Электронная структура, оптические и люминесцентные свойства слоев пористого кремния

• Автор: Ян, Дмитрий Тхякбонович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 145 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВЗАИМОСВЯЗЬ МОРФОЛОГИИ, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
1.1. Механизм формирования пористого кремния
1.2. Морфология и кристаллическая структура пористого кремния
1.3. Оптические свойства и электронная структура пористого кремния
1.4. Механизмы фотолюминесценции пористого кремния:
эксперимент и теория
Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ
2.1. Методы исследования
2.1.1. Оптическая спектроскопия на просвет и отражение
2.1.2. Сканирующая электронная микроскопия
2.1.3. Фотолюминесцентная спектроскопия
2.2. Экспериментальная аппаратура
2.2.1. Ячейка для анодного травления и окисления монокристаллического кремния
2.2.2. Фурье ИК-спектрометр фирмы “Bruker”
2.2.3. Спектрофотометры SPECORD 71IR, SPECORD UV-VIS иМДР-3 спектрофотометр
2.2.4. Установка для регистрации спектров фотолюминесценции пористого кремния
2.3. Методы получения пористого кремния и расчета его оптических
функций
2.3.1 Методы получения и окисления пористого кремния
2.3.2 Расчет оптических функций тонких пленок пористого кремния в рамках двухслойной модели
2.3.3 Расчет оптических функций пористого кремния из соотношения Крамерса-Кронига

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ СЛОЕВ
ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
3.1. Морфология и толщина слоев пористого кремния
3.2. Оптические функции и параметры зонной структуры тонких слоев ПК в диапазоне энергий 0.1-6.2 эВ
3.3. Расчет толщины окисла на тонких слоях пористого кремния из данных
спектров пропускания
Выводы по главе
ГЛАВА 4. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ И ТОЛСТЫХ СЛОЕВ
ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
4.1. Люминесцентные свойства тонких окисленных слоев пористого кремнияЮЭ
4.2. Влияние лазерного возбуждения на фотолюминесценцию пористого кремния
после анодирования
4.3. Фотостимулированное анодирование и люминесцентные свойства толстых слоев пористого кремния
4.4. Модель фотолюминесценции в окисленных слоях пористого кремния.
4.5. Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по совершенствованию полупроводниковых приборов, по применению для них новых материалов. Этот процесс происходит по двум основным направлениям.
Первое из них относится к поиску и исследованию материалов и структур с очень малыми размерами - наноструктур (с размерами от единиц до десятков нанометров). Наука, изучающая такие структуры - наноэлектроника - изучает фундаментальные закономерности, определяет физико-химические особенности формирования наноструктур, их электронные и оптические свойства. Исследования в этой области актуальны в настоящее время для разработки принципов создания систем получения и обработки информации нового поколения, обладающих малыми размерами и большим быстродействием.
Второе направление исследования связано с излучательными свойствами новых полупроводниковых материалов. Разработка устройств на их основе открывает перспективу создания оптоэлектронных структур и систем.
В связи с этим большое внимание в последнее время уделяется исследованию пористого кремния (ПК) - материала, получаемого в результате анодного травления монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты (№). Слои ПК представляют собой массив кристаллитов нанометрового размера, разделенных порами. Пористый кремний как материал значительно отличается от исходного кристаллического кремния и характеризуется высоким значением удельного сопротивления, а также высокой химической активностью и большой удельной поверхностью[1 ].
Особое внимание посвящено исследованию тонких слоев пористого кремния вследствие обнаруженного в 1990 г. явления сильной фотолюминесценции (ФЛ) в видимой области спектра при комнатной температуре[2]. В настоящее время во многих лабораториях мира проводится исследование излучающих свойств структур, полученных на основе ПК.
Исследования, связанные с поиском материала, являющегося основой технологии электрооптических и волновых устройств и одновременно обладающего свойством фотолюминесценции (ФЛ) и электролюминесценции (ЭЛ) проводились с давнего времени и многими исследователями. В качестве подобных материалов были выбраны полупроводники Ащ - Ву или Ац - Ву1, ЫМЮз или другие материалы.

поглощение, обусловленное вкладом в диэлектрическую функцию, так называемого “диэлектрического окружения”. С другой стороны, возбуждение в ИК-области не оказывает влияния на протекающие процессы, так как электрические колебания в этом диапазоне протекают очень быстро. В этой области спектра происходит постоянный рост действительной части диэлектрической функции (нормальная дисперсия), мнимая часть в этой области исчезает.
В инфракрасном диапазоне на диэлектрическую функцию оказывают влияние только свободные носители и колебания подложки (которые дают большой вклад в восприимчивость полярных полупроводников). Они не имеют дипольного момента (р=0 ) и не оказывают влияния на электромагнитное излучение.
Для моделей, описанных ниже, были использованы теоретические диэлектрические функции (в спектральном диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой части спектра) во всех участках оптического спектра. Все диэлектрические функции содержат вклад электрической восприимчивости.
Как было показано выше, диэлектрическая функция в ближнем ИК-диапазоне может быть приблизительно описана при помощи константы значением действительной восприимчивости. Постоянная состоит в основном из высокочастотного (УФ) вклада и небольшого слагаемого в ИК-области. Это слагаемое характеризует диэлектрическое окружение сх.
Ниже приведены основные типы распределений.
Распределение Гаусса.
В разориентированных материалах ближайшее окружение колебательной группы атомов не является постоянным, т.к. углы между связями и распределение заряда изменяется. Это приводит к изменению резонансной частоты, которая используется в выражении [50]:
Уравнение ( 1.20 ) определяет интеграл, в котором а- удельный вес каждой резонансной частоты. В зависимости от выбора ег и □ можно задать полосу поглощения, описываемую распределением Гаусса или Лоренца как показано на рис. 1.14. В приведенной работе проводится приближение для расчета интеграла. Выбранная модель использует 4 параметра: а, Г2РМР, Г2г и является применимой не только для описания колебательных переходов в ИК-области, но также и
(1.20)