WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 8 Исследование пористого кремния и его старения методами полного внешнего отражения рентгеновских лучей и инфракрасной спектроскопии © Л.А. Балагуров, В.Ф. Павлов, Е.А. Петрова, Г.П. Боронина Государственный институт редких металлов, 109017 Москва, Россия (Получена 20 октября 1996 г. Принята к печати 22 января 1997 г.) Пористый кремний p-типа впервые исследован методом рентгеновской рефлектометрии. Для него критический угол полного внешнего отражения и коэффициент отражения в области углов, меньших критического, значительно меньше, чем для c-Si выращенного по методу Чохральского. Критический угол уменьшается при увеличении пористости. Критический угол и коэффициент отражения увеличиваются в процессе старения пористого кремния. Результаты объясняются значительно меньшей электронной плотностью пористого кремния по сравнению с c-Si и микрогеометрией его поверхности, а также их изменением в процессе старения из-за увеличения в нем концентрации атмосферных составляющих, наблюдаемых по инфракрасным спектрам поглощения. Концентрация атмосферных примесей увеличивается при возрастании пористости, причем в сильно пористом материале существенный вклад помимо химически адсорбированного кислорода, по-видимому, дают углерод и вода.

Введение Измерения коэффициента отражения рентгеновского луча R в зависимости от угла скольжения провоПористый кремний (ПК), интерес к которому чрезвы- дились на двухкристальной топографической установке чайно возрос за последние годы в связи с перспективой ”Rigaku” с генератором рентгеновского CuK-излучения создания на его основе оптоэлектронных устройств [1,2], RU-200 на гониометрической головке, имеющей микропредставляет собой материал с огромной удельной по- метрическое осевое вращение с ценой деления оковерхностью (более 102 м2/см3) и очень малыми раз- ло 0.5. Для снижения погрешности определения мерами кристаллитов, что обусловливает высокую чув использовалась монохроматизация излучения CuK ствительность его свойств к воздействию окружающей ( = 1.54 ) с помощью кремниевого кристалла– среды [3].

монохроматора в отражении (220). Сопоставление эксВ данной работе ПК и его старение впервые иссле- периментально полученной зависимости R() для модовались методом рентгеновской рефлексометрии, оснонокристаллической кремниевой подложки (рис. 1, криванном на эффекте полного внешнего отражения (ПВО) вая 1) с теоретически рассчитанной по формуле Фрерентгеновских лучей [4], а также инфракрасной (ИК) неля с учетом поглощения для идеальной поверхности спектроскопией.

кремния показало, что погрешность экспериментальных значений R относительно расчетных величин составляет 2 3% при углах, меньших критического угла ПВО, Методика эксперимента Слои ПК получали методом анодного травления в однокамерной ячейке с прижимным контактом и платиновой сеткой в качестве противоположного электрода в гальваностатистическом режиме на пластинах Si марки КДБ-1 (111) с химико-механически обработанной рабочей поверхностью. С тыльной стороны пластины создавался омический контакт путем напыления Al с последующим вжиганием его при 550C в течение 15 мин. Площадь слоев составляла примерно 2 см2. Было получено две серии слоев ПК в электролитах с различным соотношением HF : C2H5OH. В каждой серии при изготовлении слоев оставался неизменным суммарный Рис. 1. Зависимость коэффициента отражения R от угла скользаряд, прошедший через систему, но менялась плотность жения падающего на поверхность рентгеновского излучения тока i. Режимы получения слоев представлены в таблице.

для c-Si (1) и пористого кремния. 2, 3 — первоначальные Толщина слоев ПК d = 4 14 мкм измерялась на сколе измерения; 2a, 3a — после выдержки на воздухе в течение слоя с помощью оптического микроскопа Me-F2 фирмы 6 месяцев. Результаты измерений: 2, 2 a — для образца 2;

”Reichert”.

3, 3 a — для образца 4 (см. таблицу).

