WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ФИЗИКА ФИЗИКА НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ П. К. КАШКАРОВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ВВЕДЕНИЕ Химический элемент кремний Si второй после кислоUNUSUAL PROPERTIES рода по распространенности на Земле. Его содержание OF POROUS SILICON в земной коре оценивается в 27,6 мас. %. Важнейшее достоинство кремния заключается в том, что во многих P. K. KASHKAROV его разновидностях – монокристаллической, поликристаллической или аморфной – проявляются его полуUnusual properties of porous silicon layers проводниковые свойства. В настоящее время моноgrown on the substrate of single crystal Si in an кристаллический кремний (с-Si) представляет собой electrochemical process are discussed. Special основной материал микроэлектронной технологии. На attention is paid to the five order magnitude базе с-Si выпускаются разнообразные полупроводниковые приборы от дискретных диодов и транзисторов increase in photoluminescence quantum effecдо сверхсложных интегральных схем и процессоров.

tiveness in this material in comparison with Кроме того, широко используется высокая фотоthe substrate. The observed effect is caused чувствительность кремния (изменение электропроводboth by a quantum confinement in silicon skelности при освещении), что позволяет преобразовывать eton structures and a passivation of most световую энергию в электрическую. Этот эффект находит применение в кремниевых фотоприемниках и солdefects on the surface of these structures.

нечных батареях. Однако обратный процесс, то есть Attempts at construction of light emission достаточно эффективное преобразование электричесdevices based on porous silicon are considered.

кой энергии в видимый свет, в кремниевых устройствах осуществить пока не удается. Последнее связано с осоОбсуждаются удивительные свойства слобенностями электронных свойств кремния.

ев пористого кремния, сформированных на Поясним это на основе энергетической диаграммы, подложках из монокристалла Si в электро- то есть зависимости энергии электрона в кристалле от его квазиимпульса [1]. Для с-Si указанная зависимость химическом процессе. Особое внимание удехорошо известна и представлена на рис. 1. В полупроляется росту на пять порядков величины водниках ветви разрешенных состояний – зона провоквантового выхода фотолюминесценции в димости Ec(P) и валентная зона Ev(P) – разделены затаком материале по сравнению с исходной прещенной зоной Eg0 (Eg0 1,1 эВ). Излучение квантов света в бездефектном кристалле Si при комнатной темподложкой. Наблюдаемый эффект связан с пературе происходит при переходах электронов с уровпроявлением квантового размерного ограней ветви Ec(P) на уровни ветви Ev(P). В невырожденничения в структурах кремниевого скеленом материале заполненными оказываются состояния та и с пассивацией подавляющего числа деу дна зоны проводимости Ec (точка 1), а вакантными – фектов на поверхности этих структур.

у потолка валентной зоны Еv (точка 2) – рис. 1.

Рассмотрены попытки создания светоиз- При рассматриваемом переходе должны выполняться законы сохранения энергии и квазиимпульса:

лучающих устройств видимого диапазона с использованием пористого кремния.

Ec1 - Ev2 = Eph, www.issep.rssi.ru P – P = P, c1 v2 ph СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, Кашкаров П.К., © ФИЗИКА нале”, и, дабы избежать повторения, рекомендуем чиE [100] Ec ' тателю познакомиться с этими прекрасными работами.

Напомним лишь, что рассматриваемый эффект ведет к увеличению ширины запрещенной зоны нанострукту1' Ec ры (E' ) по сравнению с монокристаллом этого материg ала (Eg0), в частности для квантовой ямы 2 2 2 E' = Eg0 + -------------- + ---------------, g 2mnd2 2mpdEg ' Egгде = 1,05 10- 34 Дж с – постоянная Планка, mn и mp – эффективные массы электрона и дырки соответственно, d – ширина ямы.

h/a P Важно отметить, что в кремнии при уменьшении размера наноструктуры абсолютный минимум зоны 2' проводимости смещается влево, тем самым уменьшаEv ется разность квазиимпульсов в начальном 1' и конечEv ' ном 2' состояниях (см. рис. 1). Кроме того, для наноструктур становится заметным проявление соотношения Рис. 1. Зависимости энергии электрона от квазинеопределенностей Гейзенберга импульса для монокристалла кремния Ес(Р), Ev(P) и кремниевой квантовой нити Ec(P), Ev(P) ' ' px x = и закон сохранения квазиимпульса уже не является где Eph и P – энергия и квазиимпульс фотона, причем ph строгим. Эти причины существенно повышают вероятпоскольку Pph Pc1, то можно считать Pph 0.

