WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Фотоакустическая спектроскопия пористого кремния © А.Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, В.Ю. Тимошенко Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Электротехническая Лаборатория, Цукуба, Япония (Получена 13 июня 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г.) Представлены результаты исследования оптического поглощения в пленках пористого кремния в диапазоне 3001500 нм с помощью фотоакустической спектроскопии. Обнаружено, что обусловленный пористым слоем край фундаментального поглощения для исследованных образцов находится в диапазоне от 350 до 500 нм.

Из зависимости фотоакустического сигнала от частоты модуляции света определено, что теплопроводность пористого кремния составляет 0.25 · 10-3 Вт/см · град.

1. Введение но и получить новые экспериментальные данные об оптическом поглощении в диапазоне от 300 до 1500 нм, Потенциальная возможность использования пористоа также из зависимости фотоакустического эффекта от го кремния (por-Si) для изготовления оптоэлектрончастоты модуляции света (в диапазоне от 45 до 1500 Гц) ных устройств (см., например, [1]) привлекает внимаоценить теплопроводность por-Si.

ние исследователей с момента обнаружения уникальных свойств этого материала [2,3]. Однако до настоящего 2. Экспериментальные условия времени природа наиболее примечательных из свойств por-Si — сдвига в коротковолновую сторону (по отСлои por-Si изготавливались на пластинах кремношению к величинам, характерным для кристалличения марки КДБ-10 (кремний, легированный бором, ского кремния) края фундаментального поглощения и с ориентацией (100), с удельным сопротивлением фотолюминесценции — не установлена окончательно.

= 10 Ом · см). Для обеспечения хорошего омического Существующие модели приписывают этому явлению разконтакта перед анодированием на обратную сторону плаличные взаимоисключающие объяснения, в том числе:

стин наносился слой алюминия (вакуумное напыление с квантово-механические эффекты, связанные с пространпоследующим вжиганием при температуре 400 C). Соственным ограничением электронов; наличие в слое став использовавшегося электролита: HF(50%) : C2H5OH пористого кремния силоксеновых и поликремниевых сов соотношении 1 : 1. Процесс анодирования осущеединений; проявление ”хвостов” плотности состояний ствлялся в темноте при комнатной температуре с плотв запрещенной зоне кремния и др. (см. обзор [4]).

ностью тока 30 мА/см2 в течение 5 мин. После электроТаким образом, несмотря на огромное количество рахимической обработки образцы промывались в этаноле бот, посвященных por-Si, сохраняется необходимость его и просушивались на воздухе. Для стабилизации свойств дальнейшего исследования.

пористого кремния образцы перед началом измерений Одними из наиболее важных, как с практической, так выдерживались на воздухе в течение нескольких недель.

и с фундаментальной точек зрения, свойств пористого Толщина пористого слоя приготовленных образцов, кремния являются его оптические свойства, и особенно измеренная с помощью оптической и электронной миоптическое поглощение. Как правило, для измерения кроскопии, составляла около 15 мкм. Пористость опреспектров оптического поглощения используются свободделялась с помощью гравиметрических измерений и ные пленки por-Si, получаемые посредством резкого составляла около 80%.

увеличения тока на заключительной стадии процесса Измерения фотолюминесценции и комбинационного электрохимического формирования пленки [5], травлерассеяния света в пористых пленках проводились в нием кремниевой подложки в растворе NaOH [6] или стандартных условиях [10] с использованием излучения с помощью других методом (см. обзор [7]). Однако линии 488 нм аргонового лазера.

отделение пористой пленки от кремниевой подложки Для получения ФА спектров в диапазоне от 300 до может существенно изменить свойства por-Si. В то же время литературные данные об оптическом погло- 1500 нм использовался модернизированный спектрометр фирмы Princeton Applied Research Corporation (Model щении, полученные с использованием неразрушающих 6001). Амплитуда ФА сигнала от чувствительного методов исследования, ограничены всего несколькими микрофона, помещенного в измерительную ячейку, заработами [8,9].

В данной статье представлены результаты исследова- полненную воздухом, регистрировалась при комнатной температуре. Свет ксеноновой лампы мощностью 1 кВт ния слоев por-Si с помощью метода фотоакустической (ФА) спектроскопии, аналогичного использовавшемуся проходил через монохроматор и модулировался механив работах [8,9]. Более совершенная экспериментальная ческим прерывателем с частотой в диапазоне от 40 до техника, применяемая нами, позволила не только под- 1500 Гц. При записи спектров шаг сканирования состатвердить основные выводы предыдущих исследователей, влял 4 нм при ширине щели монохроматора 2 мм, что 630 А.Н. Образцов, Х. Окуши, Х. Ватанабе, В.Ю. Тимошенко соответствовало спектральной ширине 8 нм в ультрафиолетовом (УФ) и видимом диапазонах спектра и 32 нм в инфракрасном (ИК) диапазоне. Для учета спектрального распределения интенсивности использовавшегося источника света проводилась нормировка всех ФА спектров на спектр ксеноновой лампы, регистрировавшийся с помощью пироэлектрического детектора одновременно с записью ФА спектров. Эффективность такой нормировки была подтверждена измерением ФА спектров аморфного углерода (carbon black standart). В соответствии с литературными данными [11] этот материал характеризуется спектром поглощения, аналогичным спектру поглощения ”абсолютно черного тела”.