958 Л.А. Балагуров, В.Ф. Павлов, Е.А. Петрова, Г.П. Боронина Режимы анодирования Результаты измерения Образец Состав раствора i, мА/см2 t, мин P0 Pm c, мин Pr R m c, мин HF: C2H5OH c-Si 1 1 2: 1 130 2.5 0.66 0.62 5.4 0.84 1 2 2: 1 180 1.8 0.69 0.78 4.5 0.88 0.9 8.3 3: 5 6.5 14 0.62 0.72 6 0.79 1 7.4 3: 5 13 7 0.72 0.78 5.5 0.83 0.87 8.5 3: 5 26 3.5 0.78 0.78 4.7 0.87 0.8 Примечание. R m, c — первоначальные измерения, R m, c — измерения после выдержки образцов на воздухе в течение 6 месяцев.

достигая 5% в области критического угла. Контролиро- поглощения для колебаний растяжения группы Si–O вался также кристаллографический изгиб пленок ПК, ко- (10551150 см-1) оценивалась концентрация связанного торый был невелик (радиус изгиба составлял 80100 м) с кремнием кислорода (NO) из уравнения и не мог влиять на результаты измерений ПВО.

На исследованных слоях измерялись также ИК спекNO = A d.

тры пропускания в области 400 4000 см-1 на спектрометре ”Perkin-Elmer 983G”.

Коэффициент поглощения рассчитывали, используя уравнение для случая поглощающего слоя на прозрачной подложке [9]. Для определения использовали значение Результаты и обсуждение A = 0.156 ат% · см/эВ для -Si из работы [10], которое ИК спектры пропускания слоя ПК (образец 1), из- с точностью до 5% совпадает с соответствующим знамеренные непосредственно после его получения и по- чением для c-Si, полученным из коэффициента пропорсле хранения на воздухе при комнатной температуре циональности между максимумом пика коэффициента в течение 6 месяцев, приведены на рис. 2. По по- поглощения и концентрацией кислорода для c-Si [11] с ложению интерференционных максимумов мы опреде- учетом интеграла d.

ляли значения коэффициента преломления пористого Рефлектометрические измерения слоев ПК проводили кремния n. Из них находили плотность слоев ПК приблизительно через две недели после получения и по в приближении эффективной среды, в котором смесь истечении 6 месяцев. На примере одного из образцов фаз рассматривается как однородный материал с некой было показано, что заметных изменений в результатах средней поляризуемостью [5]. Объемную долю кремния измерений в течение 2 недель от момента получения в ПК fSi определяли из выражения, представленного в образцов не происходит. Зависимости коэффициента отработе [6], в предположении, что ПК представляет собой ражения от угла скольжения рентгеновских лучей R() смесь только двух фаз, c-Si и пустот: приведены на рис. 1. В таблице для каждого образца представлен критический угол ПВО c, за который принимался угол, соответствующий точке пересечения fSi = 1 - n2 n2 + 2n2 3n2 1 - n2, (1) Si Si где nSi = 3.43. Средняя по толщине слоя ПК пористость P0 = 1- fSi. Значения n в образцах находились в пределах 1.35–1.75 и в процессе старения в пределах погрешности измерений оставались неизменными, по-видимому, изза близких значений коэффициентов преломления ПК и естественного окисла, что согласуется с данными работы [3]. Полученные значения P0 приведены в таблице.

Видно, что в обеих сериях образцов, полученных при разном составе электролита, пористость увеличивалась с возрастанием величины анодного тока.

В спектрах только что полученных слоев ПК (рис. 2, кривая 1) наблюдались только полосы поглощения, связанные с колебаниями групп Si–Hx (2115, 2090, 906, 662 и 624 см-1) и, вероятно, Si–F (815 см-1) [7,8]. В процессе старения появлялись и увеличивались полоРис. 2. Спектры пропускания для слоя пористого кремния в сы поглощения, связанные с колебаниями групп Si–O инфракрасном диапазоне излучения для образца 1 (см. табли(1055 1150, 880 и 450 см-1), O–H(3450 см-1) и Si–C цу). 1 — первоначальные измерения, 1a — после выдержки на (2960 и 2930 см-1) [7,8] (рис. 2, кривая 1a). По полосе воздухе в течение 6 месяцев.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Исследование пористого кремния и его старения методами полного внешнего отражения... экстраполированных спрямленных участков зависимости R(), и коэффициент отражения в области ПВО Rm, рассчитанный как среднеарифметическое значение величин R в области < c. Видно, что для всех образцов величина Rm значительно меньше, чем для кремния, а область, в которой полностью исчезает эффект ПВО, существенно сдвинута в сторону меньших, чем для кремния, углов. Для относительно свежих слоев при увеличении пористости наблюдается уменьшение c и тенденция к росту Rm. Для всех образцов характерно возрастание Rm и c в результате старения.

В общем случае вид зависимости R() определяется электронной плотностью, поглощением и микрорельефом приповерхностного слоя, толщина которого в области малых углов составляет (10-15) (где —длина волны рентгеновского излучения), т. е. в нашем случае 20, и резко возрастает в области исчезновения эффекта ПВО [3,12–14]. При c она увеличивается примерно на порядок. Для монокристаллического кремния поглощение не сильно изменяет вид зависимости R(), рассчитанной без учета поглощения. Для ПК, ввиду Рис. 3. Зависимость концентрации атмосферных примесей его высокой пористости, эффект будет, по-видимому, в ПК от пористости: 1 — полная концентрация кислороболее слабым и им можно будет пренебречь. Умень- да и углерода (по данным полного внешнего отражения);

2 — концентрация кислорода, находящегося в виде групп Si–O шение c при увеличении пористости можно оценить в (по данным ИК спектроскопии).

соответствии с соотношением [4] 1/c = 2e2ne mc2, (2) на воздухе в течение 6 месяцев. Видно, что конценгде m — масса электрона, ne — электронная плотность, трация атмосферных примесей растет при увеличении c — скорость света в вакууме. Величина пористости Pr пористости. Из приведенных значений нетрудно оценить в приповерхностном слое толщиной 100, оцененная соотношение концентрации атмосферных примесей и по формуле кремния в слоях, которое относительно менее пористого 2 2 2 материала (< 0.8) не превышает 1 : 1, а для более Pr = 1c - c 1c, пористого — возрастает до (2–3) : 1. Близкие значения концентрации кислорода, находящиеся в виде групп Si– где 1c — критический угол ПВО для c-Si, систематичеO, и полной концентрации примесей, полученные для ски выше средних по толщине слоя значений, полученотносительно менее пористого материала, свидетельных из оптических измерений. Это свидетельствует, поствуют о том, что в нем основной примесью является видимому, о повышенной пористости в приповерхносткислород, находящийся в химически адсорбированном ном слое, что согласуется в данными работы [15].

состоянии. Наблюдающееся для более пористого матеИзменение зависимостей R() в процессе старения, риала существенное превышение (см. рис. 3) полной очевидно, обусловлено изменением электронной плотноконцентрации примесей (2) предельной концентрацией сти слоев ПК и их микрогеометрии из-за накопления в связанного с Si кислорода, соответствующей образоваПК атмосферных составляющих, что наблюдалось нами нию SiO2 (1), по-видимому, следует отнести за счет по ИК-спектрам поглощения (рис. 2). Предполагалось, накопления в ПК воды и углерода. Очевидно также, что при длительной выдержке образцов на воздухе вклад что из-за более высокой по сравнению со средней по в изменение электронной плотности в основном вносит объему пористости приповерхностный слой обогащен кислород и в меньшей степени углерод [3]. По формуле атмосферными примесями.

(2), учитывая, что количество электронов в атомах кислорода и углерода отличаются мало, мы оценили суммарное количество этих примесей, необходимое для Заключение получения наблюдаемого экспериментально в процессе старения сдвига зависимости R() в сторону больших.

Таким образом, в настоящей работе пористый Si (ПК) На рис. 3 представлена зависимость полной концентра- впервые исследован методом рентгеновской рефлектоции кислорода и углерода (по данным ПВО) и кислорода, метрии. Показано, что для ПК критический угол c и находящегося в виде Si–O групп (по данным ИК спек- коэффициент отражения Rm в области углов, меньших троскопии), от пористости для образцов, выдержанных критического, значительно меньше, чем для c-Si. ВеФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 960 Л.А. Балагуров, В.Ф. Павлов, Е.А. Петрова, Г.П. Боронина личина критического угла уменьшается при увеличении Full external X-ray reflection and infrared пористости. Наблюдалось увеличение Rm и c в процессе spectroscopy study of porous silicon and старения ПК. Представленные результаты объясняются its ageing значительно меньшей электронной плотностью ПК по L.A. Balagurov, V.F. Pavlov, E.A. Petrova, and сравнению с Si и микрогеометрией его поверхности, а G.P. Boronina также изменением этих параметров в процессе старения ПК из-за увеличения в слоях ПК концентрации атмоState Institute of Rare Metals, сферных составляющих — кислорода, углерода и воды.

109017 Moscow, Russia Наблюдается увеличение полной концентрации атмосферных примесей при возрастании пористости, при

Abstract

P-type porous silicon was studied by x-ray reflectomчем в сильно пористом материале существенный вклад etry for the first time. Its critical angle of full external reflection помимо химически адсорбированного кислорода, поand the reflection coefficient in the range of angles lesser than the видимому, дают углерод и вода.

critical angle are much smaller than c-Si. As the porosity increased, Приповерхностный слой пористого кремния толщиной the critical angle decreased. During ageing of porous silicon the 100 имеет более высокую пористость, чем весь объ- critical angle and the reflection coefficient increased. The data are attributed to much smaller electron density of porous silicon than cем, и в силу этого обогащен атмосферными примесями.

Si and microgeometry of its surface and their change during ageing Авторы признательны М.Г. Мильвидскому, В.Т. Бублиdue to encreasing concentration of atmosmopheric components ку и С.И. Желудевой за полезные обсуждения результаwhich were observed in ifrared absorption spectra. As the porosity тов работы.

increased, the concentration of atmosmopheric impurities increased too, in the material of high porosity chemically adsorbed oxygen, carbon and water, apparently making a considerable contribution.

Список литературы Fax: (7-095) 2333862 (Petrova) [1] W. Lang, P. Steiner, F. Kozlowski, J. Luminecs., 57, (1993).

[2] J.P. Zheng, K.L. Jiao, W.P. Shen, W.A. Anderson, H.S. Kwok.

Appl. Phys. Lett., 61, 459 (1992).

[3] L.T. Canham, M.R. Houlton, W.Y. Leong, C. Pickering, J.M. Keen. J. Appl. Phys., 70, 422 (1991).

[4] Р. Джеймс. Оптические принципы диффракции рентгеновских лучей (М., ИЛ, 1950).

[5] D.E. Aspnes, J.B. Theeten. J. Appl. Phys., 50, 4928 (1979).

[6] C. Pickering, M.I.J. Beale, D.J. Robbins, P.J. Pearson, R. Greef.

Phys. C: Sol. St. Phys., 17, 6535 (1984).

[7] A. Borghesi, A. Sassella, B. Pivac, L. Pavesi. Sol. St. Commun., 87, 1 (1993).

[8] K.H. Beckman. Surf. Sci., 3, 314 (1965).

[9] E.C. Freeman, W. Paul. Phys. Rev. B, 20, 716 (1979).

Pages:     || 2 |



© 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.