WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 12 Эволюция вольт-амперных характеристик фотолюминесцирующего пористого кремния при химическом травлении © Т.Я. Горбач, С.В. Свечников, П.С. Смертенко, П.Г. Тульчинский, А.В. Бондаренко, С.А. Волчек, А.М. Дорофеев, Ж. Мазини+, Г. Маелло+, С.Ла Моника+, А. Феррари+ Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия + Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Universita ”La Sapienza”, 18–00184 Roma, Itali (Получена 20 августа 1996 г. Принята к печати 22 апреля 1997 г.) Установлено, что химическое травление пористого кремния в HF приводит к существенному изменению его вольт-амперных характеристик и параметров фотолюминесценции. Результаты исследования могут быть использованы для повышения эффективности электролюминесценции структур In– пористый Si –Al за счет повышения уровня инжекции неосновных носителей, реализации режима двойной инжекции и высокой скорости поверхностной рекомбинации в приповерхностной области пористого Si.

Введение Методика эксперимента Пористый кремний (ПК) представляет собой слой Объектом исследований являлись структуры In– помонокристалла Si в котором в результате электрохи- ристый Si –Al (In–ПSi–Al). Слои пористого Si толмической обработки во фтористоводородной кислоте щиной 20 мкм получали анодированием поверхности образована сеть каналов–пор, размеры которых могут (100) Si p-типа проводимости с удельным сопротивленисоставлять от нескольких нанометров до микрометров. ем 12 Ом·см (марки КДБ-12) в электролите, содержащем Как специфическая морфологическая форма кристалли- 1 объемную часть 48% кислоты HF и 1 часть изопроческого кремния пористый Si известен уже более 30 лет. пилового спирта. Плотность анодного тока поддерживаОсобый интерес к этому материалу стал проявляться лась постоянной в процессе анодирования и составляла после наблюдения [1] интенсивной фотолюминесценции 15 мА/см2. Химическая деструктивная обработка, в пористого Si при комнатной температуре. Открытие это- результате которой слой пористого кремния стравлиго эффекта стимулировало интенсивные исследования вался, проводилась в растворе HF (48%) +H2O (1 : 1).

электрофизических и оптических параметров этого мате- Омический контакт к обратной стороне подложки сориала. К настоящему времени установлено, что пористый здавали напылением Al. В качестве верхнего контакта Si представляет собой полуизолирующий, более широко- при измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ) зонный по сравнению с объемным Si, полупроводнико- использовался прижимной In-зонд площадью 0.02 см2.

вый материал с высокой концентрацией глубоких цен- Такой контакт не является идеальным для пористого тров, наличие и характеристики которых определяются Si, однако он позволяет проследить за поэтапным изсостоянием внутренней поверхности пор [2–4]. Электри- менением параметров слоя и поверхности одной и той ческое возбуждение электронных состояний в пористом же структуры пористого кремния при его стравливании.

Si, необходимое для последующей излучательной реком- Вольт-амперные характеристики структур In–ПSi–Al избинации, может быть осуществлено за счет инжекции меряли на автоматизированном тестере контроля статиносителей заряда. Структуры с инжектирующими кон- ческих параметров транзисторов 14ТКС-100. В рассматактами реализованы в конструкциях светоизлучающих триваемой структуре прямое направление реализовалось приборов с жидкостными электролитическими и твер- при напряжении положительной полярности, приложендофазными пленочными контактами к слою пористого ной к Al контакту, и соответственно обратное — при Si [5,6]. За последние 3 года квантовая эффективность отрицательной. Обработка измеренных ВАХ проводиэлектролюминесцентных структур на основе пористого лась в виде зависимости дифференциального наклона Si была улучшена от 0.01% до 0.1–0.2% [7] в основном = d lg I/d lgU от приложенного напряжения. Параза счет оптимизации конструкции и технологии форми- метры слоя пористого Si и границ раздела In–ПSi и рования инжектирующих контактов. Для дальнейшего ПSi–Si определялись на основе теории инжекционноулучшения параметров таких структур необходимы бо- контактных явлений в полупроводниках [8]. Изменение лее углубленные исследования электрических характе- морфологии пористого Si при его химической деструкристик слоев пористого Si и влияния на них различных ции изучалось на растровом электронном микроскопе технологических факторов. SEM-S-806.

Эволюция вольт-амперных характеристик фотолюминесцирующего пористого кремния... Рис. 1. Эволюция вольт-амерных характеристик структуры In– пористый Si –Al в прямом (a) и обратном (b) направлениях в зависимости от времени травления td, c: 1 —0, 2 —5, 3 — 40, 4 — 70, 5 — 110.

Спектры фотолюминесценции измеряли на стандарт- Травление в течение 5 с удаляет оксидный слой, что ном оборудовании при возбуждении аргоновым лазером приводит к уменьшению сопротивления на 1.5 порядка в прямом направлении и на порядок в обратном ( = 514.5нм) мощностью 25 мВт.

