НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ЛИТВИНЕНКО ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 541.013+621.315

ФОРМУВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ
ДВОВИМІРНИХ ФОТОННИХ СТРУКТУР
НА ОСНОВІ МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНІЮ

05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук,
Карачевцева Людмила Анатоліївна,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
зав. відділом

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, професор, Осинський Володимир Іванович,
науково-дослідний інститут “Мікроприлад” міністерства промислової політики України, заступник директора–

доктор фізико-математичних наук, професор, Горбик Петро Петрович,
Інститут хімії поверхні НАН України, заступник директора

Провідна установа:

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “18” жовтня 2002 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, м. Київ – 28, проспект Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (м. Київ, проспект Науки, 45)

Автореферат розісланий “12” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Фотонні структури з періодичною модуляцією діелектричної проникності є новим класом матеріалів, які використовуються для трансформації спектру електромагнітного випромінювання. Зокрема, в періодичних структурах спектр електромагнітного випромінювання розподіляється на зони, заборонені для його проходження, за аналогією з електронами у кристалах. Різниця між фотонами і електронами визначає специфіку фізичних явищ у фотонних структурах і потребує перегляду звичайних законів поглинання та емісії електромагнітного випромінювання, рекомбінаційних процесів. Основні роботи, в яких сформульовані принципи формування фотонної забороненої зони, були опубліковані у 1987 році, але динамічного розвитку ця проблема одержала у 90-ті роки. Нині вже запропоновані напрямки застосування структур з фотонною забороненою зоною для частот електромагнітного випромінювання від мікрохвильових до оптичних, зокрема безпорогові лазери, фільтри, мікрохвильові антени, дзеркала, хвилеводи. Ефект формування фотонної забороненої зони відкриває перспективи виготовлення фотонних аналогів напівпровідникових пристроїв.

Найбільш ефективними методами виготовлення фотонних структур є літографічні методи, поєднані з електрохімічним травленням. Такі методи дозволяють формувати структури з періодом від нанометрів до мікрометрів. Зокрема, методом електрохімічного травлення виготовлені мікропористі (діаметр пор до 2 нм), мезопористі (діаметр пор 2_ нм) та макропористі (діаметр пор більше 50 нм) структури в залежності від умов анодного електрохімічного процесу. Перспективним матеріалом для розробки двовимірних фотонних структур є макропористий кремній. Це пов’язано з відносно нескладною технологією електрохімічного формування структур з потрібною геометрією, великим контрастом діелектричної проникності макропор і кремнієвої матриці, можливістю узгодження нових пристроїв на основі макропористого кремнію з існуючими технологіями.

Двовимірні структури макропористого кремнію вперше були виготовлені на фірмі СІМЕНС В.Леманном. При цьому високоякісні фотонні періодичні структури були сформовані на кремнії з опором 40 Ом·см. В.Леманном були також виготовлені макропористі структури на пластинах низькоомного кремнію (<  Ом·см), але форма пор відрізнялася від циліндричної (конічна, з нерівними стінками пор). Тому процес фотоанодного травлення кремнію з довільним питомим опором потребує удосконалення з урахуванням впливу дифузії, дрейфу та об’ємної рекомбінації дірок на струмоперенос в кремнієвому аноді.

Сформовані структури містять шар мікропористого кремнію на стінках макропор. Мікропористий кремній із розмірами нанокристалів до 10 нм був запропонований для розробки кремнійізолюючих структур у технології інтегральних схем. Спостереження фотолюмінесценції та електролюмінесценції при кімнатній температурі продемонструвало практичну ефективність емітерів на основі мікропористого кремнію. Комплексна макропориста структура з нанокристалами мікропористого шару на стінках макропор має бути важливим елементом оптоелектронних пристроїв, завдяки як випромінювальним, так і оптичним фотонним характеристикам.

Основні дослідження фотонних кристалів направлені на застосування в оптиці та мікрохвильовій техніці. Однак, однією з характеристик фотонної забороненої зони є формування затухаючих електромагнітних хвиль і перехід у Джоулеве тепло. Тому двовимірні фотонні структури на основі макропористого кремнію перспективні для використання в інфрачервоному діапазоні електромагнітних хвиль. Наявність глибоких пор, розділених тонкими перегородками кристалічного кремнію, забезпечує велику ефективну поверхню зразка, що визначає оптичні та електрофізичні характеристики структур макропористого кремнію. Аномальні коефіцієнти оптичного поглинання завдяки формуванню затухаючих хвиль дозволять розробити нові типи теплових приймачів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з тематикою та планами наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України, зокрема за держбюджетними темами № /20 “Розробка фізико-хімічних основ технологій створення та функціональна діагностика кристалів і структур (приладів) для реєстрації та перетворення енергії інфрачервоного випромінювання на базі напівпровідникових сполук і вузькощілинних твердих сполук”, № “Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових систем інфрачервоної мікроелектроніки”, одним з виконавців яких був автор дисертаційної роботи.

Метою даної роботи було виготовлення двовимірних фотонних структур макропористого кремнію методом фотоанодного травлення, дослідження процесів формування структур та механізмів трансформації енергетичного спектру електромагнітного випромінювання для розробки нових випромінювальних та сенсорних пристроїв напівпровідникової електроніки. У зв’язку з цим були визначені такі основні задачі:

- виготовити обладнання та сформувати структури макропористого кремнію методом фотоанодного травлення;

- вивчити умови переносу нерівноважних дірок і стабілізації процесу формування макропор протягом електрохімічного травлення кремнієвих пластин при зона-зонному освітленні;

- дослідити структуру, хімічний склад та фотолюмінесценцію поверхні макропор;

- встановити залежності оптичних та електрофізичних характеристик фотонних структур на основі макропористого кремнію від параметрів пор;

- визначити характеристики двовимірних фотонних структур макропористого кремнію для практичного використання в якості теплових приймачів.

Об’єкт досліджень: двовимірні фотонні структури макропористого кремнію з періодичним і довільним розташуванням пор.

Предмет досліджень: процеси переносу нерівноважних дірок при формуванні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію, випромінювальні, оптичні та електрофізичні характеристики структур макропористого кремнію.

Методи досліджень. Для розв’язання поставлених задач були залучені технології фотоанодного, хімічного та плазмохімічного травлення кремнію, вакуумне нанесення металу та термічний відпал виготовлених структур; сучасні методи досліджень поверхні структур (скануюча електронна мікроскопія, ІЧ фур’є-спектроскопія, електровідбиття); методи досліджень оптичних та фотолюмінесцентних характеристик (оптичне поглинання та відбиття, реєстрація фотолюмінесценції в режимі рахування фотонів); методи досліджень електричних характеристик (вольт-амперні характеристики, ефект Хола, вимірювання низькочастотних шумів).

Наукова новизна роботи полягає в отриманні нових наукових результатів:

1. Вперше у рамках дифузійно-дрейфової моделі встановлено і експериментально доведено співвідношення між параметрами процесу електрохімічного формування двовимірних фотонних структур макропористого кремнію при товщині кремнієвого аноду, яка перевищує довжину дифузії дірок, а також при порівняно великих діаметрах макропор. Встановлено, що режим стабілізації напруженості електричного поля є найбільш сприятливим для стабільного формування пор завдяки відповідності умови стаціонарності концентрації дірок на кінцях пор умові постійності густини струму.

2. Вперше виміряна оранжева фотолюмінесценція на структурах макропористого кремнію з нанокристалами мікропористих шарів товщиною 100–700 нм, сформованих на стінках макропор в режимі великої густини струму протягом електрохімічного процесу. Виявлені інтенсивні піки поглинання, пов’язані з коливанням атомів кисню перпендикулярно площині Si, а також із Si зв’язками, які спостерігаються завдяки великій загальній поверхні мікропористого шару на стінках макропор.

3. Виміряні фотонна смуга поглинання електромагнітного випромінювання з мінімумом пропускання на довжинах хвиль між одним і двома оптичними періодами двовимірної фотонної структури макропористого кремнію у відповідності з теоретичними розрахунками для напрямку поширення випромінювання, паралельного макропорам, та широка смуга поглинання, пов’язана з формуванням направлених і затухаючих оптичних мод.

4. Встановлена залежність електрофізичних параметрів шарів макропористого кремнію від об’єму, площі поверхні, діаметру та концентрації макропор. Електронна провідність і концентрація в матриці макропористих шарів досягають максимуму для відносного об’єму макропор V ,3-0,4 в результаті збагачення поверхні донорами після електрохімічної та хімічної обробок стінок макропор.

Практична цінність одержаних результатів полягає в:

- виготовленні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію методом фотоанодного травлення на пластинах n-типу провідності діаметром макропор 1_ мкм і глибиною до 250 мкм, сформованих в періодичні та довільні структури з періодом 3_ мкм;

- встановленні режимів електрохімічного формування пор в структурах макропористого кремнію при лінійній зміні прикладеної напруги, що важливо для травлення циліндричних макропор та управління їх діаметром;

- формуванні випромінювальних структур макропористого кремнію з нанокристалами в області довжин хвиль 550_ нм інтенсивністю 10 мкВт/см2;

- одержанні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію з аномально високими коефіцієнтами поглинання у середньому ІЧ-діапазоні довжин хвиль;

- виготовленні збагачуючого контакту “In – макропористий кремній” з низьким перехідним опором 4 Омсм2 в результаті відпрацювання технології очищення поверхні, напилення та термічного відпалу In на структурі макропористого кремнію;

- встановленні параметрів болометричного ефекту для використання фотонних структур макропористого кремнію у якості теплових приймачів: температурний коефіцієнт опору досягає 1_%/К і визначається температурною залежністю рухливості електронів; рівень шуму становить (2–5)10-9 ВГц-1/2 для частот понад 10 Гц, що на порядок нижче рівня шуму в аморфному і полікристалічному кремнії, і відповідає характеристикам сучасних мікроболометрів.

Особистий внесок здобувача полягає в систематизації та аналізі літературних даних по формуванню і характеристикам фотонних структур на основі макропористого кремнію. Автором безпосередньо була спроектована і створена електрохімічна комірка, змонтована і налагоджена установка для травлення макропористого кремнію, досліджені режими та виготовлені структури макропористого кремнію. Він приймав активну участь у підготовці зразків до формування індієвих контактів, вимірюваннях структурних, оптичних та електрофізичних характеристик фотонних структур макропористого кремнію, обговоренні та обробці експериментальних даних, а також у написанні статей згідно з ними. Більшість отриманих у дисертації результатів доповідалися автором на вітчизняних та міжнародних наукових конференціях.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на конференціях: IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (Ukraine, Kyiv, 1998); XXVIII International School on Physics of Semiconducting Compounds “Jaszowiec ’99” (Poland, Ustroс-Jaszowiec, 1999); Third International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Ukraine, Chernovtsi, 1999); International Conference “Advanced Materials” (Ukraine, Kyiv, 1999); 5th International Symposium on Advanced Physical Fields: Fabrication and Characterization of Atomic Scale Structures (Japan, Tsukuba, 2000); Fifth International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Ukraine, Kyiv, 2000); NATO/EC Advanced Research Workshop Spring School “Frontier of Nano-Optoelectronic System: Molecular-Scale Engineering and Processes” (Ukraine, Kyiv, 2000); International Conference on Solid State Crystals Materials Science and Applications (Poland, Zakopane, 2000); Второй российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” (Украина, Киев, 2000); Конференція молодих вчених “Лашкарьовські читання” (Україна, Київ, 2000); VIConference on Crystal Growth (Poland, Poznaс, 2001).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 20 робіт, у тому числі 9 статей та 11 тез наукових доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 151 сторінці, складається з переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (182 найменування), містить 50 рисунків, 12 таблиць та додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані основна мета та задачі роботи, предмет та методи досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Відображено особистий внесок здобувача, надано інформацію про апробацію результатів досліджень, наукові публікації, структуру дисертації.

В першому розділі наведено критичний аналіз стану проблем, яким присвячена дисертація, та визначено напрямки досліджень. В огляді літератури представлені основні відомості про матеріали з фотонною забороненою зоною (фотонні кристали). Відмічено, що матеріали з фотонною забороненою зоною перспективні для використання у широкому діапазоні довжин хвиль електромагнітного випромінювання (від мікрохвильових до оптичних) у якості резонаторів для безпорогових лазерів, фільтрів, мікрохвильових антен і дзеркал, хвилеводів. Продовжується пошук матеріалів і технологій для виготовлення як одно-, дво- так і тривимірних фотонних структур для оптичного діапазону спектру, зокрема на основі напівпровідникових матеріалів. Структури макропористого кремнію на даний час є найбільш поширеними і актуальними серед двовимірних напівпровідникових фотонних кристалів.

Розглянуто електрохімічний метод формування структур макропористого кремнію. Підкреслено, що виготовлення досконалих фотонних структур макропористого кремнію залежить від узгодження режимів електрохімічного процесу з характеристиками кремнієвого аноду (орієнтація, легування, геометрія).

У першому розділі наведені також властивості мікропористого кремнію (хімічний склад поверхні, параметри фотолюмінесценції, електричні характеристики). Відмічено, що формування та дослідження мікропористого кремнію є динамічним напрямком розвитку сучасної напівпровідникової електроніки для виготовлення електричних та випромінювальних елементів. Фотолюмінесцентні та електричні властивості структур пористого кремнію суттєво залежать від режимів виготовлення, термічної та хімічної обробок. Дослідження електрофізичних параметрів структур макропористого кремнію n_типу провідності до початку виконання дисертаційної роботи не проводились.

Другий розділ присвячений дослідженню електрохімічного методу формування двовимірних структур макропористого кремнію при освітленні в умовах стабілізації струму, напруги та швидкості зміни цих параметрів протягом технологічного процесу. Структури макропористого кремнію були виготовлені на пластинах кремнію n_типу провідності з питомим опором  ,0_,0 Омсм, орієнтацією <100> і товщиною H = 300_ мкм. Формування макропор проводилось на полірованих та анізотропно травлених в КОН зразках і на спеціально підготовлених фотолітографічним методом кремнієвих пластинах з ямками травлення.

Для управління режимами електрохімічного формування структур макропористого кремнію були досліджені вольт-амперні характеристики системи “кремній – електроліт”. Встановлено, що для досліджуваної системи діапазон напруг протягом електрохімічного формування макропор відповідає двовалентній реакції розчинення кремнію або перехідній області між двовалентним і чотирьохвалентним розчиненням кремнію.

Для визначення оптимальних режимів формування структур макропористого кремнію була досліджена залежність між основними параметрами процесу електрохімічного травлення n_Si в рамках дифузійно-дрейфової моделі. Параметрами, які управляють електрохімічними процесом, є густина струму jp, напруга U і концентрація генерованих світлом дірок p0. Були проведені розрахунки і аналіз залежності jp і p0 від режиму зміни прикладеної напруги. Величина напруги в загальному вигляді представлена лінійною залежністю U = ay + b від відстані y між освітлюваною поверхнею і кінцями пор. Співвідношення параметрів процесу електрохімічного формування макропор визначається рівнянням:

(1)

p, p – рухливість і час життя дірок.

В результаті аналізу цього рівняння встановлено, що режим постійної напруженості електричного поля Е const супроводжується найменшою зміною параметрів процесу і є найбільш сприятливим для стабільного формування пор. Для цього режиму умова стаціонарності концентрації дірок на кінцях пор збігається з умовою постійної густини струму через кремнієвий анод.

а) б)

Рис. . Експериментальні (значки) і теоретичні (суцільні лінії) залежності р0/jр від товщини кремнієвого анода під час формування пор для режимів напруги: (а) U ay b (a ,210_ В/см, b ,710_ В); p, 10_1 – 7, 2 – 10; (б) U const; p, _ с: 1 – 3, 2 – 5, 3 – 7, 4 – 10, 5 – 20; експеримент – p, мкм:  – _, ? – , + – .

Порівняльні експериментальні і розрахункові залежності зміни концентрації генерованих світлом носіїв, густини струму і напруги від відстані між освітленою поверхнею і кінцями пор у кремнієвому аноді приведені на рис. а і б. Відхилення від дифузійно-дрейфової моделі має місце для дифузійно тонких зразків y  мкм  Lp, де Lp – дифузійна довжина дірок, (рис.  а) і при зниженні діаметра пор (рис.  б). При цьому для зразків із малим радіусом пор (p  мкм) має місце формування “хрестів” (треків у напрямку, перпендикулярному напрямку пор), що свідчить про підвищення напруженості електричного поля в області просторового заряду напівпровідника на межі “напівпровідник – електроліт”. Таким чином встановлено, що експериментальні залежності режимів формування макропор відповідають дифузійно-дрейфовій моделі переносу нерівноважних дірок при товщині аноду, яка перевищує довжину дифузії дірок, а також при порівняно великих радіусах макропор.

На основі теоретичних розрахунків і проведених експериментальних досліджень відпрацьовано режими електрохімічного формування пор в структурах макропористого кремнію при лінійній зміні прикладеної напруги, що важливо для травлення циліндричних макропор та управління їх діаметром. Визначено режими напруженості електричного поля, які забезпечують стаціонарну концентрацію дірок на кінцях макропор протягом їх формування; розрахована швидкість зміни прикладеної напруги для забезпечення режиму стаціонарності напруженості електричного поля.

Рис. . Електронно-мікроскопічне зображення зовнішньої поверхні двовимірної фотонної структури макропористого кремнію з періодичним розташуванням пор.

Використовуючи відпрацьовані режими електрохімічного травлення, були виготовлені двовимірні фотонні структури макропористого кремнію з періодичним (рис. ) і довільним розташуванням пор діаметром Dp = 1_ мкм, глибиною H   мкм і концентрацією Np 5_6 см_.

У третьому розділі наведені результати досліджень фотолюмінесценції структур макропористого кремнію з нанокристалами шарів мікропористого кремнію на стінках макропор, електронно-мікроскопічних досліджень макропористого кремнію, природи локальних хімічних станів.

Сформовані структури містять шар мікропористого кремнію на стінках макропор. Комплексна макропориста структура з нанокристалами мікропористого шару має бути важливим елементом оптоелектронних пристроїв, завдяки як випромінювальним, так і оптичним фотонним характеристикам. Шари мікропористого кремнію на поверхні макропор мають свої особливості: формування в напрямку, перпендикулярному [100]; велика площа, яка дорівнює поверхні макропор.

Електронно-мікроскопічні дослідження зовнішніх поверхонь і поперечних перерізів стінок макропор показали, що на стінках макропор зразків, сформованих при низьких густинах струму, має місце деревоподібна структура мікропористого шару товщиною до 700 нм (рис.  а, г); при більшій густині струму спостерігаються мікропористі шари товщиною до 250 нм без деревоподібної структури (рис.  б, в, д, е).

Рис. . Електронно-мікроскопічні зображення зовнішніх поверхонь макропор (a)-(в) і поперечних перерізів стінок макропор (г)-(е) зразків, сформованих при густинах струму (а), (г) – 40 мА/см2; (б), (д) – 46 мА/см2; (в), (е) – 54 мА/см2.

Перед обробкою в розчині КОН присутні різко виражений мікропористий шар на стінках макропор і продукти електрохімічного процесу. Після обробки в КОН протягом 10 секунд мікропористі шари на макропористій поверхні стравлюються.

Хімічні стани мікропористо-макропористої структури були ідентифіковані за допомогою фур’є-спектроскопії. Виявлені інтенсивні піки поглинання 465 см_, які відповідають SiO2 структурам, і Si_Si піки 650 см_ завдяки високій пористості та великій загальній поверхні мікропористих шарів. Інтенсивність гідридних піків (СН, СН2, СН3) суттєво зменшується для більших густин струму протягом електрохімічного процесу формування макропор.