ность оптических переходов и обусловливают смещеКремний является непрямозонным полупровод- ние спектра ФЛ в видимую область.

ником, то есть абсолютный минимум с-зоны смещен Обычно технология создания наноструктур в виде относительно абсолютного максимума v-зоны по горитак называемых квантовых ям, нитей и точек (тонких зонтальной оси. Следовательно, при переходе 1 слоев, проволок, мельчайших кристаллов, внедренных сохранение квазиимпульса невозможно и переход був другое вещество) довольно сложна. Кроме того, подет запрещенным. Реализовать такой процесс в непрялученные результаты пока не позволяют говорить о мозонных полупроводниках можно лишь при участии практическом использовании подобных кремниевых третьей частицы – фонона, что снижает вероятность структур в светоизлучающих полупроводниковых устперехода на два порядка по сравнению со случаем пряройствах. Однако еще в 1956 году А. Улиром (A. Uhlir) мозонных материалов (например, GaAs). В итоге кванбыл получен так называемый пористый кремний. Этот товая эффективность фотолюминесценции (ФЛ) – материал представлял собой монокристалл c-Si, в котоэмиссии света под действием оптического возбуждером в результате электрохимического травления образония – в c-Si при не очень высоких уровнях возбуждевалось огромное количество мельчайших пор. Плотния составляет всего 10- 4 %. Следовательно, излучается ность пор в некоторых образцах была столь большой, один фотон на миллион поглощенных в Si возбуждаючто происходило их перекрытие, и непротравленные щих фотонов, причем ФЛ, как правило, наблюдают участки кремния имели вид кораллоподобной системы при низких температурах (T = 4–80 K). Энергия излунитей переменного сечения (рис. 2). Минимальные разчаемых квантов близка к Eg0 и приходится на ближний меры сечения кремниевых нитей и их изолированных инфракрасный диапазон.



участков (кластеров) в пористом слое составляют, по данным электронной микроскопии, единицы наномеЭлектронные свойства кремния можно изменить тров. Пористый кремний обычно формируется как слой посредством формирования на его основе нанострукна поверхности пластины c-Si, что очень важно для истур – пространственно разделенных кремниевых участпользования в микроэлектронике.

ков с минимальными размерами в несколько нанометров (1 нм = 10- 9 м). В этом случае носители заряда В конце 1990 года в науке о полупроводниках про(электроны и дырки) приобретают дополнительную изошла настоящая сенсация. Доктор Л. Кэнхэм (L. Canэнергию вследствие квантового размерного эффекта. ham) из Великобритании сообщил о наблюдении эфУказанный эффект подробно описан в статьях [1–4], фективной красно-оранжевой ФЛ из пористого кремния опубликованных в “Соросовском Образовательном Жур- при комнатной температуре; величина составляла КАШКАРОВ П.К. НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ ФИЗИКА ниевом электроде (аноде) протекают многоступенчаКвантовые нити тые реакции растворения и восстановления кремния.

Вторым электродом (катодом) обычно служит платиновая пластина. При подходящем выборе плотности электрического тока на поверхности c-Si происходит формирование пористого слоя. Относительно деталей механизма порообразования в литературе до сих пор нет единого мнения. Обсуждение предлагаемых моде = 1–5 нм лей этого процесса можно найти в [5].

Установлено, что толщина пленки пористого кремния практически линейно зависит от времени травления и может меняться от долей до сотен микрометров.