(рис. 1, a, b, кривая 2). При этом интенсивность фотолюминесценции возрастает на порядок без изменения положения максимума (рис. 4, td = 5c).

Результаты эксперимента Количественное и качественное изменение прямых и их обсуждение и обратных ВАХ при времени травления слоя пористого Si от 5 до 35 с было незначительным, прямые На рис. 1 приведена эволюция вольт-амперных характоки увеличивались в 2 раза. При этом интенсивность теристик структур In–ПSi–Al в зависимости от времени фотолюминесценции имела максимальное значение и травления td. Результаты обработки ВАХ в виде зависибыла постоянной, но имел место голубой сдвиг спектра мости дифференциального наклона от приложенного (рис. 4, 5 < td 35 c) с 790 до 740 нм. Увеличение напряжения и времени травления слоя пористого Si времени травления еще на 5 с (td = 40 c) не только представлены на рис. 2. Такая обработка позволяет увеличило прямые и обратные токи (рис. 1, кривые 3), выделить омические участки с = 1, характерные но и привело к появлению участка насыщения тока на участки с = 2, скачки тока с > 2, участки обратной ВАХ ( = 0.52, рис. 2, b, кривая 3), ярко насыщения тока с <1 и другие особенности ВАХ. Как выраженных скачков тока ( = 3.5; 4.2, рис. 2, a, следует из рис. 1, начальная ВАХ в прямом направлении кривая 3) на прямой ВАХ и к исчезновению квадраимеет небольшой сублинейный участком выпрямления тичного участка на обратной ветви (рис. 2, b, кривая 3).

при смещении порядка 30 В, причем в обоих направлениЭто, с одной стороны, вызвано уменьшением толщины ях сублинейность наблюдается при токах порядка 10-7 A слоя пористого Si и его стравливанием и, с другой (рис. 1, a, b, кривая 1). Это может быть обусловлено стороны, свидетельствует об улучшении условий для образованием оксидного слоя на стенках пор. Спектр инжекции неосновных носителей тока на границе In–ПSi фотолюминесценции (рис. 3, td = 0) имеет положение при прямом смещении. Одновременно на порядок упала максимума (max = 790 нм) и интенсивность Ifl max интенсивность фотолюминесценции (рис. 3, td = 40 c), порядка 0.1 от максимального значения. но слабо изменилось положение max.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1416 Т.Я. Горбач, С.В. Свечников, П.С. Смертенко, П.Г. Тульчинский, А.В. Бондаренко, С.А. Волчек...

Рис. 2. Зависимость дифференциального наклона = d lg I/d lg U от приложенного напряжения в прямом (a) и обратном (b) направлениях для вольт-амперных характеристик, изображенных на рис. 1.

Последующее травление слоя пористого Si полярностях (рис. 1, a, b, кривые 5). Однако наличие (40 < td 70 c) приводило к незначительному специфического рельефа на поверхности Si приводят к возрастанию тока насыщения обратных ВАХ до значений отличию на порядок тока наблюдаемых ВАХ от тока 4 · 10-6 A (рис. 1, b, кривые 3, 4) и увеличению степени структур, изготовленных на монокристалле Si.

насыщения (от = 0.52 при td = 40 с до = 0.2 при Для оценки параметров слоя пористого Si и границ td = 70 с см. рис. 2, b, кривые 3 и 4 соответственно). раздела In–ПSi и ПSi–Si использовались методики теоТоки прямой ВАХ увеличиваются существенно, ВАХ не экспоненциальная, скачки тока возрастают до = 6.4.

В этом случае можно говорить о существенном выпрямлении при изменении полярности приложенного напряжения, причем наибольшее значение коэффициента выпрямления реализуется в интервале 20 30 В и достигает величины 104, что создает благоприятные условия для инжекции носителей двух типов и появления электролюминесценции в этом слое. Именно ВАХ диодного типа соответствует и максимальный голубой сдвиг (max = 680 нм). Электронно-микроскопические исследования показали сохранение пористой структуры слоя Si, при этом толщина слоя пористого Si уменьшилась до 3 мкм. Последние обстоятельства позволяют сделать предположение о доминирующей роли поверхностных центров для объяснения природы фото- и электролюминесценции.

Рис. 3. Зависимость интенсивности фотолюминесценции в Время травления 110 с достаточно в данном случае максимуме I и положения L максимума спектров фотолюмидля растворения слоя пористого Si, об этом свиденесценции от времени травления td, c: 1 —0, 2 —5, 3 — 15, тельствует качественное совпадение ВАХ при обоих 4 — 25, 5 — 35, 6 — 40, 7 — 70, 8 — 80, 9 — 110.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Эволюция вольт-амперных характеристик фотолюминесцирующего пористого кремния... рии инжекционно-контактных явлений в полупроводниках [8–11]. На рис. 4 приведены зависимости — коэффициента прилипания gr носителей заряда на локализованные состояния, вышележащие по отношению к моноэнергетическому центру (рис. 4, a) от времени травления;

— концентрации Nr, соответствующие заполнению локализованных состояний, определенных по скачкам тока, от энергии залегания этих состояний (рис. 4, b);

— скорости поверхностной рекомбинации Sk на границе раздела In–ПSi (рис. 4, c) от времени травления.

