Электрофизика пористого кремния и структур на его основе (01.04.10)
|
Введение 5
1. Формирование слоев пористого кремния и исследование их структурных характеристик 18
1.1. Методы формирования слоев пористого кремния 18
1.2. Структура пор и свойства поверхностной аморфизированной пленки 22
1.3. Акустический метод определения пористости для мезопористых образцов 35
1.4. Эффект формирования двухсторонней пористой структуры в процессе травления высоколегированных пластин кремния 54
Выводы по главе 1 63
2. Явления переноса носителей заряда в слоях пористого кремния с различной морфологией 64
2.1. Эффект Холла и проводимость в мезопористом кремнии на основе
Si с низкой пористостью 64
2.2. Эффект Холла и проводимость в макропористом кремнии, полученном
на слабо легированных подложках n-Si 70
2.2.1. Анализ экспериментальных результатов в рамках модели пассивации примесных атомов водородом 75
2.2.2. Анализ экспериментальных результатов при учете изгиба зон
На стенках пор 80
2.3. Перенос носителей заряда в мезопористом кремнии на основе p-Si 82
2.4. Проводимость пористого кремния с высокой пористостью, содержащего фазу аморфного кремния 92
2.4.1. ВАХ тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния 92
2.4.2. Температурные зависимости удельного сопротивления пористого кремния с высокой пористостью 95
2.4.3. Анализ нелинейного характера сопротивления пористого
Кремния в рамках теории токов, ограниченных пространственным 99
зарядом
2.4.4. Переходные характеристики для высокопористых слоев и температурная зависимость подвижности носителей 103
2
Выводы по главе 2 112
3. Классификация электрических свойств пористого кремния и контактные явления на границе пористого кремния с металлами и кристаллическим кремнием 114
3.1. Классификация электрических свойств пористого кремния 116
3.2. Электрические свойства контакта пористого кремния с металлами 121
3.2.1. Омический характер контактов к пористому кремнию первой
группы 123
3.2.2. Выпрямление на контакте алюминий / пористый кремний 2-й
группы 127
3.3. Свойства границы пористый кремний / кремний 129 Выводы по главе 3 134
4. Влияние термического отжига и электронного облучения на
электропроводность пористого кремния с различной морфологией пор 135
4.1. Изохронный термический отжиг пористого кремния в инертной среде 135
4.1.1. Отжиг образцов PS1 137
4.1.2. Отжиг образцов PS2 140
4.1.3. Переход в низкоомное состояние и эффект релаксации проводимости при термоотжиге слоев PS3 147
4.1.4. Влияние отжига на проводимость слоев PS4 155
4.2. Влияние облучения высокоэнергетичными электронами на проводимость слоев ПК 158
Выводы по главе 4 166
5. Емкостные свойства и динамическая проводимость пористого кремния, содержащего аморфную фазу 167
5.1 Зависимость диэлектрической проницаемости пористого кремния от величины пористости 167
5.2. Анализ зависимости диэлектрической проницаемости пористого
кремния от пористости в рамках трехфазной модели 170
5.3. Частотные зависимости емкости тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния в вакуумных условиях 178
5.4. Динамическая проводимость структур с толстыми слоями пористого кремния в интервале частот 10-106 Гц в условиях вакуума 186
3
Выводы по главе 5
6. Анализ электрических и фотоэлектрических свойств пористого кремния
3-й группы и квазиоднородных сильно компенсированных полупроводников
А1¥Бу1 в рамках модели флуктуирующего потенциального рельефа
6.1. Квазиоднородные компенсированные твердые растворы на основе
Л IVT-IVI
полупроводников A B
6.1.1. Электрические и фотоэлектрические свойства сильно
компенсированных твердых растворов на примере Pb1-xCdxS
6.1.2. Электрические и фотоэлектрические свойства других сильно
Л IVT-IVI
компенсированных твердых растворов на основе A B
6.2. Получение и свойства сильно компенсированных пленок сульфида
свинца при помощи радиационных воздействий
6.3. Электрические и фотоэлектрические явления в пористом кремнии 3-й
группы
6.4. Зависимость времени релаксации фотопроводимости для слоев PS3 от
внешних воздействий
Выводы по главе 6
7. Структурные и электрические параметры пленочных структур с
буферными слоями пористого кремния с заданной электропроводностью
7.1. (111)-ориентированные пленки алюминия на пористом кремнии
7.2. Особенности структурных и электрических параметров стеклообразных
пленок As2Se3 на пористом кремнии
7.3. Рост пленок полупроводников AIVBVI на пористом кремнии
7.4. Получение аксиально текстурированных пленок теллурида свинца на ПК
методом вакуумного осаждения
Выводы по главе 7
Заключение
Список использованных источников
1. Формирование слоев пористого кремния и исследование их структурных характеристик 18
1.1. Методы формирования слоев пористого кремния 18
1.2. Структура пор и свойства поверхностной аморфизированной пленки 22
1.3. Акустический метод определения пористости для мезопористых образцов 35
1.4. Эффект формирования двухсторонней пористой структуры в процессе травления высоколегированных пластин кремния 54
Выводы по главе 1 63
2. Явления переноса носителей заряда в слоях пористого кремния с различной морфологией 64
2.1. Эффект Холла и проводимость в мезопористом кремнии на основе
Si
2.2. Эффект Холла и проводимость в макропористом кремнии, полученном
на слабо легированных подложках n-Si 70
2.2.1. Анализ экспериментальных результатов в рамках модели пассивации примесных атомов водородом 75
2.2.2. Анализ экспериментальных результатов при учете изгиба зон
На стенках пор 80
2.3. Перенос носителей заряда в мезопористом кремнии на основе p-Si 82
2.4. Проводимость пористого кремния с высокой пористостью, содержащего фазу аморфного кремния 92
2.4.1. ВАХ тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния 92
2.4.2. Температурные зависимости удельного сопротивления пористого кремния с высокой пористостью 95
2.4.3. Анализ нелинейного характера сопротивления пористого
Кремния в рамках теории токов, ограниченных пространственным 99
зарядом
2.4.4. Переходные характеристики для высокопористых слоев и температурная зависимость подвижности носителей 103
2
Выводы по главе 2 112
3. Классификация электрических свойств пористого кремния и контактные явления на границе пористого кремния с металлами и кристаллическим кремнием 114
3.1. Классификация электрических свойств пористого кремния 116
3.2. Электрические свойства контакта пористого кремния с металлами 121
3.2.1. Омический характер контактов к пористому кремнию первой
группы 123
3.2.2. Выпрямление на контакте алюминий / пористый кремний 2-й
группы 127
3.3. Свойства границы пористый кремний / кремний 129 Выводы по главе 3 134
4. Влияние термического отжига и электронного облучения на
электропроводность пористого кремния с различной морфологией пор 135
4.1. Изохронный термический отжиг пористого кремния в инертной среде 135
4.1.1. Отжиг образцов PS1 137
4.1.2. Отжиг образцов PS2 140
4.1.3. Переход в низкоомное состояние и эффект релаксации проводимости при термоотжиге слоев PS3 147
4.1.4. Влияние отжига на проводимость слоев PS4 155
4.2. Влияние облучения высокоэнергетичными электронами на проводимость слоев ПК 158
Выводы по главе 4 166
5. Емкостные свойства и динамическая проводимость пористого кремния, содержащего аморфную фазу 167
5.1 Зависимость диэлектрической проницаемости пористого кремния от величины пористости 167
5.2. Анализ зависимости диэлектрической проницаемости пористого
кремния от пористости в рамках трехфазной модели 170
5.3. Частотные зависимости емкости тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния в вакуумных условиях 178
5.4. Динамическая проводимость структур с толстыми слоями пористого кремния в интервале частот 10-106 Гц в условиях вакуума 186
3
Выводы по главе 5
6. Анализ электрических и фотоэлектрических свойств пористого кремния
3-й группы и квазиоднородных сильно компенсированных полупроводников
А1¥Бу1 в рамках модели флуктуирующего потенциального рельефа
6.1. Квазиоднородные компенсированные твердые растворы на основе
Л IVT-IVI
полупроводников A B
6.1.1. Электрические и фотоэлектрические свойства сильно
компенсированных твердых растворов на примере Pb1-xCdxS
6.1.2. Электрические и фотоэлектрические свойства других сильно
Л IVT-IVI
компенсированных твердых растворов на основе A B
6.2. Получение и свойства сильно компенсированных пленок сульфида
свинца при помощи радиационных воздействий
6.3. Электрические и фотоэлектрические явления в пористом кремнии 3-й
группы
6.4. Зависимость времени релаксации фотопроводимости для слоев PS3 от
внешних воздействий
Выводы по главе 6
7. Структурные и электрические параметры пленочных структур с
буферными слоями пористого кремния с заданной электропроводностью
7.1. (111)-ориентированные пленки алюминия на пористом кремнии
7.2. Особенности структурных и электрических параметров стеклообразных
пленок As2Se3 на пористом кремнии
7.3. Рост пленок полупроводников AIVBVI на пористом кремнии
7.4. Получение аксиально текстурированных пленок теллурида свинца на ПК
методом вакуумного осаждения
Выводы по главе 7
Заключение
Список использованных источников
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
5
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;
6
■ исследовать влияние внешних воздействий (термического отжига 450-550°С в инертной среде, облучения высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ) на электрические параметры ПК;
■ изучить емкостные свойства и динамическую проводимость слоев ПК;
■ провести сравнение свойств ПК со свойствами неоднородных полупроводников со случайным потенциальным рельефом; для этого в качестве модельных объектов использовать квазиоднородные сильно компенсированные полупроводники [9] на основе AIVBVI ;
■ изучить электрические характеристики и структурные параметры пленочных структур с буферными слоями ПК;
■ провести классификацию электрических свойств ПК с разными структурными параметрами и соответствующих переходов ПК/кремний и ПК/металл.
