных эффектов на состояния вблизи краев энергетических зон, процедура введения эффективной массы становится неоднозначной и требуег более тщательных оценок эффективных масс носителей.

Моделируются электронные свойства (111) пленочной структуры кремния при ее эволюции от монокристаллической пленки к структуре, характеризующейся наличием сплошных границ между нанокристаллическими зернами ("псевдокластерная" пленка). Обнаружено, что при формировании в структуре монокристаллической (111) пленки межзерешшх границ, пассивированных водородом, происходит трансформация межзонного перехода из непрямого в прямой. Причем, характер прямого перехода нанокристаллической структуры становится ярко выраженным при ее эволюции к "псевдо-кластерной" пленке. Для сравнения был рассчитан энергетический спектр изолированного зерна, характерного для "псевдокластерной" структуры. В этом случае расчетная всличипа энергетического зазора (4,61 эВ) оказалась намного больше по сравнению с шириной запрещенной зоны нанокристаллической пленки (2,07 эВ). Этот факт подчеркивает важность учета

взаимодействия волновых функций электронов, принадлежащих атомам смежных нанокристаллитов, при расчете электронных свойств кремниевых структур.

Для нанокристаллических пленок кремния проводится комплексное исследование электронных свойств в зависимости от толщины пленки и размера зерна. Для всех рассматриваемых структур наблюдается наличие прямого перехода е центре зоны Бриллюэна, причем его энергия меняется от 3,04 до 1,55 зВ как функция толщины пленки и размера зерна. Данные расчетов методом ЛКАО электронных свойств нанокристаллических пленок кремния с размером зерна равным 0,89 и 1,27 пм проанализированы в рамках предложенной квантово-механической модели, учитывающей взаимодействие между соседними нанокристаллитами. Обнаружено хорошее совпадение результатов моделирования непосредственными зонными расчетами и в рамках теории эффективных масс.

Отмечается, что для нанокристаллической пленки с размером зерна 0,5 нм, начиная с толщины 1,25 нм, величина энергии межзонного перехода лежит ниже относительно данных для пленки с размером зерна 0,89 нм. Чтобы объяснить полученный результат, были рассчитаны электронные свойства пленочной системы, представляющей собой структуру соединенных вместе двух нанокристаллических пленок. Построештя таким образом атомно-структурная модель позволяет оценить роль внутренних границ раздела параллельных подложке. В литературе это называют эффектом упаковки (от англ. "stacking effect"). Обнаружено, что этот эффект приводит к увеличению ширины запрещенной зопы по сравнению с её величиной для неразрывной но толщине нанокристаллической структуры. Сделан вывод о том, что отмеченные выше особенности находят простое объяснение в рамках теории квантового ограничения. Так, достаточно тонкие нанокристаллические пленки или пленки, состоящие из зерен большего размера, можно рассматривать как систему взаимодействующих кластеров. В случае же малых размеров зерна (0,5 нм), при увеличении толщины пленки, в структуре происходит качественный переход от системы взаимодействующих кластеров к системе взаимодействующих квантовых шлей. Как известно, последние характеризуются меньшей шириной запрещешюй зопы, нежели кластерные структуры.

В заключении главы рассмотрена корреляция полученных результатов с имеющейся информацией по экспериментальному исследованию оптического поглощения в Si/CaF2 структурах. Наблюдается хорошее качественное совпадение теоретических и экспериментальных данных. Показано, что количественное согласие может быть достигнуто при увеличении расстояния между смежными нанокристаллитами.

H

В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований влияния кислорода на электронные и оптические свойства кремниевых кластеров.

Обоснована необходимость таких исследований и приведены две возможные модели присутствия атомов кислорода в структуре кластера. В первой из них атомы водорода на поверхности кластера постепенно замещались гвдроксильными группами ОН. То есть в этом случае исследовалось влияние поверхностных пассивацисшшх условий на электронные и оптические свойства кластера. В рамках второй модели атомы кислорода помещались в объем кластера, разрывая Si-Si связь. Это давало возможность проследить влияние процесса окисления на структурные и электронные свойства кремниевого кластера.

Рассчитано изменение энергии оптических переходов поглощения и испускания, а также энергетического зазора в основном состоянии как функции степени пассивации поверхности кластера Orî-группами. Обнаружена несущественная зависимость энергии излучения от количества атомов кислорода на поверхности, одновременно величина энергии поглощения постепенно уменьшается. В соответствии с полученными результатами Стоксов сдвиг изменяется от 0,7 эВ для Sii4ll24 кластера до 0,2 зВ для Sin(OH)i6Hg структуры. Для объяснения такого поведения Стоксового сдвига учтено, что последний определяется возможностью релаксации геометрии возбужденного состояния по отношению к геометрии основного (чем больше релаксация, тем больше сдвиг). В рассматриваемой атомно-структурной модели образуется незакрепленная с одной стороны ОН-группа и, при малом числе атомов кислорода в процессе оптимизации происходят заметные изменения в длинах связей и углах между атомами (для максимальной компенсации "возмущений" в системе). При больших количествах кислорода возможности такой релаксации значительно меньше (отталкивание между отрицательно заряженными атомами О) и, соответственно, сдвиг уменьшается.

Рассмотрена роль кислорода, внедренного в объем кластера. В данном случае наблюдается существенное уменьшение величины энергетического зазора в основном состоянии и энергии оптических переходов. Важным полученным результатом является то, что величина Стоксового сдвига практически не зависит от наличия атомов кислорода в объеме кластера. Это происходит из-за того, что на поверхности атомы кислорода имеют больше степеней свободы, нежели атомы кислорода, помещенные в объем кластера. В случае внедренного кислорода его подвижность в системе резко ограничивается и практически не зависит от числа атомов кислорода. Поэтому оптимизация геометрии кластера в возбуждешюм состоянии вызывает заметные возмущения в структуре поверхности, в то время как внутреннее

расположение атомов практически не изменяется Таким образом, можно сделать вывод, что на величину Стоксового сдвига оказывают влияние только поверхностные пассивационыс условия.

Ещё одна интересная особенность полученных результатов состоит в том, что в электронной структуре кластера происходят значительные изменения, когда число атомов кислорода превышает определенное критическое значение (для нашего случая - больше чем 10 атомов). В этом случае оптические переходы имеют место в области энергий более близких к энергии запрещенной зоны диоксида кремния.

В пятой главе предложена модель токопереноса и электролюминесценции в структурах с квантовыми ямами, образованными чередующимися наноразмерными эпитаксиальными слоями кремния и дифторида кальция.

Принимается, что токоперенос в таких структурах происходит' путем упругого туннелирования электронов и дырок через слои диэлектрика и их дрейфа в слоях полупроводника. Вероятность туннелирования определяется в квазиклассическом приближении Венгцеля-Крамерса-Бриллюэна. Электроны движутся от электронного омического контакта к дырочному, дырки - в противоположном направлении. В слоях кремния происходит излучательная и безызлучательная рекомбинация неравновесных носителей заряда.

Для оценки корректности предложенной модели выполнены тестовые расчеты вольт-амперной характеристики (ВАХ) §1/СаР2 структуры, состоящей из 50 периодов [81(1,6 нм)/СаР2(0,8 нм)], которая была изготовлена и исследована в центре кристаллографических исследований С11МС2. Получено, что для напряжений на контактах У< 7 В, имеет место хорошее согласие измеренных и расчетных ВАХ. Если приложенное напряжение превышает 7 В, наблюдается расхождение, которое связано с тем, что при таких относительно высоких напряжениях токоперенос в исследуемой структуре осуществляется не только за счет упругого туннелирования носителей через слои диэлектрика, но и по другим механизмам, которые не учитываются в рамках предложенной модели.

