Физико-химические методы характеризации и технология материалов на основе пористого кремния

• Автор: Нечитайлов, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Оглавление

1. Литературный обзор

Крепкие растворы Н?

Разбавленные растворы Ш7

Использование рог-81 в ТЭ

Выводы по главе

2. Методика эксперимента

Реактивы и материалы

Оборудование

Анодное электрохимическое травление кремния

Окислительно-гравиметрический метод характеризации пористого кремния

Исследование кремния методом дифференциально-термического анализа
Подготовка и получение образцов кремния
Проведение ДТА
3. Технологические особенности изготовления однородных кремнепористых
материалов
Обсуждение полученных в работе результатов
Исследование краевого эффекта, вызванного радиальным падением напряжения
Кремний с электронным типом проводимости (п-Б1)
Исследование краевого эффекта, вызванного неоднородностью генерации и
распределения дырок
Кремний с электронным типом проводшюсти (п-Бг)
Кремний с дырочным типом проводимости ф-Б:)
Выводы по главе
4. Окислительно-гравиметрический метод характеризации пористого
кремния
Особенности и модели термического окисления кремния
Окисление в термостатическом режиме
Обсуждение результатов
Выводы по главе
5. Исследование пористого кремния методом дифференциальнотермического анализа
Обсуждение полученных результатов
Выводы по главе
Заключение
Выводы
Библиографический список
Приложение
Акт о внедрении (использовании) результатов кандидатской диссертации

Введение
Интерес к пористому кремнию (рог-81) с момента его открытия в 1956 г. [1, 2] определяется разными гранями его свойств, которые проявляются по мере исследования этого сравнительно нового, «молодого» материала. Пористый кремний - это семейство пористых материалов на основе кремния, различающихся по размерам, морфологии пор, пористости, удельной площади поверхности. В силу увеличивающегося вклада поверхности в свойства материала при его диспергировании пористый кремний различается еще и по химическому составу, так как поверхность кремния насыщена различными функциональными группами, что отмечается в большом количестве работ, например, в [3-6].
Вследствие различной структуры и химического состава различные типы рог-81 сильно различаются по физико-химическим свойствам, таким как химическая и электрохимическая активность в окислительновосстановительных реакциях, адсорбционные свойства, теплопроводность, коэффициент преломления света и др. Электрофизические свойства семейства рог-81 также сильно различаются. Это - удельное сопротивление, ширина запрещенной зоны, свойства переходов рог-81/металл, рог-81/81 и многие др.
Открытие пористого кремния, как многие открытия носит, если можно так сказать, курьезный, случайный характер. При изучении электрохимической полировки монокристаллического кремния (с-81) Улиром было обнаружено, что при некоторых режимах кремниевая пластина покрывается каким-то порошком, который и оказался слоем рог-81.
С некоторой степенью условности рог-81 принято делить на три больших типа, различающиеся по размеру пор [7]:
1. макропористый (та-81) - размер пор > 50 нм
2. мезопорисхый (те-81) - размер пор от 2 - 50 нм
3. нанопористый (микропористый) (па-81) — размер пор < 2 нм

В таблице 1 приведены некоторые характерные свойства пористого кремния различных типов по данным [3, 8, 9]
Таблица 1. Некоторые сравнительные характеристики пористого кремния
Характеристика Значение
с-Бі ша-ві те-ві па-ві
характерный размер пор, нм ~0 >50 2-50 <2
пористость, % -0 5-30
удельная площадь поверхности, м2/г п*10'4 -0
удельная площадь поверхности, м2/см3 п*10’4 -0.1 1000
модуль Юнга, ГПа 160 83 (пористость 20%) 0.87 (пористость 90%)
теплопроводность, Вт/(м*К) 157 - 157
удельное сопротивление р, Ом*см 0.01-5000 0.01 -5000 (сравнимо с с-8і) 104- 107 107-1014
ширина запрещенной зоны, эВ 1.12 1.1 (сравнимо с с-Бі) 1.4 (пористость 70%)-2.0 (пористость 90%)

посредством стандартных процессов фотолитографии с последующим щелочным травлением затравочных ямок (упорядоченные поры).
Электрохимическое травление проводили в специально изготовленных фторопластовых электрохимических ячейках, схематически показанных на рис. 3.1, в среде на основе водных (для п-81) и органических (диметилформамид для р-81) растворов плавиковой кислоты концентрации 4 - 6 (п-8}) и 4 - 40 (р-81) % масс. Пластину кремния прижимали резиновой прокладкой к металлической шайбе на дне ячейки. Фторопластовый вкладыш на резьбе, прижимающий резиновую прокладку, обеспечивающую герметизацию и прижимной электрический контакт пластины со стальной шайбой ввинчивался сверху в ячейку. В электролит помещали платиновый электрод, играющий роль катода. Внешнюю разность потенциалов создавали при помощи источника питания, работающего как в режиме потенциостата, так и в режиме гальваностата со стабилизацией напряжения или силы тока в электрической цепи. Разность потенциалов у поверхности кремния измеряли при помощи хлорсеребряного электрода сравнения. Освещенность контролировали при помощи люксметра.
Генерацию дырок в кремнии п типа осуществляли за счет подсветки обратной (нетравящейся) стороны пластины. Для изготовления образцов была собрана установка с оптической системой включающей объективы, конденсор и тепловой фильтр, отрезающий из спектра область ИК -диапазона (с длиной волны — ?1>800 нм). Установка обеспечивала однородное по площади освещение обратной стороны пластины. Однородность освещенности поля контролировали визуально на матовом стекле или фильтре при небольшой яркости осветительной лампы. Для подсветки использовали проектор с кварцевой галогенной лампой мощностью 500 Вт.
Среднюю по пластине плотность тока травления изменяли в диапазоне 6-12 мА/см2 (п-81) и 6 - 18 мА/см2 (р-81). При этом в случае п-Б! заданную плотность тока поддерживали за счет изменения интенсивности подсветки с обратной стороны пластины при потенциале на кремнии, отвечающем току