МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. І.І. Мечникова

ТIМОХОВ ДЕНИС ФЕДОРОВИЧ

УДК 621.315.592

СТРУКТУРНI I ЛЮМIНЕСЦЕНТНI ВЛАСТИВОСТI

ПОРУВАТОГО КРЕМНIЮ, ОТРИМАНОГО МЕТОДОМ

АНОДНОГО ЕЛЕКТРОХIМIЧНОГО ТРАВЛЕННЯ

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків

А В Т ОР Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному університеті ім. І. І. Мечникова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

СОЛОШЕНКО Віктор Іванович,

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова, доцент кафедри фізики

твердого тіла та твердотільної електроніки.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

КУРМАШОВ Шаміль Джамашович,

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова, директор експертного центру

сенсорной електроніки Одеського національного

університету ім. І. І.  Мечникова.

доктор технічних наук, професор

МОКРИЦЬКИЙ Вадим Анатолійович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри електронних засобів

інформаційно-комп’ютерних технологій.

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова

НАН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 27 ciчня 2006 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01 Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Пастера, 27, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного університету ім. І. І. Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий 20 грудня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Федчук О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення високоефективних світловипромінювальних приладів є важливим завданням на шляху розширення можливостей сучасної кремнієвої технології. У теперішній час найбільш перспективним матеріалом для створення ефективних джерел випромінювання на базі існуючої кремнієвої технології є поруватий кремній (ПК). Визначальною особливістю поруватого кремнію щодо кристалічного кремнію є зсув краю фундаментального поглинання світла в короткохвильовий бік і наявність червоно– оранжової електро– і фотолюмінесценції, а також синьо-блакитної фотолюмінесценції. У зв’язку з цим, велику кількість наукових робіт спрямовано на дослідження фізико-хімічних властивостей цього матеріалу, а також на розвиток технологій його отримання. Вивчаються можливості створення різноманітних енергетичних бар’єрів на основі поруватого кремнію, а також потенційні можливості застосування цього матеріалу для створення світлодіодів, газових і біологічних сенсорів. Проте поруватий кремній досі залишається недостатньо дослідженим і єдиної несуперечливої моделі, що пояснює причини появлення у ньому фото- і електролюмінесценції не існує.

Припускається, що випромінювання формується в наноструктурах (нитках і кластерах) кремнію, електронний спектр яких є модифікованим за рахунок квантово-розмірного ефекту. Не існує також і загальноприйнятої моделі, що пояснює формування шарів поруватого кремнію під час анодного електрохімічного травлення.

У представленій роботі узагальнено результати досліджень структурних і люмінесцентних властивостей поруватого кремнію, отриманого методом анодного електрохімічного травлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла та твердотільної електроніки Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова в рамках науково–дослідної теми “Дослiдження впливу кристалiчної орієнтацiї пiдкладки та додаткових обробок на фотолюмiнесценцiю поруватого кремнiю”, (реєстраційний № 0103Y003781).

В межах цієї тематики автором на пластинах кристалічного кремнію отримані шари поруватого кремнію і проведено електрофізичні і оптичні дослідження властивостей сендвіч-структур Al/ПК-(c-Si)/Al.

Метою дисертаційної роботи є дослідження механізму фото- і електролюмінесценції, квантової ефективності і стабільності люмінесценції поруватого кремнію. Це включає: вплив кристалографічної орієнтації монокристалічного кремнію на квантовий вихід фотолюмінесценції поруватого кремнію в процесі анодизації; вивчення механізму струмопереносу; вивчення механізму генерації і випромінювальної рекомбінації, особливостей характеристик електролюмінесценції, а також впливу рівня інжекції носіїв заряду на її квантовий вихід.

Для реалізації поставленої мети необхідно було вирішити такі експериментальні та теоретичні проблеми:

1.

2.

3.

4.

5.

Комплексність досліджень забеспечувалась завдяки використанню різноманітних сучасних методик для одержання інформації про вплив мікроструктури і морфології поруватого кремнію на його електрофізичні і оптичні властивості.

Об'єктом дослідження є процеси люмінесценції, електропровідності і фотопровідності в шарах поруватого кремнію, отриманого методом анодного електрохімічного травлення.

Предметом дослідження є шари поруватого кремнію, що отримані за тим же методом.

Методи досліджения. Закономірності формування шарів поруватого кремнію у процесі анодизації на пластинах кремнію із різним рівнем легування і кристалографічною орієнтацією вивчались фотолюмінесцентними методами. Характерні розміри кластерів кремнію досліджуваних зразків розраховувались на основі модифікованої методики шляхом апроксимації експериментальних спектрів гауссіаном. Вплив структури поруватого кремнію на механізми струмопереносу в сендвіч-структурах Al/ПК–(c-Si)/Al досліджувався за допомогою аналізу вольт-фарадних характеристик, вольт-амперних характеристик прямого і зворотнього струмів в інтервалі температур 77-500 К, а також вольт-амперних характеристик і спектрів фотоструму. Для з’ясування механізму електролюмінесценції вивчались її характеристики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Практичне значення одержаних результатів:

1.

2.

3.

4.

5.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблено методику отримання люмінесцуючого поруватого кремнію. Проведено розрахунки середніх діаметрів кластерів кремнію по спектрам фотолюмінесценції [2, 4, 10, 12, 15]. Проведено дослідження довготривалої деградації фотолюмінесценції поруватого кремнію і сформовано уявлення про її механізм [15]. В роботах [1, 3, 5-9, 11, 13, 14] проведено вимірювання електричних, фотоелектричних і люмінесцентних характеристик сендвіч-структур Al/ПК–(с-Si)/Al, а також розрахунки ємнісних вимірювань, лавинного помноження носіїв заряду і параметрів структури. Три з 15 робіт із переліку публікацій основних результатів дисертації [4, 12, 15] виконано самостійно. У роботах, виконаних у співавторстві [1, 2, 3-11, 13, 14], здобувачеві належить обговорення поставленої задачі, розробка методики досліджень, здійснення чисельних розрахунків, їх аналіз і формулювання основних висновків.

Апробація результатів. Основні положення та результати дослідження, які представлені в дисертаційній роботі, докладалися та обговорювалися на семінарах кафедри фізики твердого тіла та твердотільної електроніки, а також кафедри теоретичної фізики ОНУ ім. І.І. Мечникова та на таких міжнародних конференціях:

- на Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА у Львові (2001 рік);

- на 2-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні і електронні технології” в Одесі (2001 рік);

- на 1-й Всеукраїнській науковій конференції з фізики напівпровідників в Одесі (2002 рік);

- на 3-й Міжнародній конференції молодих учених “Problems of Optics and Highg Technology Material Science” в Києві (2002 рік);

- на конференції молодих учених та аспірантів ІЕФ–2003 в Ужгороді (2003 рік);

- на 4-й Міжнародній конференції молодих учених “Problems of Optics and Highg Technology Material Science SPO 2003” в Києві (2003 рік);

- На 2-му Міжнародному симпозіумі “Nano and Giga Challenges in Microelectronics” у Кракові (2004 рік).

- на конференції молодих учених і аспірантів ІЕФ –2005 в Ужгороді (2005 рік);

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт: серед яких 6 статей в наукових журналах та 9 тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури (140 найменувань). Робота викладена на 126 сторінках, містить 36 рисунків та 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи і публікації автора, а також про особистий внесок дисертанта.

Першій розділ присвячений огляду літератури за темою дослідження. Розглянуто технологічні особливості одержання шарів поруватого кремнію різними методами. Проведено порівняльний аналіз цих методів. Відзначено, що структурна досконалість шарів поруватого кремнію і добре відтворювання досягаються при використанні метода анодного електрохімічного травлення. Розглянуто основні характеристики шарів поруватого кремнію, отриманих методом електрохімічного травлення. Встановлено, що цей метод дозволяє варіювати морфологію і товщину шарів поруватого кремнію, а також його фізико-хімічні властивості у широких межах.Розглянуто фотолюмінесцентні властивості поруватого кремнію, а також існуючі моделі, що описують виникнення фотолюмінесценції в нанокристалітах кремнію.

Проведений аналіз літературних даних свідчить про відсутність повної і однозначної інтерпретації фізико-хімічних процесів, що визначають електрофізичні і люмінесцентні властивості шарів поруватого кремнію і структур на його основі. Наприкінці розділу наведено стислі висновки з огляду літератури.