Рассчитана интенсивность электролюминесценции как функция числа периодов в структуре. Обнаружено, что интенсивность излучения быстро растет с увеличением числа периодов и при определенном их количестве характеризуется наличием максимума, после которого интенсивность постепенно снижается. Такой эффект является следствием неравномерного распределения носителей по слоям структуры. Анализ влияния геометрических размеров структуры показал, что с ростом толщины кремниевых и диэлектрических слоев полная интенсивность излучения структуры

вдает. При прочих равных условиях это связано с уменьшением темпа туннельных тереходов.

Показано также, что повышение коэффициента рекомбинации и концентраций шектронов и дырок на контактах приводит, с одной стороны, к росту полной шгенсивноеги излучения, а, с другой стороны, к увеличению неравномерности ее распределения по слоям структуры. В заключении предложены оптимальные параметры структуры, обеспечивающие максимальную величину интенсивности генерируемого излучения.

ВЫВОДЫ

1. Разработан теоретический подход и создал программный комплекс, позволяющий проводить на персональных компьютерах и рабочих станциях сквозное моделирование фундаментальных электронных, оптических и транспортных свойств тзердотельных структур. Комплекс характеризуется модульной структурой, разветвленной системой сервисных программ, в которых используются средства компьютерной графики, и позволяет представлять результаты расчетов в виде удобном для непосредственного сопоставления с экспериментальными данными.

2. В результате моделирования электронных свойств монокристаллических (111) пленок кремния показано, что энергетический спектр последних обладает основными чертами, присущими объемному материалу: потолок валентной зоны расположен в центре двумерной зоны Бршшоэна, дно зоны проводимости лежит в направлении Г-М, что соответствует направлению Г-Х объемной зоны Бриллюэна. Для рассматриваемых структур размерные эффекты приводят к существенному уширению запрещенной зоны, причем до 70 % от всего эффекта квантового ограничения приходится на носители заряда валентной зоны. При толщине пленки в 3,13 нм величина зазора достигает значения ширины запрещенной зоны объемного кремния.

3. Исследованы электронные свойства (111) пленочной структуры кремния при ее эволюции от сплошной монокристаллической пленки к гранулированной нанокристаллической структуре. Обнаружено, что при формировании межзеренных границ, пассивированных водородом, происходит трансформация межзонпого перехода из непрямого в прямой. Учет взаимодействия волновых функций электронов, принадлежащих атомам смежных нанокристаллитов, приводит к

существенному понижению ширины запрещенной зоны но сравнению с энергетическим зазором изолированного нанокристаллита.

4. В нанокристаллических (111) пленках кремния квантовое ограничение приводит к существенному уширснию запрещенной зоны. В зависимости от толщины пленки и размера нано^исталлигов в ней энергия межзонного перехода изменяется от 3,04 до 1,55 эВ. Такую пленку можно представлять либо системой взаимодействующих кластеров, либо системой взаимодействующих нитей.

5. В рамках теории эффективных масс разработана квантово-механическая модель нанокристаллических пленок кремния, базирующаяся на учете эффектов квантового ограничения, возникающих в плоскости пленки, и учитывающая взаимодействие между соседними наиокристаллитами. Основные особенности электронных свойств этих пленок, могут быть качественно и количественно воспроизведены с помощью предложенной модели с точностью, достижимой в рамках более сложных квантово-механических подходов.

6. Расчет электронных и оптических свойств наноразмерных кремниевых кластеров показал, что длина волны их люминесценции не зависит от пассивации поверхности водородом или ОН-группами. В то же время условия пассивации в значительной степени определяют ' энергию поглощения света такими кластерами. Обнаружено, что оптические свойства наноразмерных кластеров кремния характеризуются наличием Стоксового сдвига, величина которого не зависит от наличия атомов кислорода в объеме, а определяется только условиями пассивации ими поверхности кластера.