Вперше була виміряна оранжева фотолюмінесценція на структурах макропористого кремнію з нанокристалами мікропористих шарів товщиною 100_ нм, сформованих на стінках макропор в режимі великої густини струму протягом електрохімічного процесу формування макропор (рис.  а). Інтенсивність фотолюмінесценції складає до 10 мкВт/см2, що дорівнює середньому рівню інтенсивності фотолюмінесценції плоских структур мікропористого кремнію. Вимірювання спектрів фотолюмінесценції однакової інтенсивності з необробленої і шліфованої поверхонь структур макропористого кремнію довели, що фотолюмінесценція має місце від мікропористих шарів на стінках макропор (рис.  б).

а) б)

Рис. . Спектри оранжевої фотолюмінесценції (а) зразків, виготовлених при густині струму: (1) – 40 мА/см2; (2) – 46 мА/см2; (3) – 54 мА/см2; та спектри фотолюмінесценції (б) зразка, виготовленого при густині струму 58 мА/см2 (1); вихідної (2) і зворотньої шліфованої поверхонь (3) зразкa, виготовленного при густині струму 51 мА/см2.

Зареєстровано блакитний зсув (рис.  а) у спектрах фотолюмінесценції, який пов’язаний з більшою пористістю і зменшенням розмірів нанокристалів кремнію при більших густинах струму протягом формування макропор. Дані ІЧ фур’є-спектроскопії підтвердили формування при таких режимах структур з малою концентрацією гідридів. Відомо, що водневі зв’язки обмежують канал безвипромінювальної рекомбінації, тому зменшення їх концентрації призводить до зниження інтенсивності фотолюмінесценції, що узгоджується з одержаними експериментальними даними. Після обробки в КОН і травлення мікропористих шарів на поверхні макропор фотолюмінесценція не реєструється.

Виявлено збільшення часу релаксації фотолюмінесценції у зразках, виготовлених при більш високих густинах струму, пов’язане з окислюванням мікропористого кремнію і зміною локальної структури центрів фотолюмінесценції. Профіль релаксації фотолюмінесценції складається з двох експонентних кривих. Плоскі мікропористі шари також мають криві релаксації фотолюмінесценції складені з ряду експонентних кривих з сумірним часом релаксації фотолюмінесценції.

У четвертому розділі досліджені оптичні характеристики двовимірних фотонних структур макропористого кремнію з метою визначення можливостей та напрямків застосування таких структур. Для планарних технологій більш технологічним є напрямок поширення електромагнітного випромінювання паралельно порам. На цьому варіанті і були зосереджені дослідження оптичних характеристик.

а) б)

Рис. . Спектри пропускання (а) і коефіцієнти поглинання (б) зразків макропористого кремнію з глибиною макропор h 80 мкм, діаметром Dp  мкм, концентрацією Np ,510-6 см-2 (1) та з h  мкм, Dp ,5 мкм, Np ,710-6 см-2 (2).

При нормальному падінні електромагнітного випромінювання до поверхні структури макропористого кремнію у діапазоні довжин хвиль   а (а – оптичний період структури макропористого кремнію) виявлена широка смуга поглинання (рис.  а) з ефективним коефіцієнтом поглинання 300_ см-1 (рис.  б). Спектри пропускання макропористого кремнію містять сходинки, або осциляції. Ширина сходинок у довгохвильовій частині спектру пропорційна відстані між стінками пор, а в короткохвильовій – діаметру пор. Спектри пропускання макропористого кремнію, а також формування сходинок пояснені моделлю направлених та затухаючих мод на порах і на кремнієвих стовпчиках. У короткохвильовій області спектру направлені моди формуються на порах, тому східчасте збільшення пропускання має місце при   Dp. В області Dp <  < а формуються направлені моди для кремнієвих стовпчиків і затухаючі моди відносно пор. А в спектральній області порядку а формуються затухаючі моди відносно кремнієвих стовпчиків. При великих діаметрах пор і малих відстанях між стінками пор ситуація змінюється на протилежну: сходинки в короткохвильовій області спектру формуються на кремнієвій матриці, а в довгохвильовій області – на порах.

При нормальному падінні електромагнітного випромінювання на періодичних структурах макропористого кремнію була виміряна смуга поглинання з максимумом на довжинах хвиль ,1_,5)а. Розрахунки фотонної зонної структури для напрямку поширення електромагнітного випромінювання, паралельного макропорам, підтвердили формування абсолютної фотонної забороненої зони в області довжин хвиль між одним і двома оптичними періодами. При відхиленні кута падіння електромагнітного випромінювання від нормалі смуга поглинання трансформується в кілька смуг, які переміщуються в бік менших довжин хвиль. Це пов’язане, по-перше, із збільшенням числа площин, від яких має місце брегівське відбиття при збільшенні кута падіння; по-друге, з формуванням зон високого порядку внаслідок збільшення відбиття електромагнітного випромінювання від пор.

Формування затухаючих хвиль в області фотонних смуг поглинання призводить до перетворення енергії електромагнітного випромінювання в Джоулеве тепло. Основні вимоги до теплоприймальних матеріалів – це високий коефіцієнт поглинання випромінювання в робочій спектральній області, високий температурний коефіцієнт опору і низький надлишковий шум. Тому з урахуванням високих коефіцієнтів поглинання у ближній ІЧ-області були проведені дослідження електричних властивостей, оцінені болометричні характеристики структур макропористого кремнію, як альтернативного матеріалу для виготовлення теплових приймачів.

Розроблена технологія і досліджені параметри омічного контакту “In – макропористий кремній”. Встановлена оптимальна температура відпалу структури “In – макропористий кремній” Т 4000С з низьким перехідним опором 4 Омсм2. Визначені залежності провідності, концентрації і рухливості електронів від розмірів і концентрації пор для двовимірних структур макропористого кремнію. Показано, що електронна провідність і концентрація в матриці макропористих шарів досягають максимуму для об’єму макропор V ,3 _ ,4. Рухливість електронів зменшується монотонно. Експериментальні результати відповідають моделі формування навколо макропор областей товщиною D   мкм, збагачених електронами після електрохімічної та хімічної обробок стінок макропор. Температурні залежності провідності, концентрації і рухливості в макропористому кремнії подібні до температурних залежностей відповідних параметрів кристалічного кремнію. Температурний коефіцієнт опору змінюється від 0,4–1%/К при кімнатній температурі до 1,5_%/К при 77 К. Рівень шуму становить (2–5)10-9 ВГц-1/2 для частот, які перевищують 10 Гц, що відповідає детектуючій здатності теплових болометричних елементів на основі макропористого кремнію 5109 смГц1/2Вт-1, яка значно перевищує аналогічні параметри для аморфного і полікристалічного кремнію.

ВИСНОВКИ

1. Виготовлені двовимірні фотонні структури макропористого кремнію методом фотоанодного травлення на пластинах n-типу провідності з діаметром макропор 1_ мкм і глибиною до 250 мкм, сформовані в періодичні та довільні структури з періодом 3_ мкм.

2. Вперше в рамках дифузійно-дрейфової моделі встановлено і експериментально доведено співвідношення між параметрами процесу електрохімічного формування макропор при товщині кремнієвого аноду, яка перевищує довжину дифузії дірок, а також при порівняно великих діаметрах макропор.

3. Вперше виміряна оранжева фотолюмінесценція на структурах макропористого кремнію з нанокристалами мікропористих шарів, проведено порівняння з плоскими шарами мікропористого кремнію.

4. Оптичне поглинання двовимірними фотонними структурами макропористого кремнію для довжин хвиль 2-25 мкм становить більш, ніж 102 по відношенню до однорідного матеріалу з ефективним коефіцієнтом поглинання 300_ см-1. Для напрямку поширення електромагнітного випромінювання, паралельного макропорам, виявлені фотонна смуга поглинання та широка смуга поглинання, пов’язана з формуванням направлених та затухаючих мод електромагнітного випромінювання.