У другому розділі описано технологію отримання люмінесцуючих шарів поруватого кремнію і структур на його основі, а також методики дослідження електрофізичних та оптичних властивостей зразків. Проведено аналіз величин похибки електричних, фотоелектричних, фото- і електролюмінесцентних вимірювань. Для виготовлення зразків поруватого кремнію використовувались кремнієві пластини марки 100-2ВК ЕКДБ (111) і (100) і 100-2ВК КЕФ (111) товщиною 450 мкм із питомим опором 0,005 Ом·см, 0,03 Ом·см и 10 Ом·см. Шари поруватого кремнію виготовлялися електрохімічним травленням у розчинах плавікової кислоти HF (49 %):C2H5OH = 1:1 і HF(49 %):C2H5OH:H2O = 1:2:1 по об’єму.

Для вивчення електрофізичних та оптичних властивостей шарів поруватого кремнію були створені сендвіч-структури Al/ПК–(c-Si)/Al. Фронтальний контакт формувався напиленням у вакуумі алюмінієвого шару під гострим кутом (3–5°) на поверхню поруватого кремнію заради виключення електричних закороток із-за проникнення метала у пори. Тиловий омічний контакт до кремнієвої підкладки створювали випаровуванням шару алюмінію із послідуючим відпалом при температурі 776 К впродовж години. У даній роботі аналізуються експериментальні результати у рамках моделі, що не враховує виникнення бар’єру Шотткі Al/ПК. Вимірювання вольт-амперних характеристик досліджуваних структур із напиленими плівками Al, що нанесені як на товсті, так і тонкі шари ПК, не показали виявлення бар’єру Шотткі Al/ПК. У роботі підібрані такі режими осадження, при яких метал осаджується тільки на поверхневі квантово-розмірні нанокристаліти і не потрапляє при цьому на дно пор і не проникає глибоко в них.

Як випливає з аналізу вольт-фарадних характеристик для тонких шарів ПК перехід між шарами ПК и c-Si квазірізкий. У товстих шарах ємність слабо залежить від прикладеного напруження. Причина слабкого змінення ємності в товстих шарах (d > 10 мкм) пов’язується з утворенням розмитості гетеромежі між ПК і с-Si та утворенням компенсованого перехідного шару в процесі анодного травлення кремнію. Експериментально отримані залежності ємності структур від прикладеного постійного зміщення, товщини шару ПК на частоті 1 МГц добре погоджуються із розрахунковими, якщо врахувати, що ємність структури (C) включає дві послідовно з’єднані ємності — геометричну ємність шару поруватого кремнію (CPS) і ємність потенціального бар’єру гетеромежі ПК–(с-Si) (CГ). Концентрація електронів в квазінейтральній області ПК, яка визначалась із C-V характеристик, в різних зразках складала (1?5)·1015 см-3. При напрузі 4–30 В на ряді зразків спостерігалось різке зростання струму. Зниження температури призводить до деякого зменшення напруги пробою. При досягненні напруги пробою відбувається помноження фотоструму і з’являється рекомбінаційне випромінювання.

Залежність ємності структури від товщини поруватого шару, виміряна при постійному зворотному зміщенні – 2В зображена на рис. 1. Там же показано розрахункові величини C, Cps і CГ. При розрахунках припускали, що , де еPS і еSi — діелектричні сталі ПК і с-Si, відповідно; е0 — діелектрична стала вакууму; Nd — концентрація донорів; Vб — викривлення зон. Використано такі значення S = 4 мм2; еps=1,6; еSi=12; Nd=2•1021м-3; Vб=0,35 В; V= –2В.

Спектральні залежності ФЛ зразків ПК отримано за допомогою кварцевого монохроматора СФ–4, фотоелектронного помножувача ФЕП–79, селективного підсилювача У2–8 і самозаписувача Н–307 при початковому збудженні азотним лазером ІЛГІ–501 (довжина хвилі 337 нм, тривалість імпульсу 10 нс, частота повторення 50 Гц, середня потужність 3 мВт).

Обробка спектрів фотолюмінесценції здійснювалась на ЕОМ. Отримані спектри за допомогою програми, апроксимувались гауссіаном для розрахунку розмірів нанорозмірних кластерів кремнію. Ця програма дозволяє підбирати оптимальні параметри (діаметр кластерів і дисперсію) теоретичної кривої.

Третій розділ присвячено опису і аналізу результатів експериментальних досліджень впливу кристалографічної орієнтації підкладки на фотолюмінесцентні властивості поруватого кремнію, який утворюється в процесі анодизації. Спектри фотолюмінесценції для всіх зразків мали характерну гауcсоподібну форму з одним максимумом. Вивчено явище довготривалої деградації фотолюмінесценції поруватого кремнію при зберіганні на відкритому повітрі.

Для визначення впливу зміни параметрів анодизації на квантовий вихід ФЛ зразків ПК з різною кристалографічною орієнтацією підкладки досліджено залежності інтенсивностей ФЛ від часу травлення (рис. ) і густини струму (рис. ). Було з’ясовано, що при орієнтації підкладки (111) інтенсивність фотолюмінесценції зростає при збільшенні часу травлення до 40 хвилин (рис. ). При орієнтації підкладки (100) фотолюмінесценція досягає максимальної інтенсивності раніше, проте зменшується різко. Схожий ефект спостерігається і при зміні густини струму. В цьому випадку максимальній інтенсивності фотолюмінесценції відповідає максимальне зміщення піку в короткохвильовий бік. Отримані результати можна пояснити зміною характерних розмірів кластерів кремнію, пов’язаних з параметрами анодизації.

За розрахованими даними було побудовано залежності характерного розміру кластерів кремнію в зразках ПК від часу анодизації (рис.4) і густини анодного струму (рис.5). Як видно із зазначених залежностей для зразків ПК, отриманих на підкладці з кристалографічною орієнтацією (100), відбувається зростання характерного розміру кластерів зі збільшенням як часу травлення, так і густини струму. Для зразків ПК, отриманих на підкладці з кристалографічною орієнтацією (111), спостерігається зворотна картина, а саме зменшення характерного розміру кластерів при збільшенні варійованих параметрів.

Детальний аналіз отриманих експериментальних і теоретичних даних дає змогу описати механізм утворення шарів ПК на підкладках з кристалографічною орієнтацією (111) і (100) у процесі анодизації. Добре відомо, що рідинне травлення кремнію травниками, основним компонентом яких є плавикова кислота, – анізотропне. Швидкість хімічної реакції рідкого травника і твердого тіла залежить від кристалографічного напрямку. Вона мінімальна в напрямку [111], оскільки в перпендикулярній йому площині (111) максимальна густина атомів. Площина (100) характеризується значно меншою густиною атомів і швидкість реакцій у напрямку [100] у 10–15 разів більша.

У випадку кристалічного кремнію з орієнтацією (111) процес росту пор углиб кремнієвої підкладки сповільнюється тим, що напрямок [111], перпендикулярний до поверхні підкладки, відповідає найменшій швидкості реакції. У зв’язку з цим зростаючі пори вибирають напрямки, розташовані під кутом до прикладеного поля. Фронт травлення у даному випадку просувається повільно вглиб підкладки. При цьому значна частина енергії процесу травлення витрачається на протравлювання утворених квантових ниток, що призводить до їх подрібнення і, відповідно, до збільшення кількості кластерів меншого розміру. Через це інтенсивність ФЛ зразків ПК, отриманих на підкладках з орієнтацією (111), зростає як при збільшенні часу травлення, так і при збільшенні густини анодного струму.

Йнша картина формування поруватих шарів спостерігається на підкладках з кристалографічною орієнтацією (100). Фронт травлення кристалічного кремнію просувається вглиб підкладки значно швидше, оскільки напрямку [100], перпендикулярному поверхні підкладки, відповідає максимальна швидкість травлення. При цьому процес протравлювання міжпорових простінків обмежено тим, що він відбувається у напрямках яким притаманна менша швидкість реакції. Водночас зі збільшенням пор, продовжується рекристалізація кремнію з розчину на всій поверхні ПК, у тому числі й на внутрішній поверхні пор. Високий питомий опір міжпорових простінків і кластерів Si, адсорбованих на них, обумовлений квантово-розмірними ефектами і призводить до підвищення стійкості стінок пор до розчинення і локалізації електрохімічного процесу на дні пор. Внаслідок цього утворюються глибокі пори з малим діаметром, дифузійні процеси в яких сповільнюються. Отже, процеси відведення продуктів реакції з виникаючих пор і надходження до них свіжого розчину сповільнюються. В результаті травник виснажується, перенасичується кремнієм, що призводить до переважання процесу рекристалізації кремнію з розчину над процесом розтравлення і поглиблення пор. Подальше збільшення як тривалості травлення, так і густини анодного струму призводить до збільшення середнього діаметру кластерів кремнію Це, в свою чергу, обумовлює зменшення інтенсивності ФЛ і зміщення максимуму ФЛ в довгохвильовий бік.

У роботі також досліджувалась довготривала деградація фотолюмінесценції шарів поруватого кремнію, отриманих методом анодного електрохімічного травлення. З цією метою були виготовлені дві серіі ідентичних зразків на кремнієвих підкладках ЕКДБ (111) і ЕКДБ (100) товщиною 450 мкм. При виготовленні зразків варіювались два параметри анодизації – час травлення і густина анодного струму. Свіжоприготовані зразки висушувались і витримувались впродовж одного тижня на відкритому повітрі, після чого на автоматизованій установці знімались їх спектри фотолюмінесценції. По отриманим спектрам фотолюмінесценції було розраховано середні діаметри кластерів зразків поруватого кремнію. Далі зразки зберігалися на відкритому повітрі впродовж одного року, після чого знов було отримано спектри фотолюмінесценції і розраховано середні діаметри кластерів зразків поруватого кремнію. При порівнянні цих спектрів з раніш отриманими, виявлено збільшення інтенсивності фотолюмінесценції усіх зразків, а також зсув максимумів фотолюмінесценції в короткохвильовий бік. Середні діаметри кластерів кремнію всіх зразків виявились меншими за розмірами ніж в попередньому експерименті. Зміна спектрів фотолюмінесценції і зменшення середніх діаметрів нанокластерів зразків поруватого кремнію зв’язується з хімічними процесами, що відбуваються на розвиненій поруватій поверхні за участю атмосферного кисню.

У четвертому розділі досліджуються процеси генерації і рекомбінації носіїв заряду в сендвіч-структурах Al/ПК–(c-Si)/Al. Описано фотоелектричні властивості структур, механізм струмопереносу і випромінювальна рекомбинація електронів і дірок і деякі явища, що спостерігаються у структурах.

Спектри фотоструму досліджених зразків в залежності від величини і полярності прикладеної напруги виявили їх складний характер. Виявлено інверсію знаку фото-ЕРС.

Визначення параметрів структури ПК проведено фотоелектричним методом при використанні теоретичної моделі фоточутливості гетеропереходу ПК–(c-Si) на основі низькорозмірного ПК. Якісна енергетична діаграма досліджуваної гетероструктури, отримана із аналізу вольтфарадних характеристик, спектрів фотоструму, вольтамперних характеристик (ВАХ) фото- і темнової провідності та їхніх температурних залежностей показана на рис. 6.

Аналіз спектрів фотоструму засвідчив, що ширину забороненої зони ПК в околиці гетеромежі можна визначити за залежністю фотоструму короткого замикання структури від енергії фотона у разі падіння на неї світлового потоку, паралельно до площини гетеромежі рис. 6 (поперечна геометрія). Точність визначення ширини забороненої зони розвиненим методом не гірша, ніж по спектрам поглинання. Спектральний розподіл фотоструму має вид широкої смуги в інтервалі енергій фотонів від 1,3 до 3,2 еВ. Нерівноважні носії заряду генеруються у ПК.

Шар поруватого кремнію веде себе як широкозонний напівпровідник, чутливий до видимого світла. Різниця в поглинанні світла ПК і звичайним кристалічним кремнієм в тому, що пори в ПК можуть відігравати роль світловодів. Світло, потрапивши в пору, після багаторазового внутрішнього відбивання від стінок пори, проникає усередину ПК. За рахунок цього, ПК сильніше поглинає світло, ніж звичайний кристалічний кремній. Завдяки цьому він є перспективним для створювання фотоприймачів на його основі.

Показано можливість визначення середнього діаметру квантових ниток. Так для ефективної ширини забороненої зони 2,52 эВ в околиці гетеромежі діаметр квантових ниток буде 21 A. При травленні ПК перетин квантової нитки може мінятися углиб зразка, отже, ПК є варізонною структурою.

Визначена експериментально методом зворотньозміщеного фотоструму дифузійна довжина Lp у різних зразках складала від 0,15 до 0,65 мкм. При цьому із отриманого виразу для фотоструму (при освітленні гетеропереходу вздовж площини переходу) показано можливість безпосереднього визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в структурах.

де в – коефіцієнт збирання носіїв заряду; Ф – потік фотонів, квант/см2·с; R – коефіцієнт відбивання напівпровідника; d – довжина освітленої грані гетеромежі ПК–(с-Si) вздовж площини переходу; Lp – дифузійна довжина дірок.

Досліджено механізм струмопереносу носіїв заряду в структурах ПК в інтервалі температур від 77 до 500 К. Темновий струм практично не залежить від температури до 240 К. ВАХ при низьких температурах має вигляд I = I0eбU , де ? мало змінюється із температурою. Величина I0(T) слабко залежить від температури приблизно до 240 К. Такого типу вольтамперні характеристики властиві струмам, пов’язаним із тунелюванням крізь потенціальний бар’єр (рис. 6.). Зростання струму у області температур понад 240 К можна зв’язати зі зміною механізму перенесення носіїв заряду із тунельного проходження крізь потенціальний бар’єр у термоактиваційний струм. Температурна залежність струму має вигляд I = I0 e -ДE/kT , де ДE = 0,25 еВ, що можна пояснити впливом заряду, захопленого на пастки.

Потенціальний бар’єр, що виникає за рахунок розриву зон, долається тунелюванням. Густина тунельного струму крізь бар’єр j = j0 e -б/Е0, де б = 4/3((m*)1/2/eh)ц03/2, ц0 – величина розриву C – зони, Е0 – середняя напруженість поля в області тунелювання, яка залежить від ширини й висоти потенціального бар’єру.

У деяких структурах на прямій гілці ВАХ спостерігалось різке зростання струму. Зниження температури призводить до зменшення напруги пробою. При досягненні напруги пробою починається лавинне помноження фотоструму і виникнення рекомбінаційного випромінювання, що свідчить про генерацію неосновних носіїв заряду. Виявлено інверсію знаку фото-ЕРС. З урахуванням енергетичної діаграми (рис. 7) інверсію знаку фото–ЕРС можна пояснити таким чином: при енергії фотонів більш ніж 2,52 еВ потенціал (c-Si)–? шару вище ніж потенціал ПК–? – бар’єру, що знаходиться усередині поруватого шару. При енергіях падаючих фотонів менш ніж 2,52 еВ поруватий шар набуває негативний потенціал. Полярність фото–ЕРС, що спостерігається, може бути пояснена асиметрією переходів внаслідок градієнтної пористості отриманих зразків.

Заради з’ясування характеристик лавинного помноження носіїв заряду в ПК досліджені ВАХ темнового струму і фотоструму в сендвіч-структурах Al/ПК–?–(c-Si)/Al. ВАХ структур в передпробійному режимі мали вид, притаманний струмам, обмеженим об’ємним зарядом або зв’язаним з тунелюванням крізь потенціальний бар’єр. Потенціальний бар’єр, що виникає за рахунок розриву зон (величиною 0,2–0,6 еВ) для наших структур при напрузі 3-10 В, долається тунелюванням. З урахуванням того, що помноження починається електронами, коефіцієнт помноження М дорівнює:

Інтерпретація цього явища в даних структурах показала, що у темновому стані в область помноження інжектуються лише електрони. При освітленні квантами світла із області власного поглинання поруватого кремнію помноження ініціюється електронами, що народжуються в ?–шарі товщиною L і дірками, що генеруються в шарі L+Lp, де Lp – дифузійна довжина дірок в ПК, причому Lp >>L. Тому, при невеликих значеннях коефіцієнта помноження в одних і тих же структурах можна досліджувати окремо для електронів і дірок залежності коефіцієнтів ударної іонізації від напруженості поля, температури і інших зовнішніх умов.

Експериментально отримана залежність коефіцієнта ударної іонізації від напруженості поля відповідає дифузійному механізму розігріву електронів в ПК до Ei = 2,4 эВ (поріг іонізації). Довжина вільного пробігу гарячих електронів при розсіюванні на оптичних фононах li= 50 Е. Відмінність значень ефективних коефіцієнтів помноження незначне, причому ?n>бp.

Велику увагу в даній роботі присвячено дослідженню характеристик і побудові механізму електролюмінесценції поруватого кремнію. Електролюмінесценція спостерігається у видимій ділянці оптичного спектру і пов’язана зі структурними властивостями поруватого кремнію.

В структурах Al/ПК–?(c-Si)/Al дірки генеруються внаслідок ударної іонізації в високоомному ?–шарі і рекомбінують з електронами у поруватому кремнії (рис. 7). Інжектуємий електрон попадає у область сильного поля (перехід 1–2), набирає енергію, достатню для ударної іонізації використаного напівпровідника і в результаті утворюється пара електрон–дірка (перехід 2–3). Наявність сильного тягнучого поля в переході призводить до розділення електронів і дірок. Дірки витягуються в поруватий кремній (перехід 2–4), де випромінювально рекомбінують з електронами.

Досягнення ефективної інжекції неосновних носіїв заряду дозволяє отримати максимальну внутрішню і зовнішню квантову ефективність джерела оптичного випромінювання при заданих параметрах напівпровідника. В дослідженій структурі при достатньо високій густині струму, котра може бути розрахована для кожного конкретного випадку, досягаються значення коефіцієнта інжекції неосновних носіїв, які незначно відрізняються від одиниці.

Величина внутрішнього квантового виходу електролюмінесценції досліджених структур може бути представлена у виді

де зr – квантовий вихід випромінювальної рекомбінації дірок в ПК,

зi – коефіцієнт посилення компенсованого шару,

Мn – коефіцієнт помноження для електронів.

Для досягнення великих значень квантового виходу випромінювання даних структур необхідно створити сильні поля у компенсованому шарі при допустимих густинах струму. При наявності контакту, ефективно інжектуючого електрони, напрузі 5 В в ?–шарі відповідає струм, обмежений об’ємним зарядом, густина якого більш ніж 104 А/см2. В досліджених структурах величина струмів суттєво нижча. Це пояснюється наявністю бар’єра на межі ПК–?–шар. Якщо межа ПК–?–переходу достатньо різка, то виникає розрив С–зони, в результаті чого зменшується струм, обумовлений електронами. Другою причиною зменшення струмів, обмежених об’ємним зарядом в компенсоваваному шарі може бути захоплення електронів на глибокі рівні.

Визначною особливість характеристик ЕЛ даних структур є її пороговий характер. Пороговій напрузі розгорання електролюмінесценції відповідає ділянка лавинного пробою на вольт-амперній характеристиці. При високих густинах струмів, коли спостерігається випромінювання, ВАХ має вид, характерний для подвійної інжекції:

де U – прикладена до гетеропереходу напруга, n=2ч3, В – розмірний параметр.

Різкість пробою даних структур підсилюється також генерацією дірок у поруватому кремнії за рахунок перепоглинання люмінесцентного випромінювання. Народжені за рахунок перепоглинання світла дірки беруть участь у лавинному процесі. Перепоглинання знижує необхідне для пробою значення напруженості поля.

Інтенсивність випромінювання пропорційна дірковому струму на ?ПК межі, так що

ВИСНОВКИ

Найбільш важливими результатами і висновками, отриманими в дисертації, є:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

АНОТАЦІЯ

Тімохов Д.Ф. Структурні і люмінесцентні властивості поруватого кремнію, отриманого методом анодного електрохімічного травлення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків. – Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, Одеса, 2006.

Виявлено ефект впливу кристалографічної орієнтації кремнію на квантовий вихід фотолюмінесценції поруватого кремнію (ПК) в процесі анодизації. Запропоновано модель, що пояснює відмінність залежностей розмірів нанокластерів від умов травлення для зразків ПК із різною кристалографічною орієнтацією вихідної підкладки.

Розроблено напів’якісну теоретичну модель фоточутливості гетеропереходу ПК–(c-Si) на основі низькорозмірного ПК. Фотоелектричним методом визначено ширину забороненої зони, дифузійну довжину неосновних носіїв заряду і показана можливість визначення середнього діаметру квантових ниток. Вивчено механізм струмоперенесення і фоточутливість сендвіч-структур Al/ПК–(c-Si)/Al. Можлива зміна механізму струмоперенесення із тунельного струму в термоактиваційний. Інверсія знаку фото-ЕРС пояснено варізонністю ПК i наявністю гетеромежі ПК–(c-Si).

Виявлено явище лавинного помноження носіїв заряду в ПК. Встановлено, що механізм ударної іонізації дифузійний і визначено її параметри.

Встановлено механізм електролюмінесценції в структурах ПК–н–(c-Si). Досліджено основні характеристики електролюмінесценції, а також вплив рівня інжекції носіїв заряду на її квантовий вихід.

Ключові слова: поруватий кремній, квантова нитка, гетероперехід, електролюмінесценція, лавинне помноження, квантовий вихід.

АННОТАЦИЯ

Тимохов Д.Ф. Структурные и люминесцентные свойства пористого кремния, полученного методом анодного электрохимического травления. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 – физика полупроводников и диэлектриков. – Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, Одесса, .

Обнаружен эффект влияния кристаллографической ориентации кремния на квантовый выход фотолюминесценции пористого кремния (ПК) в процессе анодизации. Предложена модель, объясняющая различие зависимостей размеров нанокластеров от условий травления для образцов ПК с разной кристаллографической ориентацией исходной подложки.

Разработана полукачественная теоретическая модель фоточувствительности гетероперехода ПК–(c-Si) на основе низкоразмерного ПК. Фотоэлектрическим методом определены ширина запрещенной зоны, диффузионная длина неосновных носителей заряда и показана возможность определения среднего диаметра квантовых нитей. Изучен механизм токопереноса и фоточувствительности сэндвич-структур Al/ПК–(c-Si)/Al. Возможна смена механизма токопереноса из тунельного тока в термоактивационный. Инверсия знака фото-ЭДС объяснена варизонностью ПК и наличием гетерограницы ПК–(c-Si).

Обнаружено явление лавинного умножения носителей заряда в ПК. Установлено, что механизм ударной ионизации диффузионный и определены ее параметры.

Установлен механизм в структурах ПК–н–(c-Si). Изучены основные характеристики электролюминесценции, а также влияние уровня инжекции носителей заряда на ее квантовый выход.

Ключевые слова: пористый кремний, квантовая нить, гетеропереход, электролюминесценция, лавинное умножение, квантовый выход.

SUMMARY

Timokhov D.F. Structural and luminescent properties of porous silicon obtained by method of the anodic electrochemical etching. – Manuscript.

Thesis for a candidates sciences degree in physical and mathematical sciences in speciality 01.04.10 – physics of semiconductors and dielectrics. – I.I. Mechnikov National University of Odessa, Odessa, 2006.

The effect of influence of bulk silicon crystallografic orientation on photoluminescence quantum output of porous silicon (PS) in the anodization process has been discovered. The photoluminescence spectra for all PS samples have characteristic gausslike form with one peak in the visible spectral range. The dependences of intensity and peaks position of photoluminescence spectra of porous silicon layers on time and anodic current density have been received. It is shown, that varying anodization duration and anodic current density for silicon substrates with crystallografic orientations (111) and (100) it is possible to change the peaks position of photoluminescence spectra of PS layers, and its quantum output widely enough. On the basis of the advanced technique the silicon nanocluster sizes of the investigated layers of porous silicon have been measured. For the samples, received on substrates with different crystallografic orientation, sizes of the formed clusters depend differently on etching conditions. The offered model explains the specified distinctions.

The phenomenon of photoluminescence long-term degradation of porous silicon layers, received on substrates with various crystallografic orientation, have been investigated at long storage in open air. The correlation between the characteristic sizes of microstructure of porous silicon and its photoluminescent properties has been established during storage in open