Жарықшығаратын құрылымдардың электролюминесценциясының спектрлік сипаттамалары

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Курбаналиева М. К

ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Мамандық: 5B071000 - «Материалтану және жаңа материалдар технологиясы»

Алматы, 2015 ж.

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Физика - техникалық факультеті

Қатты дене және бейсызық физика кафедрасы

«Қорғауға жебірілді»

Кафедра меңгерушісі О. Ю. Приходько

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

« ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ » тақырыбы бойынша

Мамандығы: 5B071000 - «Материалтану және жаңа материалдар технологиясы»

Алматы, 2015ж.

РЕФЕРАТ

Жұмыс кіріспеден, 3 бөлімнен, және қорытындыдан тұрады. Ол 40беттен, 1 кестеден, 14 суреттен және 64 пайдаланылған әдебиеттер мен ақпарат көздерінен тұрады.

Кілттік сөздер : монокристалдық кремний, жарық диодтары, иондық имплантация, электролюминесценция.

Жұмыстың мақсаты : Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен өзгешеліктерін анықтау.

Жұмыстың тапсырмасы : Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен зерттеу.

Зерттеу объектісі : Ш және V топтардың иондарымен имплантирленген монокристалдық кремний.

Зерттеу әдістері :электролюминесценция.

Жұмыстың маңыздылығы : Қазіргі кезде кремнийдің жарық шығару қабілетін арттыру мүмкін болатын барлық әдістермен зерттелуде. Кремнийдің оптикалық сәулеленуін арттыруға көп үміт арттыратын әдістердің біріне кванттық өлшем эффектісін қолдану жатады. Осыған байланысты зерттеу жұмыстары өте жоғары интегралдық сызбалардағы сигналды беру үшін электрлік импульс орнына жарықты қолдануға, жылдам әсерді арттыруға және сызба элементтерінің өлшемдерін азайтуға мүмкіндік беретін ИҚ және көрінетін диапазондағы жарықдиодты құрылымдарды алу үшін маңызды.

Практикалық қолданылуы : жартылай өткізгіш, оптоэлектроника, нанофотоника физикасында, оның ішінде жаңа композиттік қабаттардың құрылымдық және оптикалық қасиеттерін комплексті зерттеу бойынша жаңа эксперименттерді өткізу мен әдістемені жасаумен байланысқан фундаменталды және қолданбалы принципиалды жаңа нәтижелерді алу күрделі композитті жүйелердегі көптеген физикалық процестерді терең түсінуге мүмкіндік береді. Кремнийде жарықтың эффективті көзін жасау кремнийлі оптоэлектрониканың дамуында принципиалды мәнге ие.

РЕФЕРАТ

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 40 страницах, 1 таблицах, иллюстрирована 14 рисунками и содержит 64 список использованных источников инаименований.

Ключевые слова : монокристаллический кремний, светоизлучающие материалы, ионная имплантация, электролюминесценция.

Цель работы: Выявить особенности электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.

Задача работы: Исследовать электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.

Объект исследование: монокристаллический кремний имплантированный ионами Ш и V групп.

Методы исследования: электролюминесценция.

Актуальность работы: В настоящее время активно изучаются возможные способы улучшения светоизлучающей способности кремния. Одним из наиболее многообещающих подходов к усилению оптического излучения кремния считается использование квантового размерного эффекта. В связи с этим тематика исследование является актуальной и направлена на решение оригинальной фундаментальной задачи- получение светодиодных структур в ИК и в видимом диапазоне, что позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы.

Практическое использование: получение источника излучения на кремний позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы. Получение принципиально новых результатов фундаментальных и прикладных исследований в физике полупроводников, оптоэлектроники, нанофотоники, в частности связанных с разработкой методик и проведением новых экспериментов по комплексному исследованию структурных и оптических свойств новых композитных слоев позволит глубже понять многие физические процессы в сложных композитных системах. Создание эффективного источника света на кремнии имеет принципиальное значение для развития кремниевой оптоэлектроники.

