Методы формирования пористого кремния с различным размером пор и его состав

В настоящее время ведется достаточно интенсивные исследования в области создания различных структур на основе пористого кремния (por-Si) для его практических применений. Пористый кремний, полученный на высоколегированных подложках кристаллического кремния перспективен для создания оптических волноводов и лавинных светодиодов [1,2], в то время как por-Si, полученный на подложках с сопротивлением 1–5 Ом•см, может использоваться для создания микроактюаторов, самоуничтожающихся кремниевых чипов, различных кремниевых мембран [3]. На исходных пластинах с более высоким сопротивлением создаются микрореакторы, микрорезонаторы, фотонные кристаллы [4,5]. Одной из перспективных возможностей использования пористого кремния является использование его в качестве чувствительного элемента в различных датчиках [6] а так же для обнаружения бактерий и других биологических объектов, направленной доставки лекарств в определенные органы и ткани [7].

В связи с этим достаточно большое количество современных научных работ посвящено исследованиям особенностей формирования различных структур на основе пористого кремния [8–11] и управления функциональными характеристиками исследуемого материала [12–14].

Образцы пористого кремния были получены в один день, их выдержка на атмосфере в лабораторных условиях составляла около месяца. Технологические параметры методик получения образцов представлены в таблице I. Образцам присвоен номер в соответствии с внутренним порядком их получения.

Растровые изображения сколов образцов были получены на электронном микроскопе компании JEOL — JSM 6380LV (Рис. 1 и 2). На Рис. 1 представлены изображения пористого кремния полученного на подложках марки КЭФ <100> (a — образец 3) и КЭФ <111> (b — образец 7) в спиртовом растворе плавиковой кислоты, а также пористого кремния полученного на подложках марки КЭФ <100> (c — образец 18) в растворе ДМФА-плавиковая кислота при одинаковом режиме травления.

Таблица 1

Режимы получения и характеристики исследуемых образцов por-Si

Анализируя изображения, можно отметить, что ориентация подложки при небольшой разнице в легировании существенно влияет на морфологию порообразования, но слабо влияет на диаметр крупных вертикальных пор. Разница в морфологии состоит в появлении более мелких боковых пор в виде так называемых «ёлочек» в пористом кремнии, выращенном на подложках <111>. Образцы пористого кремния, полученные с использованием раствора ДМФА-плавиковая кислота, имеют больший средний диаметр вертикальных пор, чем в por-Si, полученном по стандартной методике при тех же технологических параметрах.

Рис. 1. РЭМ — изображения сколов образцов пористого кремния, полученного на подложке a) обр. № 3, b) обр. № 7, c) обр. № 18 (общий план — слева и крупный план справа)

На рис. 2 представлены образцы пористого кремния, полученные электрохимическим травлением пластины n- типа КЭФ <111> с сопротивлением 10 Ом•см. (a — образец 29) и пластины КЭФ <111>,10 Ом•см. с эпитаксиально нанесенным на нее p-слоем КДБ (111) 0,4 Ом•см (b — образец 30). Толщина пористого слоя образца 29 составляла ~ 30 мкм, в котором мы не обнаружили пор с размерами более 10 нм.

Рис. 2. РЭМ — изображения сколов образцов пористого кремния, полученного на подложке a) обр. № 29, b)обр. № 30 (общий план — слева и крупный план справа)

При этом образец проявил достаточно хорошие люминесцентные свойства, что в совокупности с типичной методикой получения пористого кремния позволило нам классифицировать его как нанопористый кремний. Из сравнения морфологии образца 29 с образцами 3 и 7, видно, что при травлении в приблизительно одинаковых технологических режимах, диаметр пор у высоко легированных образцов получается больше, чем у слабо легированных. Это вполне можно объяснить присутствием у первых гораздо большего количества примесных дефектов, способствующих образованию пор с размером 10–100 нм.

На РЭМ-изображениях сколов образца 30, сформированного на p/n переходе, со стороны пластины с p-слоем четко наблюдаются два пористых слоя с различным размером упорядоченных вертикальных макропор и граница раздела между ними. Толщина слоев составляет ~10 мкм для p-слоя и ~ 15 мкм для расположенного под ним слоя n-por-Si. Впоследствии часть p-слоя была механически удалена и были проведены исследования ИК как верхнего слоя (30-p), так и слоя под ним (30-n).

