Введение к работе
Актуальность темы Использование кремниевых структур в оптоэлектрон-ных системах обработки информации сдерживается невозможностью создания светоизлучающих диодов на основе кристаллического кремния Надежда на создание оптоэлектроники, базирующейся на кремниевых фотоприемниках, оптических средах и источниках света, появилась в 1990 году, когда был открыт эффект видимой фотолюминесценции (ФЛ) в пористом кремнии (ПК)
Слои пористого кремния, получаемые электрохимическим травлением монокристаллов кремния, представляют собой материал, состоящий из нитей и кластеров с поперечным сечением от единиц до десятков нанометров и обладающий уникальными электронными и оптическими свойствами, которые отсутствуют в объемном кремнии В первую очередь, это возникновение размерного квантования носителей заряда в кремниевых квантовых нитях, либо в квантовых точках, если их поперечные размеры не превышают 2 0-5 0 нм Тогда в непрямозонном кремнии возможно возникновение прямых оптических переходов за счет пространственного ограничения носителей заряда и неопределенности соответствующих компонент квазиимпульса
На сегодня пористый кремний используется и рассматривается как перспективный материал для кремниевой солнечной энергетики благодаря малому значению коэффициента отражения Кроме того, для увеличения эффективности солнечных элементов могут быть использованы эффекты фотолюминесценции в пористом кремнии, модуляции ширины запрещенной зоны в широком диапазоне энергий и т д Некоторые из этих эффектов предсказывались теоретически, однако строгого экспериментального подтверждения не получили
Слои пористого кремния можно использовать и для создания газовых сенсоров благодаря уникальной комбинации кристаллической структуры и гигантской внешней поверхности (200-500 м2/см3), что может значительно усилить эффекты адсорбции Несмотря на уникальность структурных и оптических свойств, слои пористого кремния еще не получили широкого применения в сенсорах, хотя экс-
периментально показано, что люминесценция и электрическое сопротивление структур с пористым кремнием чувствительны к адсорбции различных газов Влияние адсорбционных явлений на емкостные характеристики структур с пористым кремнием еще мало исследовано
Контакт металл- пористый кремний может стать базовой структурой при создании ряда полупроводниковых приборов, в первую очередь электролюминесцентных диодов и сенсоров Вольтамперные характеристики диодного типа уже наблюдались в таких структурах и пояснялись на основе идеализированной модели контакта Шоттки Но, в отличие от идеализированных моделей, в реальных контактах может присутствовать переходной слой между металлом и полупроводником, а также поверхностные электронные состояния (ПЭС) на границах раздела фаз Степень изученности электрических характеристик промежуточных слоев и поверхностных электронных состояний остается недостаточной Гетеро-структуры с тонкими слоями пористого кремния практически не исследовались
Традиционно формирование пористого кремния базируется на различных электрохимических и химических реакциях, являющихся нетехнологичными методами изготовления Применение современных методов для формирования на-нокристаллических кремниевых материалов (ис-Si), идентичных по своим физико-химическим свойствам пористому кремнию, позволит внедрить этот материал в современный технологический цикл
Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы, которая обусловлена, в первую очередь, необходимостью создания и развития полупроводниковых приборов на основе нанокристаллических кремниевых слоев Для этого требуется изучение физических явлений и процессов как в самих материалах, так и в структурах металл- nc-Si- кремний и металл- ПК- кремний Особенности слоев нанокристаллического и пористого кремния (развитая морфология поверхности, изменяемые оптические и диэлектрические постоянные, квантовые размерные эффекты, оптическое рассеяние и т д ) могут существенно влиять на физические характеристики структур
Цель данной работы: определение структурных, оптических и электрофизических свойств слоев нанокристаллического кремния на поверхности Si(100), сформированного методом плазмостимулированного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), и сравнение их со свойствами анодных слоев пористого кремния
В соответствии с этой целью в работе решались следующие основные научные задачи
Получить методом PECVD слои нанокристаллического кремния со структурными и оптическими характеристиками, подобными характеристикам анодных слоев пористого кремния
Исследовать влияние условий формирования слоев nc-Si и ПК на поверхности кремния на их структурные и оптические свойства
Определить механизмы электронного переноса в гетероструктурах с промежуточными слоями nc-Si и ПК и перераспределение приложенного к таким структурам внешнего напряжения с учетом ПЭС
Определить параметры локализованных состояний в гетероструктурах с анодными слоями ПК и слоями ис-Si, полученными методом PECVD
Исследовать влияние газовой адсорбции на электрофизические характеристики гетероструктур с тонкими слоями ПК
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем
Методом PECVD на поверхности Si(100) впервые получены слои «c-Si, представляющие собой ориентированный вдоль плоскости (004) массив нанокри-сталлитов со средним размером 4 8 нм и проявляющие фотолюминесцентные свойства при комнатной температуре с максимумом излучения при 1 55 эВ с полушириной спектра ~0 2 эВ
Предложена теоретическая модель прохождения зарядов в гетероструктуре металл- кремний с промежуточным слоем nc-Si(nK) Получены аналитические выражения для перераспределения внешнего приложенного к структуре напряжения с учетом ПЭС Рассчитана вольтамперная характеристика с учетом параметров ПЭС на границах раздела nc-Si(IIK)-Si и «c-Si(IIK)-Si02 и пара-
метров туннельного окисла Обнаружены и детально исследованы ПЭС в гете-роструктурах Pd- rcc-Si(ITK)- p-Si
Впервые методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) получены и проанализированы энергетические параметры ПЭС в гетерострук-турах в зависимости от толщины слоя ПК
Впервые установлена зависимость влияния адсорбции на электрофизические характеристики структуры металл-кремний с промежуточными слоями ПК Определено влияние ПЭС и морфологических особенностей промежуточного слоя на чувствительность вольтамперных и вольт-фарадных характеристик структур к адсорбции молекул воды
Экспериментально установлен эффект увеличения внешней квантовой эффективности кремниевых солнечных элементов с р-п переходом, на которых сформировано антиотражающее покрытие из люминесцентного слоя ПК
На защиту выносятся следующие научные положения
Структурные, оптические и фотолюминесцентные свойства слоев nc-Si, сформированных методом PECVD, подобны соответствующим свойствам анодных слоев ПК
Распределение поверхностных электронных состояний, расположенных на границах раздела «c-Si(ITK)-Si и nc-Si(nK)-Si02, а также коэффициент прозрачности туннельного окисла, покрывающего слои rcc-Si(IIK), определяют перенос носителей заряда в гетероструктурах со слоями ис-Si и ПК
Адсорбционные свойства гетероструктур металл- тонкий слой ПК- кремний определяются изменением диэлектрической постоянной є и перезарядкой ПЭС
Увеличение квантовой эффективности преобразования солнечной энергии в солнечных элементах на основе р-п перехода с антиотражающим покрытием из ПК обусловлено переизлучением в этом слое при поглощении коротковолновой области солнечного спектра
Практическая значимость результатов диссертационной работы 1 Показана возможность формирования на кремниевых подложках методом PECVD слоев нанокристаллического кремния с физико-химическими характе-
ристиками, идентичными характеристикам пористого кремния, полученного методом электрохимического травления
Разработан модифицированный метод расчета плотности интерфейсных состояний в МДП-структурах с ультратонкими слоями подзатворного диэлектрика Данный метод может быть использован при количественном описании спектров ПЭС в реальных системах
Результаты исследований адсорбционных явлений могут быть использованы при разработке газочувствительных сенсоров
Результаты по исследованию фотоотклика могут быть использованы при разработке солнечных элементов
Апробация работы Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих конференциях NATO ASI "Frontiers in Nanoscale Science of Micron/Submicron Devices" (Киев, Украина, 1995), 25-th International "IEEE Photovoltaic Specialists Conference" (Washington, USA, 1996), 1-st Ukrainian-Polish Symposium "New Photovoltaic Materials for Solar Cells" (Krakow, Poland, 1996), 6-th International Conference "Formation Semiconductor Interfaces, ICFS-I6" (Cardiff, UK, 1997), 12-th European Conference "Solid-State Transdusers, Eurosensors XI, XII" (Southampton, UK, 1998), International Conference "E-MRS-99" (Strasbourg, France, 1999), 2-nd International Conference "Porous Semiconductors- Science and Technology" (Madrid, Spain, 2000), NATO ARW "Frontiers of nano-optoelectronic system molecular-scale engineering and processes" (Киев, Украина, 2000), 6-th International Joint Symposium APCPST, 15-th SPSM, OS 2002 and 11-th KAPRA (JeJu, South Korea, 2002), 11-th International Symposium "The Physics of Semiconductors and Application" (Seoul, South Korea, 2002), International Conference "MRS Fall meeting" (Boston, USA, 2003), 3-ем Всероссийском совещании "Кремний-2006" (Красноярск, Россия, 2006), 4-ой Российской конференции с международным участием "Кремний-2007" (Москва, Россия, 2007)
Публикации По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ Из них 7 статей в цитируемой российской и международной печати, 11 статей в сборниках трудов международных и российских конференций Работа по теме
диссертации проводилась в рамках НШ-4755 2006 2 и Гранта ДВО РАН № 06-Ш-А-02-025 Список основных публикаций приводится в конце автореферата
Личный вклад соискателя. Личный вклад автора заключается в изготовлении экспериментальных образцов нанокристаллического и пористого кремния (ИАПУ ДВО РАН, Университет Сонгюнгван, г Сувон, Республика Корея) и проведении экспериментов с использованием дифракции рентгеновского излучения (Университет Сонгюнгван), атомной силовой микроскопии (ИАПУ ДВО РАН), оптической и фотолюминесцентной спектроскопии (ИАПУ ДВО РАН, Киевский Национальный университет им Тараса Шевченко, Университет Сонгюнгван) и электрофизических методов исследования (ИАПУ ДВО РАН, Политехнический институт Эколь Централь, г Лион, Франция, Университет Сонгюнгван) Автор непосредственно участвовал в выполнении теоретических расчетов
Во всех остальных экспериментах автор принимал активное участие вместе с коллективом сотрудников Отдела физики поверхности ИАПУ ДВО РАН, а также с сотрудниками других организаций - соавторами совместных публикаций
Достоверность результатов. Приведенные в работе результаты хорошо согласуются с результатами работ других исследовательских групп В частности, подтверждаются приведенные в работе L Т Canham (Appl Phys Lett ,1990) данные по фотолюминесценции Результаты экспериментов по пропусканию в инфракрасной области спектра слоев пористого кремния на поверхности Si(100), приведенные в работе, полностью согласуются с результатами работы А Venkateswara и др (J Electrochem Soc, 1991), что говорит о соответствии используемых методик и подходов применяемым в мировой практике Хорошая воспроизводимость экспериментальных данных и их согласованность с теоретическими расчетами обеспечили достоверность полученных результатов
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 120 страниц, включая 52 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 140 наименований