ABSTRACT

The work consists of an introduction, three chapters and a conclusion. She set out on 40 pages, 1 tables, illustrated with 14 figures and 64 includes references.

Keywords : monocrystalline silicon, light-emitting materials, ion implantation, electroluminescence.

Objective : Identify the features of the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.

The task of the work : to study the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.

Object research : monocrystalline silicon implanted W and V groups.

Methods : electroluminescence.

Relevance of the work : being actively explored possible ways to improve the ability of the light-emitting silicon. One of the most promising approaches to enhancing the optical radiation is to use silicon quantum size effect. In connection with this subject of research is relevant and addresses the fundamental problem of the original - receipt of LED structures in the IR and visible light, which allows the use of light instead of electrical pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements .

Practical use : providing a source of radiation on the silicon can be used instead of electric light pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements. Getting a fundamentally new results of fundamental and applied research in the physics of semiconductors, optoelectronics, nanophotonics, particularly related to the development of new techniques and conducting experiments on the complex research of structural and optical properties of new composite layers allow a deeper understanding of many physical processes in complex composite systems. Creation of an effective light source on silicon is of fundamental importance for the development of silicon optoelectronics.

ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ

Қaзіргі тaңдa электроникaның ең мaңызды әрі қажетті материалы болып кремнийсаналады. Микроэлектроника технологиясындағы және қазіргі уақыттағы элементті база күйінің дамуындағы магистралдық жолы осы кремнийдің электрондық және физика-химиялық қасиеттері арқылы анықталды. Бұл көптеген ыңғайлы жағдайлар қатарларының сәйкес келуіне байланысты. Шолып кететін болсақ кремнийді алу үшін шикізаттың таусылмайтын қоры, басқамен салыстырғанда бағасының арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO ₂ /Si бөлімдер шекараларының жоғары сапасында. Осы жағдайда кремний инфрақұрылымдарының және де кремний инфрақұрылым негізінде жасалған аппаратуралардың көптеп шығарылуы күнделікті тұрмыста және индустрияның барлық салаларында микроэлектрониканың өнімдерін енгізуіне алып келді. Бірақ таинфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құрастыруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында нақосы кремнийді қолдануға болады ма әлде болмайды ма деген сұрақ көптеп туындап жатады. Бұған фундаменталды кемшілігі себеп болады, демек кремнийдің энергетикалық құрылымының тік болмауы және люменесценция эффектілігінің төмендігінде.

Кеңзоналы диэлектрлік матрицасында нанокристалдардың құрылуы кремнийдің наноқұрылымдану әдісі сияқты люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бастысы болып табылады. Осы әдіс бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу үшін кванттық өлшемдік эффектті пайдаланудан тұрады. Тұрақты жарықшығаратын нанокристалдық кремний құрылуының кең көлемде тараған әдістеріне иондық имплантация әдісі немесе отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуын жатқызуға болады.

Осы жұмыстакремний нанокристалдарының жүйесін алу үшін кезекті термоөңдеумен жоғары беттік аумағында қоспаның қаныққан ерітіндісі түзіледі. Радиационды күйдіру әсерінен нанокристалдарда қоспалардың преципитациясы туындайды. Ионның әртүрлі түрлері имплантирленетін күйдіру мен реттіліктің режимдерін өзгерте отырып, құрамы бойынша күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасы мен өлшемі де ескеріледі. Бұл жағдайда иондық имплантация әдісі қолданылады.

Иондық имплантация әдісініңең басты артықшылығы - оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкестігі. Иондық имплантацияның мөлшері, иондар энергиясы, сәулелендіретін нысананың температурасы және иондық токтың тығыздығы сияқты параметрлерге тәуелділікте олардың сапасы меннанокластерлердің синтезінің сипаттамаларын түрлендіруге болады.

