Оптические свойства пористого кремния Доклад подготовила: Бабкина А. Н группа 6351
Основные сведения о пористых полупроводниках Пористость-отношение объема пор к полному объему всей композитной среды, измеряется гравиметрически (путем взвешивания) и определяется где p-пористость, ρ и ρ0 -плотности пористого слоя и исходного материала соответственно *Автореферат диссертации на соискание ученой степени д. ф-м. н. Головань Л. А. «Влияние структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические свойства»
Получение пористых полупроводников Электрохимическое травление
Электрохимическое травление При анодном травлении на пластину полупроводника подается положительный потенциал, в электролит же помещается проволока, которая является катодом. Процесс анодного травления зависит от обмена носителями заряда между полупроводником и электролитом, и нуждается по крайней мере в одной дырке для начала процесса разрыва химических связей. П/п является положительным электродом, и дырки, присутствующие в нем, направляются к поверхности электрическим полем. Истраченные дырки компенсируются из внешней электрической цепи. Если источник тока снабжает необходимым количеством дырок, то наблюдается полное растворение электрода. Образование дырок неоднородно на поверхности полупроводникового монокристалла, что вызывает формирование сети пор, растущих вглубь кристалла. Т. о. , на изначально однородной поверхности п/п кристалла происходит распад фронта электрохимической реакции на множество изолированных микроскопических областей, устойчиво сохраняющихся на большой глубине.
Электрохимическое травление Необходимое условие начала порообразованияпревышение порогового уровня напряжения, подаваемого на электрохимическую ячейку. При напряжениях, немногим превосходящих пороговое, происходит медленное увеличение количества входных отверстий пор на поверхности кристаллов. Вновь возникающие поры могут группироваться вокруг отдельных более крупных исходных пор, связанных с выходом на поверхность протяженных кристаллических дефектов: дислокаций и микротрещин. Расширяющиеся на поверхности участки, занятые порами, приобретают геометрическую форму, отражающую кристаллическую симметрию этой поверхности. При напряжениях, в несколько раз превышающих пороговое, плотность входных отверстий пор, появившихся в начальный момент времени, не изменяется в ходе дальнейшего процесса, протекающего исключительно в объеме кристалла.
История пористого кремния (ПК) Впервые был получен американским исследователем А. Улиром в 1956 году. Однако его оптические свойства остались без внимания, интерес был сосредоточен на изолирующих свойствах ПК и окисленного ПК. В оптическом плане его использовали только в качестве антиотражающего покрытия. В 1990 году английский исследователь Л. Кэнем связал обнаруженную в ПК фотолюминесценцию с квантово-размерным эффектом в кремниевых нанокристаллах. С тех пор интерес к этому материалу не угасает. *A. Uhlir, Electrolytic shaping of germanium and silicon, Bell Syst/Tech. , 1956, v. 35, no. 2, pp. 333 -347
Получение ПК Химическое травление раствором плавиковой кислоты и сильного окислителя (KNO 2, HNO 3…)- имеет ограниченную толщину слоя (от 100 нм до единиц микрометров) Анодное химическое травление пластины монокристаллического кремния (с-Si) плавиковой кислотой или ее водно-спиртовыми смесями
Процесс образования ПК Определяется двумя главными факторами: 1)Доставка ионов фтора в зону реакции с образованием Si. F (связан со свойствами электролита и режимом электрохимической обработки) 2)Наличие дырок в приповерхностном слое кремниевого анода: процессы травления кремния на подложках p- и nтипов будет различаться ввиду различной концентрации дырок Для подложек p-типа важным оказывается подвод ионов FДляn-типа необходим внешний фактор, стимулирующий генерацию дырок (достигается нагреванием, освещением, ударной ионизацией) – облегчается с увеличением степени легирования донорными примесями и при наличии в нем структурных дефектов
Механизм растворениям кремния Шаг 1: дырка достигает поверхности кремния, происходит разрушение связи. Si-H, образуется Si-F Шаг 2: вследствие поляризации Si-F, другой ион. F- образует связь с атомом Si, и один электрон эмитируется в электрод Шаг 3: при этом выделяется молекула с испусканием молекулы водорода H 2 Шаг 4: вследствие поляризации, наведенной Si-Fгруппами, плотность электронного облака Si-Si остова понижается и ослабленные связи атаковываются HF или H 2 O Шаг 5: таким образом атомы кремния на поверхности остаются связанными с атомами водорода
Получение ПК Изображение границы раздела ПК/кремний, полученные с помощью растровой электронной микроскопии при различных концентрациях примеси и токах травления (электролит HF 50%: С 2 Н 5 ОН=1: 1)
Влияние параметров травления на формирование слоёв ПК *Автореферат диссертации на соискание ученой степени д. ф-м. н. Головань Л. А. «Влияние структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические свойства»
Получение ПК Для формирования ПК используются плотности тока до 300 м. А/см 2. Типичные толщины пленок составляют от единиц до сотен микрометров. Увеличение плотности тока переводит процесс травления из режима образования пор в режим электрополировки- используется для приготовления свободных пленок ПК (>500 м. А/см 2)
Опт. свойства слоев ПК, полученных с использованием электролита HCl : HF : C 2 H 5 OH Материал-монокристаллический p-Si, легированный бором Образцы получены электролитическим анодированием: плотность тока =30 м. А/см 2, время травления=5 мин, Образец 1 травился в растворе HF : H 2 O: C 2 H 5 OH в соотношении 1: 1: 1, образцы 2 -5 изготавливались при добавлении в электролит HCl: на 100 мл раствора 2, 10, 20, 38 мл соответственно, Толщина слоев ПК составляла 10 -20 мкм, пористость достигала 70± 5% *А. И. Белогорохов, Л. И. Белогорохова, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2
Опт. свойства слоев ПК, полученных с использованием электролита HCl : HF : C 2 H 5 OH Спектры ФЛ образцов ПК при Т=295 К. Спектры регистрировались на длине волны лазера 488 нм мощность излучения 50 м. Вт Изменение ФЛ образца 4 под действием непрерывного лазерного излучения мощностью 10 м. Вт 488 нм. 1 -0 мин, 215 мин, 3 -25 мин, 4 -45 мин, 5 -60 мин
Опт. свойства слоев ПК, полученных с использованием электролита HCl : HF : C 2 H 5 OH ИК спектры поглощения образцов 1 -5
Влияние фуллерена на ФЛ ПК Изменение спектров ФЛ ПК с нанесенным фуллереном во времени: 1 -исходный, 2 -после 20 мин облучения Спад быстрой ФЛ под действием лазерного облучения: 1 -отожженного ПК с фуллереном, 2 -отожженного ПК с меньшим количеством фуллерена, 3 исходного ПК *О. М. Сресели, Д. Н. Горячев, Л. В. Беляков, С. П. Вуль, И. Б. Захаров, Е. А. Алексеева, Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1
Фотоакустическая спектроскопия ПК ФА спектры ПК при различных частотах модуляции света, Гц: 1 -45, 2 -275, 3 -500, 4 -1000, 5 -1500. ФА спектры слоев ПК (1) и кристаллической подложки Si (2) при частоте модуляции света 45 Гц. Штриховая линияспектр ФЛ для того же ПК *А. Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, В. Ю. Тимошенко, Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5
Сравнение оптических свойств ПК и оксидов Si. O и Si. O 2 Спектральные зависимости амплитуды ФА сигнала для ПК (1), оксидов Si. O(2) и Si. O 2 (3), порошка Si (4) при частоте 90 Гц Спектры ФЛ для ПК и оксидов Si. O и Si. O 2 *А. Н. Образцов, В. Ю. Тимошенко, Х. Окуши, Х. Ватанабе, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 3
Влияние этанола на оптические параметры ПК Спектры ИК-поглощения: 1 -паров этанола, 2 -свободной пленки ПК(d=50 мкм) после сушки в вакууме, 3 -свободной пленки ПК после экспозиции в парах этанола, 4 -свободной пленки ПК после экспозиции в парах этанола и после дегазации на воздухе (30 мин) *В. В. Болотов, Ю. А. Стенькин, В. Е. Росликов, В. Е. Кан, И. В. Пономарева, С. Н. Несов, Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 7
Изменение свойств ПК вследствие термического отжига в вакууме Спектры отражения ПК исходного и термоциклированного *В. А. Киселев, С. В. Полисадин, А. В. Постников, Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7
Интегральный оптический волновод на основе ПК Схема наблюдения волноводного распространения света в симметричном разветвителе на основе ПК: 1 -пластина, 2 -световод, 3 -линза, 4 источник света Поперечный скол кремниевой пластины с волноводом на основе ПК аисточник света выключен, б-включен, 1 -пластина кремния, 2 -световод *В. П. Бондаренко и др. , Письма в ЖТФ, том 19, вып. 14
Окисленный ПК Недостаток ПК-непрозрачность в видимой части спектра, обусловленная поглощением с-Si в этом диапазоне. Этот недостаток преодолевают путем окисления слоев ПК термическим прогревом. Этапы окисления: До 100°С-испарение воды При 350°С-десорбция водорода При 400 -600°С-частичное окисление кремния При 950°С-полное окисление кремния При 1250°С-уплотнение оксида кремния до стехиометрического состава Si. O 2 *Автореферат диссертации на соискание ученой степени д. ф-м. н. Головань Л. А. «Влияние структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические свойства»
Окисленный ПК Спектры ИК пропускания для свободной пленки ПК и пленки ОПК, полученной при окислении первой при температуре 950°С
ИК спектры окисленного ПК В ИК спектре исчезают полосы, связанныес Si-H колебаниями, а такжеполоса 620 -670 см-1, связанная с Si-Si колебаниями. А полоса с максимумом в 1075 см-1, за которую ответственны валентные Si-O колебания, в результате прогрева до 950 С существенно расширяется (960 -1280 см-1), что позволяет говорить о том, что в образцах ОПК присутствуют как Si. O, так и Si. O 2.
Спасибо за внимание
Скачать презентацию Оптические свойства пористого кремния Доклад подготовила: Бабкина А.
Оптические свойства пористого кремния.ppt