Введение к работе
.
Актуальность темы. Пористый кремний (ПК), формируемый на
монокристаллических кремниевых подложках методом
электрохимического травления, может быть отнесен к перспективным материалам микроэлектроники. Благодаря развитой поверхности и тонкой структуре он окисляется с высокой скоростью по всему объему, что позволяет использовать этот материал при создании различных структур типа «кремний на изоляторе». На основе ПК могут быть сформированы «встроенные» в кремний волноводы. Химически активная внутренняя поверхность пористого слоя позволяет рассматривать его в качестве адсорбционной матрицы для микросенсоров. Структуры Шоттки на ПК показывают высокую фоточувствительность. Пористый кремний может использоваться в качестве универсального буферного слоя при гетероэпитаксиальном наращивании различных полупроводников. В настоящее время ПК привлекает к себе большое внимание исследователей благодаря обнаруженной способности интенсивно люминесцировать в видимом диапазоне спектра при комнатной температуре под воздействием возбуждающего лазерного излучения или электрического тока. Это открывает перспективу создания на основе кремниевой технологии оптоэлектронных приборов, интегрированных со схемами обработки электрических сигналов.
Для прикладных целей необходима всесторонне отработанная, оптимизированная технология формирования ПК, обеспечивающая получение пористых слоев с воспроизводимыми характеристиками. Однако, до настоящего времени далеко не все закономерности этого процесса изучены, отсутствует единая точка зрения на механизм порообразования и природу люминесцентных свойств ПК. Пористый кремний является сложным для исследований объектом, его свойства зависят от типа и уровня легирования исходной кремниевой подложки, условий порообразования и состава окружающей среды при хранении. Этот неоднородный материал включает в себя кристаллическую макроструктуру, микроструктуру и неравномерно распределенную аморфную фазу, имеет несколько структурных разновидностей.
Для развития представлений о закономерностях процесса порообразования в полупроводниках и свойствах ПК требуется дальнейшее всестороннее исследование этого материала. Пористый
кремний является хорошим модельным объектом для изучения квантово-размерных эффектов, фрактальных явлений и фундаментальных проблем нанотехнологии.
Цель работы - исследование специфики структурного роста и люминесцентных свойств пористых слоез, формируемых при различных условиях электрохимической обработки:
фотостимулированном анодировании низколегированных кремниевых подложек п-типа;
анодировании в условиях механического напряжения кремниевой подложки.
Научная новизна работы.
1. Исследован процесс фотостимулированного анодирования
низколегированных кремниевых подложек n-типа, обнаружено
существенное влияние режимов обработки на структуру ПК. Впервые
выделены и систематизированы основные морфологические типы
пористого слоя, отличающиеся по плотности расположения
макропор, их форме, а также объему и фракционному составу
сопутствующей микроструктуры.
-
Обнаружено, что отмеченные структурные изменения пористого слоя сопровождаются изменением его фотолюминесцентных свойств: интенсивности и формы спектра излучения, что обуславливается различиями в микроструктуре ПК.
-
Выявлена взаимосвязь между морфологическим типом образующегося пористого слоя и положением рабочей точки электрохимического процесса на вольт-амперной характеристике (ВАХ) системы кремний/электролит, что позволяет управлять структурой ПК, вплоть до создания сложных, комбинированных слоев.
4. Обнаружен циклический режим порообразования, плавный
переход к которому возможен по мере увеличения концентрации
органических добавок в составе электролита. Режим характеризуется
осциллирующей зависимостью потенциала от времени U(t) и
сопровождается образованием неоднородных слоев, состоящих из
самоподобных пор разного масштаба.
5. Исследовано влияние механического напряжения в
кремниевой пластине на структуру и свойства формируемого
пористого слоя Показано, что на подложках р-типа в области наибольших деформаций увеличивается степень аморфизации поверхностного слоя. Между ним и основным объемом ПК формируется резкая межслоевая граница. Указанные изменения в составе и структуре приводят к ухудшению фотолюминесцентных свойств пористого кремния. Объемом аморфизированного слоя можно управлять, изменяя величину приложенного к образцу давления и степень освещенности обрабатываемой поверхности полупроводника.
Практическая ценность работы.
1. На основе результатов исследований предложен простой и
универсальный способ управления структурой ПК, формируемого на
низколегированных подложках п-типа.
2. На базе комбинированных пористых слоев созданы
экспериментальные образцы светоизлучающих кремниевых структур
с относительно высокими внешним квантовым выходом и яркостью
электроиндуцированного излучения, длительным сроком
эксплуатации.
Результаты исследований используются в ИМРАН и ЯрГУ, а также могут найти применение на предприятиях электронной промышленности.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Слои пористого кремния с радикальными различиями в
структуре могут быть получены при фотостимулированном
анодировании монокристаллических низколегированных кремниевых
подложек п-типа. Изменения в структуре пористого слоя
сопровождаются изменением его фотолюминесцентных свойств -
интенсивности и спектрального состава излучения.
2. Морфология пористого слоя при анодировании определяется
положением рабочей точки процесса на вольт-амперной
характеристике системы кремний/электролит. Однородность
структуры слоя в рамках выбранного морфологического типа
определяется характером динамики порообразования.
3. Механическое напряжение в монокристаллической
кремниевой подложке р-типа в процессе анодирования способствует
аморфизации поверхностного слоя пористого кремния и
формированию резкой межслоевой границы, что сопровождается снижением интенсивности фотолюминесценции в области наибольших деформаций.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Звенигород, 1994г.);
Международной конференции "MRS Fall Meeting" (USA, Boston, 1994г.);
Международном симпозиуме "Si Heterostructures: From Physics to Devices" (Greece, Heraclion, 1995r.);
И-Международной конференции "Photo-Excited Processes and Applications" (Israel, Jerusalem 1995r.);
Российской конференции по физике полупроводников "РКФП-96" (Зеленогорск, 1996г.) и др.
Публикации. Опубликовано 18 научных работ. Полученные результаты использованы при написании диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (115 наименований). Объем работы составляет 122 страницы, включая 31 рисунок.