1 ЭЛЕКТРОНДЫ ТЕХНИКАНЫҢ басты НЕГІЗІ-ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН МАТЕРИАЛДАР

Қазіргі таңда кремнийдің жарық сәулелендіру қабілетін күшейтудің мүмкін болатын тәсілдері ынталы түрде зерттелініп жатыр. Электронды аймағы тік емес жартылайөткізгіш ол - кремний және де аймақ аралық сәулелену рекомбинациясының төмен кванттық эффектілігімен сипатталынады. Алайдабіріктірілген кремнийлі опто- және микроэлектронды жүйелерді жасау перспективасы қазіргі замандағы кремний қабықшаларының жарық шығаратын қасиетін жоғарылату әдістерін ынталы түрде қарастыруға талпындырады. Балқыған қышқылдардың ерітіндісінде монокристалдық кремнийді өңдеу арқылы алынған кеуекті кремнийді жасау үшін кванттық өлшемдік эффектті қолдану - үміт күттіретін және кремнийдің оптикалық сәулеленуін күшейтетін мәселелердің бірі болып табылады [1] . Жалпы соңғы 15 жылда кеуекті кремнийді алу әдістерінің көптеген жолдары қарастырылған. кеуекті кремнийді қолдану аздап қиындықтар тудырды. Кеуекті кремнийдің морттылығы мен материалдардың жоспарсыз қышқылдануы жарық шығаратын қабілетінің тұрақсыз болуына алып келеді. Кремний оптоэлектроникасының дамуындағы келесібір бағыт люминесценцияның қоспа активатормен (яғни, сирек кездесетін элементтермен Er, Eu, Yb, Tb) легирленген кремнийдегі жарықшығаратын құрылғы болып табылуында [2, 3] . Бұл амалдың практика жүзінде қолданылуы:легирленген материалдардың оптикалық қасиеттерінің тұрақсыздығымен, люминесценцияның температуралық өшуімен және рекомбинацияның сәуле шығаруының үлкен уақыт санымен анықталады. Міне, осылайша қазір зерттеушілердің күшінің көп бөлігі оптоэлектрондық қасиеті жақсартылған кремний негізіндегі микро- және наноқұрылымдарды дамыту технологиясына бөлінген. Оның Si/SiO ₂ асқынтор, кеуекті кремний қабықшаларын [4], Si/Ge құрылымдарын қалыптастыру [5], германийлі немесе кремнийлі нанопреципитаттарды SiO ₂ -де [6, 7], сондай-ақSi және SiO ₂ -дегі А ³ В ⁵ тікаумақты жартылайөткізгішті нанокристалдарының қалыптасуы сияқты аздаған амал-тәсілдері бар.

Кремниймен бірге бір кристаллдағы А ³ В ⁵ негізіндегі оптоэлектронды құрылғылардың интеграциясы көптеген жылдар бойы жоғары дәрежелі қызығушылықтар тудырды. Бірінші зерттеушілер кремнийдегі А ³ В ⁵ материалының қабықшаларын өсіруге талпынды, бірақкейіннен кремний кристалдық тор құрылымының А ³ В ⁵ қосылысына сәйкес еместігінің үлкендігі оптоэлектронды және электронды қасиеттерімен қабықшалар өсіруді әлдеқайда қиындатты. Мысалы, алып қарайтын болсақ Si және InAs тор параметрлерінің бір-біріне деген сәйкессіздігі 10, 6%-ды құрайды. Кванттық нүктелерді зерттеудің басталуымен жаңа көптеген мүмкіндіктер пайда бола бастады. Жалпы кристаллдық кремнийде А ³ В ⁵ кванттық нүктесінің тік өсіруі кремнийдің интеграциясындағыжәне А ³ В ⁵ материалындағы басты бағыт болып саналады. Осындай кванттық нүктелердің үйлесімділігі толқын ұзындығының инфрақызыл диапазонындағы оптоэлектронды құрылғыларды (яғни, жартылайөткізгіш лазерлер, фотодиодтар, фотодетекторлар, ) шығаруда аса зор қызығушылық туғызды. Кванттық нүктелердің массивтерін жасаудағы ең басты мәселе өлшемі бойынша кванттық нүктелердің таралуын жоғары құрылымдық жетілуі және олардың эффективті басқаруы болып отыр. Кванттық нүктелердің біртекті өлшемі оптоэлектроникада пайдаланудааса маңызды рөл атқарады. Бір жағынан көпөлшемді кванттық нүктелерді пайдаланғанда, мысалыға алатын болсақ ИҚ фотодетекторларында детекторлы жүйесінде «көптүстілікті» қамтамасыз етуге болады [8] .

