Лекция 15 - Научно-образовательный центр по ...

Оптика наносистем
Тимошенко Виктор Юрьевич
Московский Государственный Университет
им. М. В. Ломоносова, Физический факультет
Научно-Образовательный Центр по нанотехнологиям

Содержание курса
Лекция 1. Основные понятия оптики конденсированных фаз вещества.
Лекция 2. Взаимодействие света с металлами и диэлектриками.
Лекция 3. Поглощение света в полупроводниках.
Лекция 4. Экситонное и примесное поглощение света.
Лекция 5. Эмиссия излучения из твердых тел.
Лекция 6. Оптические явления в неоднородных твердотельных системах.
Лекция 7. Оптические свойства твердотельных нанокомпозитов.
Лекция 8. Фотонные кристаллы и микрорезонаторы.
Лекция 9. Рассеяние света в твердых телах.
Лекции 10,11. Влияние размеров тел на их оптические свойства.
Лекции 12-14. Экситоны в полупроводниковых наноструктурах.
Лекция 15. Оптические свойства и применения полупроводниковых
наноструктур.
Лекция 16. Элементы спиновой оптики и спинтроники.
Лекция 17. Нелинейные оптические явления в твердотельных системах.
Лекция 18. Элементы нелинейной оптики наноструктур и нанокомпозитов.

Лекции 15:
Оптические свойства и применения
полупроводниковых наноструктур
Методы формирования и примеры
низкоразмерных систем и наноструктур.
Квантовые ямы и сверхрешетки. Квантовые
нити. Квантовые точки. Механизм роста
Странского-Крастанова. Пористый кремний.
Сечение поглощения света нанокристаллами.
Оптические свойства нанокомпозитов с учетом
экситонных эффектов. Применения квантовых
ям и сверхрешеток в оптоэлектронке.
Использование оптических и люминесцентных
свойств квантовых точек. Лазеры на квантовых
точках.

Квантовые ямы в полупроводниковых
гетероструктурах
Гетероструктура – структура из двух различных
полупроводников (с разной шириной запрещенной
зоны Eg). Запрещенная зона – энергетический
зазор между заполненными и незаполненными
разрешенными энергетическими зонами в твердом
теле.
Квантовая яма образуется в слое полупроводника
с узкой запрещенной зоной, заключенном между
двумя полупроводниками, обладающими более
широкой запрещенной зоной:
Eg1> Eg2. Обычно d =2-10 нм.
Меняя d, можно изменять электронные и
оптические свойства гетероструктур.
Энергия электрона
EС
EV
Схематичное изображение
двойной гетероструктуры:
AlGaAs GaAs AlGaAs
AlGaAs AlGaAs
GaAs
Eg1
d – ширина
ямы
Eg2
Энергетическая диаграмма
Использование двойной полупроводниковой гетероструктуры с узким (единицы нм)
слоем полупроводника позволяет создавать квантовые ямы и ветоизлучающие
оптоэлектронные устройства (светодиоды и лазеры).

Полупроводниковые лазеры
В полупроводниковом лазере (лазерном
диоде) используется явление вынужденных
оптических переходов, что дает усиление сигнала
электролюминесценции при отражении от стенок
резонатора, образованного специально
подготовленными боковыми гранями.
С целью уменьшения пороговой плотности тока Jth были
реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним
гетеропереходом: n-GaAs-p-GaAs-AlxGa1-xAs; и c двумя
гетеропереходами: AlxGa1-xAs-GaAs-AlxGa1-xAs.
Полупроводниковые лазеры на
гетероструктурах
Полосковые лазеры
Вертикальные
лазеры:

КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Новый тип лазеров, где генерация обусловлена переходами электронов между
уровнями размерного квантования.
•Длина волны излучения от 3.4 до 17 мкм
•Пиковая мощность (1 Вт) при комнатной температуре в импульсном режиме и высокая
мощность (0,2 Вт) при 77 К в непрерывном режиме
•Одномодовый спектр
•Широкая перестройка частоты для высокоразрешающей спектроскопии (в частности, для
спектроскопии газов)
•Высокая частота модуляции (> 10 ГГц)
•Компактность ( 1 мм )
F. Capasso et al., 1994
Р. Казаринов, Р. Сурис, 1971
•Анализ окружающей среды
•Контроль промышленных процессов
•Транспорт - контроль сгорания топлива,
противостолкновительные локаторы
•Медицина - анализ дыхания, ранняя
диагностика
•Беспроводная оптическая связь
•Военные применения

