Пористый кремний

Переход (пористый кремний)/(монокристаллический  кремний) естественным образом формируется  в ходе электрохимической обработки  кремниевых пластин и постоянно  присутствует в многослойных структурах с пористыми слоями, например. Электрические свойства этого перехода могут быть различны в зависимости от электрофизических параметров ПК. Исходя из теоретических основ работы контакта полупроводников с разным уровнем легирования, гетеропереходов и диодов можно предсказать наличие или отсутствие выпрямления на этой границе для пористых слоев разных групп, что нашло в дальнейшем свое экспериментальное подтверждение. Для ПК 1-й и 2-й групп, полученных на подложках n-типа, выпрямление на переходе ПК-( монокристаллический кремний) отсутствует. Это связано с неизменностью концентрации электронов в кремниевой матрице для ПК 1-й группы и образованием невыпрямляющих переходов n—n^-для структур с пористым материалом 2-й группы. Для ПК 3-й и 4-й групп граница ПК/кремний в общем случае обладает заметным выпрямлением. Особенно ярко это проявляется для ПК 3-й группы, полученного на подложках р-типа проводимости, и для ПК 4-й группы. Для ПК 4-й группы это обусловлено тем, что при высоком показателе пористости в результате больших изменений в химическом составе существенно изменяются электронные свойства материала; в случае кристаллитов малых размеров дополнительно увеличивается ширина запрещенной зоны для наночастиц ПК вследствие квантовых размерных эффектов. При этом может происходить формирование как изотипных, так и анизотипных выпрямляющих переходов. В то же время возможны ситуации, для которых сильное выпрямление на границе для слоев ПК 3-й и 4-й групп может отсутствовать. Такие случаи могут наблюдаться для ПК 3-й группы, полученных на подложках p-Si, — после термообработки, для ПК 4-й группы — при малых смещениях на гетеропереходе и т. д.

 

§5.Люминисценция пористого кремния.

Наиболее удивительным свойством  пористого кремния является его  способность люминесцировать в  видимой области спектра. Для  возбуждения ФЛ использовались как  непрерывные, так и импульсные лазеры сине-зеленого, фиолетового и ультрафиолетового  диапазонов, причем, за исключением  специальных экспериментов, энергия  квантов излучения лазеров превышала  величину.

Параметры ФЛ пористого слоя оказались весьма чувствительными  к термовакуумным обработкам и изменению  свойств среды, в которой находится  образец. Так, интенсивность ФЛ падает более чем на порядок, если свежевыращенный  образец прогревается в вакууме  при 400С. При этом данные ИК-спектроскопии  свидетельствуют об уходе атомов водорода с поверхности пористого  кремния, а методом электронного парамагнитного резонанса регистрируется появление в пористом кремнии  большого числа дефектов, представляющих оборванные связи кремния на поверхности  наноструктур. К заметному (5-10 раз) гашению  ФЛ приводит также заполнение пор  жидкостями с высоким значением  статической диэлектрической проницаемости ed (этанол, метанол).

На основе приведенных  экспериментальных данных можно  построить количественную модель, позволяющую  объяснить высокую эффективность  ФЛ в свежевыращенном пористого  кремния и влияние различных воздействий на ее параметры. Предполагается, что излучение формируется в наноструктурах (нитях и кластерах) кремния, электронный спектр которых модифицирован за счет квантоворазмерного эффекта. В пористом кремнии имеется определенное распределение нитей и кластеров по сечению, так что полоса ФЛ образуется из вкладов кристаллитов различных размеров. Для объяснения наблюдаемой ширины указанной полосы достаточно допустить отклонение сечений наноструктур от среднего значения в пределах 20%.

При малой концентрации дефектов в объемном кристалле возможны два  механизма: прямая излучательная рекомбинация свободных электрона и дырки  или аннигиляция экситона - системы  электрона и дырки, связанных  кулоновским взаимодействием. Вероятность  последнего процесса на порядок выше вероятности зона-зонной рекомбинации. Однако в массивных образцах кремния  энергия связи носителей в  экситоне E_exc = 14 мэВ и при комнатной температуре ввиду эффективной термической диссоциации весьма малая часть электронно-дырочных пар оказывается связанной. Это наряду с непрямой структурой энергетических зон кремния и объясняет малое значение квантового выхода ФЛ в c-Si.

Таким образом, в пористом кремнии уже при  комнатной температуре фотовозбужденные носители заряда образуют две динамически  связанные подсистемы: свободных  электронов и дырок и экситонов. Количественн рекомбинационные процессы в этом случае можно описать, предполагая, что свободные носители рекомбинируютбезызлучательно на поверхностных дефектах. Эффективность этого канала может быть изменена при термовакуумных обработках. Излучение света происходит при аннигиляции экситона. На величину энергии связи последнего существенно влияют диэлектрические свойства среды, окружающей кремниевую наноструктуру.

 

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

Пористый SiC(PSC) в настоящее время рассматривается как материал, способный расширить рамки применения карбида кремния в микроэлектронике. Имеются сообщения о том, что PSC обладает высоким удельным сопротивлением и малой эффективной концентрацией носителей заряда, в то же время транспорт носителей заряда в PSC практически не изучался. Вопрос о механизмах переноса в PSC становится, однако, весьма актуальным, в том числе и в связи с перспективами применения этого материала в приборных структурах.

Исследования дрейфовой подвижности носителей заряда были проведены методом измерения времени пролета носителей через образец. Данный метод позволяет определить подвижность в материалах, в которых интерпретация результатов измерений ее величины традиционными методами (например, при помощи эффекта Холла) затруднена в силу того, что при низких значениях лне выполняется условие применимости кинетического уравнения Больцмана.

Слои PSC были созданы методом поверхностной анодизации пластин 4H-SiCn-типа проводимости в водном растворе плавиковой кислоты по методике, описанной в работе. Плотность тока анодизации составляла 8мА/см². Часть каждой пластины во время анодизации была закрыта маской, полученные слои PSC имели толщину 5 мкм. Образцы для измерений времени пролета имели структуру типа „сэндвич". Верхним электродом служила напыленная в вакууме на поверхность PSCполупрозрачная пленка алюминия площадью 9 мм².В качестве нижнего электрода использовалась неанодизированная часть пластины SiC.

Дрейфовой подвижность вычислялась по формуле:

                                   j = L²/t_ТU,                                          (1)

где t_T— время пролета носителей заряда через образец в условиях слабой инжекции, которое связано с tmсоотношением t_m = 0.8t_T.

В другом случае значение дрейфовой подвижности можно определить из выражения для плотности начального тока в условиях ТОПЗ:

                 j0 = I0/S = j • е • U²/(2.25 • 10¹³L³) A/см²,                      (2)

где е — относительная диэлектрическая проницаемость.

Полученные из формулы (1) значения дрейфовой подвижности  электронов j_e и дырок j_k в зависимости от приложенного напряжения приведены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, при напряженности электрического поля F = 10⁴ В/см j_e = 6 • 10^-3 и j_k = 3 • 10^-3 см²/В • с, и величина подвижности возрастает при увеличении U.

Установленная зависимость  дрейфовой подвижности от напряженности  электрического поля может свидетельствовать  о дисперсионном характере переноса носителей заряда в PSC, при котором  в образце дрейфует сильно размытый в пространстве пакет носителей заряда. Такой характер переноса позволяет также объяснить тот факт, что определенное из экспериментальных кривых I(t) отношение Im/I0 было меньше величины 2.7, соответствующей идеальному ТОПЗ.

Поскольку значения дрейфовой  подвижности носителей заряда были вычислены по формуле (1), формула (2) была использована для определения величины е. Подставив в выражение (2) известные значения I0, SL и U, мы получили величину ε ≈ 4. Следует отметить, что полученное значение ε близко к установленному в пористом Si.

Вид зависимостей I(t) и j(F) в PSC также оказался близким к полученным в пористомSi, а низкие значения дрейфовой  подвижности в PSC имеют тот же порядок величины. Это позволяет сделать вывод, что в PSC также, как и в пористом Si, перенос носителей заряда контролируется захватом на локализованные состояния. При таком переносе движение носителей в разрешенной зоне с высокой подвижностью µ₀, соответствующей омической проводимости, ограничено многократным захватом на ловушки. В PSC локализованные состояния могут возникать, например, на развитой поверхности образовавшихся пор. Дисперсионный характер переноса позволяет говорить о наличии распределения локализованных состояний по энергиям.

 

Заключение 

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.

При исследовании формирования слоев  пористого кремния были выявлены такие основные факторы, приводящие к существенной модификации свойств, как:

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.

Исследования дрейфовой  подвижности носителей заряда были проведены методом измерения  времени пролета носителей через образец. Данный метод позволяет определить подвижность в материалах, в которых интерпретация результатов измерений ее величины традиционными методами (например, при помощи эффекта Холла) затруднена в силу того, что при низких значениях λ не выполняется условие применимости кинетического уравнения Больцмана.

 

Список  литературы

1. Балагуров Л.А. Пористый кремний: Получение, свойства, возможные применения // Материаловедение. 1998. Вып. 1. С. 50—56; Вып. 3. С. 23—45.
2. Кашкаров П.К. Необычные свойства пористого кремния // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. № 1. С. 102—107.
3. Л.П. Казакова, А.А. Лебедев, Э.А. Лебедев. ФТП, 31, 609 (1997).
4. Н.С. Аверкиев, Л.П. Казакова, Э.А. Лебедев, Н.Н. Смирнова. ФТП, 35, 609 (2001).
5. Н.С. Аверкиев, Л.П. Казакова, Н.Н. Смирнова. ФТП, 36,355 (2002).
6. М. Ламперт, П. Марк. Инжекционные токи в твердых телах (М., Мир, 1973). [Пер. с англ., V.A. Lampert, P. Mark. Current injection in solids (N.Y.-London, 1970)].
7. M. Silver, E. Snow, D. Wesson, K. Okamoto. J. Non-Cryst. Sol., 66, 237 (1984).
8. P.A. Ivanov, M.G. Mynbaeva, S.E. Saddow. Semicond. Sci. Technol., 19, 319 (2004)
9. Л.П. Казакова 1, М.Г. Мынбаева, К.Д. Мынбаев Дрейфовая подвижность носителей заряда в пористом карбиде кремния// Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9.

 

- -