WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Инфракрасное поглощение в пористом кремнии, полученном в электролитах, содержащих этанол © А.А. Копылов, А.Н. Холодилов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 мая 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Исследовано влияние обработок в плавиковой кислоте и отжига при T = 350 C на оптические свойства пористого кремния в инфракрасной области спектра. Дана интерпретация наблюдавшихся полос поглощения.

Получена оценка коэффициента преломления и толщины пористого слоя.

Методы молекулярной спектроскопии оказываются спектров в области 150–650 см-1 сохранялся практичеполезными при изучении свойств пористого крем- ски одинаковым на всех этапах обработок.

ния [1–5]. Это объясняется тем, что условия получения После проведения обработки в HF (кривая 3) пов электролите способствуют адсорбции квазимолекуляр- мимо изменения крупномасштабной структуры спектра, ных групп на развитой поверхности.

наблюдается существенное уменьшение поглощения на Нами исследовались слои пористого кремния, полу- комплексах, содержащих углерод. Последующая аналогичная обработка (кривая 4) привела в значительной стеченные в электролите, состоящем из равных частей 48 % раствора HF и 96 % C2H5OH, на подложках кремния p- пени к восстановлению формы спектра, наблюдавшейся типа электропроводности с ориентацией [111] при плот- до обработки в HF (кривая 2). Дальнейшие обработки ности тока 7.5 мА/см2 и времени травления 30 мин, обла- пористого кремния не приводили к существенным именениям спектров пропускания. Проведенный затем отжиг давшие эффективной фотолюминесценцией в видимой образца привел к почти полному исчезновению линий области спектра. Исследуемые образцы подвергались поглощения, связанных с молекулярными комплексами, обработкам в 40 % растворе HF продолжительностью содержащими углерод (кривая 5), а также к существен15-20 мин. После каждой обработки образцы промываному ослаблению фотолюминесценции.

лись в дистиллированной воде и сушились на воздухе в течение суток. Перечисленные выше операции проводились при комнатной температуре. Отжиг производился при температуре 350-400Cв течение 3 ч на воздухе.

Измерение ИК спектров пропускания осуществлялось при комнатной температуре на фурье-спектрометре ЛАФС-02 в диапазоне 450-4000 см-1 на фурьеспектрометре ЛАФС-1000 в диапазоне 100-650 см-1, спектральное разрешение составляло 4 см-1. Камеры прибора откачивались до давления 1 Торр для уменьшения влияния атмосферного поглощения.

Примеры полученных спектров приведены на рис. и 2. Кривая 1 показывает спектр пропускания исходного образца. Наряду с линиями, наблюдавшимися ранее другими исследователями, в нашем случае в спектре присутствуют дополнительные линии в основном в области 1200–1500 и 2800–3000 см-1. Данные о положении линий и их интерпретация приводятся в табл. 1. Анализ линий, не наблюдавшихся в предшествующих работах, показывает, что большинство из них относятся к молекулярным комплексам, содержащим углерод.

Повторные измерения, проведенные после 6 месяцев хранения образца на воздухе (кривая 2), показали заметное изменение крупномасштабной структуры спектра при сохранении интенсивности большинства линий Рис. 1. Спектры оптического пропускания образцов пористого поглощения, связываемых с квазимолекулярными комкремния. 1 —исходный образец, 2 — 6 месяцев хранения на плексами. Одним из возможных объяснений этого может воздухе, 3 — 1-я обработка в HF, 4 — 2-я обработка в HF, служить изменение свойств пористого слоя в результате 5 — после отжига. Спектры 2-5 смещены вдоль вертикальной естественного окисления кислородом воздуха [11]. Вид оси.