Фотоприемники на полупроводниковых
наноструктурах с квантовыми ямами и точками
Спектральная чувствительность задается составом и
толщиной квантовых ям или размером квантовых точек
• Возможность перекрыть весь средний и дальний (вплоть до ТГц) ИК диапазон
• Высокая чувствительность
• Возможность изготовления многоэлементных и многозональных приемников

Самоорганизованные квантовые точки
Изображение в атомно-силовом микроскопе
саморганизованных квантовых точек InP на
поверхности GaAs. Механизм роста Странского-
Крастанова.
Схема инжекционного лазера на
квантовых точках.
Гетероструктуры с самоорганизованными квантовыми точками являются следующим за
планарными гетероструктурами этапом наноинженерии электронных и оптических свойств
полупроводников.

3
2
1
Eg (eV)
0D
1D
2D
Квантовый размерный эффект в
кремниевых нанокристаллах
Расчет методом эффективной массы
Eg bulk
Si
2 4 6 8
d (nm)
Нанокристаллы Si в SiO 2
M. Fujii et al., J. Appl. Phys. (1998).
Квантово-размерный эффект для запрещенной зоны усиливается при
переходе от 2D к 0D (понижении размерности наноструктуры)

Спектры фотолюминесценции нанокристаллов Si в
матрице диоксида кремния
Интенсивность ФЛ (отн. ед.)
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6
c-Si
Длина волны (мкм)
d = 6 ... 2 nm
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Энергия фотонов (эВ)
M. Fujii et al., PRB 62 (2000)
h E
E
Eg0
С уменьшением размеров нанокристаллов Si спектр их
люминесценции сдвигается в высокоэнергетичную (коротковолновую)
область вследствие квантового размерного эффекта. Кулоновское
взаимодействие электронов и дырок в нанокристалле приводит к
возникновению экситона ( Eexc
), что несколько ослабляет квантоворазмерный
сдвиг полосы люминесценции.
PL
экситон
exc

Применения в кремниевой oптоэлектронике
1. Основным материалом для создания интегральных
схем был, есть и будет в течение очень
длительного времени кремний (Si).
2. Однако, применение этого материала в
оптоэлектронике ограничено устройствами,
детектирующими излучение. Особенности
энергетического спектра электронов в кремнии не
позволяют создавать эффективный излучатель
света (светодиод или лазер).
3. Зачем создавать светоизлучающие структуры на
основе кремния, когда давно изготавливаются и
отлично работают светодиоды на основе
материалов A 3 B 5 (GaAs, GaP и т.д.)?

Интеграция с наноэлектроникой
4. Известно, что между интегральными схемами в
устройствах и между отдельными элементами
интегральных схем связь чисто электрическая. Так в
процессоре, содержащем до 10 8 транзисторов, длина
проводников составляет 20 км. Это не самые
надежные участки схемы, и было бы неплохо хотя бы
часть из них заменить оптическими линиями.
5. Как все-таки заставить кремний излучать свет при
электрическом или оптическом возбуждении. Есть
два пути:
6. а) создать ансамбль наночастиц кремния и
вследствие принципа неопределенности Гейзенберга
Pхħ закон сохранения импульса становится не
столь строгим и вероятность переходов растет (d -5 ).
7. б) ввести примеси активаторы
люминесценции, например, редкоземельных
элементов. Весьма перспективным является Er 3+,
дающий узкую линию в области 1.5 мкм.

Кремниевые наноструктуры как основа
светоизлучающей и усиливающей оптоэлектроники
Минимум потерь
птических волоконных
линий связи 1.5 μm
eV μm
1.88
1.55
1.26
0.81
0
Er 3+ ion
0.66
0.80
0.98
1.53
hν
0
Кремний (Si) – базовый
материал
оптоэлектроники
Светодиоды, оптические
усилители и лазеры,
совместимые с планарной
кремниевой технологией