Научная новизна работы заключается в том, что в результате комплексных исследований явлений переноса в ПК, обладающем различными морфологическими особенностями, предложен единый теоретический подход, объясняющий дрейф носителей заряда с учетом свойств обедненных областей в пористом материале. К наиболее оригинальным и впервые полученным научным результатам, представленным в диссертационной работе, относятся следующие:
1. Обнаружен тонкий пористый слой на катодной стороне сильно легированных кремниевых пластин в методе жидкостного контакта Унно-Имаи и описаны его специфические свойства.
2. Прямыми экспериментальными методами (в том числе на основе эффекта Холла) показано, что для кремниевой матрицы ПК могут иметь место случаи отсутствия обеднения, частичного или полного обеднения (патент РФ №2054746).
3. Установлено, что размеры обедненных областей вокруг пор в макропористом кремнии с малой пористостью коррелируют с диффузионной длиной атомарного водорода, и комплекс явлений, происходящих при отжиге макропористого кремния на n-Si(P), можно объяснить пассивацией (депассивацией) примесных атомов фосфора водородом.
4. Для динамической проводимости и емкости слоя ПК, находящегося в условиях вакуума, показана роль адсорбированных полярных молекул на стенках пор.
5. Описан эффект перехода в низкоомное состояние для мезопористого кремния с малой пористостью, сформированного на p -Si(B), при отжиге 500-550°С и для
7
макропористого кремния с малой пористостью, полученного на n-Si(P), при отжиге 650°С.
6. Показана возможность снижения переходных сопротивлений алюминиевых контактов к кремнию за счет применения пористых необедненных слоев (патент РФ №2065226).
7. Определены величины переходных сопротивлений алюминиевых контактов в ПК с различной морфологией и показаны их изменения при внешних воздействиях.
8. Получены экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости ПК в интервале пористости 30-70%.
9. Показано, что наличие аморфизированной пленки на поверхности ПК и проведение технологических операций по ее удалению приводят к особенностям роста пленочных структур (A/, As2Se3, AIVBVI) на кремнии.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработан новый метод локального определения пористости для мезопористых слоев с пористостью 20-50% с применением методов акустической микроскопии.
2. Предложена классификация электрических свойств ПК с различной морфологией пор, позволяющая предсказать поведение электрических параметров пористых слоев в составе пленочных элементов электроники.
3. Установлены интервалы температурной обработки ПК с различной морфологией, в которых не происходит существенного изменения электрической проводимости пористого материала.
4. Разработаны технологические приемы, позволяющие целенаправленно изменять величину проводимости ПК и варьировать величину удельного сопротивления материала в составе многослойных структур после окончания процесса анодирования.
5. Предложен способ формирования (111)-аксиально текстурированных пленок алюминия на подслое ПК, который может быть использован для создания металлизации с повышенным сопротивлением явлению электромиграции.
6. Установлены технологические режимы операции отжига, при которых происходит снижение переходных сопротивлений алюминиевых контактов к пористому слою и улучшение параметров контактов.
7. Предложены приемы, вызывающие ликвидацию нежелательного эффекта релаксации проводимости ПК после отжига.
8
8. Для исследования емкостных и проводящих свойств высокоомного ПК предложены специальные тестовые структуры, позволяющие устранить или минимизировать нелинейные явления на интерфейсах.
Результаты работы были использованы при выполнении гранта РФФИ 94-02-05460-а и шести грантов Министерства образования РФ в области естественных наук, в области электроники и в области химических технологий (1992-2003 годы).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы и содержит 305 страниц текста, включая 119 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 444 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, излагаются цель и задачи работы, формулируется научная и практическая значимость работы, выдвигаются основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе описываются основные методики формирования слоев ПК с различной морфологией пор и широким интервалом пористости (3-70%), исследуются их структурные характеристики. Особое внимание уделено изучению поверхностной аморфизированной пленки и способам ее удаления. Предложен новый акустический метод локального определения пористости для мезопористого кремния с величиной пористости от 20 до 50%. Обнаружен и описан второй пористый слой, возникающий на катодной стороне сильно легированных кремниевых пластин в методе Унно-Имаи.
В главах 2-7 изложены результаты экспериментов и теоретического анализа по комплексному исследованию явлений переноса в слоях ПК с различной морфологией и величиной пористости. Показано многообразие электрических свойств пористого материала, выявлены отличия в поведении электрофизических параметров для ПК с различными структурными характеристиками. Предложена классификация электрических свойств ПК, предусматривающая деление на четыре группы, в рамках которых имеют место одинаковые процессы дрейфа носителей. На основе классификации описано поведение переходов ПК/кремний и ПК/металл. Изучено влияние кратковременного термоотжига в интервале 450-550°С и облучения высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ на проводимость ПК всех четырех групп. Показано, что в рамках каждой группы наблюдается индивидуальный отклик на внешние воздействия, соответствующий предложенным моделям переноса носителей заряда. Проведено изучение емкостных свойств ПК, установлена и проанализирована зависимость диэлектрической проницаемости ПК от величины пористости. Экспериментально описаны зависимости
9
емкости и динамической проводимости многослойных структур с толстыми слоями ПК от частоты и температуры. Проведено комплексное исследование электрических и фотоэлектрических свойств модельных объектов с крупномасштабным размером флуктуаций - сильно компенсированных квазиоднородных твердых растворов на основе полупроводников AIVBVI. Установлены общие закономерности поведения кинетических коэффициентов для таких материалов и показана возможность реализации данной модели в сильно компенсированных пленках бинарных соединений AIVBVI после радиационной обработки. Из сравнительного анализа электрических и фотоэлектрических характеристик сильно компенсированных квазиоднородных твердых растворов на основе
Л IVT-IVI
полупроводников A B и мезопористого кремния с малой пористостью, сформированного на подложках p-Si, сделан вывод о том, что данный вид ПК может быть описан в рамках модели случайно неоднородных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями. Проведено комплексное изучение роста пленок различных материалов (A/, As2Se3, AIVBVI) на поверхности ПК с различной морфологией и электрическими свойствами и показано наличие особенностей формирования пленочной структуры при использовании пористого буферного слоя.
В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе, которые являются обобщением выводов, сформулированных в конце каждой главы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Процессы переноса носителей заряда в ПК имеют многообразное проявление в зависимости от морфологических особенностей материала, величины пористости и свойств обедненных областей.
2. В мезопористом кремнии с малой пористостью (менее 20%) при отсутствии обедненных областей дрейф носителей описывается в рамках теории эффективной среды в модели «кремний - поры».
3. Транспорт носителей в макропористом кремнии при наличии неперекрывающихся обедненных областей вокруг пор соответствует теории эффективной среды в модели «кремний - обедненные области - поры».
4. Комплекс электрических и фотоэлектрических явлений в мезопористом кремнии с малой пористостью, сформированном на p-Si, описывается теорией случайно неоднородных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями.
10
5. При анализе дрейфа носителей в мезо- и микропористом кремнии с высокой пористостью, содержащем фазу аморфного кремния, необходимо учитывать роль аморфной оболочки, обволакивающей кремниевые нанокристаллиты.
6. ПК по своим электрическим свойствам классифицируется в зависимости от величины пористости, морфологических особенностей материала и свойств обедненных областей на четыре основные группы.
7. Кратковременный изохронный термический отжиг 450-550°С в инертной среде и облучение высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ приводят к индивидуальному изменению проводимости ПК различных групп, что связано с особенностями дрейфа носителей заряда.
