WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Спектры фотолюминесценции и фотовозбуждения пористого кремния, подвергнутого анодному окислению и травлению © В.В. Филиппов, В.П. Бондаренко, П.П. Першукевич Институт физики Академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия (Получена 18 января 1996 г. Принята к печати 18 марта 1997 г.) Исследованы спектры фотолюминесценции и фотовозбуждения пленок пористого кремния исходной пористости 50–60%, приготовленных на монокристаллах кремния p-типа проводимости и подвергнутых анодному окислению и химическому травлению. Установлено, что присутствующая в травленном пористом кремнии аморфная фаза не проявляется в спектрах фотовозбуждения, но оказывает влияние на спектр фотолюминесценции пористого кремния. Показано, что особенности спектров фотовозбуждения до и после травления, а также эволюция спектров фотолюминесценции и фотовозбуждения после травления могут быть интерпретированы в рамках модели равномерного квантования, в которой учитываются упругие напряжения в кремниевых кристаллах пористого кремния.

Введение ности кремниевых кристаллитов. Как будет показано далее, результаты наших экспериментов говорят в пользу Механизм видимой фотолюминесценции (ФЛ) пори- квантово-размерного механизма люминесценции в ПК.

Оксид кремния хорошо пассивирует поверхность кристого кремния (ПК) продолжает оставаться предметом сталлитов, приводя к усилению эмиссионной эффекинтенсивного обсуждения. Во многих случаях эффект тивности материала. В свежеприготовленных образцах размерного квантования, предложенный впервые Кэнхеэту роль выполняют кремний-водородные образования.

мом [1], вполне описывает наблюдаемые закономерности Однако такой ПК не отличается стабильностью ФЛ. В люминесценции пленок ПК, содержащих кристаллиты отличие от него пленки анодноокисленного ПК имеют (кремниевые остовы) нанометрового размера. Несомненвысокую прозрачность в видимом диапазоне спектра и но также, что существенное влияние на эмиссию света из стабильные люминесцентные характеристики, которые ПК оказывает его развитая поверхность с разорванными восстанавливаются после многократных травлений в связями кремния, на которой образуются химические водном растворе HF. Кроме того, оксидная оболочка соединения. Поэтому характер пассивации поверхности кремниевых кристаллитов приводит к возникновению ПК, роль кремний-водородных соеднений на поверхномеханических напряжений, следствием которых является сти кристаллитов, в том числе и полисиланов, продолчастичная поляризация излучения ПК [10].

жает широко обсуждаться в литературе [2–6].

В настоящей работе исследовалась эволюция спектров ФЛ и фотовозбуждения (ФВ) в процессе окисления 1. Методика проведения образцов ПК на воздухе при комнатной температуре экспериментов после их травления в сильно разбавленной фтористоводородной кислоте. Аналогичные исследования только Пленки ПК толщиной 5 мкм были приготовлены меспектра ФЛ осуществлялись в работе [6], в которой истодом электрохимического анодирования на монокрипользовались свежеприготовленные образцы ПК со знасталлах кремния, легированных бором, с удельным сочительной концентрацией соединений Si–Hx (x = 1, 2, 3) противлением 10 Ом · см и ориентированных в плосна поверхности кремниевых кристаллитов. Эти соединекости (111). Плотность анодного тока при электрония в процессе окисления замещались связями Si–O, что химической обработке в 36% HF составляла 10, 20 и и определяло в [6] неоднозначность изменения спектра 40 мА/см2, соответственно, для образцов 1, 2 и 3. ПерФЛ (исчезновение групп SiH и SiH2 и появление SiO2).

воначальная пористость образцов 1, 2 и 3 составляла Для того чтобы исключить эту неоднозначность в насто- 50, 55 и 60%. Затем эти образцы ПК подвергались ящей работе, образцы ПК были подвергнуты анодному анодному электрохимическому окислению в растворе электрохимическому окислению. Затем анодный оксид NH4NO3-этиленгликоль в гальваностатическом режиме стравливался в водном растворе HF, что, согласно нашим при плотности тока 10 мА/см2. Первоначальное напрярезультатам и данным работ [7–9], не сопровождается жение лежало в диапазоне 6–7 В, окончательное напряпоявлением на поверхности ПК кремний–водородных жение формовки составляло 30 В для всех образцов.

связей. Таким образом, единственным фактором, опре- Измерения спектров ФЛ и ФВ производились на авделяющим эволюцию спектров ФЛ и ФВ в настоящей томатизированном спектрофлуориметре СДЛ-2, созданработе, являлся процесс образования оксида на поверх- ном на базе дифракционных монохроматов возбуждения 1136 В.В. Филиппов, В.П. Бондаренко, П.П. Першукевич Плотность тока анодирования I, длины волн исчезновения (МДР-12) и регистрации (МДР-23). В качестве источинтерференционной картины i и максимума спектра ФЛ m ника возбуждения использовалась дуговая ксеноновая исследованных образцов ПК, подвергнутых анодному окислелампа ДКСШ-120. В случае измерения спектров вознию буждения постоянство формы пятна возбуждения обеспечивалось введением после монохроматора возбужде№образца I, мА/см2 i, нм m, нм ния специальной системы зеркал. Регистрация сигнала 1 10 335 осуществлялась с помощью ФЭУ-100, работающего в 2 20 372 режиме счета фотонов. Спектральная ширина щели обо3 40 383 их монохроматоров изменялась в пределах 2.4–3.0 нм.

