Пористый кремний

Дагестанский государственный  университет 

Физический факультет 

Кафедра ЭФ

 

 

 

 

 

Реферат

на тему:

 

Пористый кремний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: магистр 2 г.о.

Магомедова Д.К.

 

 

Научный руководитель: доц.каф.ЭФ,

К.ф.-м.н., Офицерова  Н.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Махачкала 2012г.

 

Содержание

Введение  ………………………………………………………………………..3

§1. Формирование слоев пористого кремния……………………………………5

§2. Получение  пористого кремния анодной поляризацией……………………8

§3. Классификация  электрических свойств пористого  кремния……………….12

§4. Контактные явления в структурах с пористым кремнием…………………17

§5.Люминисценция пористого кремния…………………………………………..20

§6. Дрейфовая подвижность  носителей заряда в пористом карбиде  кремния…21

Заключение……………………………………………………………………..25

Список литературы……………………………………………………………..26

 

ВВЕДЕНИЕ

Основные тенденции  развития современной полупроводниковой  электроники связаны с повышением функциональной сложности и степени  интеграции микросхем, с увеличением  их быстродействия и радиационной стойкости. Эти требования определяют направления  работ по поиску новых материалов и новых технологических процессов, которые обеспечат требуемые  качественные показатели изделий при  высокой технико-экономической эффективности  производства.

На рис. 1 видно, что кремний существует в нескольких структурных модификациях. Все эти материалы имеют различные физические свойства, разные области применения, хорошо совместимы и, взаимно дополняя друг друга, обеспечивают широкие возможности кремниевой технологии. Каждый из семейства кремниевых "братьев" достоин отдельного рассмотрения, однако перейдем к описанию самого загадочного из них — кремния с пористой структурой.

Особый интерес представляют новые материалы, получаемые при низкотемпературной электрохимической обработке полупроводников, в частности пористый кремний (ПК), формируемый электрохимическим травлением монокристаллического кремния. При анодной поляризации монокристаллического кремния в растворах плавиковой кислоты в его объеме формируется управляемая сеть пустот (пор) различной морфологии, размеров, ориентации.

Использование ПК позволяет решить такие актуальные технологические  проблемы в электронике, как формирование толстых (более 1цгп) диэлектрических  пленок, глубоких легированных слоев, и осуществить эффективное геттерирование нежелательных примесей. Установлено, что нанокристаллический кремний  обладает фотолюминесценцией в области видимого диапазона. Поэтому на его основе можно создавать оптоэлектронные приборы различного назначения: фотоприемники, излучатели, светодиоды, дисплеи и др., что невозможно для монокристаллического кремния. Развитая регулируемая поверхность пористого кремния делает его перспективным для создания сверхчувствительных газовых, жидкостных сенсоров и микротопливных элементов. Формирование регулярно расположенных пор определенного профиля позволяет создавать на основе таких регулярных структур матрицы параболических рентгеновских линз, фотонных кристаллов, сквозных микро - и наномембран. Спектр технических приложений пористого кремния не ограничивается приведенными выше примерами и постоянно расширяется. Этому способствует открытие все новых свойств пористого кремния при совершенствовании технологических операций, изменении, комбинировании условий его получения и модифицирования.

Целью работы было исследование пористого  кремния.

 

 

 

 

§1. Формирование слоев пористого кремния

В последнее время исследователи  проявляют большой интерес к  свойствам композитных сред, представляющих собой множество связанных друг с другом наноразмерных частиц. Очень  часто между наночастицами существуют полости аналогичного масштаба. Этот интерес обусловлен возможностью создания на основе таких нанокомпозитов новых  материалов с желаемыми физическими  и химическими свойствами. Известно, что характеристики наночастиц весьма значительно отличаются от свойств, которые образующие их материалы  демонстрируют в большом объеме. Принципиальное значение в нанокомпозитах будут иметь размер и форма частиц, их объемная доля, а также свойства поверхности. Среди основных факторов, приводящих к существенной модификации свойств, отмечают:

1. ограничение движения носителей заряда (электронов и дырок) в частицах, чьи размеры сравнимы с длиной волны де Бройля для электронов и дырок (так называемый квантово-размерный эффект, вызывающий изменение электронных свойств, например ширины запрещенной зоны полупроводника);
2. весьма развитую поверхность, которую могут иметь нанокомпозитные среды (как следствие, адсорбция молекул на этой поверхности приводит к возникновению новых как электронных, так и оптических свойств);
3. изменение электромагнитных полей, действующих на каждый атом среды (локальных полей), по сравнению с объемными материалами.

Пористый кремний получается при анодной электрохимической обработке монокристаллического кремния в растворах на основе плавиковой кислоты HF. Кремниевая пластина в таких экспериментах (рис. 2) является анодом, а катодом служит платиновый электрод. Впервые пористый кремний был получен в середине 1950-х годов в ходе исследований процесса электрохимической полировки поверхности кремния в водных растворах HF. Такая операция необходима для придания рабочей поверхности идеально гладкого, зеркального состояния. В ходе травления было обнаружено, что при определенных режимах (низкой плотности анодного тока и высокой концентрации HF в электролите) вместо процесса электрополировки наблюдалось образование окрашенных пленок на поверхности кремния. Было установлено, что цветные слои имеют в своем объеме сеть мельчайших пор. Формирование пор начинается на поверхности пластины, с течением времени анодной обработки концы пор все дальше продвигаются в глубь кристалла. В результате этого толщина пленок пористого кремния в зависимости от времени травления может изменяться от нескольких микрон (1 мкм = 10^-6 м) до сотен

микрон.

Рис. 2. Электролитические ячейки для формирования слоев пористого кремния: а - ячейка вертикального типа, Si. 1 - фторопластовая ванна, 2 - кремниевая пластина, 3 - платиновый электрод, 4 - уплотнители, 5 - слой пористого кремния, 6 - металлический электрод

 

Пленки пористого кремния длительное время считали лишь лабораторным курьезом и детально не изучали. И все же этот материал привлекал внимание исследователей, поскольку механизм его формирования был совершенно непонятен.

Модельные представления о механизме порообразования начали формироваться с середины 1960-х годов, но единая точка зрения пока так и не выработана. Обобщая различные модели, можно отметить следующее. Поверхность Si при контакте с водными растворами HF насыщается водородом и становится химически инертной по отношению к электролиту. Если на электроды подать разность потенциалов, то дырки в кремниевой пластине начинают мигрировать к поверхности раздела кремний — электролит. При этом атомы Si освобождаются от блокирующего их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и переходят в раствор. Если электролиз проводят при высокой плотности тока, то к поверхности электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплошным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si. Поскольку микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки, то они растворяются быстрее. Таким образом, поверхность кремниевого анода постепенно выравнивается. Это и есть режим электрохимической полировки.

Если же электролиз проводить при низкой плотности тока, то количества дырок не хватает для организации сплошного фронта и поэтому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Согласно различным моделям, зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, механически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля поверхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электрода за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше.

Очевидно, что в кремнии n- и p-типа количество дырок различно и поэтому  процессы порообразования в n-Si и p-Si имеют свои особенности. В p-Si дырки являются основными носителями заряда, и их концентрация составляет 1014—1018 см-3. В этом случае, как правило, формируются поры нанометровых размеров. Тонкая высокопористая структура типа губки. В n-Si, где основными носителями заряда являются электроны, концентрация дырок крайне мала (102—106 см-3). Необходимое минимальное количество дырок можно получить за счет фотогенерации (при подсветке Si-электрода) или за счет лавинной генерации (при анодировании в области высоких напряжений). Полученная структура пор существенно отличается от предыдущей и характеризуется наличием пор достаточно большого диаметра. Изменяя условия анодирования, можно получать пористый кремний с различной морфологией (геометрией) пор. На поперечный размер R пор влияют плотность тока анодирования, время, дополнительная подсветка, состав электролита, уровень и вид легирования кремния и т.д., в результате чего этот размер может меняться от 10 мкм до 1 нм. По существующей классификации пористый кремний подразделяется на микропористый (R < 2 нм), мезопористый (2 нм<R < 50 нм) и макропористый (R > 50 нм).

Основным параметром любого пористого материала является показатель пористости П. Он определяет, какая доля объема материала занята порами. Для пористого кремния значения пористости могут находиться в необычайно широком интервале от 5 до 95%. Когда объем, занимаемый порами, невелик (5%), свойства такого материала близки к свойствам кристаллического кремния. При высоких показателях пористости картина существенно изменяется и такой пористый кремний проявляет новые свойства, многие из которых являются уникальными. В заключение сказанного необходимо отметить, что пористая структура кремния может быть получена и другими способами, например при лазерном распылении кремния и его осаждении на расположенную рядом подложку (метод лазерной абляции).