Для того чтобы получить данные о химических связях и их возможных деформациях на поверхности образцов por-Si были проведены исследования с использованием метода ИК-спектроскопии. ИК-спектры пропускания образцов пористого кремния были получены на ИК Фурье спектрометре Vertex 70 (Bruker) с использованием приставки для спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

Рис. 5. ИК-спектры пропускания образцов пористого кремния различной пористости

На основе сравнения данных, полученных методом ИК-спектроскопии, с фотолюминесцентными характеристиками образцов отметить следующие закономерности: во-первых, на ИК-спектрах всех образцов, имеющих наиболее яркую фотолюминесценцию, в оптическом диапазоне в значительной степени выражена широкая полоса 600–700 см^-1, с пиком в области 616 см^-1, характерным для связей Si-Si. Для образцов с меньшей ФЛ эта полоса проявляется слабее и исчезает для образцов не обладающих ФЛ свойствами. Данную закономерность можно объяснить присутствием в образцах с яркой люминесценцией значительного количества нанокристаллов/кластеров кремния. Второй отличительной особенностью ИК-спектров образцов, обладающих яркой фотолюминесценцией, является наличие полосы поглощения Si-H связей в области (2100- 2140 см^-1).

Учитывая то, что данные связи являются достаточно слабыми, они могут активно принимать участие в различных естественных или технологических поверхностных процессах, таких как окисление, карбонизация и т. п., приводящих к усилению или ослаблению люминесцентных свойств por-Si, что так же предполагает развитие возможностей управления функциональными характеристиками структур пористого кремния для нужд оптоэлектроники.

Литература:

1.      Бондаренко В. П., Яковцева В. А., Долгий Л. Н., Ворозов Н. Н., Казючиц Н. М., Цыбесков Л., Фуше Ф. // ПЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 17. C. 69–73.

2.      Лазарук С. К., Лешок А. А., Лабунов В. А., Борисенко В. Е. // ФТП. 2005. Т. 39. Вып. 1. C. 149–152.

3.      Горячев Д. Н., Беляков Л. В., Сресели О. М. // ФТП. 2010. Т. 44. Вып. 12. C. 1636–1639.

4.      Акципетров О. А., Долгова Т. В., Соболева И. В., Федянин А. А. // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 1. С. 150–152.

5.      Жарова Ю. А., Федулова Г. В., Астрова Е. В., Балдычева А. В., Толмачев В. А., Перова Т. С. // ФТП. 2011. Т. 45. Вып. 8. C. 1136–1143.

6.      Moshnikov V. A., Gracheva I., Lenshin A. S., Spivak Y. M., Anchkov M. G., Kuznetsov V. V., Jan M. Olchowik. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. V. 358. Issue 3. P. 590–595.

7.      C. RoyChaudhuri, S.Gangopadhyay, R.DevDas, S. K. Datta, H.Saha // International journal on smart sensing and intelligent systems, 2008, vol.1, № 3.

8.      Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Середин П. В., Минаков Д. А., Агапов Б. Л., Кузнецова М. А., Мошников В. А., Домашевская Э. П. // ФТП. 2012. Т. 46. № 8. С. 1101–1107.

9.      Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Голощапов Д. Л., Середин П. В., Полуместная К. А., Мараева Е. В., Солдатенко С. А., Юраков Ю. А., Домашевская Э. П. // Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 10. С. 1091.

10.  Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Турищев С. Ю., Смирнов М. С., Домашевская Э. П. // ЖТФ. 2012. Т. 82. № 2. С. 150–152.

11.  Kashkarov V., Nazarikov I., Lenshin A., Terekhov V., Turishchev S., Agapov B., Pankov K., Domashevskaya E. // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1557–1560.

12.  Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Агапов Б. Л., Турищев С. Ю., Домашевская Э. П. // ПЖТФ. 2009. Т. 35. № 17. С. 89–96.

13.  Соцкая Н. В., Долгих О. В., Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Котлярова Е. А., Макаров С. В. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. № 5. С. 643–652.

14.  Kashkarov V., Lenshin A., Agapov B., Turishchev S., Domashevskaya E. // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1656–1660.