Рис. 2. ФА спектры пористого кремния, полученные при 3. Результаты и их обсуждение различных частотах модуляции света, Гц: 1 — 45, 2 — 275, 3 — 500, 4 — 1000, 5 — 1500. Для наглядности приведены Приготовленные образцы por-Si имели оптически только 20% экспериментальных точек.

гладкую поверхность, однородную по площади коричневую окраску. Типичный спектр фотолюминесценции (IPL()) образцов, показанный на рис. 1 штриховой линией, подобен описанным ранее [10,12]. Максимум линии Si и образцов por-Si были практически индентичными, фотолюминесценции находился при комнатной темпесоответствующие ФА спектры могут сравниваться не ратуре вблизи 750 нм. Полуширина линии составляла только по форме, но и по абсолютным значениям ФА примерно 200 нм. Спектры комбинационного рассеяния сигнала и, следовательно, коэффициента поглощения (КР) света также были типичными для таких пленок и света.

представляли собой асимметричные линии, сдвинутые на ВФАспектрах por-Si (см. рис. 1, кривая 1) отчетливо 2см-1 в низкочастотную сторону относительно линии видны две особенности, свидетельствующие о значитель520 см-1, характерной для кристаллического кремния.

ном изменении величин коэффициента поглощения света Как указывалось ранее, такой вид спектров КР может в районе 400 500 и 1050 1150 нм, соответствующие, быть объяснен с помощью модели пространственного очевидно, краю фундаментального поглощения в пленке ограничения фононов и свидетельствует о наличии в пористого кремния и в монокристаллической подложке.

пористом слое частиц кремния со средним размером Это подтверждается фактическим совпадением ампли4 5нм [7,10,12].

туды ФА сигнала для исходной пластины Si (рис. 1, Сплошными линиями на рис. 1 показаны спектралькривая 2) и для образцов por-Si (рис. 1, кривая 1) ные зависимости амплитуды ФА сигнала (IPA()), изв ИК диапазоне. В обоих случаях наблюдается резкое меренные при частоте модуляции 45 Гц для por-Si и уменьшение амплитуды ФА сигнала для света с энергией исходной пластины Si (кривые 1 и 2 соответственно).

квантов, близкой к ширине запрещенной зоны кремния Учитывая, что экспериментальные условия для пластин (1.1 эВ). Ход спектральной зависимости ФА сигнала для кристаллического кремния в УФ и видимой частях спектра обусловлен, очевидно, изменением коэффициента отражения, увеличение которого приводит к уменьшению доли света, поглощаемой в образце, а значит, и к уменьшению амплитуды ФА сигнала [13]. Эти спектральные особенности находятся в хорошем соответствии с известными оптическими свойствами кремния [14].

Увеличение частоты модуляции света приводило к относительному уменьшению ФА сигнала, связываемого с поглощением света в кристаллическом кремнии (рис. 2). Как известно, эффективная толщина образца, которая определяет амплитуду фотоакустического сигнала, совпадает с длиной термодиффузии и равна µ = (2/)1/2, где — частота модуляции света, = k/C — коэффициент температуропроводности, k — коэффициент теплопроводности, — плотность, Рис. 1. ФА спектры слоев пористого кремния (1) и кристалC — удельная теплоемкость материала образца [11].

лической подложки Si (2) при частоте модуляции света 45 Гц.

При относительно невысоких частотах (до 700 Гц) дли2 — масштаб увеличен в 5 раз. Штриховая линия — спектр на термодиффузии в пористом кремнии не превышает фотолюминесценции для того же образца пористого кремния.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотоакустическая спектроскопия пористого кремния толщины пористого слоя (для наших образцов 15 мкм) неразрушающему характеру, позволила получить прини получаемый ФА сигнал определяется поглощением ципиально новые данные о спектральной зависимости света как в пленке por-Si, так и в кристаллической коэффициента поглощения слоев пористого кремния.

подложке. При частотах выше 700 Гц длина термодифВ заключение авторы выражают признательность Мефузии в пористом кремнии становится меньше толщины ждународному фонду Мацумае (The International Matпленки и, как следствие, в ФА спектрах полностью sumae Foundation) за выделение стипендии А.Н. Образисчезает особенность, связываемая с поглощением света цову для проведения исследований в Электротехничев кристаллической подложке.

ской Лаборатории (Цукуба, Япония), благодаря чему Приведенные на рис. 2 спектры иллюстрируют выстало возможным появление данной работы.