8. Диэлектрическая проницаемость высокоомного ПК, содержащего фазу аморфного кремния, при вариации весовой пористости от 30% до 68% монотонно уменьшается от 8,6 до 4,2. Величина диэлектрической проницаемости среды в объеме пор превышает единицу и увеличивается при росте температуры и уменьшении частоты измерительного сигнала.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на международных конференциях: «Porous Semiconductors - Science and Technology» (Mallorca, 1998, Madrid, 2000), E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, 1996, 1997, 1998), «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Uzhgorod, 1996, Kiev,
1998, 2000, 2002), European Workshop MAM-99 (Oostende, 1999), 11-th European Conf. EUROSENSOR-XI (Warsaw, 1997), European Workshop MAM-97 (Villard de Lance, 1997), XI Intern. Conf. on Crystal Growth (Hague, 1995), XII Intern. Winter School on the Physics of Semiconductors (Ekaterinburg, 1997), Intern. ^nf. PLDS (Chernogolovka, 1993, Dubna,
1995) , Intern. Symposium «Si Heterostructures: From Physics to Devices» (Fodele, 1995), Intern Conf. ISNM (Novosibirsk, 1996), European Workshop MAM-95 (Radebeul, 1995), Intern. Conf. ALT-92 (Moscow, 1992), Intern. Conf. PPMSS-95 (Chernivtsi, 1995), III Intern. Conf. ICVC-93 (Taejon, 1993), междун. конф. по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1993), III междун. конф. «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С-Пб., 2002), X междун. симпоз. «Тонкие пленки в электронике» (Ярославль, 1999), междун. н.-т. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2000); на российских конференциях: «Полупроводники» (Н.Новгород, 1993, Зеленогорск, 1996, Москва, 1997), н.-т. конф. «Электроника и информатика» (Зеленоград, 1995, 1997, 2002), н.-т. конф. «Актуальные проблемы твердотельной электроники и
11
микроэлектроники» (Таганрог, 1996, 1997), н.-т. конф. «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1993, 1995, 1997), н.-т. конф. «Новые материалы и технологии» (Москва, 1994, 1995), н.-т. конф. «Электроника» (Москва, 2001), симпоз. «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур» (Обнинск, 1997), н.-т. конф. «Методы и средства измерений физических величин» (Н.- Новгород, 1997), н.-т. конф. «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса и динамики» (Тверь, 1994, 1997, 1998), н.-т. конф. «Датчик» (Гурзуф, 1995,
1996) , совещании «Кремний-2002» (Новосибирск, 2002), н.-т. конф. «Физика электронных материалов» (Калуга, 2002), н.-т. конф. «Физика полупроводников и полуметаллов» (С¬Пб, 2002), н.-т. конф. «Микро- и наноэлектроника» (Звенигород, 2001), совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998, 1999, 2001), конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1997, 1998), н.-т. конф. «Тонкие пленки и слоистые структуры» (Москва, 2002).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 115 печатных работ (в том числе 17 работ без соавторов, 2 патента на изобретение, 43 статьи), основными из которых являются:
[1A] Патент №2054746 РФ, МКИ3 6 Н 01 L, 21/306. Способ изготовления i-области / Винке А.Л., Зимин С.П., Палашов В.Н. - №93002634/25; Заявлено 13.01.93; Опубл. 20.02.96, Бюл. № 5. - 4с.: ил.
[2A] Патент №2065226 РФ, МКИ3 6 Н 01 L, 21/28 Способ изготовления низкоомного контакта к кремнию / Чистяков В.В., Зимин С.П., Винке А.Л. - №93038602/25; Заявлено 27.07.93; Опубл. 10.08.96, Бюл. №22. - 3с.: ил.
[3A] Зимин С.П., Рябкин Ю.В., Брагин А.Н. Влияние электронного облучения на электропроводность пористого кремния, содержащего аморфную фазу / Материалы XI межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 2001.- С.143-147.
[4A] Zimin S.P., Zimin D.S., Ryabkin Yu.V., Bragin A.N. Electron irradiation influence on porous silicon electrical parameters // Phys. Stat. Sol. (a).- 2000.- V.182.- P.221-225.
[5A] Зимин С.П., Комаров Е.П., Рябкин Ю.В. Процессы переноса носителей заряда в структурах с толстыми слоями пористого кремния // Известия ВУЗов. Электроника.- 2000.- Вып.1.- С.15-20.
[6A] Зимин С.П. Классификация электрических свойств пористого кремния // ФТП- 2000.- Т.34, вып. 3.- С.359-363.
12
[7A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Формирование двухсторонней пористой структуры при электрохимическом травлении кремния методом Унно-Имаи // Письма в ЖТФ- 2000.- Т.26., вып.1.- С.24-29.
[8A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Buchin E.Yu., Zimin D.S., Bibik E.A. Acoustic microscopy investigations of porous silicon with surface amorphous film / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Madrid, Spain, 2000.- P.244- 245.
[9A] Zimin S.P., Zimin D.S., Ryabkin Yu.V., Bragin A.N. Electron irradiation influence on porous silicon electric parameters / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Madrid, Spain, 2000.- P.242-243.
[10A] Бибик Е.А., Бучин Э.Ю., Зимин С.П., Преображенский М.Н. Исследование пористого кремния методом акустической микроскопии / Материалы международной н.-т. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики. Новочеркасск, 2000.- Ч.2.- С.37-40.
[11A] Zimin S.P., Zimin D.S. Variety of aluminium - porous silicon contacts electrical parameters / Materials of European Workshop «Materials for Advanced Metallization». Streza, Italy, 2000.- P.138-139.
[12A] Зимин С.П., Брагин А.Н.. Релаксация проводимости в закрытом пористом кремнии после термообработки // ФТП.- 1999.- Т.33, вып.4.- С.476-480.
[13A] Зимин С.П., Кузнецов В.С. Механические напряжения в эпитаксиальных пленках IV-VI при низких температурах / Материалы X международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». Ярославль, 1999.- Т.1.- С.215-220.
[14A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Структурные особенности пленок селенида свинца, полученных на облученном электронами пористом кремнии / Материалы X международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». Ярославль,
1999. - Т.2.- С.249-254.
[15A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S., Zaikina R.F., Borzova G.A., Naumov V.V. Growth and properties of PbTe films on porous silicon // Infrared Phys. and Technol.-1999.- V.40.- P.337-342.
[16A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. High-quality lead telluride films grown on silicon with buffer porous silicon layers // SPIE Proc.-1999.- V.3890.- P.497-501.
[17A] Zimin S.P. Properties and stability of parameters of highly compensated IV-VI films // SPIE Proc.-1999.- V.3890.- P.93-97.
13
[18A] Akimov B.A., Bogoyavlenskiy V.A., Ryabova L.I., Vasil’kov V.N., Zimin S.P. Photoconductivity kinetics in high resistivity n-PbTe (Ga) epitaxial films // Semicond. Sci. Technol.-1999.- V.14.- P. 679-684.
[19A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Свойства алюминиевых пленок, полученных на кремнии после катодной электрохимической обработки / C6. «Высокие технологии в промышленности России». М., МГТУ им. Н.Э.Баумана.- 1999.- C.225-229. [20A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. Aluminium metallization structure on porous silicon and electric parameters of porous silicon - aliminium transition / Materials of European Workshop «Materials for Advanced Metallization». Oostende, Belgium, 1999.- P.127. [21A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Влияние пострадиационного отжига на параметры модифицированного поверхностного слоя в пленках сульфида свинца / Материалы IX межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1999.- С.137-141.
[22A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Брагин А.Н., Рябкин Ю.В. Электронное облучение пористого кремния с невысокой пористостью / Материалы IX межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1999.- С.163-167.
[23A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Образование оксидных фаз в пленках PbS при облучении // Неорганические материалы.-1998.-Т.34, вып.11.- С.1373-1376.
[24A] Zimin S.P., Komarov E.P. Dielectric permittivity of porous silicon / Book of Abstracts E- MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1998.- РЗ-17.
[25A] Zimin S.P., Komarov E.P. Investigation of electrical properties of porous silicon with the help of structures with thick layers of porous silicon / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Mallorca, Spain, 1998.- P.138.
[26A] Преображенский М.Н., Зимин С.П., Зимин Д.С. Возможности метода акустической микроскопии при изучении кристаллического строения тонких пленок / Сб. «Высокие технологии в промышленности России». М.:МАИ, 1998.- С.168-171.
[27A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Анализ диэлектрической проницаемости пористого кремния в рамках двухфазной модели // Известия вузов. Электроника.- 1998.- Вып.3.- С.48-51.
[28A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Саунин И.В., Бондоков Р.Ц. Низкотемпературный рост пленок PbTe на пористом кремнии // Неорганические материалы.- 1998.- Т.34, вып.4.- С.114-115.
14
[29A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Влияние кратковременного отжига на проводимость пористого кремния и переходное сопротивление контакта алюминий-пористый кремний // Письма в ЖТФ - 1998.- Т.24, вып.6.- С.45-51.
[30A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. Investigations of single-crystal PbTe films on porous silicon substrates using acoustic microscopy / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Mallorca, Spain, 1998.- P.134.
[31A] Зайкин Ю.А., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А., Зимин С.П. Влияние электронного облучения на проводимость тонких пленок сульфида свинца / Материалы XIII межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1998.- С.354-357
[32A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Change of light holes valence band in lead-tin telluride films by isovalent substitution of chalcogen atoms // Thin Solid Films.- 1997.- V.310.- P.194-198.
[33A] Babarykina V.P., Rudakov V.I., Voinov M.V., Zimin S.P. Electrical properties of photosensitive PbTe-BaF2-Si and PbTe-SiO2-Si structures / Proc. of the 11-th European Conference EUROSENSOR-XI. Warsaw, Poland, 1997.- V.1.- P.231-234.
[34A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Воздействие электронного облучения на поверхность пленок сульфида свинца и границу раздела индий-сульфид свинца // Поверхность.- 1997.- Bbm.10.- C.92-95.
[35A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Преображенский М.Н. Структурные характеристики монокристаллических пленок теллурида свинца, выращенных на слоях пористого кремния // Труды Украинского вакуумного общества. Харьков, 1997.- T.3.- C.241-243.
[36A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S., Komarov E.P., Saunin I.V. Physical peculiarities of single-crystal IV-VI thin films growth on porous silicon // Book of Abstracts E-MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1997.- P.B-24.
[37A] Zimin S.P., Komarov E.P. Dielectric permittivity of porous silicon: theory and experiment / Abstracts XII Intern. School on the Physics of Semiconductors. Ekaterinburg, 1997.- P.14.
