Механизмы модификации электронной структуры, светоизлучающих свойств и состава поверхности пористого кремния в процессе водного дотравливания

• Автор: Апполонов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 143 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор
§1.1 Получение пористого кремния
§ 1.2 Механизмы образования структурных особенностей
пористого кремния
§ 1.3 Механизмы окисления и роль оксида кремния в
фотолюминесценции пористого кремния
§ 1.4 Количественный оже-анализ химического состава твердых тел
§1.5 Состав и строение а-8Юх
§1.6 Анализ моделей фотолюминесценции пористого кремния
§ 1.7 Влияние на фотолюминесценцию пористого кремния
лазерного облучения
Щ
Глава 2. Методика эксперимента
Глава 3. Количественный оже-анализ пористых
полупроводникых материалов, содержащих элементный
и окисленный кремний
Глава 4. Неразрушающий анализ стехиометрии окисленной
поверхности пористого кремния
Глава 5. Модификация свойств пористого кремния в процессе
водного дотравливания
§ 5.1 Механизмы водного дотравливания пористого кремния
п-типа проводимости во внешнем электрическом поле
§ 5.2 Изменение оптических свойств и состава поверхности
пористого кремния в процессе водного дотравливания
Литература
Ф Приложение

Актуальность темы
Квантовые объекты, ярким представителем которых является пористый кремний (рог-81), привлекают в последнее время пристальное внимание исследователей из-за их несомненной перспективности в микроэлектронике и оптоэлектронике. Открытие в 1990 г. Кэнхэмом фотолюминесценции (ФЛ) пористого кремния в видимой области спектра вызвало к нему большой интерес как к перспективному материалу. Однако, несмотря на чрезвычайно интенсивные и многообразные исследования свойств пористого кремния, единой точки зрения на механизмы, ответственные за существование его фотолюминесценции в видимой области спектра до сих пор не существует.
В последнее время ажиотажный характер исследований спал и стал носить более глубокий и обобщающий характер. Это связано с тем, что, исключительно простой с точки зрения технологии изготовления, рог-81 обладает свойствами, которые можно трактовать в рамках различных моделей и подходов. Полученные к настоящему времени экспериментальные и теоретические данные обобщены в рамках пяти моделей, которые получили следующие названия - квантово-размерная, водородная, силоксеновая или химическая, модель аморфной кремниевой оболочки, модель поверхностных состояний и модель кислородных центров.
Одной из самых существенных причин, сдерживающей применение пористого кремния, является существенная нестабильность светоизлучательных характеристик при различных внешних воздействиях. Именно с этим связано наблюдаемое в последние пять лет повышение интереса к разработке различных способов стабилизации светоизлучения пористых полупроводников. Наиболее значимые результаты в этом направлении достигнуты путем окисления поверхности квантовых нитей. Причем создание стабильного окисла кремния возможно как на стадии электрохимического травления, так и после формирования пористого слоя. Интересные результаты при формировании оксида после изготовления пористого слоя достигаются при быстром высокотемпературном
термическом окислении и при длительном нахождении в воде. Существуют ряд других методов окисления - один из которых водное дотравливание (ВД). ВД достаточно экзотический метод самоформирования пор и окисления поверхности квантовых нитей пористого кремния после проведения электрохимического травления. Возможность создания окисла кремния в процессе водного дотравливания открыта сравнительно недавно и изучена крайне слабо. При этом стоит отметить тот факт, что в процессе ВД не происходит нарушения структуры и морфологии пористого слоя.
Процесс создания стабильного окисла на поверхности квантовых нитей сопряжено с некоторыми трудностями и в первую очередь с контролем фазового состава и количества оксида в процессе окисления. Для определения состава поверхности в работе предлагается использовать один из наиболее точных методов - электронную оже-спектроскопию (ЭОС). В большинстве случаев получение надежной количественной информации о составе исследуемых твердых тел сопряжено с эталонированием оже-спектрометра, т.е. с использованием одного или нескольких эталонных образцов известного состава. Этот метод хорошо зарекомендовал себя только в тех случаях, когда состав образца представляет собой простые бинарные системы, но не содержит окислов. В то же время, при исследовании тонких и сверхтонких (3-12 нм) слоев диоксида кремния, термически обработанного пористого кремния, буферных слоев карбида кремния и т.д. оже-спектроскопия сталкивается с необходимостью калибровки именно по 8ЮХ и 8і одновременно. К сожалению, создание эталонов с различным содержанием элементного кремния 8і(е1) и кремния в окисленном состоянии 85(ох) практически невозможно. Поэтому в таких случаях данные ЭОС используются только для определения тенденции изменения амплитуд Ь2зУУ оже-линии кремния 8і(е1) (91 еУ) и 8і(ох) (75-85 еУ) либо КЬЬ-линий 8і(е1) (1620 еУ) и 8і(ох) (1610 еУ). Именно эти интенсивности, измеренные по методике реаЫо-реак, как правило, используются для анализа состава тонких слоев оксида кремния.
Таким образом, в данной работе представлены новые методики для проведения количественного оже-анализа систем, содержащих элементный и
начинается резкое изменение диэлектрической проницаемости пористого кремния, что также связано с началом удаления водорода.
В работе [67] было показано, что термоотжиг в вакууме в интервале температур 100-250°С приводит к удалению молекул воды из пор пористого кремния и, как следствие, к изменению коэффициента отражения на длинах волн 600-800 нм. Результаты этой работы важны для понимания процессов, протекающих в пористом слое, и интерпретации экспериментальных данных, поскольку очевидно, что пористый кремний является многокомпонентной структурой, содержащей кремниевые кристаллиты от нано- до микрометровых размеров, с атомами, хемосорбированные на поверхности кристаллитов, и молекулами, оставшимися после травления в порах (вода, молекулы полисилана, остатки электролита и др.).
В работе [72] наблюдалась зарядка поверхности пористого кремния до 1011 элементарных зарядов на см2 обоих знаков после предварительного термовакуумного отжига при Т= 100-200°С при возбуждении квантами света с энергией 1.5-5.0 эВ и плотностью облучения 1016 квантов/(см2-с). Данный факт говорит о том, что удаление воды влияет на протекание процессов переноса заряда на поверхности рог-Бь а также может влиять на кинетику аннигиляции электронно-дырочных пар в процессе возбуждения.
С целью выяснения роли хемосорбированных частиц в процессах аннигиляции носителей заряда состав поверхности квантовых нитей изменялся с помощью различных химических обработок [69, 73-74]. Оказалось, что изменение состава поверхности также влияет на фотолюминесценцию, причем в некоторых случаях происходит увеличение интенсивности излучения по сравнению с исходным образцом [69]. Таким образом, возникла идея о роли состава химически адсорбированных частиц водорода, кислорода и других, как пассивирующих агентов, образующих светоизлучающие электрически нейтральные центры. При этом оборванные связи кремния, напротив, образуют безызлучательные переходы, поскольку электрически заряжены [29, 64, 75].