Структура пористого слоя определяется плотностью тока, концентрацией HF в электролите и характером легирования кремниевой подложки. Так, например, для кремния с электронным типом проводимости (n-Si) или сильно легированного дырочного кремния (р+-Si) c-Si поры имеют вид перпендикулярных поверхности каналов диаметром в десятки нанометров с более мелкими боковыми ответвлениями. Для образцов слабо легироРис. 2. Квантовые нити пористого кремния ванного дырочного кремния (p-Si) или при освещении n-Si формируется структура в виде губки или коралла 1–10%. Практически одновременно о сходных резуль(см. рис. 2). Размеры пор и непротравленных участков татах информировала группа исследователей из Франпри этом очень малы и составляют всего несколько нации. Авторы этих работ прямо связывали наблюдаемую нометров.

люминесценцию с квантовым размерным эффектом в Многочисленными экспериментами установлено, наноструктурах пористого слоя. Результаты заинтеречто в пористом кремнии в основном сохраняется порясовали специалистов, и вскоре было получено сообщедок расположения атомов, унаследованный от кремниние о наблюдении электролюминесценции (ЭЛ) в даневой подложки. Непосредственно после получения поном материале. При ЭЛ излучение света происходит в верхность кремниевого скелета образцов пористого результате прохождения электрического тока в полукремния покрыта адсорбированным в различных форпроводнике, приводящего к возбуждению электронов мах водородом. Выдержка на воздухе, особенно сопрои дырок с последующей их рекомбинацией. Количествождающаяся освещением, приводит к значительному во публикаций по проблеме люминесцирующего пориокислению материала.

стого кремния стало лавинообразно расти и в настояС электрической точки зрения материал с пористощее время приближается к тысяче статей в ведущих стью более 50% полностью обеднен носителями зарянаучных журналах. Главным стимулом интенсивного да и характеризуется удельным сопротивлением более изучения свойств пористого кремния стала перспек107 Ом см при значении этого параметра у подложки тива его практического использования для создания 1–10 Ом см. Убедительное объяснение такой транскремниевых светоизлучающих устройств. Последнее формации полупроводника практически в диэлектрик позволило бы совершить качественный скачок в развив литературе к настоящему времени отсутствует. Выдвитии полупроводниковой технологии.

гаются различные гипотезы, в том числе о селективном Рассмотрим подробнее метод получения пористого вымывании легирующих примесей при электрохимичекремния, его основные свойства, а также предполагаеском процессе или о проявлении квантоворазмерного мые механизмы люминесценции и перспективы пракэффекта в увеличении энергии ионизации примесных тического использования данного материала.

центров.

Теплопроводность высокопористого кремния на поПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ рядок ниже, чем у монокристалла Si. Это необходимо И ЕГО ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА учитывать в опытах с использованием высокоэнергеВ основе стандартного способа формирования порис- тичного воздействия, например мощных лазерных или того кремния лежит процесс электрохимического трав- электронных пучков. Возникающий при этом сильный ления пластин c-Si в растворе на основе плавиковой нагрев образца может существенно повлиять на его кислоты HF. При положительном потенциале на крем- свойства.





СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №1, 1–100 мкм ФИЗИКА Оптические свойства пористого кремния также суЭнергия фотонов, эВ 1,2 1,4 1,6 1,8 2,щественно отличаются от таковых для объемного материала. В частности, край спектра поглощения пористо300 K го слоя, отделенного от подложки, в зависимости от пористости смещен в сторону больших h относительно Eg0 на 100–500 мэВ. Этот результат авторы объясняют с позиций квантоворазмерного эффекта. Так как образцы пористого кремния достаточно неоднородны по сечению квантовых нитей и кластеров, то измеряемый спектр поглощения является усредненным по размеру составляющих кремниевый скелет наноструктур.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ Наиболее удивительным свойством пористого кремния является его способность люминесцировать в видимой области спектра. Весьма подробно в литературе изучен случай фотолюминесценции. Для возбуждения 1,0 0,9 0,8 0,7 0,ФЛ использовались как непрерывные, так и импульсДлина волны, мкм ные лазеры сине-зеленого, фиолетового и ультрафиолетового диапазонов, причем, за исключением специаль- Рис. 3. Спектры ФЛ пористого кремния после получения и последующего химического травления в ных экспериментов, энергия квантов излучения лазеров плавиковой кислоте. Время обработки (в часах) превышала величину E'. Рассмотрим наиболее сущеg (1), 2 (2), 6 (3), при этом пористость возрастает от ственные и надежные результаты по исследованию ФЛ 70 (кривая 1) до 80% (кривая 3) в пористом кремнии, подтвержденные учеными из различных исследовательских групп. При этом для опредерамагнитного резонанса регистрируется появление в ленности ограничимся свойствами свежеполученных пористом кремнии большого числа дефектов, предслоев, поверхность которых, как отмечалось, покрыта ставляющих оборванные связи кремния на поверхносводородом.

ти наноструктур.

Уже в первых опытах выяснилось, что эффективно люминесцируют образцы пористого кремния, в которых К заметному (5–10 раз) гашению ФЛ приводит пористость превышает 50%. Определенные представле- также заполнение пор жидкостями с высоким значения об электронных процессах, обусловливающих явле- нием статической диэлектрической проницаемости d ние люминесценции, можно получить из анализа зави- (этанол, метанол и др.). Это хорошо видно из диасимости интенсивности ФЛ I от длины волны этого граммы на рис. 4.

излучения, то есть из спектра ФЛ I( ). Такие спектры На основе приведенных экспериментальных данприведены на рис. 3. Как правило, спектр I( ) предных можно построить количественную модель, позставляет собой широкую ( 100–200 нм) бесструкволяющую объяснить высокую эффективность ФЛ в турную полосу, положение максимума которой моmax свежевыращенном пористого кремния и влияние разжет смещаться от 750 нм (красный свет) до 450 нм личных воздействий на ее параметры [6]. Предполага(голубой) при изменении режимов электрохимической ется, что излучение формируется в наноструктурах обработки. Отметим, что данные электронной микро(нитях и кластерах) кремния, электронный спектр коскопии и комбинационного рассеяния света свидетельторых модифицирован за счет квантоворазмерного эфствуют о наличии корреляции между голубым сдвигом фекта. В пользу этого свидетельствует смещение края спектра ФЛ и уменьшением сечения наноструктур попоглощения и спектра ФЛ в видимую область, а также ристого кремния.

голубой сдвиг при уменьшении размеров наностПараметры ФЛ пористого слоя оказались весьма max руктур (см. рис. 3). В пористом кремнии имеется опречувствительными к термовакуумным обработкам и изделенное распределение нитей и кластеров по сечению, менению свойств среды, в которой находится образец.

так что полоса ФЛ образуется из вкладов кристаллитов Так, интенсивность ФЛ падает более чем на порядок, если свежевыращенный образец прогревается в вакуу- различных размеров. Для объяснения наблюдаемой ширины указанной полосы достаточно допустить отме при 400° С. При этом данные ИК-спектроскопии свидетельствуют об уходе атомов водорода с поверх- клонение сечений наноструктур от среднего значения в ности пористого кремния, а методом электронного па- пределах 20%.

КАШКАРОВ П.К. НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ Интенсивность ФЛ ФИЗИКА зи Eexc начинает существенно зависеть от соотношения диэлектрических проницаемостей кремния и окруSi IФЛ при 780 нм жающей среды. На энергию связи экситона оказываd d среды ет влияние поляризация нити или кластера, что формально можно учесть с помощью так называемых сил изображения (вспомним известную задачу из школьного курса о силе притяжения точечного заряда над проводящей плоскостью). При выполнении условия (наноструктура в вакууме или воздухе) величина Si d 0,Eexc может возрасти до 100–200 мэВ и экситонная люминесценция наблюдается при комнатной температуре.

Если реализуется соотношение >, энергия связи в d Si экситоне упадет ниже объемного значения. Именно 0,01 0,этим эффектом и объясняется резкое гашение ФЛ при Вакуум С6H6 С3H6O С2H5OH СH3OH помещении пористого кремния в жидкости с высоким значением (см. рис. 4).

d Рис. 4. Интенсивность ФЛ образца пористого кремТаким образом, в пористом кремнии уже при комния, поры которого заполнены диэлектрическими жидкостями (зеленые столбики), значения для натной температуре фотовозбужденные носители заряd этих жидкостей (красные столбики) да образуют две динамически связанные подсистемы:

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.