7. Разработана модель токопереноса и связанной с ним электролюминесценции в наноразмерных слоистых структурах Si/Cal;2. Моделирование вольт-амперных и излучательных характеристик таких структур с учетом их геометрических размероз в зависимости от основных свойств образующих их материалов показало, что интегральная интенсивность излучения имеет максимум в зависимости от числа периодов в структуре. Установлено, что повышение коэффициента рекомбинации в кремнии и концентраций электронов и дырок па контактах приводит, с одной стороны, к росту интегральной интенсивности излучения, а, с другой стороны, к увеличению неравномерности ее распределения по слоям.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1] В .Е. Борисенко, А.Н. Холод, Д.Л.Фролов, Сквозное моделирование структурных, электронных, электрофизических и оптических свойств силицидов // Актуальные проблемы твердотельной электрокики и микроэлектроники: Тез. докл. конф. - Таганрог, 1994. - С. 15.

2] А.Н. Холод, Д.Л. Фролов, В.Е. Борисенко, Сквозное моделирование структурных, электронных, электрофизических и оптических свойств силицидов // XXX научно-техническая конференция аспирантов и студентов, посвященная 30 - летшо БГУИР: Тез. докл. Конф. - Минск, 1994. - С. 99.

3] A.N. Kholod, A.B. Filonov, G.V. Petrov, and V.E. Borisenko, Simulation of fundamental electronic and related properties of solids (SFERPS): application to silicon based nanosize structures // Abstracts book: MRS Fall Meeting. - Boston, 1995.-P 11.2.

4] A.N. Kholod, A.B. Filonov, V.A. Novikov, G.V. Petrov, A.V. Novikov, and V.E. Borisenko, Electronic properties of silicon nanocrystalline and polycrystalline films //Nanostructures: Physics and Technology. - St.Petersburg, 1996. - P. 428-430.

5] A.B. Filonov, A.N. Kholod, V.A. Novikov, V.E. Borisenko, L. Vervoort, F. Bassani, A. Saúl and F. Arnaud d'Avitaya, Grain interaction effect in electronic properties of silicon nanosize films //Appl. Phys. Lett. - 1997. - Vol. 70, № 6. - P. 744-746.

6] Холод A.H., Филонов А.Б., Борисенко В.E., Изменения элекгротшх свойств нанокристаллического кремния при формировании в нем межзерешгых границ // Докл. АН РБ. - 1997. -Т. 41, № 4. - С. 58-61.

7] A.B. Filonov, A.N. Kholod, V.E. Borisenko, F. Bassani, A. Saúl, and F. Arnaud d'Avitaya, Grain effect in electronic properties of silicon epitaxial nanostructures // Abstracts book: E-MRS. - Strasbourg, 1997. - D-I/P11.

8] A.B. Filonov, A.N. Kholod, V.E. Borisenko, Electronic and optical property simulation of silicon nanostructures // Abstracts book: П-International Workshop on Light Emitting Low Dimensional Silicon Stracures. - Lagonissi-Attiki, 1997. - P. 17.

9] A.B. Filonov, A.N. Kholod, V.E. Borisenko, A.L. Pushkarchuk, V.M. Zelenkovskii, F. Bassani and F. Arnaud d'Avitaya, Oxygen effect on optical properties of nanosize silicon clusters // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol. 57, № 3. - P. 1394-1397.

10] A.B. Filonov, A.N. Kholod, and V.E. Borisenko, Optical properties of nanosize silicon clusters //Phys. Stat. Sol. (b).- 1998.-Vol. 165, № l.-P. 57-61.

11] A.B. Filonov, A.N. Kholod, V.E. Borisenko, F. Bassani, A.Saúl, and F. Arnaud d'Avitaya, Grain effect in electronic properties of silicon epitaxial

naaostructures // Comput. Mat. Sei. - 1998. - Vol. 499, № 1. - P. 34-38. [12] Холод A.H. Электролюминесценция в модели токопереяоса в наноразмерпых слоистых структурах кремния // Физика конденсированных сред - VI: Тез. докл. конф. - Гродно, 1998. - С. 125.

РЕЗЮМЕ

Холод Александр Николаевич, Электронные и оптические свойства наноразмерных кремниевых кластеров и пленок.