[38A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Переходное сопротивление омических контактов алюминий-пористый кремний / Труды IX н.-т. конф. «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ-97». Таганрог, 1997.- С. 120-121. [39A] Zimin S.P., Komarov E.P. The change of electrical properties of aluminum - porous silicon contact by thermal annealing / Abstracts Booklet of European Workshop MAM-97. Villard de Lance, France, 1997.- Р.161.
15
[40A] Зимин С.П., Комаров Е.П., Световой В.Б. Влияние термоотжига и лазерной обработки на параметры контактов алюминий - пористый кремний. Проводимость и емкость толстых слоев пористого кремния / Тезисы III Росс. конф. по физике полупроводников. М., ФИАН, 1997.- С.301.
[41A] Преображенский М.Н., Зимин С.П., Зимин Д.С. Исследование пленочных структур на основе пористого кремния методом акустической микроскопии / Тезисы III Росс. конф. по физике полупроводников. М., ФИАН, 1997.- С.324.
[42A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Емкость структур с толстым слоем пористого кремния // Письма в ЖТФ - 1996.- Т.22, вып.19.- С.69-73.
[43 A] Zimin S.P., Komarov E.P., Kuznetsov V.S., Ognetov S.V. Carrier transport in porous silicon-monosilicon heterostructures / Book of Abstracts E-MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1996.- РХ-22.
[44A] Зимин С.П. О концентрации носителей в пористом кремнии / Тезисы II Росс. конф. по физике полупроводников. Санкт-Петербург, 1996.- Т.2.- С.208.
[45A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Зимин Д.С. Электрические и структурные свойства аморфизированной пленки на пористом кремнии / Сб. «Новые материалы и технологии».- М.: МАТИ, изд-во "ЛАТМЭС".- 1996.- С.137-141.
[46A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Strain reduction in epitaxial films by isovalent substitution / Abstracts the Eleventh Intern. Conf. on Crystal Growth. The Hague, Netherlands, 1995.- Р.330.
[47A] Zimin S.P. , Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Two-barrier model for description of charge carriers transport processes in structures with porous silicon // Simulation of Semiconductor Devices and Processes.- 1995.- V.6.- Р.322-324.
[48A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Zimin S.P. Theoretical simulation of pores formation processes in silicon / Abstracts Book Intern. Symposium «Si Heterostructures: From Physics to Devices». Fodele, Greece, 1995.- Р.119.
[49A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Electrical characteristics of aluminum contacts to porous silicon / Abstracts European workshop MAM-95. Radebeul, Germany, 1995.- Р.169-170.
[50A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Capacitive properties of porous silicon structures / Abstracts 2-nd Intern. ^nf. PLDS-2. Dubna, Russia, 1995.- Р.80.
[51A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф. Фотоэлектрические свойства сильно компенсированных пленок сульфида свинца, сформированных при помощи радиационных технологий // ФТП - 1995.- T.29, вып.4.- C.729-732.
16
[52A] Зимин С.П. Концентрация носителей заряда в монокристаллической матрице пористого кремния // Письма в ЖТФ.- 1995.- T.21, вып.24.- C.46-50.
[53 A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Electrical characteristics of aluminum contacts to porous silicon // J. Applied Surface Science.- 1995.- V.91.- P.355-358.
[54A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Pavlov S.T., Zimin S.P. Physical peculiarities of porous silicon as a low-dimensional sistem // Phys. Low-Dim. Struct.- 1994.- N.4-5.- P.25-30. [55A] Зимин С.П. Эффект Холла в низкоомном пористом кремнии // Письма в ЖТФ- 1994.- T.20, вып. 7.- C.55-58.
[56A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Сарсембинов Ш.Ш., Бочкарева Л.В. Электрофизические свойства пленок сульфида свинца, подвергнутых радиационным воздействиям // ФТП- 1994.- T.28, вып.11.- C.1916-1921.
[57A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Перч Н.В., Проказников А.В. К вопросу о механизме токопрохождения в структурах с пористым кремнием // Письма в ЖТФ.- 1994.- T.20, вып.22.- C. 22-26.
[58A] Зимин С.П., Корегина Е.Л., Бочкарева Л.В. Свойства компенсированных пленок системы сульфид свинца - сульфид кадмия // ФТП.- 1993.- T.27, вып.1.- C.185-188.
[59A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Pavlov S.T., Zimin S.P. Physical peculiarities of porous silicon as a low-dimensional sistem / Abstracts 1-st Intern. Conf. PLDS-1. Chernogolovka, 1993.- P. 118.
[60A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Physical peculiarities of charge carriers transport in porous silicon structures / Technical Digest 3-th Intern. Conf. ICVC-93. Taejon, Korea, 1993.- P.179-182.
[61A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Перч Н.В. Потенциальные барьеры в структурах с пористым кремнием / Тезисы I Росс. конф. по физике полупроводников. Н. Новгород, 1993.- С.263.
[62A] Zimin S.P., Ovchinnikova L.A., Vorobyev V.V., Vinke A.L., Prokaznikov A.V. Electrical properties of porous silicon / Book of Summaries Intern. Conf. ALT-92. Moscow, 1992.- Part 3.- P. 71-73.
17
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
5
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;
6
■ исследовать влияние внешних воздействий (термического отжига 450-550°С в инертной среде, облучения высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ) на электрические параметры ПК;
■ изучить емкостные свойства и динамическую проводимость слоев ПК;
■ провести сравнение свойств ПК со свойствами неоднородных полупроводников со случайным потенциальным рельефом; для этого в качестве модельных объектов использовать квазиоднородные сильно компенсированные полупроводники [9] на основе AIVBVI ;
■ изучить электрические характеристики и структурные параметры пленочных структур с буферными слоями ПК;
■ провести классификацию электрических свойств ПК с разными структурными параметрами и соответствующих переходов ПК/кремний и ПК/металл.
Научная новизна работы заключается в том, что в результате комплексных исследований явлений переноса в ПК, обладающем различными морфологическими особенностями, предложен единый теоретический подход, объясняющий дрейф носителей заряда с учетом свойств обедненных областей в пористом материале. К наиболее оригинальным и впервые полученным научным результатам, представленным в диссертационной работе, относятся следующие:
1. Обнаружен тонкий пористый слой на катодной стороне сильно легированных кремниевых пластин в методе жидкостного контакта Унно-Имаи и описаны его специфические свойства.
2. Прямыми экспериментальными методами (в том числе на основе эффекта Холла) показано, что для кремниевой матрицы ПК могут иметь место случаи отсутствия обеднения, частичного или полного обеднения (патент РФ №2054746).
3. Установлено, что размеры обедненных областей вокруг пор в макропористом кремнии с малой пористостью коррелируют с диффузионной длиной атомарного водорода, и комплекс явлений, происходящих при отжиге макропористого кремния на n-Si(P), можно объяснить пассивацией (депассивацией) примесных атомов фосфора водородом.
4. Для динамической проводимости и емкости слоя ПК, находящегося в условиях вакуума, показана роль адсорбированных полярных молекул на стенках пор.
5. Описан эффект перехода в низкоомное состояние для мезопористого кремния с малой пористостью, сформированного на p -Si(B), при отжиге 500-550°С и для
7
макропористого кремния с малой пористостью, полученного на n-Si(P), при отжиге 650°С.
6. Показана возможность снижения переходных сопротивлений алюминиевых контактов к кремнию за счет применения пористых необедненных слоев (патент РФ №2065226).
7. Определены величины переходных сопротивлений алюминиевых контактов в ПК с различной морфологией и показаны их изменения при внешних воздействиях.
8. Получены экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости ПК в интервале пористости 30-70%.
9. Показано, что наличие аморфизированной пленки на поверхности ПК и проведение технологических операций по ее удалению приводят к особенностям роста пленочных структур (A/, As2Se3, AIVBVI) на кремнии.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработан новый метод локального определения пористости для мезопористых слоев с пористостью 20-50% с применением методов акустической микроскопии.
2. Предложена классификация электрических свойств ПК с различной морфологией пор, позволяющая предсказать поведение электрических параметров пористых слоев в составе пленочных элементов электроники.
3. Установлены интервалы температурной обработки ПК с различной морфологией, в которых не происходит существенного изменения электрической проводимости пористого материала.
4. Разработаны технологические приемы, позволяющие целенаправленно изменять величину проводимости ПК и варьировать величину удельного сопротивления материала в составе многослойных структур после окончания процесса анодирования.
5. Предложен способ формирования (111)-аксиально текстурированных пленок алюминия на подслое ПК, который может быть использован для создания металлизации с повышенным сопротивлением явлению электромиграции.
6. Установлены технологические режимы операции отжига, при которых происходит снижение переходных сопротивлений алюминиевых контактов к пористому слою и улучшение параметров контактов.
7. Предложены приемы, вызывающие ликвидацию нежелательного эффекта релаксации проводимости ПК после отжига.
8
8. Для исследования емкостных и проводящих свойств высокоомного ПК предложены специальные тестовые структуры, позволяющие устранить или минимизировать нелинейные явления на интерфейсах.