3nm
Структуры нанокристаллов Si в матрице SiO 2
M. Zacharias et al., APL 80, 661 (2002).
Метод приготовления:
1. Термическое распыление SiO в
вакууме 10 -7 мбар или в кислороде
при давлении 10 -4 мбар, что
позволяло менять концентрацию
атомов кремния и кислорода в слоях
SiOx.
2. Были получены SiO/SiO2
сверхрешетки с толщинами слоев от
1 до 4 nm и числом периодов до 100.
3. Структуры были отожжены при 1100
o C в атмосфере N2 , что привело к
формированию структур
нанокристаллов nc-Si/ SiO2.
4. Часть структур nc-Si/SiO2
имлантировалась ионами эрбия Er с
дозами от 10 14 до 5·10 16 cм -2 с
последующим отжигом дефектов.
Er

Интенсивность ФЛ (отн.ед.)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
Легированные эрбием структуры
кремниевых нанокристаллов
d=3.5 нм
nc-Si
nc-Si:Er
0.0
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Длина волны (мкм)
V.Yu.Timoshenko et al., Appl.Phys.Lett. (2004)
Передача энергии от нанокристаллов Si к ионам Er
может быть использована для создания
светодиодов, лазеров и оптических усилителей на
длине волны 1.5 мкм
nc-Si
N 1
N 0
SiO 2
Er 3+
E, eV
1.88
1.55
1.26
0.81
0

Наноструктурирование полупроводников методом
электрохимического травления
Впервые получили пористый кремний А. Улир и его жена в 1955.
A. Uhlir, Electrolytic shaping of germanium and silicon, Bell Syst. Tech., 1956, v.35, no.2, pp.333-347.
c-Si
metal plate
HF
solution
[100
]
quantum wires
•Огромная удельная поверхность (до 1000 м 2 /г)
•Возможность формирования наноструктур с размерами 1-100 нм
•Интенсивная фотолюминесценция (квантово-размерный эффект)
•Простота изготовления
cross-sectio
wires is 1-5 n
thickness of p
layer is 1-100

Мезо- и микропористый кремний как примеры
наноструктурированных полупроводников
Вид ПК Размер пор
Микропористый 2 нм
Мезопористый 2-50 нм
Макропористый >50 нм
Mesoporous Silicon
100 nm
Mesoporous Si is characterized more ordered
structure of pores and nanocrystals
Microporous Si exhibits stronger
confinement for charge carriers and
photoluminescence
Because of smaller Si nanocrystals
Microporous Silicon
10 nm

Нанокристаллы Si в пористом кремнии
A.G.Cullis, L.T.Canham, Nature (1991)
Porosity (40-90%)
•Простой метод
электрохимического травления
• Зависящая от размеров
(пористости) полоса
люминесценции
•Триплетные и синглетные
состояния экситонов
Exciton Lifetime (µs)
10 3
10 2
10 1
D. Kovalev et al., Phys. Stat. Sol. (1999)
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
Energy (eV)
S
S
T

Экситон в кремниевых квантовых нитях:
влияние размеров, поверхности и диэлектрической проницаемости
e e
n
r
e i
d
+
M
h PL
r
I.
Излучательная
рекомбинация
экситонов
II.
Захват на поверхностные
состояния и безызлучательная
рекомбинация
0 Ea
nr nr exp
kT
Молекулы на поверхности нанокристаллов
(М) влияют на их зарядовое состояние.
Параметры экситонов N ex , E ex , h PL и r зависят
от d, N M , e i , e e
Расчетные значения энергии связи
экситонов E ex в кремниевых квантовых
нитях, окруженных диэлектрической
средой с e e
E exc (мэВ)
100
10
1
d = 2 нм
d = 4 нм
2
4
e e
6
8
10
e i =12
III. Влияние диэлектрической проницаемости
среды на энергию связи и концентрацию
экситонов
20

I PL (arb.un)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Влияние распределения по размерам кремниевых
нанокристаллов на ФЛ пористого кремния (расчет)
r
1 d d
(
d)
exp
2 2
2
2
d 0 (nm) :
d 0
2.0
2.5
3.0
=0.2 nm
600 700 800 900 1000
(nm)
A
h PL(
d)
Eg0
E ( ,
2 exc d e
d
5
( d)
d
0
eff
d 0
)
I PL (arb. un.)
I
PL
N 0
r
600 700 800 900 1000
g
E
1
r exp
kT
exc
С
На положение максимума фотолюминесценции влияет как средний размер, так
и разброс (дисперсия) размеров нанокристаллов.
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
(
) (
h
) (
d)
d
h PL
PL
d 0 =2.5 nm
(nm) :
0.1
0.2
0.4
(nm)
1
1
nr

