Тема: Электрофизика пористого кремния и структур на его основе

Кремний является основным материалом современной электроники: на его основе изготавливаются 95% интегральных схем и свыше 90% полупроводниковых приборов и устройств. Достоинством материала является то, что он может быть получен в разных структурных модификациях (монокристаллической, аморфной, поликристаллической, микрокристаллической, нанокристаллической, пористой), каждая из которых обладает уникальным набором свойств, совместима друг с другом и с технологическими процессами кремниевой технологии. Пористый кремний (ПК) был открыт во второй половине 50-х годов 20-го века [1,2] при изучении процессов электрохимической полировки кремниевых пластин. Первые же исследования показали, что наличие в монокристаллическом кремнии развитой сети мелких пор приводит к появлению в материале ряда специфических явлений, таких как высокая удельная поверхность (до 800 м2/см3) и повышенная химическая активность, когда скорости химических реакций увеличиваются в 10-100 раз по сравнению с монокристаллическим кремнием. Эти свойства были использованы в 60-70-е годы в микроэлектронике для формирования толстых диэлектрических слоев по IPOS (Isolation by Porous Oxidized Silicon) и FIPOS (Full Isolation by Porous Oxidized Silicon) технологиям, для создания структур кремний-на- изоляторе. После открытия в 1990 году Кэнхемом (Canham) [3] явления люминесценции ПК при комнатной температуре в видимой области спектра началось активное всестороннее изучение свойств ПК. Если в период с 1980 по 1990 гг. число публикаций по тематике ПК не превышало 20 журнальных статей в год, то после 1995 года эта цифра стала больше 400. Комплексные исследования показали многообразие свойств ПК, были предложены новые области применения пористых кремниевых слоев. В настоящее время на основе ПК [3-8] активно разрабатываются функциональные элементы сверхбольших интегральных схем, оптоэлектронные пары излучатель-приемник, устройства ультразвуковой электроники, солнечные элементы, волноводы, датчики влажности и состава газов, приборы для мониторинга окружающей среды, биосенсоры, биоматериалы, антиотражающие покрытия, фотонные кристаллы, интегральные конденсаторы и т.д.
Перспективы применения слоев ПК в приборах и устройствах электроники вызвали необходимость получения информации об электрофизических параметрах пористого материала, методах управления величиной электропроводности, термической и радиационной стойкости, свойствах переходов ПК/металл и ПК/кремний и т.д. Анализ имеющихся литературных данных показал, что, несмотря на большое общее число публикаций по пористым полупроводникам (более 4000), многие вопросы, касающиеся электрофизики ПК и структур на его основе, являлись нерешенными. К началу выполнения диссертационной работы ощущался недостаток фундаментальных исследований электрических свойств ПК, отсутствовала единая теория изменения величины проводимости ПК в результате процесса порообразования, не был понятен механизм дрейфа носителей заряда в пористом материале с различной морфологией пор, отсутствовали данные о влиянии термического отжига в интервале 450-550°С и облучения высокоэнергетичными электронами на электрические свойства материала. Информация о параметрах переходов ПК/кремний и ПК/металл в литературе была противоречивой. Неизученными оставались емкостные свойства структур с пористыми кремниевыми слоями; роль фазы продуктов электрохимических реакций в явлениях переноса; природа образования обедненных областей в ПК и т.д. С физической точки зрения нерешенными были вопросы о применимости моделей разупорядоченных полупроводников для описания дрейфа носителей заряда в ПК, о возможных особенностях явлений переноса при переходе к низкоразмерным системам. Серьезным препятствием для понимания общей картины электрических свойств ПК являлось многообразие морфологических особенностей материала и их зависимость от технологических параметров формирования пористой структуры. В то же время целенаправленный учет технологических параметров открывал значительные возможности в создании пористых слоев с заданными электрическими свойствами, например, для получения низкоомных или высокоомных буферных слоев для эпитаксии. Все сказанное выше, дополненное практической необходимостью применения пористых кремниевых слоев с заданными электрофизическими параметрами в создаваемых устройствах электроники, определило актуальность систематического исследования электрических свойств ПК с различной морфологией и пористостью.
Цель диссертационной работы заключалась в выявлении основных закономерностей транспорта носителей заряда в пористом кремнии и в структурах на его основе при вариации в широких пределах величины пористости (3-70%) и морфологии пор. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
■ экспериментально исследовать электрические и фотоэлектрические характеристики слоев ПК с различными структурными параметрами в широком интервале температур;
■ выявить общие закономерности и специфические черты в поведении кинетических коэффициентов для ПК с различной морфологией пор;
...
Купить

В настоящей работе проведено комплексное изучение электрических свойств и явлений переноса носителей заряда в слоях пористого кремния с различной морфологией и в структурах на его основе. Для объяснения полученных результатов и привлечения моделей, описывающих поведение неупорядоченных полупроводников, дополнительно выполнены детальные исследования электрических и фотоэлектрических свойств сильно компенсированных квазиоднородных полупроводников на основе AIVBVI. На основании проведенных исследований получены следующие результаты и сделаны выводы:
1. Описаны технологические условия формирования слоев ПК с широким интервалом пористости (3-70%) и различной морфологией пор. Показано образование при определенных режимах анодирования пористого слоя аморфизированной пленки на поверхности ПК и предложены методы контролируемого его удаления. Для высокопористых образцов методами рентгеноструктурного анализа показано существование в объеме ПК фазы продуктов электрохимических реакций, химический состав которых может в зависимости от условий анодирования изменяться от аморфного гидрогенизированного кремния до SiO2.
2. Предложен акустический метод определения пористости для мезопористых образцов, основанный на измерении скорости рэлеевских поверхностных волн. Проведено теоретическое обоснование метода в рамках различных моделей, описаны области применения, его достоинства и недостатки.
3. Обнаружен и описан второй пористый слой, возникающий на катодной стороне кремниевой пластины при электрохимической обработке сильно легированного кремния методом Унно-Имаи. Проведен сравнительный анализ пористых слоев двухсторонней пористой структуры, показано наличие атомов Pt и Rh в объеме пористого слоя на катодной стороне, предложено объяснение наблюдаемым явлениям.
4. На основании детального изучения температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Холла, вольтамперных и импульсных переходных характеристик на слоях пористого кремния с различной морфологией пор показано многообразие электрических свойств ПК.
Для ПК, сформированного на сильно легированных сурьмой подложках и обладающего невысокой пористостью (8-27%), показано отсутствие обеднения монокристаллической матрицы пористого материала. Явления переноса в таком материале соответствуют теории эффективной среды в модели «кремний+поры».
Для макропористого кремния с редкими крупными порами (P=5-10%), полученного на слабо легированных фосфором пластинах, комплекс электрофизических исследований показал наличие обедненных областей вокруг пор. Проанализированы причины появления обедненных областей. Продемонстрировано, что наилучшее согласие с экспериментом дает модель пассивации примесных атомов водородом. Показано, что перенос носителей заряда в таком ПК осуществляется в рамках теории эффективной среды в модели «кремний+поры+обедненные области».
Для мезопористого кремния с невысокой пористостью (6-30%), сформированного на сильно легированных бором кремниевых пластинах, установлено сильное обеднение монокристаллической кремниевой матрицы ПК, в результате чего пористые слои проявляют эффективный электронный тип проводимости. Температурные зависимости проводимости имеют активационный характер, не подчиняющийся правилам Мейера- Нелдела для аморфного гидрогенизированного кремния. Для объяснения транспорта носителей предложена модель дрейфа в случайном потенциальном рельефе.
ПК с высокой пористостью (более 40-50%), содержащий в своем объеме фазу аморфного кремния, характеризуется высоким удельным сопротивлением, а температурные зависимости проводимости имеют активационный характер, соответствующий правилу Мейера-Нелдела для проводимости по распространенным состояниям в аморфном гидрогенизированном кремнии. Показано выполнение теории ТОПЗ для вольтамперных и переходных характеристик материала. Определены величины подвижности и их температурные зависимости. Продемонстрировано, что перенос носителей заряда в таком ПК осуществляется в рамках «pea-pod» модели по оболочке аморфного гидрогенизированного кремния, окружающего кремниевые нанокристаллиты.
5. На основании комплексного исследования электрофизических параметров ПК с различной морфологией пор и анализа имеющихся литературных данных предложена классификация электрических свойств ПК, в основу которой положены различия в морфологии пор и в образовании обедненных областей вокруг пор. Согласно данной классификации ПК может быть поделен на четыре группы (PS1-PS4), каждая из которых обладает индивидуальным набором электрических свойств и своим механизмом транспорта носителей.
...
Купить