Библиографическое описание:

Ципенюк В. Н. Методы формирования пористого кремния с различным размером пор и его состав // Молодой ученый. — 2014. — №15. — С. 30-33.

В настоящее время ведется достаточно интенсивные исследования в области создания различных структур на основе пористого кремния (por-Si) для его практических применений. Пористый кремний, полученный на высоколегированных подложках кристаллического кремния перспективен для создания оптических волноводов и лавинных светодиодов [1,2], в то время как por-Si, полученный на подложках с сопротивлением 1–5 Ом•см, может использоваться для создания микроактюаторов, самоуничтожающихся кремниевых чипов, различных кремниевых мембран [3]. На исходных пластинах с более высоким сопротивлением создаются микрореакторы, микрорезонаторы, фотонные кристаллы [4,5]. Одной из перспективных возможностей использования пористого кремния является использование его в качестве чувствительного элемента в различных датчиках [6] а так же для обнаружения бактерий и других биологических объектов, направленной доставки лекарств в определенные органы и ткани [7].

В связи с этим достаточно большое количество современных научных работ посвящено исследованиям особенностей формирования различных структур на основе пористого кремния [8–11] и управления функциональными характеристиками исследуемого материала [12–14].

Образцы пористого кремния были получены в один день, их выдержка на атмосфере в лабораторных условиях составляла около месяца. Технологические параметры методик получения образцов представлены в таблице I. Образцам присвоен номер в соответствии с внутренним порядком их получения.

Растровые изображения сколов образцов были получены на электронном микроскопе компании JEOL — JSM 6380LV (Рис. 1 и 2). На Рис. 1 представлены изображения пористого кремния полученного на подложках марки КЭФ <100> (a — образец 3) и КЭФ <111> (b — образец 7) в спиртовом растворе плавиковой кислоты, а также пористого кремния полученного на подложках марки КЭФ <100> (c — образец 18) в растворе ДМФА-плавиковая кислота при одинаковом режиме травления.

Таблица 1

Режимы получения и характеристики исследуемых образцов por-Si

Маркировка образца

Исходная пластина, удельное сопротивление ρ, Ом•см

Состав травителя

Плотность тока и время травления

Размер пор по данным РЭМ, нм

3

КЭФ (100), 0.3

HF:C3H7OH:H2O2

15мин ~30мА/см2

50–100

7

КЭФ (111), 1.0

HF:C3H7OH:H2O2

15мин ~30мА/см2

50–100

18

КЭФ (100), 0.3

ДМФА:HF:H2O2

15мин ~30мА/см2

150–200

29

КЭФ (111), 10

HF:C3H7OH:H2O2

15мин

~50мА/см2

Менее 10

30

многослойный КДБ (111) p-/n

p-слой: 0.4

n-слой:

КЭФ (111), 10

HF:C3H7OH:H2O2

25мин

~30мА/см2

а) p-слой ~ 1000–2000

б) n слой под p слоем — поры различного диаметра. Мелкие меньше 30 нм, крупные до 2000 нм

Анализируя изображения, можно отметить, что ориентация подложки при небольшой разнице в легировании существенно влияет на морфологию порообразования, но слабо влияет на диаметр крупных вертикальных пор. Разница в морфологии состоит в появлении более мелких боковых пор в виде так называемых «ёлочек» в пористом кремнии, выращенном на подложках <111>. Образцы пористого кремния, полученные с использованием раствора ДМФА-плавиковая кислота, имеют больший средний диаметр вертикальных пор, чем в por-Si, полученном по стандартной методике при тех же технологических параметрах.

Рис. 1. РЭМ — изображения сколов образцов пористого кремния, полученного на подложке a) обр. № 3, b) обр. № 7, c) обр. № 18 (общий план — слева и крупный план справа)

На рис. 2 представлены образцы пористого кремния, полученные электрохимическим травлением пластины n- типа КЭФ <111> с сопротивлением 10 Ом•см. (a — образец 29) и пластины КЭФ <111>,10 Ом•см. с эпитаксиально нанесенным на нее p-слоем КДБ (111) 0,4 Ом•см (b — образец 30). Толщина пористого слоя образца 29 составляла ~ 30 мкм, в котором мы не обнаружили пор с размерами более 10 нм.

Рис. 2. РЭМ — изображения сколов образцов пористого кремния, полученного на подложке a) обр. № 29, b)обр. № 30 (общий план — слева и крупный план справа)

При этом образец проявил достаточно хорошие люминесцентные свойства, что в совокупности с типичной методикой получения пористого кремния позволило нам классифицировать его как нанопористый кремний. Из сравнения морфологии образца 29 с образцами 3 и 7, видно, что при травлении в приблизительно одинаковых технологических режимах, диаметр пор у высоко легированных образцов получается больше, чем у слабо легированных. Это вполне можно объяснить присутствием у первых гораздо большего количества примесных дефектов, способствующих образованию пор с размером 10–100 нм.

На РЭМ-изображениях сколов образца 30, сформированного на p/n переходе, со стороны пластины с p-слоем четко наблюдаются два пористых слоя с различным размером упорядоченных вертикальных макропор и граница раздела между ними. Толщина слоев составляет ~10 мкм для p-слоя и ~ 15 мкм для расположенного под ним слоя n-por-Si. Впоследствии часть p-слоя была механически удалена и были проведены исследования ИК как верхнего слоя (30-p), так и слоя под ним (30-n).

Для того чтобы получить данные о химических связях и их возможных деформациях на поверхности образцов por-Si были проведены исследования с использованием метода ИК-спектроскопии. ИК-спектры пропускания образцов пористого кремния были получены на ИК Фурье спектрометре Vertex 70 (Bruker) с использованием приставки для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

Рис. 5. ИК-спектры пропускания образцов пористого кремния различной пористости

На основе сравнения данных, полученных методом ИК-спектроскопии, с фотолюминесцентными характеристиками образцов отметить следующие закономерности: во-первых, на ИК-спектрах всех образцов, имеющих наиболее яркую фотолюминесценцию, в оптическом диапазоне в значительной степени выражена широкая полоса 600–700 см-1, с пиком в области 616 см-1, характерным для связей Si-Si. Для образцов с меньшей ФЛ эта полоса проявляется слабее и исчезает для образцов не обладающих ФЛ свойствами. Данную закономерность можно объяснить присутствием в образцах с яркой люминесценцией значительного количества нанокристаллов/кластеров кремния. Второй отличительной особенностью ИК-спектров образцов, обладающих яркой фотолюминесценцией, является наличие полосы поглощения Si-H связей в области (2100- 2140 см-1).

Учитывая то, что данные связи являются достаточно слабыми, они могут активно принимать участие в различных естественных или технологических поверхностных процессах, таких как окисление, карбонизация и т. п., приводящих к усилению или ослаблению люминесцентных свойств por-Si, что так же предполагает развитие возможностей управления функциональными характеристиками структур пористого кремния для нужд оптоэлектроники.

Литература:

1.      Бондаренко В. П., Яковцева В. А., Долгий Л. Н., Ворозов Н. Н., Казючиц Н. М., Цыбесков Л., Фуше Ф. // ПЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 17. C. 69–73.

2.      Лазарук С. К., Лешок А. А., Лабунов В. А., Борисенко В. Е. // ФТП. 2005. Т. 39. Вып. 1. C. 149–152.

3.      Горячев Д. Н., Беляков Л. В., Сресели О. М. // ФТП. 2010. Т. 44. Вып. 12. C. 1636–1639.

4.      Акципетров О. А., Долгова Т. В., Соболева И. В., Федянин А. А. // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 1. С. 150–152.

5.      Жарова Ю. А., Федулова Г. В., Астрова Е. В., Балдычева А. В., Толмачев В. А., Перова Т. С. // ФТП. 2011. Т. 45. Вып. 8. C. 1136–1143.

6.      Moshnikov V. A., Gracheva I., Lenshin A. S., Spivak Y. M., Anchkov M. G., Kuznetsov V. V., Jan M. Olchowik. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. V. 358. Issue 3. P. 590–595.

7.      C. RoyChaudhuri, S.Gangopadhyay, R.DevDas, S. K. Datta, H.Saha // International journal on smart sensing and intelligent systems, 2008, vol.1, № 3.

8.      Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Середин П. В., Минаков Д. А., Агапов Б. Л., Кузнецова М. А., Мошников В. А., Домашевская Э. П. // ФТП. 2012. Т. 46. № 8. С. 1101–1107.

9.      Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Голощапов Д. Л., Середин П. В., Полуместная К. А., Мараева Е. В., Солдатенко С. А., Юраков Ю. А., Домашевская Э. П. // Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 10. С. 1091.

10.  Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Турищев С. Ю., Смирнов М. С., Домашевская Э. П. // ЖТФ. 2012. Т. 82. № 2. С. 150–152.

11.  Kashkarov V., Nazarikov I., Lenshin A., Terekhov V., Turishchev S., Agapov B., Pankov K., Domashevskaya E. // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1557–1560.

12.  Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Агапов Б. Л., Турищев С. Ю., Домашевская Э. П. // ПЖТФ. 2009. Т. 35. № 17. С. 89–96.

13.  Соцкая Н. В., Долгих О. В., Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Котлярова Е. А., Макаров С. В. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. № 5. С. 643–652.

14.  Kashkarov V., Lenshin A., Agapov B., Turishchev S., Domashevskaya E. // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1656–1660.

Основные термины: пористого кремния, образцов пористого кремния, основе пористого кремния, Образцы пористого кремния, сколов образцов пористого, пропускания образцов пористого, формирования пористого кремния, изображения сколов образцов, использования пористого кремния, изображения пористого кремния, образцы пористого кремния, получения пористого кремния, пористого кремния различной, структур пористого кремния, свойства пористого кремния, Толщина пористого слоя, подложках кристаллического кремния, ИК-спектры пропускания образцов, подложках марки КЭФ, РЭМ — изображения сколов

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle