
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Электрофизика пористого кремния и структур на его основе

Работа №	7081
Тип работы	Диссертации (РГБ)
Предмет	физика
Объем работы	304стр.
Год сдачи	2003
Стоимость	470 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	855

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

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 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 Pbi-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

Введение

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.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

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.

Литература

[1] Uhlir A. Electropolishing of silicon // Bell System Tech. J..- 1956.- V.35.- P.333-338.
[2] Turner D. Electropolishing silicon in hydrofluoric acid solutions // J. Electrochem. Soc. - 1958.- V.5.- P.402-405.
[3] Properties of porous silicon. Edited by Canham L.- Malvern: DERA, 1997.- 400p.
[4] Porous silicon. Science and technology. Edited by J.-C. Vial and J.Derrien.- Springer Verlad, Berlin Heidelberg and Les Edition de Physique, Les Ulis, 1995.- 355p.
[5] Лабунов В.А., Бондаренко В.П., Борисенко В.Е. Пористый кремний в полупроводниковой электронике // Зарубежная электронная техника.- М.: ЦНИИ “Электроника”.- 1978, N.15.- С.3-47.
[6] Николаев К.П., Немировский Л.Н. Особенности получения и области применения пористого кремния в электронной технике// Обзоры по электронной технике. Серия 2. Полупроводниковые приборы.- 1989.- Вып.9.- С.1- 59.
[7] Балагуров Л.А. Пористый кремний. Получение, свойства, возможные применения // Материаловедение.- 1998.- Вып.1.- С.50-56.- Вып.3.- С.23-45.
[8] Parkhutik V. Porous silicon - mechanisms of growth and applications // Solid-State Electron.- 1999.- V.43.- P.1121-1141.
[9] Горшкова О.В., Дрозд И. А., Стафеев В.И. Фотоэлектрические свойства эпитаксиальных пленок PbSnS и структур на их основе, обусловленные микро- и макронеоднородностями // ФТП.- 1992.- Т.26.- С.510-515.
[10] Imai K., Unno H. FIPOS technology and its application to LSI's // IEEE Trans. on Electron. Dev.- 1984.- V.ED-31.- P.297-302.
[11] Foll H. Properties of silicon-electrolyte junctions and their application to silicon characterization // Appl. Phys. A.- 1991.- V.53.- P.8-19.
[12] Николаев К.П., Немировский Л.Н. Катодные процессы на кремниевой пластине во время ее анодного растворения с жидкостным контактом // Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы.- 1989.- Вып.6.- С.34-36.
[13] Arita Y., Sunohara Y. Formations and properties of porous silicon films // J. Electrochem. Soc.- 1977.- V.124.- P.285-295.
[14] Da Fonseca R.J.M., Saurel J.M., Foucoran A. et al. Acoustic microscopy investigation of porous silicon // Thin Sol. Films.- 1995.- V.255.- P.155-158.
[15] Unagami T. Formation mechanism of porous silicon layers by anodization in HF solutions // J. Electrochem. Soc.- 1980.- V.127.- P.476-483.
274

[16] Arita J. Formation and oxidation of porous silicon by anodic reaction // J.Crystal Growth.-
1978. - V.45.- P.383-390.
[17] Перевощиков В. А., Скупов В. Д., Шенгуров В.Г. Многослойное строение структур с пористым кремнием // Поверхность.- 1998.- Вып.4.- С.44-46.
[18] Noguchi N., Suemune I., Yamanishi M. et al. Study of luninescent region in anodized porous silicon by photoluminescence imaging and their microstructures // Jpn. J. Appl. Phys.-
1992. - V.31.- P. L490-L493.
[19] Suemune I., Noguchi N., Yamanishi M. Photoirradiation effect on photoluninescence from anodized porous silicon and luminescence mechanism // Jpn. J. Appl. Phys.- 1992.- V.31.- P. L494-L497.
[20] Fuchs H.D., Stutzmann M., Brandt M.S. et al. Porous silicon and siloxene: vibrational and structural properties // Phys. Rev. B.- 1993.- V.48.- P. 8172-8189.
[21] Memming R., Schwandt G. Anodic dissolution of silicon in hydrofluoric acid solutions // Surf. Sc.- 1966.- V.4.- P.109-124.
[22] Горячев Д.Н., Беляков Л.В., Сресели О.М. О механизме образования пористого кремния // ФТП - 2000.- Т.34.- С.1130-1135.
[23] Andrianov A.V., Polisski G., Morgan J. et al. Inelastic light scattering and X-ray diffraction from thik free-standing porous silicon films // J. of Lumin.- 1999.- V.80.- P.193-198.
[24] Buttard D., Schoisswohl M., cantin J.L. et al. X-ray diffraction and electron microscopy investigation of porous Si1-xGex // Thin Sol. Films.- 1997.- V.297.- P.233-336.
[25] Salonen J., Bjorkqvist M., Laine E. Comparison of different methods in microstructural characterization of porous silicon // J. Appl. Crystallogr.- 2000.- V.33, pt.3.- P.504-506.
[26] Vita A., Morante J.R., Caussat B. et al. Phase segregation in SIPOS: formation of Si nanocrystals // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.- 1999.- V.536.- P.481-486.
[27] Cicala G., Losurdo M., Capezzuto P. et al. Enhancement of the amorphous to microcrystalline phase transition in silicon films deposited by SiF4-H2-He plasmas // Mat. Res. Soc. Symp. Proc.- 1999.- V.536.- P.493-498.
[28] Мотт Н, Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах.- М.: Мир, 1982.- Т.1,2.- 664с.
[29] Уманский А.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия.- М.: Металлургия, 1982.- 632 с.
[30] Вайнштейн Б.К. Современная кристаллография.- М.: Наука, 1979.- Т.1.- 384с.
275

[31] Metzger T.H., Binder M., Peisl J. Structure and morphology of porous silicon/ In “Properties of porous silicon”, edited by Canham L.- Malvern: DERA, 1997.- P.112-117.
[32] Metzger H., Franz H., Binder M. et al. X-ray investigation of porous silicon under angles of grazing incidence and exit // J. of Lumin.- 1993.- V.57.- P.201-204.
[33] Berger M.G., Frohnhoff St., Theiss W. et al. Porous Si: from single porous layers to porosity superlattices / In: Porous silicon. Science and technology. Edited by J.-C. Vial and J. Derrien.- Springer Verlad, Berlin Heidelberg and Les Edition de Physique, Les Ulis, 1995.- P.345-355.
[34] Berbezier I., Halimaoui A. A microstructural study of porous silicon // J. Appl. Phys.-
1993. - V.74.- P.5421-5425.
[35] Berbezier I. Nano characterization of porous silicon by transmission electron microscopy / In: “Porous silicon. Science and technology”, edited by Vial J.-C., Derrien J.- Springer Verlad,
1995. - P.207-224.
[36] Vasquez R.P., Fathauer R.W., George T. et al. Electronic structure of light-emitting porous Si // Appl. Phys. Lett.- 1992.- V.60.- P.1004-1006.
[37] Kunz R.R., Nitishin P.M., Clark H.R. et al. Observation of a nanocrystalline-to-amorphous phase transition in luminescent porous silicon // Appl. Phys. Lett.- 1995.- V.67.- P.1766-1768.
[38] Pickering C., Beale M.I.J., Robbins D.J. et al. Optical studies of the structure of porous silicon films formed in p-type degenerate and non-degenerate silicon // J. Phys.C.- 1984.- V.17.- P.6535-6552.
[39] Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей и твердых тел.- М.: Высшая школа, 1980.- 328с.
[40] Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела.- М.: Мир,
1986. - 214с.
[41] Постернак В.В. Влияние формы и размера областей когерентного рассеяния на форму пиков кривой приведенной интенсивности // Кристаллография.- 1993.- Т.38, вып.6.- С.271-273.
[42] Аморфные и поликристаллические полупроводники. Под ред. В. Хейванга.-М.: Мир,
1987. - 160с.
[43] Briggs A. Acoustic microscopy - a summary // Rep. Prog. Phys.- 1992.- V.55.- P.851-909.
[44] Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия.- Л.: Химия, 1988.- 342с.
[45] Черемской П.Г. Методы исследования пористости твердых тел.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 112с.
276

[46] Айвазов А.А., Мушниченко В.В. Пористый окисленный кремний в технологии микроэлектроники// Обзоры по электронной технике. Серия 6. Материалы.- 1990.- Вып.7.- С.1-44.
[47] Pickering C., Beale M.I.J., Robbins D. Optical properties of porous silicon films // Thin Sol. Films.- 1985.- V.125.- P.157-165.
[48] Мушниченко В.В., Губенко И.Б. Методы контроля пористости пористого кремния // Электронная техника. Серия 6. Материалы.- 1989.- Вып.3.- С.58-61.
[49] Da Fonseca R.J.M., Saurel J.M., Foucoran A. et al. Acoustic investigation of porous silicon layers // Mater. Sci.- 1995.- V.30.- P.35-39.
[50] Валиев К.А., Преображенский М.Н. Возможности акустической микроскопии при исследовании полупроводниковых структур // Труды ФТИАН.- 1997.- Т.12.- С.153-168.
[51] Atalar A. A physical model for acoustic signature // J. Appl. Phys.- 1979.- V.50.- P.8237- 8245.
[52] Акустические кристаллы. Справочник / Блистанов А.А., Бондаренко В.С., Чкалова
В.В. и др.- М.: Наука, 1982.- 632с.
[53] Бирюков С.В., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах. М.:Наука, 1991.- 416с.
[54] Yu Z., Boseck S. Scanning acoustic microscopy and its applications to material characterization // Rev. Mod. Phys.- 1995.- V.67.- P.863-891.