Радіаційно-стимульовані ефекти в кремній-оксидних плівках з нановключеннями кремнію

Показано, что при больших дозах ионизирующей радиации (~10⁷ рад) І_ФЛ уменьшается до 2 раз. Облучение кремний-оксидных пленок с аморфными нановключениями кремния во всем диапазоне доз приводит только к уменьшению І_ФЛ (до 30 %).

Детальное изучение процесса отжига радиационных дефектов в пленках nc-Si/SiО₂ показало, что радиационные дефекты, которые приводят к частичному гашению І_ФЛ, характеризуются распределенной энергией активации отжига с максимумом 0,96 еВ и частотным фактором 10⁷ с^-1. Эти значения практически совпадают с такими, полученными при отжигах быстрых поверхностных состояний в планарных системах Si/SiО₂. Следовательно, природа, а также механизм образования указанных дефектов близки. Можно заключить, что в результате многоступенчатой реакции на границе раздела ncSi-SiО₂ формируются дефекты (например, оборванные связи кремния и кислорода), которые являются центрами безизлучательной рекомбинации и приводят к частичному гашению І_ФЛ.

Впервые показано, что радиационно-термические обработки систем nc-Si/SiО₂ существенно увеличивают І_ФЛ. Эффект значительного усиления І_ФЛ достигнут на образцах, предварительно облученных дозами 10⁷ рад и дополнительно подвергнутых или изохронному отжигу в инертной атмосфере при температурах 200 - 500 ^оС (до 5 раз), или отжигу при температуре 450 ^оС в атмосфере водорода (до 25 раз). Показано, что радиационно-термическая обработка систем nc-Si/SiО₂ (в случае отжигов в аргоне) кроме повышения І_ФЛ приводит к смещению (до 40 нм) полосы ФЛ в длинноволновую область спектра, уменьшению концентрации Si-O-Si связей в оксидной матрице, а также к возникновению Ех-центров (вакансий кремния).

Предложен механизм радиационно-термического усиления І_ФЛ nc-Si/SiО₂ пленок, который состоит в термостимулированной трансформации радиационных дефектов на границе раздела ncSi-SiО₂, что приводит к ее структурному упорядочению и увеличению размеров ncSi, вследствие разрыва связей Si-O и формирования новых связей Si-Si на поверхности ncSi. Этот процесс сопровождается образованием вакансий кремния в слое оксидной матрицы, окружающей ncSi. При отжигах в атмосфере водорода данный процесс усиливается под действием атомов водорода, а именно: кроме пассивации, последний играет дополнительную роль восстановителя оксидированных кремниевых связей, что делает такие обработки более эффективными, чем в инертной среде.

Ключевые слова: нановключения кремния, нанокристаллы кремния, кремний-оксидные пленки, г-облучение, ИК-спектроскопия, фотолюминесценция, радиационные дефекты.

ABSTRACT

Voitovych M. V. Radiation-induced effects in silicon oxide films with silicon nanoinclusions. - Manuscript.

Thesis for the Ph. D. degree in speciality 01.04.07 - solid state physics - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

Influence of radiation and radiation-thermal treatments on structural and light-emitting properties of silicon oxide films with embedded silicon nanoinclusions.

It was shown firstly that small doses (10³-10⁵ rad) of г-irradiation lead to enhancement of photo-luminescence intensity in nc-Si/SiO₂ samples. This effect was explained by radiation-induced passivation of recombination centers on the nanocrystalls surface. It was shown that after high doses (~10⁷ rad) of irradiation photo-luminescence intensity decreased up to 2 times. Radiation treatment of silicon oxide films with embedded amorphous silicon inclusions resulted in photo-luminescence intensity decrease within the whole (10³-10⁷ rad) range of doses. Radiation defects which bring to partial quenching of photoluminescence are characterized with distributed activation energy of annealing with peak position at 0,96 eV and frequency factor of 10⁷ с^-1. Nature of such defects and mechanisms of their creation are discussed.

The effect of significant (up to 25 times) photoluminescence enhancement was detected on the nc-Si/SiО₂ samples which were irradiated with doses of 10⁷ rad and additionally treated by isochronal annealing (200 - 500 ^оС) in the inert atmosphere or were annealed at the temperature of 450 ^оС in the hydrogen ambient. The mechanism of radiation-thermal photoluminescence intensity increase was suggested.

Key words: silicon nanoinclusions, silicon nanocrystals, silicon oxide films,
г-irradiation, IR-spectroscopy, photoluminescence, radiation defects.

Размещено на Allbest.ru