Исследование фотоэлектронных свойств пористого кремния Константинова, Елизавета Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время кремний является основным материалом микроэлектроники. На его базе разработаны ж выпускаются различные электронные приборы от дискретных днодов ж транзисторов до современных сверхсложных больян интегральных схем. Однако, до сих пор не удается построить эффективные кремниевые светоизлучаюжне элементы. Это обусловлено особенностями зонной структуры материала, для которой маловероятны как прямые оптические переходы в центре, зоны Бриллюзна, так и непрямые излучательные переходы.

Одним из путей трансформации энергетического спектра кремния является формирование структур . с пониженной размерностью: сверіреіеток, квантовых "нитей" и точек. Технология создания таких систем, как правило, довольно сложна. Так, для изготовления слоистых структур с толциной различных фаз порядка нанометров используется молекулярно-лучевая эпитаксия. Квантовые точки формируются в пористых стеклянных матрицах за счет диффузии полупроводникового материала.

Однако, еае в 1956 году был найден реіин электрохимической обработки пластин кремния, при которой на поверхности возникал пористый слой. Плотность пор мохет быть столь болыой, что происходит их перекрытие, ж непротравленные участки кремния представляют собой нити или кластеры с размерами порядка нескольких нанометров. Таким образом, анодирование кремния в растворах на основе плавиковой кислоты оказалось доступным методом формирования наноструктур, ж уже в 1960 г. впервые было отмечено интенсивное излучение видимого света в слоях пористого кремния (ПК). Затем в 1984 г. было зафиксировано яркое свечение ПК в видимой части спектра при температура жидкого гелия. Однако, полученные тогда результаты не привлекли внимания специалистов. В 1990 г. доктор Сапнап сообщил о результатах изучения эффекта фотолюминесценции (ФЛ) ПК при комнатной температуре. Он предлоіил возможную физическую модель данного явления, основанную на эффекте квантового ограничения носителей заряда, и указал на возможность получения электролюминесценции в структурах на базе ПК. Возникла заманчивая перспектива использования ПК в качестве базового элемента полупроводниковой оптоэлектроники. Кроне того, данный материал представляет огромный интерес и с фундаментальной точки зрения как объект

для изучения особенностеї протекания физических процессов в схстеиах с поименной размерностью.

К момент? постановки настояхея работы (начало 1992 г.) в литературе не было единое точхх зренхя в отношении механизмов излучательнои рекомбинации в ПК, а исследования влияния на них температуры образца, мовкостк возбухдаихего света н молекул окруїагщеі среды являлись весьма ограниченными и противоречивыми. Отсутствовали данные о поведении дефектов, являюхнхся центрами безызлучательной рекомбинации, в ПК при термических и адсорбционных воздействиях. Информация о фотовольтахческхх эффектах в ПК носила предварительных и несистематически! характер, не было сделано четкого анализа процессов накопления х стенания заряда в нем.

Поэтому, выбрав в качестве объекта исследования ПК. мы поставили перед собой следующие конкретные задачи:

1. Детально изучить влияние условий приготовления и
последующего хранения, мощности возбуждающего света и
температуры образца на излучательные характеристики ПК.

2. Для выяснения роли развитой поверхности ПК в процессах
релаксации электронного возбуждения исследовать в строго
контролируемых условиях влияние адсорбции активных молекул
воды, кислорода, этанола и тетрацкалэтилена на люминесцентные
параметры ПК.

1. Получить данные о природе спиновых центров в ПК в зависимости от предыстории используемых образцов. Для получения дополнительной информации о свойствах дефектов исследовать влияние на них термовакуумных обработох и состава окружающей среды.

2. изучить природу формируемой в процессе освевения фотоЗДС и процессы накопления заряда в структурах ПК-монокрксталличесхая подложка.

Научная новизна. В результате исследования оятозлектрокных свойств ПК выявлен ряд вахных закономерностей, позволяющих понять природу излучательных процессов, протекавших в данном материале.

1. Систематически исследованы зависимости люминесцентных свойств ПК от условий получения, хранения, интенсивности возбуждающего света и температуры образца. Полученные результаты легли в основу качественной модели рехомбинационных процессов в ПК.

2. Получены новые данные по влиянии адсорбция молекул н_го.
о_г. сууэн, с₂<см>₄ на спектры ФЛ ПК- Предложен ряд механизмов
указанного влияния на процессы излучательной и безыэлучательной
рекомбинации в нанокластерах ПК.

3. Впервые изучено влияние адсорбции молекул н^о. о_г.
с н_зон, сусю^ на спектры электронного парамагнитного
резонанса (ЭПР) ПК. Установлено, что в атмосфере воды наряду с
уменьяением концентрации исходных оборванных связей кремния
образуются новые парамагнитные центры, причем указанный процесс
является фотостимулированяым.

4.. Впервые исследована природа спиновых центров в ПК в зависимости от предыстории образца и определены времена спин-реиеточной релаксации оборванных связей в ПК.

5. Получены новые данные о фотоЭДС в структурах ПК-
монокристаллическая подлоіка. Обнаружена компонента фотоЭДС,
связанная с разделением заряда в самом ПК. Причинами такого
разделения могут быть как наличие встроенного поля в пористом
сдое, так и захват заряда на.быстрые состояния на поверхности
кремниевого скелета.

6. Впервые показано, что на поверхности наноструктур ПК
присутствуют медленные состояния с временами релаксации порядка
кинут. "Сверхмедленные" ловуаки с временами релаксации порядка
нескольких часов возникают только в окисленных структурах
ЙК-подложиа.

7. На основании полученных данных построена зонная
Диаграмма, описывающая наблюдаемые фотовольтаичесхие эффекты.

Автор защидает.

1. Новые данные по влиянию адсорбции молекул н^о. о_я. с₂н_аон, с₂(оо^ на нзлучательные характеристики ПК.

2. Модель рекомбинадиояных процессов в ПК, учитываюиую особенности излучательной и безыэлучательной рекомбинации в наноструктурах ПК.

3. Новые результаты по влиянию адсорбции молекул н₂о. о_х, с_гн_зон, <усю₄ на спектры ЭПР ПК. Новую информацию о возникновении парамагнитных центров при адсорбции молекул воды.

4. Новые данные о спиновых центрах в ПК в зависимости от условий получения, последуотего хранения и термовакуумных обработок. Новую информацию о временах сшш-реиеточной ^лаксацхи оборванных связей в ПК.

5. Новые данные о природе фотоЭДС, формируемой в слое ПК.

Построена зонная диаграмма. описывавшая наблюдаемые фотовольтанческне эффекты.

б. Вывод о присутствии на поверхности ПК медленных (-минут), а в охнсленых образцах - "сверхмедленных" (-часов) поверхностных состоянии.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты характеризуют оптоэлектронныв свойства ПК. Онх могут быть использованы при разработке на его основе светонэлучаюиих устройств. Особое значение имеют данные о фотоиндуцированных реакциях дефектов на поверхности ПК в различных средах, поскольку позволяют понять природу деградации люминесценции. Результаты. полученные в процессе исследования фотовольтахческнх эффектов в ПК. могут быть использованы для реализации стабильного элехтролюминесцентного реххма в структурах на основе ПК.

Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на мехдународных конференциях e-mrs-33. e-mrs-94 (Франция. Страсбург, 1993 и 1994 г.г„ соответственно); на ххп конференции по эмиссионной электронике (Москва, 1994); на iv Всероссийской научно-технической конференции "Физика оххсных пленок" (Петрозаводск. 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав. Заключения и содерхит ЩО страниц текста, 46 рисунков, таблицу и список цитируемой литературы из 131 наименования.