ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 7, с. 96-98
УДК 537.311.33:622.382.33
О СВЯЗИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ С ЕГО РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ
© 2004 г. О. А. Кулинич, М. А. Глауберман, Н. Н. Садова
Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Учебно-научно-производственный центр, Одесса, Украина Поступила в редакцию 20.01.2003 г.
В данной работе предпринята попытка связать положение максимума спектра фотолюминесценции (ФЛ) с реальной структурой кремния с развитой при химическом избирательном травлении поверхностью. Выяснена роль структурных дефектов, декорированных оксидами 8ЮХ, в образовании сетки пор и бездефектного кремния. На основании проведенных исследований обсуждаются основные механизмы, при помощи которых можно объяснить сдвиг спектра ФЛ в видимый диапазон.
ВВЕДЕНИЕ
В ряде работ по исследованию фотолюминесцентных (ФЛ) свойств пористого кремния, изготовленного методом электрохимического травления (ЭХТ), было замечено, что максимум спектра ФЛ наблюдался при определенных временах ЭХТ, зависящих от свойств и ориентации подложки и от параметров ЭХТ (плотности тока, состава травителя и т.д.)[1]. Однако этот эффект не нашел удовлетворительного объяснения в рамках общеизвестных или новых теорий, а также не связывался с реальными структурными и примесными свойствами пористого кремния.
Целью данной работы является выяснение связи положения максимума ФЛ при химическом избирательном травлении (ИТ) с реальной структурой приповерхностных слоев пористого кремния.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследований являлись пластины кремния марок КДБ10 (111) и КДБ10 (100). Для получения развитой пористой структуры пластины кремния окислялись в атмосфере сухого кислорода при температуре 1150°С (толщина оксидного слоя составляла примерно 1.5 мкм) с последующим травлением оксида в растворе HF и травлением поверхности кремния в избирательном травителе Сэкко (поверхность (100) и трави-теле Сиртля (поверхность (111)) [2, 3].
Для исследований поверхности кремния после химических обработок использованы следующие методы и оборудование: оже-электронная спектроскопия (ЭОС), спектрометр LAS-3000 фирмы "Riber"); растровая электронная микроскопия (РЭМ), микроскоп-анализатор "Cam Scan"-4 D с системой энергетического дисперсионного анализатора "Link- 860"; вторично-ионная масс-спек-трометрия (ВИМС), анализатор "Cameca- 3F"; оп-
тическая микроскопия, металлографический микроскоп ММР-2Р. Спектр ФЛ снимали после послойного ИТ при облучении лазером с длиной волны 337 нм, длительностью импульсов 10 нс, частотой повторения 50 Гц и средней мощностью 10 мВт.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
На рис. 1 представлена типичная картина поверхности кремния, полученная после стравливания оксида и обработки поверхности кремния в избирательном травителе в течение 5 мин. Типичные для кристаллической структуры ямки травления, которые обычно связывались с наличием структурных дефектов типа дислокаций или окислительных дефектов упаковки, отсутствуют. Наблюдаемые ямки неправильной формы можно связать с оксидом, который образовался при повышенной диффузии кислорода вдоль структурных дефектов. Попытки рассмотреть поверхность
I
Рис. 1. Типичная поверхность кремния после снятия оксида в ИТ в течение 5 мин.
О СВЯЗИ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
97
Рис. 2. Типичная картина дислокационных сеток после ИТ в течение 10 мин.
кремния с помощью электронного микроскопа оказались безрезультатными, так как поверхность сильно заряжалась, что не позволило получать пучок отраженных электронов. Эти два факта дали возможность заключить, что поверхность кремния под оксидом имела сильно разупорядоченную структуру, близкую к поликристаллической или даже аморфной.
При дальнейшем травлении поверхности кремния в течение еще 5 мин наблюдалось появление дефектов в виде дислокационных сеток (рис. 2). Сетки дислокаций были декорированы оксидом 8ЮХ. В пользу этого говорит тот факт, что при появлении сеток дислокаций дальнейшее травление можно производить без наличия окислителя, т.е. только в растворе ИР, что также подтверждается оже-спектральным анализом. Наблюдалось появление отдельных периодических областей бездефектного кремния в виде столбиков примерно одинаковых размеров и одинаковой высоты (рис. 3). Появление дислокационных сеток и возможность наблюдать эти сетки с помощью электронного микроскопа говорит о появлении упорядоченной кристаллической структуры. При дальнейшем травлении поверхности кремния в течение 3 мин дислокационные сетки исчезали, что можно было связать со слоистой структурой пластины кремния (рис. 4). Наблюдалось появление обычных дислокаций и линий скольжения (рис. 5). Если учесть, что скорость ИТ составляла около 3 мкм/мин [3], можно рассчитать глубину залегания дислокационных сеток. Для толщины оксидов 1.5 мкм и времени ИТ около 10 мин глубина залегания дислокационных сеток составляла примерно 30 мкм. При дальнейшем ИТ в течение 3 мин сетки исчезали, что соответствует глубине залегания нижней границе сеток около 40 мкм. Толщина слоя кремния с дислокационными сетками составляла около 10 мкм. Очевидно, что дислокационные сетки образуются на границе разупорядоченный кремний-кристаллический
Рис. 3. Изображение поверхности кремния после ИТ (Г = 10 мин), полученное в электронном микроскопе, увеличение х12000.
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение скола пластины исходного кремния.
Рис. 5. Изображение отдельных дислокаций и линий скольжения на поверхности кремния после ИТ (г = = 13 мин).
98
КУЛИНИЧ и др.
I, отн. ед. 1.0h
0.5-
_1_1_1_
0 5 10 15
t, мин
Рис. 6. График зависимости интенсивности ФЛ от
времени ИТ.
кремний вследствие различия в термических коэффициентах расширения (для разупорядоченно-го кремния а1 = 7.6 х 10-6 С-1, для кристаллического - а2 = 2.5 х 10-6 С-1 [2]). Это приведет к появлению относительных деформаций е, которые можно рассчитать в соответствии с выражением
е = (а - а)т, где Т - температура в градусах Цельсия.
Дислокационные сетки, как показано выше, начинаются на границе разупорядоченный кремний-кристаллический кремний и заканчиваются на границе двух ближайших слоев кремния (слой, в котором залегают сетки, и последующий слой).
В процессе ИТ пластин кремния производилось облучение поверхности лазером с вышеприведенными параметрами. Спектр ФЛ имел вид гауссовой кривой, причем при времени ИТ порядка 10 мин наблюдалось максимальное значение интенсивности ФЛ в районе 440 нм (рис. 6). При этих временах ИТ наблюдалось появление сетки пор и островков бездефектного кремния. Образование бездефектного кремния субмикронных размеров способствует подавлению каналов безызлуча-тельной рекомбинации, связанной со структурными дефектами, и каналов безызлучательной рекомбинации, связанной с развитой поверхностью кремния. Было замечено, что спектр ФЛ сдвигался в коротковолновую область с уменьше-
нием размеров островков бездефектного кремния. Оже-спектральный анализ позволил определить, что основной примесью в бездефектном кремнии является растворенный кислород (до 0.2 ат. %).
Образованная структура с сеткой пор подобна пористому кремнию, полученному в результате так называемого "красящего" травления [4]. Развитый рельеф после ИТ способствует возникновению внутреннего встроенного электрического поля, что проявляется в электронном отраженном спектре появлением осцилляций Франца-Келдыша, что, по-видимому, вызывает искривление зонной структуры кремния и смещение спектра ФЛ в область видимого диапазона. Учитывая, что это смещение происходит при наличии развитой структуры бездефектного кремния и в отсутствие декорирующих оксидов типа Siüx, которые вытравливаются при ИТ, можно заключить, что для описания обнаруженного эффекта неприменима модель "двухтактного двигателя", а также модель, основанная на наличии химических соединений на развитой поверхности [5].
Очевидно, смещение максимума ФЛ в сторону видимого диапазона связано с рекомбинацией (туннельной либо активационной) электронов в сильно деформированной внутренним электрическим полем зонной структуре кремния пибо происходит по экситонному механизму с захватом носителя заряда на поверхности с последующей рекомбинацией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тимохов Д.Ф., Гевелюк С.А., Дойчо И.К., Соло-шенко В.И. // Тез. УНКФН-1. Одесса: Астропринт, 2002. Т. 2. С. 142.
2. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир, 1984. 472 с.
3. Кулинич O.A., Лисовская А.А., Садова H.H. // УФЖ. 1990. Т. 35. № 11. С. 1691.
4. Ветер Е.Ф., Голиней Р.Ю., Матвеева Л.О. // Опто-электроника и полупр. техника. 2001. Т. 36. С. 199.
5. Балабай Р.М., Бобылев A.B., Волошин В.А. // Тезисы УНКФН-1. Одесса: Астропринт, 2002. Т. 2. С. 130.
About Connection between Photolumineseenee Properties of the Porous Silicon and Its Structure O. A. Kulinich, M. A. Glauberman, N. N. Sadova
The attempt is made to connect FL maximum with the developed surface structure of silicon. Role of the structure defects with oxide SiOx attached to arise net of the pores and silicon without defects is explained. On the base of made research the main models of the spectrum FL displacement in the visual range are discussed.
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.