Введение к работе
Актуальность исследования. В последние годы серьезное и пристальное дание уделяется перспективному материалу - пористому кремнию (ПК). И не случайно. Свойства монокристаллического кремния достаточно хорошо (ены. Благодаря удачному сочетанию свойств у него есть множество >мненных преимуществ перед другими полупроводниковыми материалами, )шо отработана технология получения полупроводниковых приборов на его >ве. Ко у монокристаллического кремния есть ограничения в его иененни. Как известно, монокристаллический кремний является іямозонішм полупроводником, с низкой эффективностью квантового выхода ннесценции, и поэтому не может быть использован для создания (электронных приборов. Для этих целей приходится применять прямозонные /проводники: GaAs, In? и другие, которые плохо совместимы с кремниевой юлпгией.
Недавно было установлено, что пористый кремний, который получается трохимическнм травлением обычного монокристаллического кремния, при іуждении его УФ излучением интенсивно люминесцирует в видимом іазоне. Это, в перспективе, дает возможность создания на его основе оизлучающих устройств, работающих в видимой области спектра, перехода полностью кремниевую технологию при создании различных )элсктронных устройств и схем, а также возможность создания полностью шиевого оптоэлектронного компьютера, который может стать новым )лением вычислительной техники. Дальнейшие исследования этого :риала показали, что ПК можно использовать в качестве газового сенсора на .і воды, аммиак и, возможно, другие соединения.
Однако, этот перспективный материал является весьма сложным объектом исследований. Его свойства и структура сильно зависят от технологии и 1мов получения, поэтому представляет большой интерес определение симости свойств этого материала от его структуры и фазового состава.
4 Кроме того, поскольку обнаружено, что свойства пористого кремния, к; нестабильной системы изменяются со временем, представляет интер исследование электронного строения ПК, подвергнутого отжигам, посколы известно, что отжиги ускоряют процесс стабилизации его свойств. Принимая і внимание, что состав и структура пористого слоя могут быть неоднородны і глубине, представляют интерес неразрушающие методы, позволяют) проводить послойные исследования материалов.
Целью работы Изучение взаимосвязи состава, электронного строения фотолюминесценции пористого кремния.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задача
-
Разработка технологии получения ПК с высокой интенсивность фотолюминесценции методом электрохимического травления на подложк различных кристаллографических ориентации, (для кремния п-типа)
-
Разработка методики анализа "фазового" состава поверхностных ело ПК по рентгеновским эмиссионным спектрам (РЭС).
-
Изучение электронного строения и "фазового" состава поверхности! слоев пористого кремния в зависимости от условий травления.
-
Исследование влияния окисления ПК на его электронное строение фотолюминесценцию.
В качестве объектов исследования использовались подложі монокристаллического кремния Si <100> и Si <111> с удельным сопротивленш 0.35 Ом*см. ПК получался методом электрохимического травления п] постоянной плотности тока в растворах на основе HF и изопропилового спирта
Научная новизна представленных в работе результатов определяется те что:
1) Установлено наличие нескольких "фаз" в поверхностных слоях П
соотношение которых зависит от условий получения ПК, выдержки .
Еоздухе и отжига в кислороде
2) Впервые в поверхностных слоях ПК обнаружена фаза разупорядоченно
кремния, который окисляется при выдержке на воздухе.
3) Обнаружено наличие на поверхности ПК промежуточного оксида SiO, не возникающего при окислешш монокристаллического кремния. Содержание этого оксида с ростом температуры отжига в кислороде уменьшается и одновременно уменьшается интенсивность фотолюминесценции.
ікінческая значимость работы:
Разработанная лабораторная технология позволяет получать образцы ПК, проявляющие высокую интенсивность фотолюминесценции в видимой области спектра при комнатной температуре на более технологичной подложке п-типа, что всегда представлялось затруднительным. По разработанному математическому алгоритму была создана компьютерная программа расчета, позволяющая рассчитывать "фазовый" состав, материалов, содержащих различные кристаллические л аморфные фазы на основе заданных РЭС эталонов.
'чиые положения, выносимые на защиту: При электрохимическом травлении в поверхностных слоях ПК образуется значительное количество атомов кремния в разупорядоченном состояния При выдержке на воздухе ПК эти атомы в значительной степени переходят в оксид. При этом кроме обычного формируется промежуточный оксид SiO, не наблюдаемый при окислении монокристалла.
При низкотемпературном отжиге ПК в потоке кислорода с ростом температуры отжига происходит окисление поверхностных слоев с увеличением доли стехлометрического оксида и уменьшением промежуточного оксида.
Интенсивность ФЛ ПК возрастает при выдержке на воздухе, а также при 100 С отжиге в кислороде, параллельно с ростом содержания промежуточного оксида. Ее пик находится в области 640-700 нм. и не меняет своего положения, а с дальнейшим ростом температуры отжига интенсивность ФЛ резко падает.
Личный вклад автора.
Лабораторная технология получения ПК на подложках п-тип проявляющего интенсивную ФЛ, была разработана лично автором. Разработг алгоритм, написана компьютерная программа для математического анали: "фазового" состава экспериментальных спектров, произведены расчеты bcs экспериментальных РЭС спектров, а также интерпретация полученнь результатов.
Аппробпцня рсчультатов работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались і Первом Российско-Г'ерманском семинаре по Реіптеновской и Электронж Спектроскопии (Воронеж, Май-июнь 1996), XVI-междунар. школы-семина «Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь» Воронеж май-ию 1996г, ECASIA - European Conference on Surface and Interface Analysis (Швеш Осень-1996), Всероссийская Научная Студенческая Конференция (Екатеринбуї Февраль-1997). ICES - International Conference on Electron Spectroscopy (Японі Сентябрь-1997), Школа-семинар по рентгеновской и электронной спектроскоп (Екатеринбург, 1998), XYI Научная Школа-семинар «Рентгеновские электронные спектры и химическая связь», (Ижевск, 1998), IVC-14 (Birmingha GB, 1998), E-MRS 1999, Spring meeting; (June, 1999, Strasbourg, Fiance), I Bcepi конф. "Химия поверхности и нанотехнология" Санкт-Петербург-Хилово (сен окт. 1999 г.), 3rd Russian-German seminar on electron and X-ray spectrosco] (Екатеринбург, осень 1999.)
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14 печати работах, цитируемых по ходу изложения диссертации.
Структура її объем диссертации. Диссертация состоит из введен четырех глав, заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текс включая 49 рисунков и список литературы на 95 наименований.