Инфракрасное поглощение в пористом кремнии, полученном в электролитах,... Таблица 1. Спектральное положение и интерпретация линий Результаты анализа интерференционной структуры поглощения, связываемых с адсорбированными молекулярныспектров пропускания сведены в табл. 2, а примеры спекми комплексами тров пропускания, скорректированных с учетом интерференции, представлены на рис. 3. Погрешность определеПоложение линий Интерпретация Ссылки поглощения, см-1 ния толщины слоя составляет 0.1 мкм, коэффициента преломления — 0.1. Как показано в табл. 2, существуют 450 (Si–O–Si) [6] два набора физически реализуемых значений толщины 664 (Si–H2), (Si–H) [1] слоя и коэффициента преломления в нем, позволяющих 744 as(Si–C) [7] 800 s(Si–O–Si) [6] эквивалентным образом описать форму спектров. Выбор 882 Si–H, Si–OH, Si–O [3,6] единственного решения может быть сделан только при 908 Si–H2, ножничное [1,3] использовании дополнительной информации об исследу940 Si–OH [6] емых структурах.

1070 as(Si–O–Si) [1,6] 1288 s(Si–CH3), s[Si–(CH3)2] [8,9] 1385 s(C–CH3) [8,9] 1460 as(C–CH3) [8,9] 1578 Вероятно, (H–OH) [10] 1705 (C=O) связанных групп [10] 1725 (C=O) свободных групп [10] 2120 Si–H, Si–H2 [1,3] 2250 Si–H, O3–Si–H [3,6] 2850 s(C–H2), s(C–H3) [9] 2925 as(C–H2) [8,9] 2959 as(C–H3) [8,9] 3400 H2O, Si–OH [6] Примечание. — валентное колебание; — деформационное; s — симметричное; as — антисимметричное.

Рис. 2. Спектр оптического пропускания образца пористого Наблюдающаяся крупномасштабная структура спеккремния в области 150–650 см-1. Спектр соответствует исходтров, представленных на рис. 1, обусловлена интерфеному образцу.

ренцией в некотором слое на поверхности исследуемой структуры подложка–пористый кремний, что особенно хорошо видно для кривой 5. Чтобы получить количественную оценку параметров этого слоя, была использована модель однородного непоглощающего слоя на подложке из высокоомного кремния. В этом случае амплитудный коэффициент отражения от поверхности образца со стороны слоя равен rl + rls exp(i4nlh) r =, (1) 1 + rlrls exp(i4nlh) где rl =(1 -nl)/(1 +nl), rls =(nl -ns)/(nl +ns), nl — коэффициент преломления слоя, ns — коэффициент преломления подложки (для кремния n = 3.42). Пропускание структуры рассчитывалось по формуле (1 - R)(1 - Rs) T =, (3) 1 - RRs где Рис. 3. Спектры оптического пропускания образцов пористого кремния, скорректированные с учетом интерференции. Спек R = rr, Rs = rs rs, rs =(ns -1)/(ns +1).

тры получены делением исходных спектров пропускания на результат расчета по формуле (2) при значениях параметров, Формула (2) учитывает интерференцию внутри слоя и приведенных в табл. 2. Номера на кривых соответствуют рис. 1.

многократные некогерентные отражения в подложке.

Спектры 2, 3 смещены вдоль вертикальной оси.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 558 А.А. Копылов, А.Н. Холодилов Таблица 2. Результаты анализа параметров слоя пористого [3] N. Ookubo, H. Ono, Y. Ochiai, Y. Mochizuki, S. Matsui. Appl.

кремния Phys. Lett., 61, 940 (1992).

[4] R. Kumar, Y. Kiton, K. Hara. Appl. Phys. Lett., 63, Набор 1 Набор (1993).

Состояние образца [5] H.D. Fuchs, M. Stutzmann, M.S. Brandt, M. Rosenbauer, h, мкм nl h, мкм nl J. Weber, A. Breischwerdt, P. Deak, M. Cardona. Phys. Rev.

Исходный образец 3.35 2.9 8.45 1.B, 48, 8172 (1993).

6 месяцев на воздухе 3.95 2.65 8.05 1.[6] A.C. Adams, F.B. Alexander, C.D. Capio, T.E. Smith. J.

1-я обработка в HF 3.3 2.9 8.35 1.Electrochem. Soc., 128, 1545 (1981).

2-я обработка в HF 3.73 2.8 8.15 1.[7] И.Ф. Ковалев, Л.А. Озолин, М.Г. Воронков, Л.А. Жагат.

3-я обработка в HF 4.11 2.55 7.87 1.Оптика и спектроскопия. Сб. ст., III Молекулярная спек Отжиг при 350 C 3.15 2.7 6.6 1.троскопия (Л., Наука, 1987) с. 301.

[8] S.P. Mukherjee, P.E. Evans. Thin Sol. Films, 14, 105 (1972).

[9] Л. Литтл. Инфракрасные спектры адсорбированных молекул (М., Мир, 1969).

Известно, что слои пористого кремния, обладаю[10] А.В. Киселев, В.И. Лыгин. Инфракрасные спектры пощие эффективной люминесценцией, имеют сравнительно верхностных и адсорбированных веществ (М., Наука, низкие значения коэффициента преломления, например 1972).

n = 1.4 по данным [12]. Кроме того, как следует [11] F. Kozlowski, W. Lang. J. Appl. Phys., 72, 5401 (1992).

из спектров пропускания, в исследованных структурах [12] G.W.’t Hooft, Y.A.R.R. Kessener, G.L.J.A. Rikken, велико содержание окислов кремния, коэффициент преA.H.J. Venhuizen. Appl. Phys. Lett., 61, 2344 (1992).

ломления которых n 1.4. Поэтому из двух имеющихся Редактор В.В. Чалдышев вариантов следует выбрать меньшие значения коэфициента преломления, т. е. набор 2 (табл. 2).

Заметим, что в приведенных спектрах линии углерод- Infrared absorption in porous silicon содержащих комплексов выражены гораздо сильнее лиprepared in ethanol–containing solutions ний комплексов, содержащих водород (2120, 2250 см-1).

A.A. Kopylov, A.N. Kholodilov Оценка эффективной толщины слоя углеродсодержащих соединений по полосе поглощения 2850-2960 см-1 St.Petersburg State Electrotechnical University, дает величину порядка 1 мкм. Тот же порядок име197376 St.Petersburg, Russia ют изменения эффективной толщины пористого слоя в результате обработок. Наличие большого количества

Abstract

Influence of etching and thermal annealing at 350C углеродсодержащих соединений может быть следствием on infrared absorption spectra of porous silicon is investigated. Asэлектрохимического окисления этанола на поверхности signment of the observed absorption lines is discussed. Refraction пористого кремния, приводящего к появлению групп index and thickness of the porous layer are estimated.

C = 0, взаимодействующих с гидроксильными группами.

Об этом свидетельствует значительная интенсивность линий 1705 и 1725 см-1, а также слабое поглощение на линиях 744 см-1 (Si–C) и 1288 см-1 (Si–CH3).

Основываясь на полученных данных, можно предположить, что в процессе обработок происходит изменение морфологии пористого слоя, что может приводить к перераспределению адсорбированных молекул продуктов окисления этанола по модифицируемой поверхности пористого слоя и, следовательно, влиять на вклад молекулярных комплексов в оптическое поглощение. Такое предположение согласуется с наблюдающимся характером изменения интенсивности линий поглощения, который говорит о том, что концентрация молекулярных комплексов слабо меняется вплоть до проведения отжига.

Авторы благодарят А.В.Андрианова за полезное обсуждение затронутых в работе вопросов.

Список литературы [1] C. Tsai, K.-H. Li, J. Sarathy, S. Shih, J.C. Campbell. Appl. Phys.

Lett., 59, 2814 (1991).

[2] M.A. Tischler, R.T. Collins, J.H. Stathis, J.C. Tsang. Appl. Phys.

Lett., 60, 639 (1992).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.