Коррекция спектров ФВ и ФЛ по чувствительности выполнялась по общепринятым методикам. Погрешность при измерении спектров люминесценции не превышала интерференционной картины i зависела от режимов 2 3%. Спектры отражения и пропускания записываприготовления образцов и характеризовала сдвиг края лись на спектрометре IR-810 ”Jasko” со спектральным полосы собственного поглощения пленки ПК. Этот разрешением 2 см-1.

сдвиг может быть вызван только эффектом размерного квантования в кристаллитах (кремниевых остовах) ПК нанометрового размера. Другая возможная причина — 2. Результаты и обсуждение значительная доля прозрачной фазы в пленке ПК, связанная с пустотами и оксидом, не может объяснить 2.1 Спектры отражения и поглощения. На рис. исчезновение интерференционной картины вблизи УФ представлены спектры отражения для образцов ПК, пообласти. Более того, оно происходит довольно быстро лученные при плотности анодного тока 20 мА/см2. В (по мере уменьшения ), что говорит о сильном росте видимом диапазоне спектры отражения характеризуютпоглощения в пленке. Таким образом, в районе i лежит ся хорошо выраженной интерференционной картиной, граница области прозрачности и области сильного покоторая исчезает вблизи границы с УФ областью спекглощения. Считая, что интерференция пропадает, когда тра. Как видно из рис. 1, длина волны исчезновения интенсивность участвующей в интерференции волны, отi интерференционной картины составляла 423 нм для раженной от границы пленки с подложкой, уменьшается образца ПК перед анодным окислением. После анодного в e раз, оценим уровень поглощения, соответствующий окисления этого образца i уменьшилась до 372 нм. Инi [10]. При этом i · h = 1, где i — коэффициент терференционная картина наблюдалась для всех исследопоглощения на длине волны i, а h — толщина пленки ванных образцов ПК, причем длина волны исчезновения ПК. Для наших пленок толщиной h = 5 · 10-4 см имеем i = 5 · 105 см-1. Значения i всех образцов приведены в таблице. В ней же приведены длины волн максимумов спектров ФЛ. Судя по i, характеризующей эффект сдвига края полосы собственного поглощения, наименьшие размеры кремниевых кристаллитов имеет образец 1. Вывод сделан вне зависимости от положения максимума ФЛ. Однако, как видно из таблицы, имеется корреляция ФЛ с размерами кристаллитов: чем они меньше (образец 1), тем сильнее сдвинут в голубую область максимум спектра ФЛ.

Пленки анодно окисленного ПК подвергались затем травлению в водном растворе фтористоводородной кислоты (H2O: HF=9: 1), промывались в дистилированной воде, сушились и спустя 10–15 мин после травления снимались их спектры ФЛ и ФВ. Выбор низкоконцентрированного травящего водного раствора фтористоводородной кислоты определяется тем, что он дает ровную и совершенную границу кремния после удаления оксида [11]. Параллельно на идентично обработанных образцах снимались ИК спектры поглощения. Они приведены на рис. 2. Привязка спектров осуществлялась на основании работ [12–15]. Как видно из рис. 2, анодной окисление ПК приводит к сильному увеличению полосы поглощения при 1100 см-1, что свидетельствует Рис. 1. Спектры отражения образца 2 до (a) и после (b) о возрастании доли оксида в образцах ПК после анодного анодного окисления.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Спектры фотолюминесценции и фотовозбуждения пористого кремния... Рис. 2. ИК спектры поглощения образцов 1 (1), 2 (2) и 3 (3) до травления, образца 2(2 ) после двух травлений в течение 3 мин и образца 2 (2 )до анодного окисления.

окисления. В ИК спектрах анодноокисленных образцов область спектра, однако при измерениях через 14 суток отсутствуют полосы поглощения, характерные для ко- первоначального положения не достиг и отстоял от него на 18 нм.

лебаний групп SiH2 и SiH3, а также их кластеров [14].

Отметим, что идентификация пика на 938 см-1 с коле- При времени травления 3 мин в коротковолновую область сметился спектр ФЛ образца 2. Дальнейшая его баниями группы Si–H имеется только в работах [14,15] эволюция была полностью аналогична эволюции спектра (935 см-1) и отсутствует в других исследованиях. После ФЛ образца 3.