Следует отметить оценочный характер приведенных параметров из-за большой неопределенности как геометрических размеров элементов в пористой структуре, так и физических параметров, использованных для расчетов.

Нами были приняты следующие константы материала:

подвижность основных и неосновных носителей заряда µp = 380 см2/В · с и µn =1400 см2/В · с соответственно, эффективные массы основных и неосновных носителей заряда mp = 0.4m0 и mn = 0.8m0 соответственно, диэлектрическая постоянная = 12, абсолютная температура T = 300 K.

На рис. 4, a показано слабое изменение в процессе химического травления пористого Si коэффициента прилипания неосновных носителей заряда gr на вышележащие локальные состояния в области, прилегающей к границе ПSi–Si, тогда как величина gr в области, прилегающей к границе In–ПSi, уменьшается на 4 порядка. Другими словами, при химическом травлении резко уменьшается число мелких центров прилипания на внешней границе пористого Si. Это может способствовать инжекции неосновных носителей тока в слой пористого Si и, соответственно, увеличению рекомбинации, что в свою очередь может повысить вероятность излучательной рекомбинации. Распределение глубоких центров рекомбинации по энергии ( Nr(Er) на рис. 4, b) Рис. 4. Рассчитанные из экспериментальных данных зависвидетельствует об их совпадении в области значений симости: a — коэффициента прилипания носителей заряда энергии от 0.58 до 0.72 эВ для обоих приграничных облаgr от времени травления td; зависимости 1, 2 определены на стей пористого Si, причем их концентрация возрастает границе ПSi–Si и In–ПSi соответственно, b — концентрации на 2 порядка с уменьшением глубины. При дальнейшем Nr локализованных состояний от их энергии залегания, c — уменьшении энергии залегания глубоких центров реком- скорости поверхностной рекомбинации Sk на границе раздела In–ПSi от времени травления td.

бинации до 0.52 эВ их концентрация уменьшается для области вблизи границы In–ПSi более чем на порядок по сравнению с Si–ПSi. Необходимо отметить корреляцию скорости поверхностной рекомбинации Sk на внешней Если говорить о возможности электролюминесценгранице (In–ПSi) (рис. 4, c) с интенсивностью фотолюции в рассматриваемых слоях пористого Si, то для минесценции (рис. 3): максимальные значения фотолюее возникновения также определяющую роль играет, минесценции при td = 15 и 35 с соответствуют более по-видимому, приповерхностная область пористого Si.

высоким значениям Sk, что также свидетельствует об Для получения электролюминесценции, на наш взгляд, определяющей роли приповерхностной области пористонеобходима также выпрямляющая ВАХ, которую можно го Si для эффективной фотолюминесценции. При этом получить травлением исходного пористого Si в течение контакт является плотным: для всех значений td ширина 40 70 с. Кроме того, необходима реализация режима контактного зазора на границе In–ПSi не изменяется при токов двойной инжекции для достаточной интенсивности химическом травлении и составляет значения порядка (2 ± 0.5) · 10-8 см, т. е. порядка радиуса экранирования в рекомбинации. Коэффициент дискриминации Q, опредеметалле [8]. ляемый как отношение объемного заряда в зоне исследуФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1418 Т.Я. Горбач, С.В. Свечников, П.С. Смертенко, П.Г. Тульчинский, А.В. Бондаренко, С.А. Волчек...

емой структуры к концентрации носителей заряда в зоне Evolution of current–voltage проводимости, во всех случаях намного превышал 1 и characteristics of a photoluminescent имел значения порядка 106.

porous silicon as a result of its chemical Таким образом, процесс химического травления пориdestruction стого Si в HF приводит к существенным изменения ВАХ спектров, фотолюминесценции и морфологии пористого T.Ya. Gorbach, S.V. Svechnikov, P.S. Smertenko, Si по мере травления, что можно объяснить, предпола- P.G. Tulchinski, A.V. Bondarenko, S.A. Volchek, гая, что свойства пористого Si неоднородны по толщи- A.M. Dorofeev, G.Masini+, G. Maiello+, не. Предложен путь повышени вероятности получения S.La Monica+, A. Ferrari+ электролюминесценции за счет создания необходимых Semiconductor Physics Institute, условий в структуре In–ПSi–Si–Al: повышения инжекции National Academy of Sciences of Ukraine, неосновных носителей заряда, реализации режима двой252650 Kiev, the Ukraine ной инжекции носителей, создания высокой скорости по Belarussian State University of Informatics and верхностной рекомбинации в приповерхностной области Radoielectronics пористого Si.

+ Dipartimento di Ingegneria Elettronica, А.В. Бондаренко выражает благодарность Междуна- Universita ”La Sapienza”, родной программе образования в области точных наук 18–00184 Roma, Itali Дж. Сороса за частичную финансовую поддержку настоящей работы.

Abstract

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.