1. 1 Нанокристаллдармен кремний оксидініңжәне кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері

Дәл қaзіргі кезде жaртылайөткізгіш нaноқұрылымдaрының құрылу технологиясы мен олaрдың негізгі қaсиеттерін зерттеу жaн-жaқты қaрaстырылуда. Кристалдық кремний (c-Si) микроэлектроника мен компьютерлік техниканың ең басты материалы болып саналғандықтан, кремний нанокристалдарына (ис-Si) аса қатты көңіл бөлінеді, ал оның қасиеті аморфтық (a-Si) және монокристалдық (c-Si) кремнийдің көлемдік фазаларынан әлдеқайда ерекшелігі бар. Нанокристалдық кремний жүйесінің қасиеттері үшін кванттық өлшемдік эффектпен бірге ис-Si бетіндегі екі күйі, яғни электрондық және тербелмелі күйлері маңызды рөл атқаратындығы зерттелінген. Осы күйлердің қасиеттері әсіресе нанокристалдардың орналасқан матрицасына байланысты анықталынады.

Интегралдық жүйенің планарлық кремний технологиясына сәйкес жарықшығарушы құрылғының жаңа түрі шығарылғанда қолдану үшін қажет. ис-Si- дің электрлік және оптикалық қозуы қаттыденелік матрица арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Жарықшығарушы құрылғының маңызды материалы ретінде кремний оксидінің аморфты матрицасына ендірілген нанокомпозит wc-Si/SiC>2В қарастырылады. Ол ис-Si материалымен жарасымды материал ретінде қарастырылады. 2-5 нм өлшемдегі ис-Si c-Si- ден тиімді ажырататын люминесценцияның жоғарғы эффектілігін көрсететіндігін айта кеткен жөн, сондықтан берілген жартылайөткізгіштің сәуле шығаратын заряд тасымалдаушыларының рекомбонациясының ықтималдығы төмен болады. Сонымен қатар перспективті жүйе ретінде құрылуы үшін төмен сығу температурасын қажет ететін аморфты кремний нанокластерлерінің (ac-Si) бөлшекті немесе толық құрылымын пайдалану ұсынылған. Оксидті матрицада эрбиймен легирленген ac-Si үлгісі нанокристалды құрылымдарға қарағанда люменесцентті қасиеттері жоғары болады[9] .

1. 1. 1 Жарықшығаратын материалдардың электрлік қасиеттері

Жaрық шығaрaтын мaтериaлдaрдың электрлік қaсиеті aйтaрлықтaй дәрежеде оның құрылымдық ерекшеліктерінде aнықтaлaды. Негізінде, жaрық диодтaрының сондaй мaңызды сипaттaмaлары тыйым сaлынған aумақтың ені және өткізгіштік сипaттамaсы және т. б. болып тaбылaды[10] .

Суретте кейбір жaртылайөткізгіш мaтериaлдар үшін вольт - aмперлік сипaттaмaсы көрсетілген, және олaрдың тыйым сaлынғaн aумaқ енінің мәндері берілген. Экспериментaлды тәуелділіктерден aлынғaн осы мaтериaлдaрдың деңгейлік кернеуі E _g мәніне сәйкес келетінін бaйқaуғa болaды.