Ключевые слава: кремний, кластер, пленка, программный комплекс, электронные свойства, межзонный переход, поглощение, испускание, Стоксов сдвиг, токоперснос, электролюминесценция.

Разработан программный комплекс для сквозное моделирование фундаментальных электрошшх, оптических и транспортных свойств твердотельных структур. В рамках теории эффективных масс предложена квантово-механическая модель нанокристаллических пленок кремния, базирующаяся, с одной стороны, па учете эффектов квантового ограничения, возникающих в плоскости пленки, и учитывающая, с другой стороны, взаимодействие между соседними нанокристаллитами.

Проведено теоретическое исследование электронных свойств наноразмерных монокристаллических (111) пленок кремния. Обнаружено, что при формировании в их структуре межзеренных границ, пассивированных водородом, происходит трансформация межзошюго перехода из непрямого в прямой. Показано, что учет взаимодействия волновых функций электронов, принадлежащих атомам смежных нанокристаллитов, приводит к существенному понижению ширины запрещенной зоны по сравнению с энергетическим зазором изолированного нанокристаллита. Установлено, что в зависимости от толщины нанокристаллической пленки и размера нанокристаллитов в ней энергия межзошюго перехода изменяется от 3,04 до 1,55 эВ.

Исследовано влияние кислорода на электронные и оптические свойства наноразмерных кремниевых кластеров. Обнаружено, что длина волны их люминесценции практически не зависит от условий пассивации поверхности ОН-1руппами. В то же время последние в значительной степени определяют энергию поглощения света таких кластеров. Установлено, что величина Стоксового сдвига не зависит от наличия атомов кислорода в объеме кластера, а определяется только условиями пассивации ими его поверхности.

Разработана модель токопереноса и связанной с ним электролюминесценции в наноразмерных слоистых структурах Si/CaF2. В результате расчетов обнаружено, что полная интенсивность излучения характеризуется пемопотошшм поведением в зависимости от числа периодов в структуре с наличием максимума. Показано также, что повышение коэффициента рекомбинации и концентраций электронов и дырок на контактах приводит, с одной стороны, к росту полной интенсивности излучения, а, с другой стороны, к увеличению неравномерности ее распределения по слоям. Установленные закономерности влияния геометрических и электрофизических параметров на интенсивность электролюминесценции позволили сделать практические рекомендации по достижению максимальной величины интенсивности излучения.

РЭЗЮМЕ

Холад Аляксандр MiKanaeBi% Электронный i ашшныя уласщваа нанаразмерных крамянёвых тсласцерау i плёнак.

Ключавые словы: крэмшй, класцер, плёнка, праграмны комплекс, электронный уласщвасщ, м1жзонны пераход, иаглынанне, выпраменьванне, Стоксау зрух, токаперанос, злекгралюмшесценцыя.

Распрацаваны праграмны комплекс для скразнога мадэлявання фундаментальных электронных, аптычных i транспартных уласщвасцей цвёрдацелых структур. У межах таорьн эфекты^ных мае прапанавана кватавамехашчная мадэль нана1фыштал5чных плёнак крэмешо, якая грунтуецца, з аднаго боку, на улЛку эфскта^ квангавага абмежасшшя, што узшкаюць у плоскасщ плёнш, i якая ^тчвае, з другога боку, узаемадзенне пам1ж суседш.ш цанакрыпггалггамь

Праведзенатэарэтычнае даследаванне электронных уласщвасцей нанаразмерных монакрыштал!чных (111) плёнак крэмешо. Выяулена, што пры фармавашп у ix структуры м1жзерневых меж, паздв1раваных вадародам, адбываецца трансфармацыя м1жзоннага пераходу з непрамога у прамы. Выяулена, што улк ущаемадзеяння хвалевых функцый электрона^, яия належаць атамам сумежных нанакрышталпау, вядзе да ¡стотнага пашжэння шырьпн забароненай зоны У параунашй з энергетычным зазорам Ьаляванага нанакрышталгга. Установлена, што у залежнасщ ад таушчаш напакрыштмчнай плёша i памеру нанакрышталггау у ей энэрпя шжзош1ага пераходу змяняецца ад 3,04 да 1,55 эВ.

Даследаваны Угошу юслароду на электронныя i аптычныя уласщвасщ нанаразмерных крамянёвыу класцерау. Выяулена, што даужыня хвал! ix шомшесценцш практычна не залежыть ад умоу паавацьи паверхш OH-ipynaMi. У той жа час апошн1я у значнай ступеш азначаюць энэрпю паглынання святла такое класцсрау. Вел1чыня Стоксавага зруху не залежыць ад наяунасщ атамау юслароду у аб'ёме класцера, а вызначаеццатолыа умовам1 паавацы! iMi яго паверхш.

Распрацавана мадэль токапераносу i звязанай з ¡м электр алкшшесценцьн у нанаразмерных слаютых структурах Si/CaF2. У вышку разл1кау выяулена, што полная iirnmciynacui выпраменьвання характарызуецца няманатонным! паводзшам! у залежнасщ ад колькасщ перыядау у структуры з наяунасцю макс1муму. Паказана таксама, што павышснлс каэфщыента рэкамбшацьн i канцэнтрацьц электронау i дз1рак на кшггактах вядзе, з аднаго боку, да росту ппэнс^исщ выпраменьвання, а з другога боку, да павел1чэши нераунамернасщ яе размеркавання па слаях. Выяуясныя заканамернасщ уплыву геаметрычных i электафшчных параметрау на iimnciyHacui выпраменьвання дазволш 3pa6iub пракгычныя рэкамендацьй па дасягаенш макамальнай вел1чыт штэнмунасщ выпраменьвання.

SUMMARY

Kholod Alexander Nikolaevich, Electronic and optical properties of nanosize silicon lusters and films.

Key words: silicon, cluster, film, computer code, electronic properties, interband ■ansition, absorption, emission, Stokes shift, carrier charge transfer, electroluminescence.

A computer code for simulation of fundamental electronic, optical, and transport roperties of solids has been generated. An approach based on the Effective Mass Theory as been developed to simulate the electronic properties of nanocrystalline films accounting ar film confinement effects and interactions between the grains.

Electronic properties of nanosize (111) monocrystalline free standing silicon films ave been calculated. Grain boundaries passivated with hydrogen in the nanocrystalline ilms have been found to result in appearance of a direct band gap. Accounting for the iteraction of the wavefunctions of the electrons belonging to adjacent grains has been hown to induce the band gap reduction with respect to the isolated grain. The band gap alue varys from 3.04 to 1.55 eV depending on the film thickness as well as on the lateral ize of the grains.

Oxygen influence on electronic and optical properties of nanosize silicon clusters have een theoretically studied. An increase of the number of OH-group at the surface of the luster results in the decrease of the absorption energy with respect to the values typical for le cluster passivated only by hydrogen, while the emission energy appears to be influenced lainly by the incorporated oxygen content. The Stokes shift has been found to be affected nly by the surface passivation conditions.

A model of carrier transport and related electroluminescence in Si/CaF2 multiquantum /ells (MQW) has been developed. The electroluminescence is found to have maximum itensity depending on the number of periods in the MQW. Emission intensity shows also a on-monotonous dependence on the recombination coefficient and carrier concentration at le contacts. The established regularities permit optimization of MQW paramsters for chieving the maximum emission performance.

ХОЛОД АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ КРЕМНИЕВЫХ КЛАСТЕРОВ И ПЛЕНОК

Специальность 05.27,01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и

нанозлектроника

Автореферат диссертации на сонекание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать I7.03.S8. йорыат 5Gv84 I/IS.

Бумага офсетная. Печать рЕзографкческая. Усл.печ.л. 1,28. Уч.-езд.л. 1,0. Tupas SO экз. Заказ 146.

БаюрусскиЁ государственный университет информатику л радиоэлектроники, Отпечатано в ЕГ7ЕР. Лицензия ЛП ié. 156. 220027, Минск, П.Бровки, 6