Результаты работы были использованы при выполнении гранта РФФИ 94-02-05460-а и шести грантов Министерства образования РФ в области естественных наук, в области электроники и в области химических технологий (1992-2003 годы).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы и содержит 305 страниц текста, включая 119 рисунков, 23 таблицы. Список литературы включает 444 наименования.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, излагаются цель и задачи работы, формулируется научная и практическая значимость работы, выдвигаются основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе описываются основные методики формирования слоев ПК с различной морфологией пор и широким интервалом пористости (3-70%), исследуются их структурные характеристики. Особое внимание уделено изучению поверхностной аморфизированной пленки и способам ее удаления. Предложен новый акустический метод локального определения пористости для мезопористого кремния с величиной пористости от 20 до 50%. Обнаружен и описан второй пористый слой, возникающий на катодной стороне сильно легированных кремниевых пластин в методе Унно-Имаи.
В главах 2-7 изложены результаты экспериментов и теоретического анализа по комплексному исследованию явлений переноса в слоях ПК с различной морфологией и величиной пористости. Показано многообразие электрических свойств пористого материала, выявлены отличия в поведении электрофизических параметров для ПК с различными структурными характеристиками. Предложена классификация электрических свойств ПК, предусматривающая деление на четыре группы, в рамках которых имеют место одинаковые процессы дрейфа носителей. На основе классификации описано поведение переходов ПК/кремний и ПК/металл. Изучено влияние кратковременного термоотжига в интервале 450-550°С и облучения высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ на проводимость ПК всех четырех групп. Показано, что в рамках каждой группы наблюдается индивидуальный отклик на внешние воздействия, соответствующий предложенным моделям переноса носителей заряда. Проведено изучение емкостных свойств ПК, установлена и проанализирована зависимость диэлектрической проницаемости ПК от величины пористости. Экспериментально описаны зависимости
9
емкости и динамической проводимости многослойных структур с толстыми слоями ПК от частоты и температуры. Проведено комплексное исследование электрических и фотоэлектрических свойств модельных объектов с крупномасштабным размером флуктуаций - сильно компенсированных квазиоднородных твердых растворов на основе полупроводников AIVBVI. Установлены общие закономерности поведения кинетических коэффициентов для таких материалов и показана возможность реализации данной модели в сильно компенсированных пленках бинарных соединений AIVBVI после радиационной обработки. Из сравнительного анализа электрических и фотоэлектрических характеристик сильно компенсированных квазиоднородных твердых растворов на основе
Л IVT-IVI
полупроводников A B и мезопористого кремния с малой пористостью, сформированного на подложках p-Si, сделан вывод о том, что данный вид ПК может быть описан в рамках модели случайно неоднородных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями. Проведено комплексное изучение роста пленок различных материалов (A/, As2Se3, AIVBVI) на поверхности ПК с различной морфологией и электрическими свойствами и показано наличие особенностей формирования пленочной структуры при использовании пористого буферного слоя.
В заключении приведены основные выводы по диссертационной работе, которые являются обобщением выводов, сформулированных в конце каждой главы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Процессы переноса носителей заряда в ПК имеют многообразное проявление в зависимости от морфологических особенностей материала, величины пористости и свойств обедненных областей.
2. В мезопористом кремнии с малой пористостью (менее 20%) при отсутствии обедненных областей дрейф носителей описывается в рамках теории эффективной среды в модели «кремний - поры».
3. Транспорт носителей в макропористом кремнии при наличии неперекрывающихся обедненных областей вокруг пор соответствует теории эффективной среды в модели «кремний - обедненные области - поры».
4. Комплекс электрических и фотоэлектрических явлений в мезопористом кремнии с малой пористостью, сформированном на p-Si, описывается теорией случайно неоднородных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями.
10
5. При анализе дрейфа носителей в мезо- и микропористом кремнии с высокой пористостью, содержащем фазу аморфного кремния, необходимо учитывать роль аморфной оболочки, обволакивающей кремниевые нанокристаллиты.
6. ПК по своим электрическим свойствам классифицируется в зависимости от величины пористости, морфологических особенностей материала и свойств обедненных областей на четыре основные группы.
7. Кратковременный изохронный термический отжиг 450-550°С в инертной среде и облучение высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ приводят к индивидуальному изменению проводимости ПК различных групп, что связано с особенностями дрейфа носителей заряда.
8. Диэлектрическая проницаемость высокоомного ПК, содержащего фазу аморфного кремния, при вариации весовой пористости от 30% до 68% монотонно уменьшается от 8,6 до 4,2. Величина диэлектрической проницаемости среды в объеме пор превышает единицу и увеличивается при росте температуры и уменьшении частоты измерительного сигнала.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на международных конференциях: «Porous Semiconductors - Science and Technology» (Mallorca, 1998, Madrid, 2000), E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, 1996, 1997, 1998), «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Uzhgorod, 1996, Kiev,
1998, 2000, 2002), European Workshop MAM-99 (Oostende, 1999), 11-th European Conf. EUROSENSOR-XI (Warsaw, 1997), European Workshop MAM-97 (Villard de Lance, 1997), XI Intern. Conf. on Crystal Growth (Hague, 1995), XII Intern. Winter School on the Physics of Semiconductors (Ekaterinburg, 1997), Intern. ^nf. PLDS (Chernogolovka, 1993, Dubna,
1995) , Intern. Symposium «Si Heterostructures: From Physics to Devices» (Fodele, 1995), Intern Conf. ISNM (Novosibirsk, 1996), European Workshop MAM-95 (Radebeul, 1995), Intern. Conf. ALT-92 (Moscow, 1992), Intern. Conf. PPMSS-95 (Chernivtsi, 1995), III Intern. Conf. ICVC-93 (Taejon, 1993), междун. конф. по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1993), III междун. конф. «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С-Пб., 2002), X междун. симпоз. «Тонкие пленки в электронике» (Ярославль, 1999), междун. н.-т. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2000); на российских конференциях: «Полупроводники» (Н.Новгород, 1993, Зеленогорск, 1996, Москва, 1997), н.-т. конф. «Электроника и информатика» (Зеленоград, 1995, 1997, 2002), н.-т. конф. «Актуальные проблемы твердотельной электроники и
11
микроэлектроники» (Таганрог, 1996, 1997), н.-т. конф. «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1993, 1995, 1997), н.-т. конф. «Новые материалы и технологии» (Москва, 1994, 1995), н.-т. конф. «Электроника» (Москва, 2001), симпоз. «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур» (Обнинск, 1997), н.-т. конф. «Методы и средства измерений физических величин» (Н.- Новгород, 1997), н.-т. конф. «Математические модели нелинейных возбуждений, переноса и динамики» (Тверь, 1994, 1997, 1998), н.-т. конф. «Датчик» (Гурзуф, 1995,
1996) , совещании «Кремний-2002» (Новосибирск, 2002), н.-т. конф. «Физика электронных материалов» (Калуга, 2002), н.-т. конф. «Физика полупроводников и полуметаллов» (С¬Пб, 2002), н.-т. конф. «Микро- и наноэлектроника» (Звенигород, 2001), совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998, 1999, 2001), конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1997, 1998), н.-т. конф. «Тонкие пленки и слоистые структуры» (Москва, 2002).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 115 печатных работ (в том числе 17 работ без соавторов, 2 патента на изобретение, 43 статьи), основными из которых являются:
[1A] Патент №2054746 РФ, МКИ3 6 Н 01 L, 21/306. Способ изготовления i-области / Винке А.Л., Зимин С.П., Палашов В.Н. - №93002634/25; Заявлено 13.01.93; Опубл. 20.02.96, Бюл. № 5. - 4с.: ил.
[2A] Патент №2065226 РФ, МКИ3 6 Н 01 L, 21/28 Способ изготовления низкоомного контакта к кремнию / Чистяков В.В., Зимин С.П., Винке А.Л. - №93038602/25; Заявлено 27.07.93; Опубл. 10.08.96, Бюл. №22. - 3с.: ил.
[3A] Зимин С.П., Рябкин Ю.В., Брагин А.Н. Влияние электронного облучения на электропроводность пористого кремния, содержащего аморфную фазу / Материалы XI межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 2001.- С.143-147.
[4A] Zimin S.P., Zimin D.S., Ryabkin Yu.V., Bragin A.N. Electron irradiation influence on porous silicon electrical parameters // Phys. Stat. Sol. (a).- 2000.- V.182.- P.221-225.
[5A] Зимин С.П., Комаров Е.П., Рябкин Ю.В. Процессы переноса носителей заряда в структурах с толстыми слоями пористого кремния // Известия ВУЗов. Электроника.- 2000.- Вып.1.- С.15-20.
[6A] Зимин С.П. Классификация электрических свойств пористого кремния // ФТП- 2000.- Т.34, вып. 3.- С.359-363.
12
[7A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Формирование двухсторонней пористой структуры при электрохимическом травлении кремния методом Унно-Имаи // Письма в ЖТФ- 2000.- Т.26., вып.1.- С.24-29.
[8A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Buchin E.Yu., Zimin D.S., Bibik E.A. Acoustic microscopy investigations of porous silicon with surface amorphous film / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Madrid, Spain, 2000.- P.244- 245.
[9A] Zimin S.P., Zimin D.S., Ryabkin Yu.V., Bragin A.N. Electron irradiation influence on porous silicon electric parameters / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Madrid, Spain, 2000.- P.242-243.
[10A] Бибик Е.А., Бучин Э.Ю., Зимин С.П., Преображенский М.Н. Исследование пористого кремния методом акустической микроскопии / Материалы международной н.-т. конф. «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики. Новочеркасск, 2000.- Ч.2.- С.37-40.
[11A] Zimin S.P., Zimin D.S. Variety of aluminium - porous silicon contacts electrical parameters / Materials of European Workshop «Materials for Advanced Metallization». Streza, Italy, 2000.- P.138-139.
[12A] Зимин С.П., Брагин А.Н.. Релаксация проводимости в закрытом пористом кремнии после термообработки // ФТП.- 1999.- Т.33, вып.4.- С.476-480.
[13A] Зимин С.П., Кузнецов В.С. Механические напряжения в эпитаксиальных пленках IV-VI при низких температурах / Материалы X международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». Ярославль, 1999.- Т.1.- С.215-220.
[14A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Структурные особенности пленок селенида свинца, полученных на облученном электронами пористом кремнии / Материалы X международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике». Ярославль,
1999. - Т.2.- С.249-254.
[15A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S., Zaikina R.F., Borzova G.A., Naumov V.V. Growth and properties of PbTe films on porous silicon // Infrared Phys. and Technol.-1999.- V.40.- P.337-342.
[16A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. High-quality lead telluride films grown on silicon with buffer porous silicon layers // SPIE Proc.-1999.- V.3890.- P.497-501.
[17A] Zimin S.P. Properties and stability of parameters of highly compensated IV-VI films // SPIE Proc.-1999.- V.3890.- P.93-97.
13
[18A] Akimov B.A., Bogoyavlenskiy V.A., Ryabova L.I., Vasil’kov V.N., Zimin S.P. Photoconductivity kinetics in high resistivity n-PbTe (Ga) epitaxial films // Semicond. Sci. Technol.-1999.- V.14.- P. 679-684.
[19A] Зимин С.П., Преображенский М.Н., Зимин Д.С. Свойства алюминиевых пленок, полученных на кремнии после катодной электрохимической обработки / C6. «Высокие технологии в промышленности России». М., МГТУ им. Н.Э.Баумана.- 1999.- C.225-229. [20A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. Aluminium metallization structure on porous silicon and electric parameters of porous silicon - aliminium transition / Materials of European Workshop «Materials for Advanced Metallization». Oostende, Belgium, 1999.- P.127. [21A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Влияние пострадиационного отжига на параметры модифицированного поверхностного слоя в пленках сульфида свинца / Материалы IX межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1999.- С.137-141.
[22A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Брагин А.Н., Рябкин Ю.В. Электронное облучение пористого кремния с невысокой пористостью / Материалы IX межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1999.- С.163-167.
[23A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Образование оксидных фаз в пленках PbS при облучении // Неорганические материалы.-1998.-Т.34, вып.11.- С.1373-1376.
[24A] Zimin S.P., Komarov E.P. Dielectric permittivity of porous silicon / Book of Abstracts E- MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1998.- РЗ-17.
[25A] Zimin S.P., Komarov E.P. Investigation of electrical properties of porous silicon with the help of structures with thick layers of porous silicon / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Mallorca, Spain, 1998.- P.138.
[26A] Преображенский М.Н., Зимин С.П., Зимин Д.С. Возможности метода акустической микроскопии при изучении кристаллического строения тонких пленок / Сб. «Высокие технологии в промышленности России». М.:МАИ, 1998.- С.168-171.
[27A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Анализ диэлектрической проницаемости пористого кремния в рамках двухфазной модели // Известия вузов. Электроника.- 1998.- Вып.3.- С.48-51.
[28A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Саунин И.В., Бондоков Р.Ц. Низкотемпературный рост пленок PbTe на пористом кремнии // Неорганические материалы.- 1998.- Т.34, вып.4.- С.114-115.
14
[29A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Влияние кратковременного отжига на проводимость пористого кремния и переходное сопротивление контакта алюминий-пористый кремний // Письма в ЖТФ - 1998.- Т.24, вып.6.- С.45-51.
[30A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S. Investigations of single-crystal PbTe films on porous silicon substrates using acoustic microscopy / Materials of the Intern. Conf. «Porous Semiconductors - Science and Technology». Mallorca, Spain, 1998.- P.134.
[31A] Зайкин Ю.А., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А., Зимин С.П. Влияние электронного облучения на проводимость тонких пленок сульфида свинца / Материалы XIII межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 1998.- С.354-357
[32A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Change of light holes valence band in lead-tin telluride films by isovalent substitution of chalcogen atoms // Thin Solid Films.- 1997.- V.310.- P.194-198.
[33A] Babarykina V.P., Rudakov V.I., Voinov M.V., Zimin S.P. Electrical properties of photosensitive PbTe-BaF2-Si and PbTe-SiO2-Si structures / Proc. of the 11-th European Conference EUROSENSOR-XI. Warsaw, Poland, 1997.- V.1.- P.231-234.
[34A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Борзова Г.А. Воздействие электронного облучения на поверхность пленок сульфида свинца и границу раздела индий-сульфид свинца // Поверхность.- 1997.- Bbm.10.- C.92-95.
[35A] Зимин С.П., Зимин Д.С., Преображенский М.Н. Структурные характеристики монокристаллических пленок теллурида свинца, выращенных на слоях пористого кремния // Труды Украинского вакуумного общества. Харьков, 1997.- T.3.- C.241-243.
[36A] Zimin S.P., Preobrazhensky M.N., Zimin D.S., Komarov E.P., Saunin I.V. Physical peculiarities of single-crystal IV-VI thin films growth on porous silicon // Book of Abstracts E-MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1997.- P.B-24.
[37A] Zimin S.P., Komarov E.P. Dielectric permittivity of porous silicon: theory and experiment / Abstracts XII Intern. School on the Physics of Semiconductors. Ekaterinburg, 1997.- P.14.
[38A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Переходное сопротивление омических контактов алюминий-пористый кремний / Труды IX н.-т. конф. «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ-97». Таганрог, 1997.- С. 120-121. [39A] Zimin S.P., Komarov E.P. The change of electrical properties of aluminum - porous silicon contact by thermal annealing / Abstracts Booklet of European Workshop MAM-97. Villard de Lance, France, 1997.- Р.161.
15
[40A] Зимин С.П., Комаров Е.П., Световой В.Б. Влияние термоотжига и лазерной обработки на параметры контактов алюминий - пористый кремний. Проводимость и емкость толстых слоев пористого кремния / Тезисы III Росс. конф. по физике полупроводников. М., ФИАН, 1997.- С.301.
[41A] Преображенский М.Н., Зимин С.П., Зимин Д.С. Исследование пленочных структур на основе пористого кремния методом акустической микроскопии / Тезисы III Росс. конф. по физике полупроводников. М., ФИАН, 1997.- С.324.
[42A] Зимин С.П., Комаров Е.П. Емкость структур с толстым слоем пористого кремния // Письма в ЖТФ - 1996.- Т.22, вып.19.- С.69-73.
[43 A] Zimin S.P., Komarov E.P., Kuznetsov V.S., Ognetov S.V. Carrier transport in porous silicon-monosilicon heterostructures / Book of Abstracts E-MRS Spring Meeting. Strasbourg, France, 1996.- РХ-22.
[44A] Зимин С.П. О концентрации носителей в пористом кремнии / Тезисы II Росс. конф. по физике полупроводников. Санкт-Петербург, 1996.- Т.2.- С.208.
[45A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Зимин Д.С. Электрические и структурные свойства аморфизированной пленки на пористом кремнии / Сб. «Новые материалы и технологии».- М.: МАТИ, изд-во "ЛАТМЭС".- 1996.- С.137-141.
[46A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Strain reduction in epitaxial films by isovalent substitution / Abstracts the Eleventh Intern. Conf. on Crystal Growth. The Hague, Netherlands, 1995.- Р.330.
[47A] Zimin S.P. , Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Two-barrier model for description of charge carriers transport processes in structures with porous silicon // Simulation of Semiconductor Devices and Processes.- 1995.- V.6.- Р.322-324.
[48A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Zimin S.P. Theoretical simulation of pores formation processes in silicon / Abstracts Book Intern. Symposium «Si Heterostructures: From Physics to Devices». Fodele, Greece, 1995.- Р.119.
[49A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Electrical characteristics of aluminum contacts to porous silicon / Abstracts European workshop MAM-95. Radebeul, Germany, 1995.- Р.169-170.
[50A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Capacitive properties of porous silicon structures / Abstracts 2-nd Intern. ^nf. PLDS-2. Dubna, Russia, 1995.- Р.80.
[51A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф. Фотоэлектрические свойства сильно компенсированных пленок сульфида свинца, сформированных при помощи радиационных технологий // ФТП - 1995.- T.29, вып.4.- C.729-732.
16
[52A] Зимин С.П. Концентрация носителей заряда в монокристаллической матрице пористого кремния // Письма в ЖТФ.- 1995.- T.21, вып.24.- C.46-50.
[53 A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Electrical characteristics of aluminum contacts to porous silicon // J. Applied Surface Science.- 1995.- V.91.- P.355-358.
[54A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Pavlov S.T., Zimin S.P. Physical peculiarities of porous silicon as a low-dimensional sistem // Phys. Low-Dim. Struct.- 1994.- N.4-5.- P.25-30. [55A] Зимин С.П. Эффект Холла в низкоомном пористом кремнии // Письма в ЖТФ- 1994.- T.20, вып. 7.- C.55-58.