сказанные соображения. Некоторое снижение амплитуды сигнала при частотах выше 1 кГц может быть обСписок литературы условлено изменением свойств пористого кремния по толщине пленки: уменьшение доли безызлучательной [1] W. Lang, P. Steiner, F. Kozlowski. J. Luminesc., 57, рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда или (1993).

относительное увеличение отражения и рассеяния света [2] L.T. Canham. Appl. Phys. Lett., 57, 1046 (1990).

в приповерхностных слоях пористой пленки [8].

[3] V. Lehmann, U. Gosele. Appl. Phys. Lett., 58, 856 (1991).

Полученные нами экспериментальные данные [4] S.M. Prokes. Interface, 4, 341 (1994).

(пористость 80%, длина термодиффузии µ = 15 мкм [5] Y.H. Xie, M.S. Hybertsen, W.L. Wilson, S.A. Ipril, G.E. Carver, для частоты модуляции = 700 Гц) и табличные W.L. Brown, E. Dons, B.E. Weir, A.R. Kortan, G.P. Watson, данные для кремния (плотность = 2.328 г · см-3, A.J. Liddle. Phys. Rev. B, 49, 5386 (1994).

C = 0.7Дж/г · град [15]) позволяют оценить величину [6] E. Massone, A. Foucaran, J. Camassel. J. Luminesc., 57, (1993).

коэффициента теплопроводности для пористого [7] D.J. Lockwood. Sol. St. Commun., 92, 101 (1994).

кремния как k = 0.25 · 10-3 Вт/см · град. Эта [8] G. Amato, G. Spagnolo, L. Boarino, R. Gavioso, G. Benedetto.

величина оказывается на 3 порядка меньше, чем J. Physique IV, Col. 7, 4, C7 (1994).

коэффициент теплопроводности кристаллического [9] Б.С. Бродин, И.В. Блонский, В.А. Тхорик. Письма ЖТФ, кремния (1.5 Вт/см·град) и даже более чем на порядок 20, 41 (1994).

меньше коэффициента теплопроводности кварца [10] A.N. Obraztsov, V.G. Pirogov, V.Yu. Timoshenko, Th. Ditrich.

SiO2 (0.014 Вт/см · град) [15]. Приведенная оценка Phys. Low-Dim. Structur., 2, 95 (1994).

подтверждается описанными ранее экспериментами по [11] A. Rosencwaig. Photoacoustics and Photoacoustic комбинационному рассеянию света, в ходе которых Spectroscopy (Wiley&Sons, 1980) p. 95.

был обнаружен значительно больший нагрев образцов [12] В.А. Караванский, А.Н. Образцов. ФТП, 29, 582 (1995).

пористого кремния лазерным излучением по сравнению [13] H. Tokumoto, M. Tokumoto, T. Ishiguro. J. Phys. Soc. Japan., 50, 602 (1981).

с кристаллическим кремнием [7,10,12]. Очевидно, что [14] H.W. Verleur. J. Opt. Soc. Amer., 58, 1356 (1968).

этот параметр por-Si (теплопроводность) сильно зависит [15] H.W. Sze. Physics of Semiconductor Devices (Wiley&Sons, от пористости пленки и имеет важное значение с точки 1981) p. 850.

зрения его практического использования.

[16] F. Koch, V. Petrova-Koch, T. Muschik. J. Luminesc., 57, Интересной особенностью полученных нами ФА спек(1993).

тров является относительно ”резкий” край фунда[17] A.C. Boccara, D. Fournier, J. Badoz. Appl. Phys. Lett., 36, ментального поглощения, соответствующий пористому (1980).

кремнию. Спектральные зависимости, описываемые в Редактор Л.В. Шаронова литературе (см., например, [5–7,16]), указывают на более ”плавное” изменение коэффициента поглощения практиPhotoacoustical spectroscopy of porous чески во всем видимом диапазоне. Такое различие может silicon быть обусловлено способом приготовления образцов для исследования. Как правило, даже при использовании A.N. Obraztsov, H. Okushi, H. Watanabe, методов, аналогичных ФА спектроскопии, [16,17] исV.Yu. Timoshenko пользуются пленки, полученные посредством отделения Moskow State University, 119899 Moskow пористого слоя от подложки. В ходе процедуры отде Electrotechnical Laboratory, Tsukuba, Japan ления пленки, а также при ее последующем окислении на воздухе могут происходить существенные изменения

Abstract

Optical absorption of porous silicon films was studв свойствах por-Si, которые проявляются в изменении ied by photoacoustical spectroscopy at 300 1500 nm. The оптических характеристик. Так, например, значительные fundamental absorption edge of porous layer for investigated изменения фотолюминесцентных свойств por-Si в реsamples was obtained in the range of 350 to 500 nm. Thermal зультате отделения пленки от подложки были описаны conductivity of porous silicon was found from the dependence of в работе [5].

the photoacoustical signal on the light modulation frequency to be Таким образом, использованная в данной работе меequal 0.25 · 10-3 W/cm · grad.




© 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.