травления слабо выраженные широкие полосы поглощеГолубой сдвиг спектра ФЛ образца 1 появлися только ния появились при 2160 и 1635 см-1, что может свидепосле восьмикратного трехминутного травления с послетельствовать о наличии кремний-водородных соединений дующей промывкой в воде, сушкой и контрольными изв травленных образцах. Однако, принимая во внимание, что поглощение при 2160 и 1535 см-1 очень слабое, мы исключали соединения типа SiHx из дальнейшего рассмотрения как возможную причину наблюдаемых изменений ФЛ пленок ПК [4,6,16].

2.2. Спектры ФЛ. В зависимости от исходной пористости пленки ПК имели разную долю оксида. Этим объясняется разное время травления, которое требовалось для появления заметных изменений в характеристиках люминесценции. После травления в течение 20 с с образцов 1 и 2, имеющих наименьшие размеры кремниевого остова и наибольшую долю оксида, их спектры ФЛ практически не изменялись. В то же время заметные изменения наблюдались для образца 3. Его спектр сузился и оказался смещенным в коротковолновую часть спектра (рис. 3). Это смещение продолжалось еще в Рис. 3. Эволюция спектров ФЛ образца 2 после травления течение 19 ч после травления, хотя ширина спектра напри окислении на воздухе в течение следующего времени, ч:

чала расти уже через 1 ч после травления. Затем спектр 2 —0.3, 3 —1.3, 4 — 19, 5 — 336. 1 — исходный спектр до ФЛ стал уширяться и возвращаться назад в красную травления.

8 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1138 В.В. Филиппов, В.П. Бондаренко, П.П. Першукевич мерениями. Эволюция спектра ФЛ образца 1 была такой же, что и для образцов 2, 3. Для всех образцов после первоначального сужения спектров ФЛ происходило их уширение, причем в основном за счет длинноволнового крыла. В образце 1 ширина спектра превысила его значение в контрольном образце (на 17 нм), но в результате окисления на воздухе он в течение суток уширился до первоначального значения и возвратился в исходное положение, которое занимал до травления.

Эти особенности эволюции спектров ФЛ вполне понятны, если связывать наблюдаемое излучение ПК с эффектом размерного квантования носителей в кристаллитах кремниевого остова пленок ПК. Действительно, после стравливания оксидной оболочки на поверхности кристаллитов в ПК по мере окисления на воздухе происходит уменьшение размеров кристаллитов и, как следствие, голубой сдвиг спектра ФЛ. Очевидно, что травлению подвергается поверхностный слой ПК, толщина которого зависит от времени травления. В образце 3, в котором кристаллиты имеют наибольшие размеры и доля оксида кремния относительно мала (хуже всего выявлена интеференционная картина), он стравливается быстрее.

Но в образце 1, где доля оксида велика, а размеры кристаллитов наименьшие, после травления по мере естественного окисления происходит их уменьшение до критических размеров, когда состояние поверхности и поверхностные дефекты в силу малого объема кристалРис. 4. Спектры ФЛ образца 2 до травления (a) и после литов делают преобладающим канал безызлучательной травления (b) при разных длинах волн возбуждения, нм:

рекомбинации. В этом отношении показательно после1 — 250, 2 — 350, 3 — 450. Нормировочные множители для дующее второе травление образцов. Если после первого спектров a: 1 —0.7, 2 —1.0, 3 —6.0; b: 1 —1.5, 2 —1.0, травления в поверхностной области ПК происходило 3 —4.0.

образование кристаллитов меньших размеров (спектр ФЛ оказывается после травления и окисления на воздухе сдвинутым в голубую область), то последующее траОднако полуширина спектров ФЛ нетравленных образвление в силу приведенной выше причины приводило к цов зависит от ex. Эта зависимость обязана изменегашению из излучения. При этом спектр ФЛ оказывался нию только коротковолнового крыла спектра ФЛ, тогда сдвинутым не в голубую, а красную область спектра как длинноволновое крыло практически совпадает при (рис. 3, спектр 5). Уширение спектра ФЛ обсудим всех ex. Отсуствие в разных образцах определенной несколько позже.

зависимости полуширины спектров ФЛ от ex указывает На рис. 4 показаны спектры ФЛ образца 2 при разных на различие распределения высокоэнергетической части длинах волн возбуждения ex до и после травления.

фотовозбуждения носителей. Таким образом, спектры Обратим внимание на независимость положения максирис. 4, a говорят о высокой однородности процессов мума в спектре ФЛ от ex для исходного образца до травозбуждения и излучения в образцах ПК, подвергнутых вления (рис. 4, a). Аналогичный характер спектров ФЛ анодной обработке.

анодированного ПК наблюдался в работе [17]. Совсем 2.3. Спектры ФВ. Эволюция спектров ФВ, предстаиной характер обсуждаемых спектров ФЛ имеет место в свежеприготовленных образцах ПК с большим содержа- вленная на рис. 5, как и эволюция спектров ФЛ, отранием групп SiHx [18,19], а также в случае гидрогенизи- жает стремление к установлению в процессе окисления стабильного состояния, близкого к исходному до травлерованного аморфного кремния [20]. В них наблюдается монотонная зависимость максимума спектра ФЛ от энер- ния и зависящего от размера кремниевых кристаллитов.

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.