 

§2. Получение пористого кремния анодной поляризацией

Получение пористого кремния  анодной поляризацией осуществляют в специальных электрохимических ячейках. Корпус ячейки, как правило, выполняют из фторопласта, электроды - из платины. Конструкции ячеек самые разнообразные, но принципиально по способу подвода электрического потенциала к исследуемому образцу их можно разделить на два типа: ячейки с механическим и ячейки с жидкостным контактами. Проще всего реализовать конструкции ячеек с механическим контактом к исследуемому образцу. Такие ячейки используются наиболее часто. Существенным недостатком этих ячеек является то, что из-за неодинакового падения напряжения по поверхности полупроводникового образца свойства пористых слоев различны в разных точках поверхности. Поэтому приходится на обратную сторону кремниевых образцов наносить металлические покрытия, которые далеко не все стойки к действию растворов плавиковой кислоты. В противном случае возможно получение равномерных по поверхности пористых слоев на малых площадях (единицы мм²).

Ячейки с жидкостным контактом  лишены описанного недостатка. Но из-за сложности в герметизации кремниевого  образца между двумя камерами с растворами плавиковой кислоты  они используются редко. Известно одно применение таких ячеек в методе Унно-Имаи при получении пористых слоев на кремнии. Однако конкретных описаний конструкций ячеек, реализующих жидкостный контакт, за исключением их схематического изображения, обнаружить не удалось. Авторы разработали несколько типов электрохимических ячеек широкого функционального назначения, позволяющих формировать пористый кремний и проводить другие химические и электрохимические процессы. Им удалось показать возможность замены в определенных условиях дорогостоящих платиновых электродов на электроды, выполненные из никеля. Были решены конструкторские задачи по способу подвода световой энергии в зону химической реакции, методу регулирования напряженности электрического поля в реакционной зоне, расширению функциональных возможностей ячейки.

Известно, что на морфологию пор влияет множество факторов. К  ним можно отнести тип проводимости монокристаллического кремния, кристаллографическую ориентацию вырезанных пластин, удельное сопротивление, тип легирующей примеси, световой режим (длина волны используемого света, интенсивность освещения, длительность и скважность световых импульсов и т.п.), плотность тока, длительность процесса анодирования, состав электролита и др. Решая эти проблемы, попытались по возможности ограничить спектр воздействующих факторов и рассматривать структуру, зависящую от одного какого-то основного на данный момент фактора. Так, в качестве объекта исследования были взяты пластины монокристаллического кремния, вырезанные в направлении (100), n- типа проводимости и удельного сопротивления 10 Ом-см.

Использовали «темновой  режим» процесса анодирования. Электролитом служил широко применяемый раствор  HF:H₂O=1:1. Выбиралась рабочая точка на вольт-амперной характеристике (ВАХ) системы полупроводник-электролит, соответствующая получению четвертого типа морфологии - макроцилиндров по классификации. При высоких напряжениях (3050 В) генерация дырок, необходимых для формирования пористого слоя в кремнии n-типа, осуществляется за счет лавинообразного пробоя, поэтому освещения образцов не требуется. Процесс анодирования проводили в двух типах ячеек, схемы которых представлены на рис. 3. Морфология пористых слоев исследовалась на оптических («JENAVERT», МИИ-4) и электронных (РЭМ-100, ТМ-1000) микроскопах.

Они заметили, что при  одних и тех же режимах с  использованием разных ячеек морфология пор получалась различной. Это различие связывалось с типом контакта к полупроводниковой пластине. В этом случае формировались пористые слои с обеих сторон, обзорный снимок которых представлен на рис. 4, а. На стороне, ближней к катоду, диаметр пор больше, но в обоих случаях форма пор цилиндрическая на протяжении всей длины. На рис. 4, б приведена типичная микрофотография скола пластины с пористым слоем. На ней четко видны макроцилиндры диаметром до 5 мкм, расположенные на строго определенном расстоянии друг от друга. На первом этапе на поверхности кремния создается упорядоченная структура имплантированных с помощью остросфокусированного ионного пучка областей или сформированных химическим травлением V- образных обратных пирамид.