I PL (отн. ед.)
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Экспериментальное исследование
фотолюминесценции пористого кремния
1.0 эксперимент
расчет
(d =2.5 нм, =0.2 нм, e =2)
0 eff
500 600 700 800 900 1000
(нм)
0.01 0.1 1
Экспериментальные и расчетные спектры ФЛ хорошо согласуются.
Наблюдается линейная зависимость интенсивности ФЛ с ростом интенсивности
возбуждения, что находится в согласии с моделью.
I PL , arb.un.
1
0.1
0.01
I exc , mW/cm 2

I PL (отн.ед.)
Влияние окружающей среды на ФЛ и оптические
свойства пористого кремния
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
10 -5
10 -5
10 -4
1
10 -4
10 -3
10 -3
2
10 -2
10 -2
p/p s
10 -1
10 -1
10 0
10 0
Зависимость интенсивности в максимуме
полосы ФЛ (1) и коэффициента
отражения (2) ПК от давления паров
этанола.
0.3
0.2
0.1
R
0.0
1
500 600 700 800 900 1000
При конденсации молекул диэлектрических жидкостей в порах происходит
гашение ФЛ и сдвиг ее полосы в коротковолновую область спектра, что
находится в согласии с моделью.
I PL (отн.ед.)
1.0
0.5
4
3
2
h (нм)
Нормированные спектры ФЛ пористого
кремния в вакууме (1), а также в
насыщенных парах бензола e= 2.3 (2),
ацетона e=21 (3) или этанола e=25 (4).

I PL (отн.ед.)
Влияние окружающей среды на ФЛ и концентрацию
неравновесных носителей заряда в пористом кремнии
1
0.1
0.01
вакуум
I при 780 нм
PL
e среды
C 6 H 6
C 3 H 6 O
окружающая среда
C 2 H 5 OH CH 3 OH
30
20
10
0
При конденсации молекул диэлектрических жидкостей в порах происходит
гашение ФЛ, рост концентрации ННЗ и укорочение времени жизни, что
находится в согласии с моделью.
e среды
I FC (отн.ед.)
6
3
0
1
0
c-Si
ПК
амплитуда
время релаксации
вакуум бензол этанол
e=1 e=2.3 e=24.3
10
5
0
10
5
0
FC (мкс)

Нанокристаллы Si в пористом кремнии
A.G.Cullis, L.T.Canham, Nature (1991)
Porosity
•Простой метод
электрохимического травления
• Зависящая от размеров
(пористости) полоса
люминесценции
•Триплетные и синглетные
состояния экситонов
Exciton Lifetime (µs)
10 3
10 2
10 1
D. Kovalev et al., Phys. Stat. Sol. (1999)
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
Energy (eV)
S
S
T

Интенсивность люминесценции (отн. ед.)
Передача энергии от экситонов в нанокристаллах Si
к молекулам О2
1
0
1
nc-Si
in vacuum
nc-Si +10 -5 bar O 2
X 5
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
1
Энергия квантов света (эВ)
1
1
3
T= 5 K
Нанокристалл
кремния
Синглетный
кислород

Генерация синглетного кислорода в водных
суспензиях нанокристаллов кремния
1 mg of Si nanocrystals
dispersed in 10 ml of
water
vac
Exciton PL Intensity (arb. units)
1
0.1
0.01
Si nanocrystals dispersed in water
h ex=3.7 eV
h PL=1.63 eV
O 2 saturated
PL =40 s
without O 2
PL =90 s
0 50 100 150 200 250 300
Time (s)
T=300 K
I PL(
t)
dt IPL(
t)
dt 1.
7
E
40%
oxygen
for SO ~ 1-3 s: N SO ~ 10 15 – 10 16 (1/cm 3 )

Контрольные вопросы к
Лекции 15:
• Как можно получить квантовые ямы в
геретоструктурах?
• Что описывает механизм роста Странского-
Крастанова (квантовые точки, нити, ямы)?
• Как изменяются люминесцентные свойства
кремниевых нанокристаллов с уменьшением
их размеров?
• Прикакой пористости возможен квантовый
размерный эффект в пористом кремнии?