ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 12, с. 63-67
УДК 621.385
ОТЕШТЫ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА И МОРФОЛОГИЯ НАНОКРИСТАЛЛИТОВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
НА ПЛАСТИНАХ ^-ТИПА
© 2014 г. С. Л. Хрипко
Классический приватный университет, 69002 Киев, Украина E-mail: Serg_992000@mail.ru Поступила в редакцию 27.02.2014 г.
Исследованы спектры комбинационного рассеяния света в пористом р-- ир+-кремнии с пористостью 20—70%, на основании которых сделаны выводы о морфологии нанокристаллитов кремния. Показано, что их размер и форма зависят от степени легирования образца. Кристаллиты представляют собой нанонити диаметром 6—9 нм или наносферы диаметром 3—5 нм. Увеличение пористости ведет к уширению спектральных линий и их коротковолновому сдвигу.
DOI: 10.7868/S0207352814120142
ВВЕДЕНИЕ
Открытие в 1990 году видимой люминесценции пористого кремния стимулировало огромный интерес к этому материалу [1]. Пористый кремний широко исследуется различными методами [2—16], но, несмотря на это, сейчас нет точного ответа на вопрос о природе видимой люминесценции в пористом кремнии. Существуют две модели: первая объясняет возникновение люминесценции квантовыми размерными эффектами в системах кремниевых кристаллитов нитевидной или сферической формы, вторая — наличием химических соединений кремния с водородом и кислородом [17]. Нами был выбран метод рама-новского комбинационного рассеяния, который может предоставить важную информацию о микроструктуре пористого кремния и характерных размерах кристаллитов. Спектр рамановского рассеяния монокристаллического кремния при комнатной температуре состоит из одной линии на частоте оптического фонона ю0 = 520.5 см-1, с полушириной Г0 = 4 см-1. Рамановский спектр аморфного кремния имеет широкую линию с максимумом, который сдвинут от ю0 в сторону низких частот. Форма линии рамановского спектра в аморфном кремнии отображает плотность состояний фононов. В квантовых нитях характерное значение фононной частоты сдвигается от точки Г в пространстве импульсов. Для кремниевых систем, которые состоят из квантовых нитей диаметром 2 нм, величина сдвига составляет приблизительно 5 см-1 [18]. В литературе сообщается преимущественно о результатах исследований пористого кремния на пластинах кремния с ориентацией поверхности (100) [18-20].
Цель работы заключается в исследовании спектров рамановского рассеяния образцов пористого кремния с разной пористостью, которые были получены с использованием высоко- и низколегированных кремниевых пластин с ориентацией поверхности (111).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Слои пористого кремния были получены с помощью анодного травления монокристаллического кремния, легированного бором, с удельным сопротивлением 0.01 Ом • см (1019 см-3) и 10 Ом • см (1.5 х 1015 см-3) и с ориентацией поверхности (111). В раствор плавиковой кислоты добавлялся этиловый спирт, концентрация HF изменялась от 20 до 50%. Анодное травление проводили при плотности тока 40 мА/см2. Толщина слоя пористого кремния измерялась на микроинтерферометре МИИ-4 и составила 5-8 мкм. Пористость пленок кремния определялась как отношение объема пор к общему объему пористого кремния по методике [21] и составила 20-75% с точностью 2%. Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) монокристаллического кремния и пористого кремния измерялись при температуре 300 К в геометрии обратного рассеяния [21, 22]. Для записи спектров использовали двойной монохро-матор ДФС-24, систему счета фотонов на базе ФЭУ-79 и компьютерную регистрацию. Для возбуждения комбинационного рассеяния в геометрии на отражение использовалось излучение аргонового лазера с длиной волны 488 нм (2.54 эВ). Спектральная ширина щели составила 2 см-1. Для минимизации тепловых эффектов мощность возбуждающего света на образцах не превышала
64
ХРИПКО
Рамановский сдвиг, см 1
Рис. 1. Спектры комбинационного рассеяния света образцов пористого кремния с пористостью 70% на пластинах кремния р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом • см (1) и 0.01 Ом • см (2). Стрелкой указано положение рамановской линии для монокристаллического кремния (520.5 см-1).
Рамановский сдвиг, см 1
Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния света образцов пористого кремния с пористостью 40% на пластинах кремния р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом • см (1) и 0.01 Ом • см (2). Стрелкой указано положение рамановской линии для монокристаллического кремния (520.5 см-1).
30 мВт. Дополнительно качество и однородность структуры слоев ПК контролировали с помощью регистрации рассеянного света [23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Спектры комбинационного рассеяния света образцов с удельным сопротивлением 0.01 Ом • см и 10 Ом • см представлены на рис. 1 и рис. 2. Общей чертой спектров является сдвиг максимумов спектральных линий в низкочастотную область. Также наблюдается увеличение асимметрии и ширины линий при увеличении пористости. В образцах с небольшой пористостью, в пределах 20-40%, линии комбинационного рассеяния света имели полуширину около 10 см-1, а их "красный" сдвиг составил всего 3 см-1. Для образцов с высокой пористостью (70%) "красный" сдвиг линий комбинационного рассеяния света в 22.5 раза меньше, чем у образцов с небольшой пористостью.
Спектры комбинационного рассеяния света образцов с разным удельным сопротивлением и различной пористостью существенно отличаются. Так, величина "красного" сдвига линий комбинационного рассеяния света для образцов с удельным сопротивлением 10 Ом • см составила около 12 см-1, а для образцов с удельным сопротивлением 0.01 Ом • см - примерно 6 см-1. Полуширина линий комбинационного рассеяния света для низколегированных образцов составила, по нашим данным, 24-37 см-1, а для высоколеги-
рованных образцов она равнялась 12-19 см-1. То есть вид спектров комбинационного рассеяния света зависит от уровня легирования образцов кремния. Спектры низколегированных образцов отличаются от спектров высоколегированных большей пологостью и большим сдвигом в низкочастотную область.
Таким образом, имеются два типа спектров комбинационного рассеяния света. Первый (рис. 1) содержит широкие асимметричные линии с полушириною (8ю) от 12 до 37 см-1 и сдвигом частоты (Аю) от 3 до 12 см-1, а второй (рис. 2) характеризуется узкими и почти симметричными линиями с полушириною (8ю) от 7 до 14 см-1 и меньшим, чем в первом случае, сдвигом частоты (Аю) от 1 до 5 см-1.
Частотный сдвиг линии комбинационного рассеяния пористого кремния относительно линии монокристалла Si определялся как Аю = ю0-юпк, где юпк - максимум линии комбинационного рассеяния света для пористого кремния [18]. Значения Аю и 8ю в определенной мере зависят от величины пористости и размеров кристаллитов нитевидной или сферической формы.
Для объяснения влияния квантово-размерных эффектов на вид спектров комбинационного рассеяния света для кристаллитов сферической и нитевидной формы были проведены расчеты в соответствии с полуэмпирической моделью пространственного ограничения фононов. Интенсивность рамановского спектра для сферической /Сф(ю) и
20 -
3 <
10 -
<ч о н
ч ч
св Н О
Л
М
св
10 20
30 40 8ю, см-1
50
10
Рис. 3. Экспериментальные зависимости сдвига максимума линии комбинационного рассеяния света (Дю) от ее полуширины (5ю) в пористом кремнии (о). Вычисленные значения по модели пространственного ограничения фононов для кристаллитов сферической (у) и нитевидной (х) конфигурации обозначены непрерывной и пунктирной линиями соответственно.
нитевидной /сн(ю) конфигурации кристаллитов описывается следующими уравнениями [24]:
400 450 500
Рамановский сдвиг, см-1
550
Рис. 4. Спектры комбинационного рассеяния света, которые рассчитаны по модели пространственного ограничения фононов для кристаллитов сферической формы диаметром 3 нм (1), 3.5 нм (2), 4 нм (3) для пористого кремния, сформированного на низколегированных пластинах кремния. Стрелкой указано положение рамановской линии для монокристаллического кремния (520.5 см-1).
1 сф
и - Я
С (о, й2
и
(Ю-Юо )2 + ((
(1)
где Г0 - естественная ширина линии,
.и - Я
С (о, дъ Я2 )|2
(ю-юо)2 + ((
(2)
В уравнениях (1), (2) q - волновой вектор фонона для сферической конфигурации кристаллитов, # 1, - параметры волнового вектора фонона для нитевидной конфигурации. Для расчета сдвига максимума линий комбинационного рассеяния света выбрана ограничивающая функция Гаусса в виде:
О = ехрI -
о 2 2
8п г Ь2
(3)
\С (о, д)\2 » ехрI -
2 т2 \ 4 Ь
16я2
(4)
ехр
2т2\
16п2
С (о, 41,42 )|
ехр
2т2\
42 Ь2
16п2
1 - егГ (' \V32ro
(5)
Расчеты дисперсионной зависимости частоты фонона были проведены в соответствии с аппроксимацией, описанной в работе [18]:
ю(д) = 52о.5 - 12о
/ л2
д
У до,
где
I 2 , 2 2п д = V 41 + 42, 4о =—,
ао
ао = о. 54 нм.
(6)
(7)
где Ь - диаметр кристалла; г - расстояние между центрами. Уравнению (3) соответствуют следующие коэффициенты Фурье:
Экспериментальные результаты зависимости сдвига максимума линии комбинационного рассеяния света от ее полуширины и расчетные значения величины Дю = ю0-юпк, которые были получены из уравнений (1) и (2), изображены на рис. 3.
На рис. 4 даны спектры комбинационного рассеяния света, которые были рассчитаны по уравнению (1) для кристаллитов сферической формы диаметром 3.0; 3.5 и 4.0 нм. Такие кристаллиты наблюдались в слое пористого кремния с пористостью 70%, толщиной 5 мкм. Они полностью соответствуют измеренным спектрам на рис. 1. Спектр комбинационного рассеяния света для
У
2
4
0
66
ХРИПКО
Рис. 5. Морфология пористого кремния: скол (а); вид сверху (б).
кристаллитов диаметром 3.0 нм лучше описывается моделью пространственного ограничения фононов по уравнению (1).
Морфология слоя пористого для кремния р-ти-па с ориентацией (111) характеризуется развитой микроструктурой, которая состоит преимущественно из кристаллитов нитевидной формы для р+-кремния или близкой к сферической формы, характерной для образцов р--кремния с высокой (>65%) пористостью. Линии комбинационного рассеяния света для образцов пористого кремния, которые были изготовлены на сильнолегированн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.