Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників

Саріков Андрій Вікторович

УДК 621.315.592

Дослідження механізмів формування та фізичних властивостей напівпровідникових структур з розвиненою поверхнею

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико–математичних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної академії наук України

Науковий керівник: | член–кореспондент НАН України,

доктор фізико–математичних наук, професор,

Литовченко Володимир Григорович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідуючий відділом фізичних основ інтегральної електроніки

Офіційні опоненти: | доктор фізико–математичних наук, професор

Куліш Микола Родіонович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

провідний науковий співробітник відділу лазерної спектроскопії напівпровідників та діелектриків

кандидат фізико–математичних наук,

Пірятинський Юрій Петрович,

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: | Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет

Захист відбудеться | 17 травня 2002 р. о 1415 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради K 26.199.01

в Інституті фізики напівпровідників НАН України

за адресою: 03028, Київ, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ, проспект Науки, 45)

Автореферат розісланий “ 15 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико–математичних наук Охріменко О. Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні десятиліття спостерігається значний прогрес у розвитку фізики та технології формування, а також розробки методів дослідження напівпровідникових структур з розвиненою поверхнею, в яких значення відношення площі поверхні до об’єму на кілька порядків перевищують ці значення для об’ємного матеріалу. У таких структурах проявляються нові та цікаві як з фундаментальної точки зору, так і для застосування, фізичні властивості, пов’язані з просторовим обмеженням носіїв заряду та значним впливом на них поверхні.

Останнє, зокрема стосується зміни зонної структури і, відповідно, оптичних властивостей розглядуваних матеріалів. Так, у низькорозмірних структурах кремнію (пористий кремній, нанорозмірні кристаліти, ниткоподібні кристали та ін.) спостерігається поява ефективної видимої люмінесценції, яку неможливо отримати у випадку об’ємного матеріалу завдяки його непрямозонності та малій ширині забороненої зони. Дослідження люмінесцентних властивостей низькорозмірних кремнієвих структур дозволяє оцінювати також їх геометричні параметри.

Існує багато робіт, присвячених розробці моделей формування напівпровідникових кремнієвих структур з розвиненою поверхнею, зокрема, пористого кремнію при електрохімічному травленні. У той же час до сьогодні все ще не існує детальної моделі, яка б описувала закономірності утворення пористого шару на будь–якому типі кремнієвої пластини з довільним рівнем легування та давала б змогу дослідити швидкість росту і морфологію отримуваних шарів у залежності від густини струму анодування та концентрації електроліту. Разом з тим у сучасній фізиці пористого кремнію існує тенденція розгляду спрощених моделей його формування, які б давали змогу отримати аналітичний розв’язок. Істотним недоліком аналітичного підходу є практична неможливість прослідкувати, наприклад, за еволюцією радіусів пор по всій товщині пористого шару, а також інших його параметрів. Зважаючи на це, на перший план має вийти метод дослідження формування пористого кремнію, який базується на комп’ютерному моделюванні. Метод комп’ютерного моделювання є набагато гнучкішим у порівнянні з аналітичними підходами і дозволяє описувати закономірності росту структур, більш наближених до пористих шарів, що реально отримані експериментально.

Для ниткоподібних кремнієвих кристалів, вирощуваних у процесі газотранспортних реакцій, виникає необхідність розкриття механізмів, які призводять до одночасного з видовженням більш повільного росту кристалів у товщину.

Важливе місце має застосування пористого кремнію для отримання напівпровідникового матеріалу підвищеної якості, зокрема як гетеру домішок важких металів. Як показано в літературі, пористі шари можуть легко утворюватись на початкових етапах технологічного маршруту виготовлення кремнієвих інтегральних схем і забезпечувати порівняно малу концентрацію домішок важких металів у виготовлених схемах. Гетерні шари на основі пористого кремнію можуть також застосовуватись і для очищення пластин, які використовуються для виготовлення, наприклад, сонячних елементів та інших порівняно великих напівпровідникових приладів.

На сьогоднішній день відомі експериментальні дослідження ефективності гетерування шарами пористого кремнію, створеними як методом електрохімічного та хімічного травлення, так й імплантацією воднем або гелієм з наступним відпалом. Однак не розглянуто та не проаналізовано теоретично механізми, які обумовлюють високу ефективність гетерування пористими структурами. У першу чергу це стосується поведінки точкових дефектів при відпалах даних гетерів у різних атмосферах та при різному складі поверхні, зокрема при їх покритті шарами металів. Останнє безпосередньо відноситься до роз’яснення механізмів видалення домішки таким гетером, як “шар алюмінію на пористому кремнії”.

Таким чином, актуальність теми дисертації обґрунтовано необхідністю з’ясування механізмів та розробки моделей формування напівпровідникових структур з розвиненою поверхнею для контролю їх морфології при створенні на їх основі електронних приладів. Важливою задачею є також виявлення закономірностей зміни у порівнянні з об’ємом характеристик екситонної люмінесценції в шаруватих структурах напівпровідник–діелектрик та низькорозмірних напівпровідникових структурах з розвиненою поверхнею та розробка нових методів визначення зонних та геометричних параметрів останніх. З’ясування механізмів стимульованого гетерування в шарах пористого кремнію є необхідним для застосування таких шарів для покращення якості мультикристалічного кремнієвого матеріалу з метою виготовлення на його основі ефективних фотоперетворювачів сонячної енергії.

Зв’язок дисертаційної роботи з планами наукових робіт Інституту фізики напівпровідників Національної академії наук України. Основні результати роботи одержано при виконанні планових та конкурсних тем ІФН НАНУ:

“Дослідження фізичних механізмів нерівноважних процесів на поверхні напівпровідників та в напівпровідникових шаруватих структурах, розробка нових нанотехнологій і приладів на їх основі”. Постанова Бюро фізики та астрономії НАН України від 16.11.99 р. Протокол № 12.

Проект НТЦУ U–031 “Розробка фотоперетворювачів сонячної енергії на основі структур нового типу “йонно–модифіковані та алмазоподібні шари – полікристалічний кремній”” від 01.04.2000 р.

“Модульна установка плазмово–фотостимульованого формування плівок з надтвердих матеріалів”. Розпорядження Президії Національної академії наук України від 8.02.2001 р. Протокол № 162 “Про роботи для ННТЦНП”.

Метою дисертаційної роботи стало з’ясування визначальних механізмів формування морфології кремнієвих структур з розвиненою поверхнею (зокрема пористого кремнію та ниткоподібних кремнієвих кристалів) та гетерування у структурах мультикристалічний кремній – пористий кремній – металева плівка, а також розробка нового методу характеризації параметрів низькорозмірних напівпровідникових структур та виявлення закономірностей зміни у порівнянні з об’ємом характеристик екситонної люмінесценції в шаруватих та низькорозмірних напівпровідникових структурах.

Відповідно до поставленої мети в роботі розв’язувались такі задачі:

1.

2.

3.

4.

Для вирішення поставлених задач проводилось:

1.

2.

3.

4.

Об’єктом дослідження в роботі є шаруваті структури з розвиненою поверхнею: об’ємний кремній – пористий кремній, ниткоподібні кремнієві кристали, структури GaAs–Si3N4(Ge3N4), шаруваті тверді розчини GeSxSe1–x та гетерні структури мультикристалічний кремній – пористий кремній – плівка алюмінію.

Предметом дослідження є процеси переносу та взаємодії хімічних сполук, дефектів та носіїв заряду, що мають місце при формуванні пористого кремнію та ниткоподібних кристалів кремнію, гетеруванні в структурах мультикристалічний кремній – пористий кремній – плівка алюмінію, а також явище екситонної фотолюмінесценції в GaAs–Si3N4(Ge3N4), GeSxSe1–x та окисненому пористому кремнії.

Методи дослідження. Основним методом дослідження, використаним у роботі, є комп’ютерне моделювання в рамках квазіхімічного підходу та порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними. Параметри екситонних переходів розраховувались з використанням співідношення Фреліха–Хопфілда для енергії зв’язку екситона або локального центру.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному.

1.

2.

3.

4.

Практичне значення роботи полягає в тому, що в ній:

1.

2.

3.

4.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації брав участь у постановці задач та обговоренні отриманих результатів. Всі наведені у дисертаційній роботі розрахунки та зіставлення з експериментальними даними виконані автором особисто. Автору також належать: висновки всіх глав, загальні висновки і основні положення, що виносяться на захист.

Апробація роботи. Основні матеріали роботи було представлено на 11 Міжнародній конференції Європейського фізичного товариства EPS–11: Trends in Physics (Лондон, Велика Британія, 1999), 18 загальній конференції Відділення конденсованих середовищ Європейського фізичного товариства CMD18–2000 (Монтре, Швейцарія, 2000), 2 Міжнародній конференції з фізики та технології пористого кремнію (Мадрід, Іспанія, 2000), XVI відкритій науково–технічній конференції молодих вчених та спеціалістів YSC–2001 (Львів, Україна, 2001), Міжнародній конференції з фізики, хімії та застосування наноструктур NANOMEETING–2001 (Мінськ, Білорусь, 2001), Європейській конференції з дослідження матеріалів EMRS–2001 (Страсбург, Франція, 2001), Міжнародній конференції з гетерування та інженерії дефектів у напівпровідниковій технології GADEST’2001 (Катанія, Італія, 2001), V Російській конференції з фізики напівпровідників (Нижній Новгород, Росія, 2001), а також на семінарах в Інституті фізики напівпровідників НАН України та Hahn–Meitner Instituet, Berlin.

Основні результати дисертації опубліковано у 11 роботах: 5 статтях у наукових фахових виданнях та 6 доповідях, надрукованих у матеріалах конференцій.

Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку цитованої літератури. Вона викладена на 135 сторінках тексту, містить 40 рисунків, 1 таблицю та список літератури з 144 посиланнями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, сформульовано основну ідею дисертації, мету та задачі роботи, показано наукове і практичне значення отриманих результатів, зв’язок роботи з плановими завданнями. Також наведено відомості, які стосуються апробації дисертаційної роботи, публікацій, структури та короткого змісту дисертації за розділами.

Перший розділ присвячено огляду літератури за темою дисертації. Описано способи та моделі формування низькорозмірних напівпровідникових структур, зокрема пористого кремнію та ниткоподібних кремнієвих кристалів, проаналізовано фізичні процеси, які відбуваються при цьому. Показано, що існуючі моделі формування шарів пористого кремнію при електрохімічному травленні не дають задовільного опису цього процесу. Характерним, зокрема, є неврахування дифузійного постачання електроліту в зону розчинення кремнію, завдяки чому не вдається відтворити ряд експериментально спостережених ефектів, таких як зміна морфології пористої структури та перехід від режиму росту пор до електрополірування з часом травлення. Для ниткоподібних кремнієвих кристалів виникає необхідність розкриття механізмів, що відповідають за бічний ріст та спостережену експериментально часову еволюцію функції розподілу кристалів за радіусами.

У першому розділі також описано метод дослідження параметрів екситонних переходів у напівпровідникових матеріалах, який базується на аналізі спектрів люмінесценції, виміряних при одному значенні температури, та співвідношенні Фреліха–Хопфілда для енергії зв’язку екситона чи локального центра.

У кінці розділу детально роглянуто процеси та механізми гетерування в кремієвих пластинах. Зроблено аналіз наявних у літературі даних, які стосуються фізичних процесів, що мають місце при гетеруванні атомів різних металів. Розглянуто особливості видалення з напівпровідника атомів металів у залежності від типу гетеруючої структури.

У другому розділі розглянуто нову модель формування пор у кремнієвих пластинах у процесі електрохімічної обробки (анодування) в розчинах на основі плавикової кислоти. Витравлювання кремнію відбувається при взаємодії дірок з пластини з молекулами HF, що дифундують у зону реакції з об’єму електроліту. Постачання дірок в область розчинення кремнію також описується дифузійним законом. Сталість струму анодування забезпечується відповідними граничними умовами для дірок.

Продукти реакції, що утворюються в процесі розчинення кремнію, протягом певного часу залишаються зв’язаними на стінках пор, пасивуючи їх проти подальшого розтравлення. Швидкість витравлювання кремнію визначається, крім концентрацій молекул плавикової кислоти та дірок, долею вільних місць на стінках пор, в яких може відбуватись реакція розчинення кремнієвого матеріалу:

. (1)

Тут Nbound, Nt та Cfree – відповідно концентрація зв’язаних продуктів реакції, загальна концентрація та доля вільних місць на стінках пор, в яких може протікати реакція розчинення кремнію.

З певною імовірністю зв’язані продукти реакції десорбуються зі стінок пор та дифундують завдяки градієнту концентрації в об’єм електроліту.

Система диференційних кінетичних рівнянь, що описують еволюцію в часі концентрацій реагентів, продуктів реакції, а також радіусів пор, розв’язувалась чисельно. Це дозволило промоделювати зміну радіусів пор по всій товщині пористого шару. При моделюванні враховувались також особливості масопереносу в пористому середовищі, які призводять до ефективного зменшення коефіцієнтів дифузії молекул HF та дірок.

Проведення розрахунків у рамках розробленої моделі формування пор у кремнії дозволяє відтворити ряд основних експериментально спостережених ефектів: лінійну залежність довжини пор від часу анодування на початкових етапах процесу та сповільнення росту при більш довгому травленні, що має місце завдяки дифузійно–лімітованому постачанню молекул плавикової кислоти вглиб пор (рис. 1); лінійну залежність швидкості росту пор від концентрації плавикової кислоти в електроліті та густини струму анодування, а також від концентрації основних носіїв заряду в кремнієвій пластині; утворення циліндричних пор при малих значеннях густини струму анодування та посилене розтравлювання кремнію в глибині пор при її збільшенні, перекриття сусідніх пор і, таким чином, перехід від режиму росту пор до електрополірування зі збільшенням часу травлення або густини струму, коли процес розчинення кремнію лімітується дифузійним постачанням молекул плавикової кислоти в зону реакції. Передбачення описаної моделі якісно узгоджуються з експериментальними даними. Врахування процесів транспорту реагентів та продуктів реакції всередині пор дозволяє промоделювати зміну морфології їх структури з часом по всій товщині пористого шару, що дає змогу в принципі отримувати наперед заданий профіль пор.

У другому розділі також досліджено еволюцію в часі функції розподілу нитковидних кристалів кремнію за радіусами в залежності від умов проведення процесу їх вирощування. Часова зміна функції розподілу кристалів за радіусами описується рівнянням Фокера–Планка:

, (2)

де f – функція розподілу кристалів за радіусами, R – їх радіус.

Швидкість зростання радіуса кристалів визначається лімітуючою стадією їх бічного росту. Рівняння Фокера–Планка було чисельно розв’язано для трьох випадків: дифузійно–лімітований ріст кристалів у товщину (), ріст, що лімітується протіканням реакції на бічній поверхні (), та ріст, лімітований вбудовуванням атомів кремнію в бічну поверхню кристалу за рахунок виграшу у вільній енергії системи пар–кристал (). Для дифузійно–лімітованого росту спостерігається одночасне зі зміщенням максимуму в область більших значень радіусів звуження функції розподілу з часом. Для випадку лімітуючого протікання реакції на бічній поверхні кристалів має місце трансляція функції розподілу як цілого в область більших радіусів. Розширення функції розподілу спостерігається при рості в товщину, лімітованому вбудовуванням атомів кремнію в бічну поверхню кристалу за рахунок виграшу у вільній енергії системи пар–кристал. У випадку несиметричної початкової функції розподілу несиметрія останньої зменшується з часом для першого випадку і збільшується для третього. Це дозволяє в принципі отримувати запрограмований характер розподілу кристалів за радіусами, змінюючи умови їх росту в процесі вирощування.

Зіставлення результатів проведеного аналізу з експериментальними даними, що наведено на рис. 2, показує, що визначальним фактором, який обумовлює експериментально спостережену еволюцію в часі функції розподілу нитковидних кристалів, є, найбільш імовірно, вбудовування атомів кремнію за рахунок виграшу у вільній енергії системи пар–кристал. Початковий розподіл кристалів описується логарифмічно–нормальним законом:

,

де R є радіусом кристалів, ? та ? визначають відповідно дисперсію та математичне очікування.

Рівняння Фокера–Планка для такого випадку дозволяє отримати аналітичний розв’язок. Цей розв’язок також виражається логарифмічно–нормальною функцією з параметром ?, що лінійно залежить від часу вирощування кристалів: м=м0+бt. Апроксимація експериментальних функцій розподілу нитковидних кристалів за радіусами логарифмічно–нормальними залежностями дозволяє знайти параметри у т? м ?алежно від часу вирощування кристалів і, таким чином, зробити можливим керування даним процесом.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу стану поверхні та пониження розмірності на основні характеристики екситонних переходів у шаруватих та низькорозмірних структурах напівпровідників та напівпровідник–діелектрик, коли значення відношення площі поверхні до ширини області локалізації екситонів перевищують ці значення для об’ємних матеріалів. Досліджувались структури GaAs, вкриті діелектричними шарами Si3N4 та Ge3N4, шаруваті тверді розчини GeSxSe1–x, а також нанорозмірні кристаліти в окисненому пористому кремнії. Для визначення параметрів екситонних переходів проаналізовано спектри низькотемпературної фотолюмінесценції, виміряні при одному значенні температури. Енергія фононів визначалась зі спектрів як відстань між основним піком люмінесценції та першим фононним повторенням. Фактор екситон–фононної взаємодії знаходився з виразу:

, (3)

де N – фактор екситон–фононної взаємодії, m – номер фононного повторення (m = 0 відповідає нуль–фононній лінії), Im – інтенсивність m–го фононного повторення, I0 – інтенсивність нуль–фононної смуги люмінесценції.

Для розрахунку енергії зв’язку екситону було використано співідношення Фреліха–Хопфілда:

. (4)

Тут Eex та Eph – відповідно енергія зв’язку екситону та енергія фононів, ?0 та ?8 – низькочастотна та високочастотна діелектричні проникності, ? визначає відмінність фактору електрон–фононної взаємодії у випадку переходів з участю локального центру та екситону, ?~1.

Значення е0 та ?8 вираховувались у рамках моделі ефективного середовища, яке складалось із напівпровідника та оточуючого діелектрика. У випадку шаруватих структур GeSxSe1–x складовими ефективного середовища служили GeS та GeSe.

На основі проведених розрахунків показано, що у випадку поверхневої люмінесценції GaAs, вкритого діелектричним шаром, енергія зв’язку екситону приблизно в три рази більша, ніж в об’ємному матеріалі (9.45 меВ у випадку Si3N4 та 11.02 меВ у випадку Ge3N4, та 3.8 меВ для об’ємного GaAs), що пов’язується з діелектричним ефектом. Після ?–опромінення дозою 5·106–107 рад спостерігається часткова делокалізація та зменшення енергії зв’язку поверхневих екситонів завдяки деструктуруванню приповерхневої області. Визначено ширину області локалізації приповерхневих екситонів у GaAs, вкритому діелектричним шаром до та після ?–опромінення (рис. 3).

Для шаруватих структур GeSxSe1–x визначено залежність енергії зв’язку електронно–діркових пар на локальному центрі від складу твердого розчину. Шаруватість структур збільшується зі зменшенням величини x. Відповідно зростає енергія зв’язку пари від ~32 меВ для чистого GeS до ~57 меВ для GeSe, що пов’язано з посиленою взаємодією електрона та дірки на локальному центрі зі збільшенням шаруватості в системі.

У випадку нанорозмірних кремнієвих кристалів проаналізовано резонансно збуджені спектри екситонної фотолюмінесценції, виміряні при температурі 7 K (вставка рис. 4). Фактор екситон–фононної взаємодії було визначено рівним 3.54, енергію фононів – 54 меВ. Для оцінок долю кремнієвої фази в ефективному середовищі Si–SiO2 було вибрано 0.7. Енергія зв’язку екситону для такого випадку складає 87.6 меВ, що узгоджується з літературними даними, отриманими для пористого кремнію (від 60 до 150 меВ).

Отже, показано можливість застосування описаного підходу для знаходження параметрів екситонних переходів у нанорозмірних кристалах кремнію, фактор екситон–фононного зв’язку в яких суттєво перевищує одиницю. На основі даного підходу запропоновано простий та ефективний метод оцінки ширини забороненої зони та геометричних параметрів нанокристалів кремнію. Значення ширини забороненої зони визначається за формулою:

, (5)

де Eg, Eex та EPL – ширина забороненої зони, енергія зв’язку екситону та енергія максимуму нуль–фононної смуги люмінесценції. У випадку досліджуваних нанокристалів кремнію величина Eg складає 1.778 еВ, що узгоджується з величиною енергії резонансного збуджуючого лазерного випромінювання (1.772 еВ). Розмір кристалів визначається з залежності ширини забороненої зони кремнієвих нанокристалів від діаметра (рис. 4). На даному рисунку стрілка вказує на діаметр кристалів, що відповідає ширині забороненої зони 1.778 еВ. Він складає величину порядку 3.4 нм та узгоджується з розмірами нанокристалів, на яких проводились виміри фотолюмінесценції (від 2.5 до 6 нм).

У четвертому розділі проведено дослідження ймовірних механізмів гетерування в структурах на основі пористого кремнію. Розглянуто процеси гетерування платини, що мають місце при відпалі кремнієвих пластин з прихованими пористими шарами, створеними імплантацією атомів гелію. Показано, що видалення атомів “вузлової” платини в процесі гетеруючих відпалів при 700OC вимагає емісії з гетерного шару кремнієвих міжвузлових атомів та протікання механізму kick–out’у:

PtS + I PtI, (6)

де PtS – атом платини у вузловому положенні, I – міжвузловий атом кремнію, PtI – атом платини у міжвузловому положенні.

Запропоновано механізм такої емісії за рахунок перебудови поверхні пористого шару. Ця перебудова пов’язана з тенденцією зменшення площі поверхні і, таким чином, вільної енергії системи. Частина атомів кремнію, що рухаються по поверхні, може проникати в об’єм кремнію та мігрувати всередину пластини завдяки градієнту концентрації.

Структуру поверхні пористого кремнію математично можна представити наближеною функцією, яка складається з ряду просторових мод:

, (7)

де x, y – просторові координати, an, bn, цn, шn – коефіцієнти та фази різних мод. Характер емісії кремнієвих міжвузлових атомів з гетерного шару описується рядом спадаючих експонент:

, (8)

де початкові потоки та характерні часи ?i є різними для кожної просторової моди.

При апроксимації експериментальних даних з кінетики гетерування платини прихованими пористими шарами в кремнії теоретичними кривими, розрахованими в наближенні еволюції однієї просторової моди, визначено значення потоків міжвузлових атомів кремнію з гетерної області та характерний час затухання емісії міжвузлових атомів кремнію, який становить величину порядку кількох сотен секунд.

У цьому ж розділі досліджено механізми гетерування в структурах мультикристалічний кремній – пористий кремній – плівка алюмінію. Методом комп’ютерного моделювання прослідковано кінетику гетерування структурами на основі алюмінію та пористого кремнію з шаром алюмінію в мультикристалічному кремнії. Підвищена активність у видаленні домішкових атомів структурою пористий кремній – алюміній пов’язується, по–перше, з емісією кремнієвих міжвузлових атомів з області гетеру за рахунок сплощення поверхні пористого шару. Взаємодія з нерівноважними міжвузловими атомами кремнію призводить до вивільнення вузлової домішки та переведення її в рухливе міжвузлове положення, а також вивільнення атомів металу з глибоких центрів захоплення. З іншого боку, у процесі травлення пористого кремнію на поверхні створюється частково окиснений шар, збагачений воднем. При нагріванні такої поверхні в контакті з алюмінієм водень вивільняється, наприклад, шляхом наступної реакції:

SiO2 (…H, OH…) + 2Al ? Al2O3 + Si + 2H?. (9)

Атомарний водень може проникати в середину кремнієвої пластини та пасивувати мілкі центри в об’ємі пластини, що сповільнюють дифузію металевої домішки при гетеруванні за рахунок процесів її захоплення–звільнення.

При моделюванні процесів гетерування вплив потоків міжвузлового кремнію та атомарного водню з гетерної області досліджувались окремо. Порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними у випадку емісії міжвузлових атомів кремнію представлено на рис. 5. Для алюмінієвого гетеру розглядається термічно активоване звільнення атомів металу з глибоких пасток, у той час як у випадку гетеру пористий кремній – алюміній цей процес відбувається також за рахунок взаємодії атомів металу з кремнієвими міжвузловими атомами. З порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними при гетеруванні шаром алюмінію визначено енергію активації звільнення атомів металу з глибоких центрів захоплення ~3.3 еВ. За порядком величини це дорівнює енергії хімічного зв’язку в кремнії різних елементів, тобто глибокі пастки можуть бути віднесеними до кластерів або преципітатів, які домішкові атоми утворюють, наприклад, з киснем. Ці кластери руйнуються при взаємодії з кремнієвими міжвузловими атомами з вивільненням атомів домішки. Узгодження результатів розрахунків у випадку гетерування структурами пористий кремній – алюміній з експериментальними даними дозволяє визначити потік кремнієвих міжвузлових атомів з одиниці поверхні пористого шару, який становить величину порядку 2·1018·DI см–2·с–1, де DI – коефіцієнт дифузії міжвузлового кремнію.

На рис. 6 проведено порівняння між експериментальними даними та результатами розрахунків у випадку пасивації мілких центрів захоплення домішки атомарним воднем. Зіставляючи розраховані та експериментальні дані для випадку гетерування шаром алюмінію, визначено енергію активації звільнення домішки з мілкого центру захоплення ~0.1 еВ. Узгодження результатів розрахунків з експериментальними даними у випадку гетерування структурою пористий кремній – алюміній дозволило визначити дозу джерела водню – порядку 1.6·1012 см–2.

Спад ефективності гетерування при температурах відпалу >750–800OC пов’язується з формуванням кремній–кисневих преципітатів, що мають рекомбінаційну активність. Розглядається формування преципітатів критичного радіуса, кожен з яких вважається еквівалентним одному атому домішки. У випадку гетеру на основі пористого кремнію враховано наявність нерівноважних міжвузлових атомів кремнію, які призводять до збільшення критичного радіуса преципітатів та сповільнення їх утворення. Відношення прийнято рівним до 1 для алюмінієвого гетеру та 10 у випадку гетеру з пористим шаром. Тут та – наявна та рівноважна концентрації кремнієвих міжвузлових атомів у пластині. Концентрацію кисню було взято рівною 1018 см–3. Швидкість преципітації зростає з ростом температури відпалу, коли домінує температурне зростання коефіцієнта дифузії кисню. Це як раз має місце в області досліджуваних у даній роботі температур. У той же час кількість утворених преципітатів зменшується із зростанням концентрації кремнієвих міжвузлових атомів завдяки збільшенню критичного радіуса. Саме цим пояснено більшу величину довжини дифузії у випадку гетеру на основі пористого кремнію у порівнянні з гетером на основі алюмінію при температурах відпалів >750–800OC (рис. 5 та 6).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Основні результати представлено в роботах

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Саріков А. В. Дослідження механізмів формування та фізичних властивостей напівпровідникових структур з розвиненою поверхнею. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико–математичних наук за спеціальністю 01.04.07. – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено дослідженню механізмів формування напівпровідникових структур з розвиненою поверхнею, а також їх екситонних та гетерних характеристик. Розроблено нову модель формування пор у кремнії в процесі електрохімічного травлення, яка дозволяє відтворити ряд експериментально спостережених ефектів. Досліджено характер часової еволюції функції розподілу за радіусами нитковидних кристалів кремнію в залежності від лімітуючої стадії їх бічного росту. Показано, що визначальним фактором, що обумовлює експериментально спостережену еволюцію, є термодинамічні процеси вбудовування атомів кремнію в кристал. У рамках методу дослідження екситонних характеристик напівпровідників, що базується на аналізі спектрів люмінесценції, виміряних при одному значенні температури, показано збільшення приблизно в три рази енергії зв’язку екситона в приповерхневій області GaAs, вкритого шаром діелектрика. Показано застосовність даного підходу до дослідження екситонних характеристик нанорозмірних структур кремнію. Запропоновано простий метод визначення зонних та геометричних параметрів останніх. Запропоновано механізми, які обумовлюють ефективне гетерування в структурах мультикристалічний кремній – пористий кремній – шар алюмінію, а також спад