[56A] Зимин С.П., Зайкина Р.Ф., Сарсембинов Ш.Ш., Бочкарева Л.В. Электрофизические свойства пленок сульфида свинца, подвергнутых радиационным воздействиям // ФТП- 1994.- T.28, вып.11.- C.1916-1921.
[57A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Перч Н.В., Проказников А.В. К вопросу о механизме токопрохождения в структурах с пористым кремнием // Письма в ЖТФ.- 1994.- T.20, вып.22.- C. 22-26.
[58A] Зимин С.П., Корегина Е.Л., Бочкарева Л.В. Свойства компенсированных пленок системы сульфид свинца - сульфид кадмия // ФТП.- 1993.- T.27, вып.1.- C.185-188.
[59A] Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V., Pavlov S.T., Zimin S.P. Physical peculiarities of porous silicon as a low-dimensional sistem / Abstracts 1-st Intern. Conf. PLDS-1. Chernogolovka, 1993.- P. 118.
[60A] Zimin S.P., Kuznetsov V.S., Prokaznikov A.V. Physical peculiarities of charge carriers transport in porous silicon structures / Technical Digest 3-th Intern. Conf. ICVC-93. Taejon, Korea, 1993.- P.179-182.
[61A] Зимин С.П., Кузнецов В.С., Перч Н.В. Потенциальные барьеры в структурах с пористым кремнием / Тезисы I Росс. конф. по физике полупроводников. Н. Новгород, 1993.- С.263.
[62A] Zimin S.P., Ovchinnikova L.A., Vorobyev V.V., Vinke A.L., Prokaznikov A.V. Electrical properties of porous silicon / Book of Summaries Intern. Conf. ALT-92. Moscow, 1992.- Part 3.- P. 71-73.
17
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».
268
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.
Проведена классификация электрических свойств переходов Al/ПК. Показано, что контакт алюминия с каждой группой (PS1-PS4) пористого материала описывается своими физическими моделями, основанными на теории перехода Al/Si с разным уровнем
269
легирования. Описаны возможности формирования выпрямляющих и невыпрямляющих алюминиевых контактов к слоям ПК, приведены величины переходных сопротивлений. Предложен способ создания низкоомных контактов к кремнию посредством использования необедненных пористых слоев.
На основе предложенной классификации электрических свойств ПК рассмотрены электрические характеристики перехода ПК/МК. Показано, что на границе ПК/МК при использовании пористого материала различных групп могут иметь место физические явления, приводящие к возникновению как выпрямляющих, так и невыпрямляющих свойств контактов.
6. Изучение влияния изохронного отжига в интервале 450-550°С (для образцов PS2 в интервале 450-650°С) на электрическую проводимость ПК с различной морфологией пор и с различной картиной распределения обедненных областей показало многообразие отклика пористого материала на проведение отжига. Для каждой группы PS1-PS4 установлен свой характер изменения величины электрической проводимости при термообработке.
Определены температурные интервалы в которых пористый материал, относящийся к различным группам, проявляет относительную стабильность электрофизических параметров. Предложены режимы термообработки, при которых происходят существенные изменения электропроводности и которые могут быть использованы для целенаправленной модификации электрических свойств ПК.
Для слоев PS2 и PS3 обнаружено явление перехода в низкоомное состояние при отжиге 650 и 500°С, соответственно. Проведен анализ этого явления и показано, что оно достаточно хорошо описывается в рамках модели пассивации (депассивации) примесных атомов фосфора и бора водородом. Обнаружено и описано явление релаксации проводимости слоев PS3, закрытых пленкой металла, после перехода в низкоомное состояние.
7. Выяснено, что облучение ПК высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ приводит к разнообразным изменениям величины электрической проводимости пористого материала различных групп в интервале доз 1016-1017 см-2. Рассмотрены физические причины, объясняющие набор полученных экспериментальных фактов. Для слоев PS3 обнаружена двойная инверсия типа проводимости в используемом интервале доз.
270
Весь комплекс экспериментальных исследований по проведению термоотжига и электронного облучения ПК различных групп подтверждает справедливость предложенных в главах 2 и 3 моделей переноса носителей заряда в PS1-PS4.
8. Предложен и опробован способ изучения емкостных свойств ПК при помощи тестовых многослойных структур ЛZ/ПК/МК/Л/ с толстыми слоями пористого материала. Данный подход позволил свести емкость измеряемой структуры к емкости слоя ПК и непосредственно измерять величину диэлектрической проницаемости пористого слоя.
Экспериментально определена зависимость диэлектрической проницаемости ПК от величины пористости в интервале P=30-68% и проведен теоретический анализ полученной зависимости е(Р) в рамках трехфазной модели, учитывающей диэлектрические свойства кремния, аморфного кремния и пространства пор. Показано, что диэлектрическая проницаемость пространства пор в рамках различных моделей составляет 2,3-4,8, что объясняется наличием влажного воздуха в объеме пор и адсорбированных молекул на их стенках.
Проведенное изучение температурных и частотных зависимостей емкости многослойной структуры с толстыми слоями ПК в условиях вакуума свидетельствует о сложном характере протекающих физических процессов. Предложена эквивалентная схема, описывающая емкостные свойства многослойной структуры и учитывающая роль адсорбированных полярных молекул на стенках пор. Показано, что в области высоких частот определяющий вклад в емкость дает емкость слоя ПК, а в области малых частот - емкость гетероперехода ПК/МК.
Исследование частотных и температурных зависимостей динамической проводимости многослойных структур с толстыми слоями ПК подтвердило, что в определенном интервале температур и частот проводимость по пористому слою осуществляется по оболочке продуктов электрохимических реакций, близких по свойствам к аморфному гидрогенизированному кремнию a-Si:H.
9. Изучены температурные зависимости (77-380К) коэффициента Холла, удельного сопротивления, времени релаксации фотопроводимости для модельных полупроводников с крупномасштабным случайным потенциальным рельефом на основе квазиоднородных
Л IVT'.VI
сильно компенсированных полупроводников A B .
Показано, что комплекс электрофизических и фотоэлектрических явлений для эпитаксиальных пленок компенсированных твердых растворов различных составов Pb1-xCdxS, Pb1-xSnxS, (PbS)1-x(PbO)x, Pb1-xCdxTe, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках BaF2, имеет общие
271
закономерности. Температурные зависимости коэффициента Холла, электропроводности, времени релаксации фотопроводимости при засветке чередующимися световыми импульсами имели активационный характер, подчиняющийся формулам (6.2), (6.3), (6.7) и (6.8). Наблюдался эффект остаточной проводимости при засветке одиночными импульсами и увеличенное значение безразмерного коэффициента магнитосопротивления.
Продемонстрировано, что при облучении легкими и тяжелыми частицами можно привести слои квазиоднородных твердых растворов узкозонных и широкозонных полупроводников в состояние с сильной компенсацией. Кроме этого, за счет создания эффективного рельефа зон и компенсации при введении дополнительных радиационных дефектов появляется возможность получать сильно компенсированные слои с модуляцией зон бинарных соединений AIVBVI.
10. Проведенные исследования электрических и фотоэлектрических свойств слоев PS3 в широком интервале температур показали, что для данного материала не выполняется комплекс явлений, характерных для полупроводников с крупномасштабными флуктуациями потенциального рельефа.
Набор электрических и фотоэлектрических явлений в PS3 может быть описан в рамках модели разупорядоченных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями. В области низких температур 90-200К обнаружен эффект трехмерной прыжковой проводимости вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка.
Показано, что время релаксации фотопроводимости в слоях PS3 может быть уменьшено или увеличено посредством термического отжига 500°С и облучения
17 2
потоком высокоэнергетичных электронов c энергией 2 МэВ при дозе 10 см , соответственно.
11. Изучены особенности формирования пленок алюминия, триселенида мышьяка и узкозонных полупроводников AIVBVI (PbTe, PbS, PbSe) на кремниевых подложках с буферными слоями ПК различной электропроводности.
Показано, что на поверхности пористого слоя на катодной стороне двухсторонней пористой кремниевой структуры, формируемой в методе Унно-Имаи, имеет место рост
[111] -аксиально текстурированных пленок алюминия, применение которых перспективно для снижения эффекта электромиграции в алюминиевой металлизации интегральных схем и полупроводниковых приборов.
Установлено, что при росте слоев As2Se3 на пористой поверхности, содержащей аморфизированную пленку с макропорами, слои ХСП наследуют макропористую
272
структуру верхней части буферного слоя, в результате чего удельное сопротивление слоев As2Se3 на несколько порядков ниже обычных значений.
Показана возможность выращивания качественных, блочных [100]-аксиально текстурированных пленок халькогенидов свинца на буферных слоях ПК на кремнии различных марок. Обнаружено, что на интерфейсе PbTe/ПК имеет место образование тонкого промежуточного высокоомного слоя, способного выступать в качестве диэлектрической прослойки при создании фотоприемников ИК-диапазона.
В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить Винке А.Л., Палашова В.Н. (ВОМЗ, г.Вологда), Бучина Э.Ю., Наумова В.В. (ИМИРАН, г.Ярославль), Дрозда И.А. (НПО ОРИОН, Москва) за помощь в изготовлении образцов и тестовых структур. Автор искренне признателен Зайкиной Р.Ф., Приходько О.П. (КазГУ, г.Алматы), Преображенскому М.Н., Световому В.Б., Маковийчуку М.И., Проказникову
А.В., Смиронову В.К. (ИМИРАН), Балагурову Л.А., Яркину Д.Г. (ГИРЕДМЕТ, Москва), Кузнецову В.С. (ЯрГУ) за проведение совместных исследований. Автор благодарен Лебедеву А.А. (ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, С.-Петербург), Цоггу Х., Зимину Д.С. (ЕТН, Цюрих), Бомчилу Г. (France Telecom CNET) за полезные консультации и дискуссии. Автор также признателен своим аспирантам за помощь в проведении экспериментальных исследований и всему коллективу кафедры микроэлектроники за дружескую поддержку при выполнении данной работы.
273
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».
268
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.
Проведена классификация электрических свойств переходов Al/ПК. Показано, что контакт алюминия с каждой группой (PS1-PS4) пористого материала описывается своими физическими моделями, основанными на теории перехода Al/Si с разным уровнем
269
легирования. Описаны возможности формирования выпрямляющих и невыпрямляющих алюминиевых контактов к слоям ПК, приведены величины переходных сопротивлений. Предложен способ создания низкоомных контактов к кремнию посредством использования необедненных пористых слоев.
На основе предложенной классификации электрических свойств ПК рассмотрены электрические характеристики перехода ПК/МК. Показано, что на границе ПК/МК при использовании пористого материала различных групп могут иметь место физические явления, приводящие к возникновению как выпрямляющих, так и невыпрямляющих свойств контактов.
6. Изучение влияния изохронного отжига в интервале 450-550°С (для образцов PS2 в интервале 450-650°С) на электрическую проводимость ПК с различной морфологией пор и с различной картиной распределения обедненных областей показало многообразие отклика пористого материала на проведение отжига. Для каждой группы PS1-PS4 установлен свой характер изменения величины электрической проводимости при термообработке.
Определены температурные интервалы в которых пористый материал, относящийся к различным группам, проявляет относительную стабильность электрофизических параметров. Предложены режимы термообработки, при которых происходят существенные изменения электропроводности и которые могут быть использованы для целенаправленной модификации электрических свойств ПК.
Для слоев PS2 и PS3 обнаружено явление перехода в низкоомное состояние при отжиге 650 и 500°С, соответственно. Проведен анализ этого явления и показано, что оно достаточно хорошо описывается в рамках модели пассивации (депассивации) примесных атомов фосфора и бора водородом. Обнаружено и описано явление релаксации проводимости слоев PS3, закрытых пленкой металла, после перехода в низкоомное состояние.
7. Выяснено, что облучение ПК высокоэнергетичными электронами с энергией 2 МэВ приводит к разнообразным изменениям величины электрической проводимости пористого материала различных групп в интервале доз 1016-1017 см-2. Рассмотрены физические причины, объясняющие набор полученных экспериментальных фактов. Для слоев PS3 обнаружена двойная инверсия типа проводимости в используемом интервале доз.
270
Весь комплекс экспериментальных исследований по проведению термоотжига и электронного облучения ПК различных групп подтверждает справедливость предложенных в главах 2 и 3 моделей переноса носителей заряда в PS1-PS4.
8. Предложен и опробован способ изучения емкостных свойств ПК при помощи тестовых многослойных структур ЛZ/ПК/МК/Л/ с толстыми слоями пористого материала. Данный подход позволил свести емкость измеряемой структуры к емкости слоя ПК и непосредственно измерять величину диэлектрической проницаемости пористого слоя.
Экспериментально определена зависимость диэлектрической проницаемости ПК от величины пористости в интервале P=30-68% и проведен теоретический анализ полученной зависимости е(Р) в рамках трехфазной модели, учитывающей диэлектрические свойства кремния, аморфного кремния и пространства пор. Показано, что диэлектрическая проницаемость пространства пор в рамках различных моделей составляет 2,3-4,8, что объясняется наличием влажного воздуха в объеме пор и адсорбированных молекул на их стенках.
Проведенное изучение температурных и частотных зависимостей емкости многослойной структуры с толстыми слоями ПК в условиях вакуума свидетельствует о сложном характере протекающих физических процессов. Предложена эквивалентная схема, описывающая емкостные свойства многослойной структуры и учитывающая роль адсорбированных полярных молекул на стенках пор. Показано, что в области высоких частот определяющий вклад в емкость дает емкость слоя ПК, а в области малых частот - емкость гетероперехода ПК/МК.
Исследование частотных и температурных зависимостей динамической проводимости многослойных структур с толстыми слоями ПК подтвердило, что в определенном интервале температур и частот проводимость по пористому слою осуществляется по оболочке продуктов электрохимических реакций, близких по свойствам к аморфному гидрогенизированному кремнию a-Si:H.
9. Изучены температурные зависимости (77-380К) коэффициента Холла, удельного сопротивления, времени релаксации фотопроводимости для модельных полупроводников с крупномасштабным случайным потенциальным рельефом на основе квазиоднородных
Л IVT'.VI
сильно компенсированных полупроводников A B .
Показано, что комплекс электрофизических и фотоэлектрических явлений для эпитаксиальных пленок компенсированных твердых растворов различных составов Pb1-xCdxS
271
закономерности. Температурные зависимости коэффициента Холла, электропроводности, времени релаксации фотопроводимости при засветке чередующимися световыми импульсами имели активационный характер, подчиняющийся формулам (6.2), (6.3), (6.7) и (6.8). Наблюдался эффект остаточной проводимости при засветке одиночными импульсами и увеличенное значение безразмерного коэффициента магнитосопротивления.
Продемонстрировано, что при облучении легкими и тяжелыми частицами можно привести слои квазиоднородных твердых растворов узкозонных и широкозонных полупроводников в состояние с сильной компенсацией. Кроме этого, за счет создания эффективного рельефа зон и компенсации при введении дополнительных радиационных дефектов появляется возможность получать сильно компенсированные слои с модуляцией зон бинарных соединений AIVBVI.
10. Проведенные исследования электрических и фотоэлектрических свойств слоев PS3 в широком интервале температур показали, что для данного материала не выполняется комплекс явлений, характерных для полупроводников с крупномасштабными флуктуациями потенциального рельефа.
Набор электрических и фотоэлектрических явлений в PS3 может быть описан в рамках модели разупорядоченных полупроводников с мелкомасштабными флуктуациями. В области низких температур 90-200К обнаружен эффект трехмерной прыжковой проводимости вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка.
Показано, что время релаксации фотопроводимости в слоях PS3 может быть уменьшено или увеличено посредством термического отжига 500°С и облучения
17 2
потоком высокоэнергетичных электронов c энергией 2 МэВ при дозе 10 см , соответственно.
11. Изучены особенности формирования пленок алюминия, триселенида мышьяка и узкозонных полупроводников AIVBVI (PbTe, PbS, PbSe) на кремниевых подложках с буферными слоями ПК различной электропроводности.
Показано, что на поверхности пористого слоя на катодной стороне двухсторонней пористой кремниевой структуры, формируемой в методе Унно-Имаи, имеет место рост
[111] -аксиально текстурированных пленок алюминия, применение которых перспективно для снижения эффекта электромиграции в алюминиевой металлизации интегральных схем и полупроводниковых приборов.
Установлено, что при росте слоев As2Se3 на пористой поверхности, содержащей аморфизированную пленку с макропорами, слои ХСП наследуют макропористую
272
структуру верхней части буферного слоя, в результате чего удельное сопротивление слоев As2Se3 на несколько порядков ниже обычных значений.
Показана возможность выращивания качественных, блочных [100]-аксиально текстурированных пленок халькогенидов свинца на буферных слоях ПК на кремнии различных марок. Обнаружено, что на интерфейсе PbTe/ПК имеет место образование тонкого промежуточного высокоомного слоя, способного выступать в качестве диэлектрической прослойки при создании фотоприемников ИК-диапазона.
В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить Винке А.Л., Палашова В.Н. (ВОМЗ, г.Вологда), Бучина Э.Ю., Наумова В.В. (ИМИРАН, г.Ярославль), Дрозда И.А. (НПО ОРИОН, Москва) за помощь в изготовлении образцов и тестовых структур. Автор искренне признателен Зайкиной Р.Ф., Приходько О.П. (КазГУ, г.Алматы), Преображенскому М.Н., Световому В.Б., Маковийчуку М.И., Проказникову
А.В., Смиронову В.К. (ИМИРАН), Балагурову Л.А., Яркину Д.Г. (ГИРЕДМЕТ, Москва), Кузнецову В.С. (ЯрГУ) за проведение совместных исследований. Автор благодарен Лебедеву А.А. (ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, С.-Петербург), Цоггу Х., Зимину Д.С. (ЕТН, Цюрих), Бомчилу Г. (France Telecom CNET) за полезные консультации и дискуссии. Автор также признателен своим аспирантам за помощь в проведении экспериментальных исследований и всему коллективу кафедры микроэлектроники за дружескую поддержку при выполнении данной работы.
273
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (148253)
- Бакалаврская работа (37598)
- Диссертация (977)
- Магистерская диссертация (22018)
- Дипломные работы, ВКР (59939)
- Главы к дипломным работам (2136)
- Курсовые работы (10481)
- Контрольные работы (6265)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1481)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