Сурет 1 - Бөлме темперaтурaсындa aлынғaн әр түрлі p-n aуысуының вольт - aмперлік сипaттамасы

Келесі суретте толқын ұзындығының ультрaкүлгін, көрінетін және инфрaқызыл диaпaзонындaғы жaрық диодтaры үшін диод aрқылы өтетін 20 мA тоқтaғы тыйым сaлынған aймақ еніне диодтaғы тік кернеудің тәуелділігі көрсетілген. Потенциaлдaрдың контaктті aйырмaшылығын (деңгейлік кернеу) бaғaлaу үшін келесі формулaны пaйдaлaнaмыз.

Осы формулaaрқылы құрылған тік сызық тік кернеудің мәніне сәйкес келеді. Көптеген жaртылaйөткізгіш диодтaрының сипaттaмaлaры осы сызықтa жaтaтыны суреттен белгілі.

Сурет 2 - Әр түрлі типтегі жарық диодтары үшін тыйым салынған аймақ енінің диодтағы тік кернеуге тәуелділігі

Сәулелену энергиясы

Жартылайөткізгіштер арқылы сәулеленген фотон энергиясы тыйым салынған аймақ ені арқылы анықталады.

Кесте 1- Әр түрлі диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәні

Кейбір диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәнін жоғарыдағы кестеден анықтауға болады.

Идеалды диодта бір электронның активті аумаққа инжекциялануы бір фотонның генерациясына алып келеді. Энергияның сақталу заңына сәйкес электронның энергиясы фотонның энергиясына сәйкес келуі керек. Яғни,

Осы формуладан фотон энергиясы жарық диодына орнатылған кернеудің әсер етуіне тәуелді екенін көруге болады[11, 12] .

1. 2 Кремний негізіндегі наносым

Наносым, наноөткізгіш немесе квантты мұрт (эффективті диаметрде 1-100 нм және ұзындыққа микрондар) бұл кеңістікте квантты өлшемді эффектті және объекттің басты белдігін бойлаған электрондардың еркін қозғалысын демонстрация жасайтын, мұрттың басты белдігіне перпендикуляр объект. Ережеге сай наносымдар, еркін тұратын өте үлкен болып келетін құрылымдар болып келеді. Квантты мұрт ұзындықтын диаметрге қатынасы аздау болатын еңдірілген құрылым болып келеді [13], немесе бір (субстратпен немесе металлдық катализатордың тамшысымен) немесе бірнеше аралық қабаттардан тұратын апериодтық құрылым.

Квантты нанообъектті жасаудың қарапайым әдісі болып, жартылай өткізгішті гетероқұрылымда электростатикалық тосқауыл немесе химиялық өңдеу технологиясын қолдана отырып электронды газдың қозғалғыштығын шектеу атқарады. Бұндай манипуляциялар квантты нүктенің 0D потенциалы немесе квантты наномұрттың 1D потенциалын тудырады, олар өткізгіш зонаның электрондарының сипатын анықтайды [14] . Осындай құрылымдарды технологиялық реализация жасау спецификалық әлі де толық зерттелмеген квантты эффекттің негіздерін шығарды.

Күшті квантты өлшемді эффект объекттердің базалық қасиеттерін бақылайды. Мысал ретінде Холлдың квантты эффектісін, баллистикалық өткізгіштікті және кулондық блокаданы айтуға болады [15] . Өз кезегінде жоғарыда айтылған физикалық құбылыстар наномұрттағы электронның жоғары қозғалғыштығын, квантты шығуды жоғарылатады, квант өлшемді шектеудің дәрежесі көбейгенде лазерлі сәулеленудің төменгі генерация табалдырығын және наномұрт негізіндегі күн батареясы, ИҚ детекторлар, жазықтық трансизторлар сияқты жаңа құрылымдарды дайындауда көбірек тиімділігін алып келеді [16] .

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс