Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Апполонов Сергей Владимирович. Механизмы модификации электронной структуры, светоизлучающих свойств и состава поверхности пористого кремния в процессе водного дотравливания : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.10 : Ульяновск, 2005 143 c. РГБ ОД, 61:05-1/456

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Получение пористого кремния 10

1.2 Механизмы образования структурных особенностей

пористого кремния 15

1.3 Механизмы окисления и роль оксида кремния в

фотолюминесценции пористого кремния 19

1.4 Количественный оже-анализ химического состава твердых тел 26

1.5 Состав и строение a-SIOx 37

1.6 Анализ моделей фотолюминесценции пористого кремния 41

1.7 Влияние на фотолюминесценцию пористого кремния

лазерного облучения 51

Глава 2. Методика эксперимента 55

Глава 3. Количественный оже-анализ пористых

полупроводникых материалов, содержащих элементный

и окисленный кремний 64

Глава 4. Неразрушающий анализ стехиометрии окисленной

поверхности пористого кремния 83

Глава 5. Модификация свойств пористого кремния в процессе

водного дотравливания 91

5.1 Механизмы водного дотравливания пористого кремния

п-типа проводимости во внешнем электрическом поле 91

5.2 Изменение оптических свойств и состава поверхности

пористого кремния в процессе водного дотравливания 106

Литература 127

Приложение

Введение к работе:

Актуальность темы

Квантовые объекты, ярким представителем которых является пористый кремний (рог-Si), привлекают в последнее время пристальное внимание исследователей из-за их несомненной перспективности в микроэлектронике и оптоэлектронике. Открытие в 1990 г. Кэнхэмом фотолюминесценции (ФЛ) пористого кремния в видимой области спектра вызвало к нему большой интерес как к перспективному материалу. Однако, несмотря на чрезвычайно интенсивные и многообразные исследования свойств пористого кремния, единой точки зрения на механизмы, ответственные за существование его фотолюминесценции в видимой области спектра до сих пор не существует.

В последнее время ажиотажный характер исследований спал и стал носить более глубокий и обобщающий характер. Это связано с тем, что, исключительно простой с точки зрения технологии изготовления, рог-Si обладает свойствами, которые можно трактовать в рамках различных моделей и подходов. Полученные к настоящему времени экспериментальные и теоретические данные обобщены в рамках пяти моделей, которые получили следующие названия - квангово-размерная, водородная, си-локсеновая или химическая, модель аморфной кремниевой оболочки, модель поверхностных состояний и модель кислородных центров.

Одной из самых существенных причин, сдерживающей применение пористого кремния, является существенная нестабильность светоизлучательных характеристик при различных внешних воздействиях. Именно с этим связано наблюдаемое в последние пять лет повышение интереса к разработке различных способов стабилизации светоизлучения пористых полупроводников. Наиболее значимые результаты в этом направлении достигнуты путем окисления поверхности квантовых нитей. Причем создание стабильного окисла кремния возможно как на стадии электрохимического травления, так и после формирования пористого слоя. Интересные результаты при формировании оксида после изготовления пористого слоя достигаются при быстром высокотемпературном термическом окислении и при длительном нахождении в воде. Существуют ряд других методов окисления - один из которых водное дотрав-

ливание (ВД). ВД достаточно экзотический метод самоформирования пор и окисления поверхности квантовых нитей пористого кремния после проведения электрохимического травления. Возможность создания окисла кремния в процессе водного до-травливания открыта сравнительно недавно и изучена крайне слабо. При этом стоит отметить тот факт, что в процессе ВД не происходит нарушения структуры и морфологии пористого слоя.

Процесс создания стабильного окисла на поверхности квантовых нитей сопряжен с некоторыми трудностями и в первую очередь с контролем фазового состава и количества оксида в процессе окисления. Для определения состава поверхности в работе предлагается использовать один из наиболее точных методов - электронную оже-спектроскопию (ЭОС). В большинстве случаев получение надежной количественной информации о составе исследуемых твердых тел сопряжено с эталонированием оже-спектрометра, т.е. с использованием одного или нескольких эталонных образцов известного состава. Этот метод хорошо зарекомендовал себя только в тех случаях, когда состав образца представляет собой простые бинарные системы, но не содержит окислов. В то же время, при исследовании тонких и сверхгонких (3-12 нм) слоев диоксида кремния, термически обработанного пористого кремния, буферных слоев карбида кремния и т.д. оже-спектроскопия сталкивается с необходимостью калибровки именно по SiOj, и Si одновременно. К сожалению, создание эталонов с различным содержанием элементного кремния Si(el) и кремния в окисленном состоянии Si(ox) практически невозможно. Поэтому в таких случаях данные ЭОС используются только для определения тенденции изменения амплитуд L23W оже-линии кремния Si(el) (91 eV) и Si(ox) (75-85 eV) либо KLL-линий Si(el) (1620 eV) и Si(ox) (1610 eV). Именно эти интенсивности, измеренные по методике peak-to-peak, как правило, используются для анализа состава тонких слоев оксида кремния.

Таким образом, в данной работе представлены новые методики для проведения количественного оже-анализа систем, содержащих элементный и окисленный кремний, результаты исследований механизмов водного дотравливания и изменения состава поверхности пористого кремния, фотолюминесценции и фотодеградации ФЛ por-Si в процессе водного дотравливания.

5 Цель диссертационной работы и постановка задачи

Целью данной работы является разработка методик количественного анализа фазового состава при различных методах окисления, проведение исследований механизмов водного дотравливания во внешнем электрическом поле и изменения состава поверхности, электронной структуры и фотолюминесценции пористого кремния в зависимости от стехиометрии пленки окисла кремния SiOs образующейся в процессе

вд.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методики количественного оже-анализа при помощи электронной
оже-спектроскопии полупроводниковых материалов, содержащих элементный и
окисленный кремний;

исследовать модификацию состава поверхности por-Si после высокотемпературной обработки в инертной атмосфере водорода и плазмохимического травления;

детально изучить механизмы водного дотравливания во внешнем электрическом поле;

исследовать модификацию состава пористого кремния, спектры фотолюминесценции и деградационные свойства рог-Si в процессе водного дотравливания; провести исследования механизмов стабилизации свегоизлучающих свойств пористого кремния при водном дотравливании

Научная новизна

  1. Предлагается способ осуществления количественного оже-анализа состава поверхности систем, содержащих в области анализа одновременно элементный и окисленный кремний, по факторам элементной чувствительности.

  2. Разработана новая методика получения эталонных спектров обращенной самосвертки плотности состояний окисленного кремния, необходимьж для проведения количественного оже-анализа SiO,.. Предлагаемая методика позволяет проводить оже-анализ без очистки поверхности образцов от сопутствующих загрязнений.

  3. Обнаружено, что во внешнем электрическом поле скорость водного дотравливания рог-Si уменьшается, причем независимо от направления вектора напряженности.

  1. Показано, что водное дотравливание протекает через образование субокислов (времена 15-60 минут), a SiC>2 фаза начинает фиксироваться только после 20 часов ВД. Близкий к стехиометрическому диоксид кремния формируется через достаточно продолжительное время - после 7 суток.

  2. В работе впервые представлены результаты исследований, в которых показано, что существующая интерфейсная модель фотолюминесценции является только частным случаем природы фотолюминесценции окисленного пористого кремния. Более общая трактовка интерфейсной модели должна быть применима и на начальном этапе зарождения окисла кремния.

  3. показано, что смещение спектров люминесценции в область 1.7 эВ связано с появлением на поверхности ПК интерфейсного слоя SiOx (0<Х<0.7). Дальнейший сдвиг в длинноволновую область на 35 нм обусловлен формированием оксида ВІОг, с центрами захвата дырок и электронов ~ 1.6-1.65 эВ. Увеличение времени водного до-травливания до 168 часов приводит к исчезновению дефектов с Е ~ 1.6-1.65 эВ в слое оксида. После 7 суток наблюдается лишь слабое свечение силеленовых центров и не-мостикового кислорода в БЮг.

Практическая значимость

К конкретным практически важным результатам относится следующее: 1. Разработан метод эталонирования оже-спектрометра при помощи планарно-негомогенного образца, который позволяет проводить количественный оже-анализ состава поверхности образцов, содержащих в области анализа как элементный, так и окисленный кремний.

2.Рассчитаны относительные факторы элементной чувствительности ^si(el) 'So

pSi(ox) у « И i'i(e/) Si> іїК Оог "зі - коэффициенты і

[ распыления ионами аргона окисленного

кремния и кислорода с поверхности матрицы S1O2. В работе предлагается способ осуществления количественного оже-анализа состава поверхности систем., содержащих в области анализа одновременно элементный и окисленный кремний. На практике такими системами могут быть полупроводники с тонкими и/или неоднородно распределенными по поверхности образца оксидными слоями.

  1. Получен банк эталонных спектров обращенной самосвертки плотности состояний окисленного кремния, необходимых для проведения количественного оже-анализа SiOj,. Основное достоинство предлагаемой методики заключается в отсутствии необходимости тщательной очистки поверхности исследуемых образцов от кислородосо-держащих загрязнений и высокой точности определения величины стехиометриче-ского индекса (0.5-5%).

  2. Определены времена ВД, при которых наблюдается уменьшение степени деградации и стабилизация ФЛ por-Si.

Научные положения выносимые на защиту:

  1. Предлагается высокоточная и неразрушающая методика определения стехиометрии окисла кремния на основе банка спектров электронных состояний в валентной зоне.

  2. В процессе высокотемпературной обработки в инертной атмосфере водорода происходит окисление поверхности квантовых нитей свежеприготовленного пористого кремния, а в процессе ионно-плазменной обработки por-Si в аргонно-кислородной смеси происходит пассивация поверхности пор атомами фтора.

  3. Наличие внешнего электрического поля приводит:

изменению циклических токов, ответственных за продолжение самоформирования пор в процессе водного дотравливания

к уменьшению скорости водного дотравливания пористого кремния

  1. При водном дотравливании пористого кремния в течении 15-60 минут происходит удаление каналов стока электрического заряда с поверхности образца, что связано с образованием субокислов, Si02 фаза начинает фиксироваться только лишь после 20 часов, а близкий к стехиометрическому оксид образуется после 7 суток ВД.

  2. Существующая интерфейсная модель фотолюминесценции является лишь частным случаем механизмов фотолюминесценции окисленного пористого кремния. Предлагается более общая трактовка интерфейсной модели, которая применима и на начальном этапе зарождения окисла без наличия стехиометрического S1O2.

Публикации и апробация работы В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликовано 24 научных работы, из которых 7 статьи в центральных отечественных и зарубежных журналах.

Основные результаты доложены на: Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2000: молодежь и наука на рубеже XXI века", Москва, 2000, Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков» Пенза, 2000, Второй Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опте- и наноэлектронике, С.-Петербург, 2000, Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2000, Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии», Ульяновск, 2001 и др.

Работа неоднократно докладывалась на конференциях студентов и аспирантов, научных семинарах физико-технического факультета УлГУ.

Личный вклад

Основные теоретические положения представляемой работы разработаны совместно с д.ф.-м.н., проф. Костишко Б.М., к.ф.-м.н. Нагорновым Ю.С. Исследования фотолюминесцентных свойств рот-Si выполнены на каф. ОСТТ совместно с Миковым

С.Н., исследования фотодеградационных свойств пористого кремния выполнены автором самостоятельно. Исследования топологии поверхности вьшолнялись совместно с сотрудниками корпорации NT-MDT.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит .139 страниц, включая 42 рисунка, 2 таблицы и списка цитируемой литературы из 146 наименований.

Подобные работы
Зиновьев Владимир Анатольевич
Процессы на поверхности кремния при низкоэнергетическом ионном воздействии в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии
Константинова Елизавета Александровна
Фотоэлектронные процессы в наноструктурированном кремнии со спиновыми центрами
Павленко Максим Николаевич
Электронные процессы в гетероструктурах на основе монокристаллического кремния и неупорядоченных материалов
Тутов Евгений Евгеньевич
Электронные и сорбционные процессы в сенсорах на основе гетероструктуры кремний / металлоксидный полупроводник
Золотов Андрей Викторович
Моделирование процессов термического отжига и высокотемпературной карбонизации пористого кремния
Тандоев Алексей Григорьевич
Моделирование физических процессов в мощных многослойных структурах на основе карбида кремния
Макаренко Владимир Александрович
Моделирование воздействия ионизирующих излучений на зарядовые свойства структур poly-Si-SiO2 (P)-Si
Абдэль-Ваххаб Абдэль-Кадер Базбаз Хийярат
Влияние условий роста на структуру и свойства эпитаксиальных слоев (SiC)1-x (AlN) x
Калинин Евгений Николаевич
Магнитооптические свойства квазиодномерных структур с водородоподобными примесными центрами
Ястребов Сергей Гурьевич
Оптические свойства и структура аморфного углерода

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net