5. З урахуванням високих коефіцієнтів поглинання у ближній ІЧ-області обгрунтована ефективність структур макропористого кремнію, як теплоприймальних елементів з температурним коефіцієнтом опору 1_%/К і рівнем шуму порядку (2–5)10-9 ВГц-1/2.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

АНОТАЦІЯ

Литвиненко О.О. “Формування та дослідження двовимірних фотонних структур на основі макропористого кремнію”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. – Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена формуванню двовимірних фотонних структур макропористого кремнію електрохімічним методом для трансформації спектру електромагнітного випромінювання і розробки випромінювальних структур та теплових приймачів. Виготовлені структури макропористого кремнію з діаметром макропор 1_ мкм і глибиною до 250 мкм. Зареєстрована оранжева фотолюмінесценція інтенсивністю 10 мкВт/см2 на структурах макропористого кремнію з нанокристалами. Виміряні фотонна смуга поглинання електромагнітного випромінювання та широка смуга поглинання з ефективним коефіцієнтом 300_ см_, пов’язана з формуванням направлених і затухаючих оптичних мод. Визначені параметри болометричного ефекту: температурний коефіцієнт опору 1_%/К; рівень шуму (2–5)10-9 ВГц-1/2 для частот понад 10 Гц, що на порядок нижче рівня шуму в аморфному і полікристалічному кремнії, і відповідає характеристикам сучасних мікроболометрів.

Ключові слова: двовимірна фотонна структура, макропористий кремній, електрохімічне травлення, фотолюмінесценція, болометричний ефект.

АННОТАЦИЯ

Литвиненко О.А. “Формирование и исследование двумерных фотонных структур на основе макропористого кремния”. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.27.06 – технология, оборудование и производство электронной техники. – Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена формированию двумерных фотонных структур макропористого кремния электрохимическим методом для трансформации спектра электромагнитного излучения и разработки излучательных структур на основе макропористого кремния с нанокристаллами и тепловых приемников. Изготовлены двумерные фотонные структуры макропористого кремния методом фотоанодного травления на пластинах n-типа проводимости с диаметром макропор 1_ мкм и глубиной до 250 мкм, сформированные в периодические и произвольные структуры с периодом 3_ мкм. Зарегистрирована оранжевая фотолюминесценция интенсивностью 10 мкВт/см2 на структурах макропористого кремния с нанокристаллами слоев микропористого кремния. Доказано, что фотолюминесценция имеет место от микропористых слоев на стенках макропор. Проведен сравнительный анализ с плоскими слоями микропористого кремния. В диапазоне длин волн 2_ мкм в двумерных фотонных структурах макропористого кремния выявлено высокое оптическое поглощение, которое составляет более чем 102 по отношению к однородному материалу с эффективным коэффициентом поглощения 300_ см-1. Измерены фотонная полоса поглощения электромагнитного излучения в соответствии с теоретическими расчетами для направления распространения излучения, параллельного макропорам, и широкая полоса поглощения, связанная с формированием направленных и затухающих оптических мод. Измерены параметры болометрического эффекта: температурный коэффициент сопротивления 1_%/К; уровень шума (2_)10_ ВГц_/2 для частот свыше 10 Гц, что на порядок ниже уровня шума в аморфном и поликристаллическом кремнии, что отвечает характеристикам современных микроболометров.

Ключевые слова: двумерная фотонная структура, макропористый кремний, электрохимическое травление, фотолюминесценция, болометрический эффект.

ABSTRACT

Lytvynenko О.О. “Formation and investigation of 2D photonic structures on the basis of macroporous silicon”. – Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of technical sciences for a specialty 05.27.06 – technology, equipment and manufacture electronics technique. – Institute of semiconductor physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

The dissertation is devoted to formation of 2D photonic structures based on macroporous silicon by the electrochemical method for transformation of the electromagnetic radiation spectrum and development of light emitting structures and thermal receivers. Macroporous silicon structures with the macropore diameter 1-15and depth up to 250 micron are made. The orange photoluminescence of intensity 10 W/cm2 is registered on macroporous silicon structures with nanocrystals. There were measured the photonic absorption band and the wide band of the absorption with the effective absorption coefficient 300_-1 connected with formation of directed and decay optical modes. Bolometerical effect parameters are determined: temperature factor of resistance 1-4%/К; the noise level (2_)·10_·Hz-1/2 for frequencies above 10that is on the order lower than noise level in amorphous and polycrystalline silicon and is equaled to modern microbolometer characteristics.

Keywords: 2D photonic structure, macroporous silicon, electrochemical etching, photoluminescence, bolometrical effect.