Введение к работе
Актуальность темы: Получаемый на основе моно-Si^ пористый кремний (ПК) является перспективным материалом для разработки приборов, излучающих видимый свет, так как способен при комнатной температуре преобразовывать подводимую энергию в видимое излучение. Открытие Канхемом [1] эффективной фотолюминесценции (ФЛ) в видимом диапазоне длин волн при комнатной температуре позволяет надеяться получить светоизлучатощие приборы на основе широко используемой кремниевой технологии. Но вследствие высокой чувствительности ПК к различным воздействиям, его ФЛ может существенно изменяться. Отсутствие единых представлений о механизмах изменений ФЛ ПК приводит в настоящее время к необходимости изучения светоизлучающих свойств этого материала и разработки стабилизирующих технологий. Таким образом, избранная тема исследований является актуальной как в научном, так и в практическом шине.
Дель работы: Исследование природы фотолюминесценции пористого кремния при ультрафиолетовом лазерном облучении (Я=325 нм) и механизмов гашения и возгорания ФЛ ПК при атмосферном и вакуумном хранении, химической (кислотами плавиковой (I1F) и азотной (НЮз)), термической (293-453К) и электронной (2-4 кэВ) обработках.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
исследовано изменение состава ПК методами инфракрасной и электронной Оже-спектроскопии при различных воздействиях;
рассмотрено влияние режимов получения ПК на его фотолюминесценцию и оценены размеры кремниевых кристаллитов при помощи спектроскопии комбинационного рассеяшія света;
изучена кинетика ФЛ ПК при непрерывном лазерном и электронном облучении, термическом и химическом воздействиях, атмосферном и вакуумном хранении;
проведен теоретический анализ полученных экспериментальных ре
зультатов при помощи кинетической модели эволюции ФЛ ПК.
Научная новизна работы:
Впервые проведено определение послойного расположения водородных групп в ПК методом электронной Оже-спектроскопии.
Установлено, что кинетика ФЛ ПК зависит от химического состава поверхности кремниевых нитей. Предложена кинетическая модель, объясняющая наблюдаемые эффекты изменением состава поверхностных групп под действием ультрафиолетового облучения: деградация ФЛ на начальной стадии облучения происходит из-за десорбции водорода, а возгорание при дальнейшей лазерной экспозиции вследствие адсорбции кислорода. Рассчитаны численные значения констант скоростей реакций разрушения и восстановления соответствующих связей.
Определена верхняя граница термического воздействия (453К) на ФЛ ПК в окружающей атмосфере, при котором происходит практически полное гашение ФЛ ПК. По экспериментальным данным впервые рассчитаны значения энергии активации деструкции и насыщения связей на поверхности пор.
Впервые обнаружено, что увеличение мощности лазерного облучения ведет к уменьшению скорости гашения и повышению скорости возгорания ФЛ ПК.
Впервые получены дозовые и энергетические зависимости электронно-стимулированной деградации ФЛ ПК. Показано, что электронное облучение ПК с последующим хранением на воздухе способствует стабилизации ФЛ.
Практическая ценность работы:
На основании проведенных экспериментальных исследований предложены:
метод исследования послойного поверхностного состава ПК при по
мощи электронной Ожс-спсктроскопии, который может успешно ис-
пользоваться в изучении физико-химических свойств данного материала;
метод электронного облучения с последующим восстановлением в обычной атмосфере для стабилизации светоизлучающих свойств ПК;
кинетическая модель эволюции ФЛ ПК, расширяющая познание природы ФЛ ПК.
Подожеппя, выносимые па защиту:
-
Впервые методом электронной Оже-спектроскогаги установлено наличие в составе ПК n-типа в основном SiH2 групп, которые играют ключевую роль в его фотолюминесценции.
-
Показано, что при непрерывной лазерной экспозиции и различном температурном возмущении с поверхности пор происходит удаление водородо- и углеродсодержащих компонентов и образование устойчивых кислородных связей. С повышением мощности лазерного облучения возгорание ФЛ усиливается, а гашение замедляется вследствие фотостимулированного увеличения скорости обменных процессов с участием атомов кислорода и водорода и образования комплексов, которые увеличивают количество центров излучательной рекомбинации.
-
Установлено, что возгорание фотолюминесценции образцов ПК, обработанных в азотной кислоте и хранившихся на воздухе, связано с увеличением вклада кислорода в ФЛ ПК. Это подтверждено хранением образцов в вакууме, после которого отсутствует возгорание ФЛ при облучении лазером. Более быстрое возгорание ФЛ ПК, обработанного в HF, объясняется уменьшением размеров квантовых проводов, увеличением концентрации адсорбированных атомов водорода и глубины нанопористой структуры.
-
Исследовано гашение ФЛ ПК при электронном облучении, происходящее вследствие разрушения электронами водородных групп на поверхности пор. Отсутствие деградации ФЛ после обработки в HNCb и при повторном облучении поверхности ПК связано с химическим
замещением водородных групп кислородными, более устойчивыми к электронному облучению.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на конференции «Микроэлектроника-94» (г.Звенигород, 1994), международной конференции «9й1 Annual Conference of the International Association of Physics Students IAPS» (г.Санкт-Петербург, 1994), 1-ой международной конференции «Материаловедение алмазоподобных и халько-генидных полупроводников» (Украина, г.Черновцы, 1994), международной конференции «Physical problems in material science of semiconductors» (Украина, г.Черновцы, 1995), 2-ой Российской конференции по физике полупроводников (г.Зеленогорск, 1996), 111 Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 1996), на научных семинарах физико-технического факультета Ульяновского государственного университета.
Достоверность результатов: Достоверность научных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, апробированных методик, соответствием результатов расчета эксперименту и подтверждена независимыми исследованиями авторов [2,3].
Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит го введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 8 таблиц. Библиографический список используемой литературы включает 201 наименование.
