Главная Коллекция "Revolution" Физика и энергетика Особенность использования пористого кремния

Особенность использования пористого кремния

Основные методы формирования и свойства слоев пористого кремния. Температурные зависимости удельного сопротивления бесцветного кристалла, испещренного порами с высокой пористостью. Главная характеристика отпора среды продуктов электрохимических реакций.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	01.05.2015
Размер файла	429,4 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национально исследовательский университет «МИЭТ»

Курсовой проект

на тему: «Пористый кремний»

Руководитель:

Попенко Н.И.

Выполнил:

студент гр. ИТС-35 Дудов А.

Москва 2014

Оглавление

Введение

1. Методы формирования слоев пористого кремния

2. Свойства пористого кремния

2.1 ВАХ тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния

2.2 Температурные зависимости удельного сопротивления пористого кремния с высокой пористостью

3. Классификация электрических свойств пористого кремния и контактные явления на границе пористого кремния с металлами и кристаллическим кремнием

3.1 Классификация электрических свойств пористого кремния

4. Электрические свойства контакта пористого кремния с металлами

Заключение

Cписок использованных источников

Введение

В данной курсовой работе рассматривается пористый кремний, кремний - испещренный порами, то есть имеющий пористую структуру. Использование пористого кремния позволяет решить такие актуальные технологические проблемы в электронике, как формирование толстых диэлектрических пленок, глубоких легированных слоев, и осуществить эффективное геттерирование нежелательных примесей. Установлено, что нанокристаллический кремний обладает фотолюминесценцией в области видимого диапазона. Поэтому на его основе можно создавать оптоэлектронные приборы различного назначения: фотоприемники, излучатели, светодиоды, дисплеи и др., что невозможно для монокристаллического кремния. Развитая регулируемая поверхность пористого кремния делает его перспективным для создания сверхчувствительных газовых, жидкостных сенсоров и микротопливных элементов. Формирование регулярно расположенных пор определенного профиля позволяет создавать на основе таких регулярных структур матрицы параболических рентгеновских линз, фотонных кристаллов, сквозных микро- и наномембран. Спектр технических приложений пористого кремния не ограничивается приведенными выше примерами и постоянно расширяется. Этому способствует открытие все новых свойств пористого кремния при совершенствовании технологических операций, изменении, комбинировании условий его получения и модифицирования.

1. Методы формирования слоев пористого кремния

Формирование ПК с широким набором структурных параметров оказалось возможным благодаря использованию различных методик формирования ПК метода электрохимического травления кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты HF при широкой вариации параметров процесса анодирования. Слои ПК формировались при помощи методик жидкостного и сухого контакта к нерабочей стороне кремниевой пластины. Принципиальная схема методики жидкостного контакта, предложенной Х.Унно и К.Имаи, приведена на рис.1.1. Фторопластовая ванна содержала два независимых объема, разделенных держателем с обрабатываемой кремниевой пластиной. По обеим сторонам пластины на одинаковом расстоянии были установлены электроды из платино- родиевого сплава (Pt-Rh). Ванна заполнялась электролитом на основе плавиковой кислоты и имела вентиль, через который производился слив электролита по окончании процесса анодирования. К платино-родиевым электродам от источника питания, работающего в режиме стабилизации тока, подавалось постоянное напряжение. Основными параметрами режима травления являлись плотность анодного тока j, время анодирования ta, состав электролита, освещенность и т.д. Плотность анодного тока определялась как

j =Ia/S*

где Ia - ток анодирования, S* - площадь обрабатываемой пластины. На рабочей (анодной) стороне пластины при реализации условий порообразования происходило формирование слоя ПК. Электрический контакт к нерабочей (катодной) стороне кремниевой пластины в методике Унно-Имаи осуществлялся за счет контакта с электролитом. Это обеспечивало высокую однородность характеристик пористого слоя по площади пластины и упрощало процесс подготовки пластины к анодированию, т.к. отпадала необходимость предварительного формирования на нерабочей стороне пластины сильно легированного слоя или слоя металлизации. Считалось, что на катодной стороне не происходит никаких электрохимических процессов, приводящих к изменению свойств кремниевой поверхности. Однако наши эксперименты показали, что при определенных условиях анодирования на катодной стороне возникает модифицированный пористый слой. После процесса травления пластины кремния промывались в проточной дистиллированной воде в течение 15 минут и сушились при температуре 80°С в течение 30 минут. Ряд образцов ПК в данной работе был получен с применением методики сухого контакта к нерабочей стороне пластины. На рис.1.2 представлена принципиальная схема однокамерной электролитической ячейки вертикального типа. На нерабочую сторону пластины предварительно методом вакуумного напыления наносился слой алюминия толщиной около 1 мкм и проводилась операция вжигания в инертной среде с целью создания омического контакта. Пластина помещалась в электролитическую ячейку так, чтобы возникал контакт алюминиевой пленки на нерабочей стороне пластины с нижним металлическим электродом. Сверху пластина прижималась герметичным кольцом, которое не позволяло электролиту проникать под кремниевую пластину. Ячейка заполнялась электролитом и на верхний электрод из платины подавался отрицательный потенциал, а на нижний - положительный. На поверхности кремниевой пластины, которая оказалась не закрытой кольцом, при реализации условий процессов порообразования начинался процесс формирования слоя ПК, толщина которого определялась временем анодирования. По окончании электрохимической обработки слои ПК промывались в деионизованной воде и сушились в струе сжатого воздуха.

Рис.1.1. Двухкамерная электролитическая ячейка Унно-Имаи.

Рис. 1.2.Электролитическая однокамерная ячейка вертикального типа.

Для формирования слоев ПК были использованы пластины p- и n-типа проводимости с различной легирующей примесью и разным уровнем легирования. Применялись пластины кремния марок КДБ-0,005, КДБ-0,03, КДБ-1, КДБ-10, КЭФ-1, КЭФ-4,5, КЭФ-20, КЭС-0,01 ориентации (111) и (100). Режимы получения пористых слоев соответствовали стандартным рекомендуемым режимам формирования пористых структур. Широкие возможности вариации состава электролита (водные растворы HF c различным содержанием плавиковой кислоты, водные растворы HF + изопропанол и т.д.), плотности тока анодирования (5-60 мА/см2), подсветки (0-310 лк), уровня легирования (1014 - 1019 см-3), времени анодирования (5 - 120 мин) и т.д. позволили получать слои пористого кремния с разнообразной морфологией пор от макропористых структур с порами диаметра порядка 1 мкм до микропористых структур с поперечными размерами пор в единицы нанометров. Контроль пористости материала (P) проводился двумя методами: гравиметрическим и акустическим. Первый из методов основан на измерении потери массы образца после анодирования (?m), площади слоя ПК (S*) и его толщины (dпк)

P=(?m/2,33S*dпк)·100%,

где 2,33 - плотность монокристаллического кремния в г/см3.

Второй метод использует зависимость скорости поверхностных акустических волн от величины пористости. На акустическом микроскопе ELSAM измерялись скорости поверхностных акустических волн, по величине которых определялось значение пористости. Пористость исследуемых образцов находилась в интервале 3- 70%, что соответствует известным данным для пористых слоев, сформированных анодным травлением.

Таблица 1 Сведения об исследуемых образцах пористого кремния

Марка кремния	Тип ПК по международной классификации	Пористость %	Толщина Пк, мкм
КЭФ-4,5; КЭФ-20;КЭФ-1	Макропористый	3-22	1-80
КЭС-0,01	Мезопористый	8-27	18-85
КДБ-0,03; КДБ-0,0005	Мезопористый	16-33	5-60
КЭС-0,01; КДБ-0,03	Мезопористый	38-70	30-166
КДБ-10	Мезопористый, микропористый	25-68	2-8

Толщина слоев ПК определялась измерением соответствующего расстояния при наблюдении изображения скола структуры в оптическом или электронном микроскопе. Толщина ПК (при толщине исходной пластины 340-400 мкм) составляла 1-166 мкм.

Для проведения сравнительных измерений были изготовлены также двухсторонние пористые структуры, в которых толстые пористые слои толщиной 200 и 160 мкм находились на двух сторонах кремниевой пластины толщиной 380 мкм. Это оказалось возможным за счет изменения полярности подаваемого напряжения в методике жидкостного контакта. В данной работе исследованы образцы ПК с широким набором структурных и электрических свойств, общая информация о которых сведена в таблице 1.

2. Свойства пористого кремния

Проводимость ПК с высокой пористостью, содержащего фазу аморфного кремния. Экспериментальные исследования проводимости, выполненные на пористых слоях с показателем пористости более 50% и содержащих по данным рентгеновских исследований фазу аморфного кремния, выявили некоторые общие закономерности в дрейфе носителей заряда независимо от типа проводимости и вида легирования исходных кремниевых пластин, структуры пор, размеров нанокристаллитов и т.д. Приведем полученные экспериментальные результаты и проанализируем их в рамках различных физических моделей.

2.1 ВАХ тестовых структур с толстыми слоями пористого кремния

Известно, что слои ПК с высокой пористостью обладают большим удельным сопротивлением, которое может достигать 1010 -1012 Ом·см. Кроме этого, для структур с такими слоями описаны выпрямляющие свойства барьеров на границах ПК/МК и (или) ПК/металл, которые затрудняют определение электрических параметров пористых слоев. Поэтому для изучения электрических характеристик ПК с высоким показателем пористости нами было предложено создавать и использовать тестовые структуры металл/ПК/МК/металл с толстыми (50- 170 мкм) пористыми слоями. Вследствие высоких значений сПК и большой толщины слоя ПК практически все падение напряжения, подаваемое на структуру, происходит на пористом материале. В этих условиях падение напряжения на барьерах металл/ ПК и ПК/МК невелико и при малых смещениях указанные переходы вблизи нулевой точки обладают практически линейными ВАХ. Это позволяет не учитывать нелинейные явления на границах и открывает возможность изучения при помощи данных тестовых структур процессов переноса носителей заряда в ПК.

В качестве исходных кремниевых пластин были использованы пластины КДБ-0,03, КЭС-0,01, КДБ-1, КДБ-10 ориентации (111) и (100). Пористый кремний формировался по методике жидкостного контакта Унно-Имаи в смеси 48%-ного водного раствора HF и изопропилового спирта (1:1) в течение 10-60 минут при плотности тока анодирования 50- 60 мА/см2. Толщина слоев ПК составляла 50-170 мкм, гравиметрическая пористость находилась в пределах 50-70%. На поверхности ПК и МК наносились пленочные алюминиевые контакты, которые вжигались в инертной среде при 300?С в течение 15-20 минут. Площадь контактов измерительной структуры составляла 25 мм2 .ВАХ измерялись по специальной схеме, предназначенной для высокоомных образцов. Диапазон внешнего смещения обеих полярностей составлял 6 В, измерения проводились с шагом 0,01-0,1 В. При проведении температурных измерений образцы для предотвращения процессов конденсации влаги находились в вакууме. На рис. 2.1 приведены типичные ВАХ структур, сформированного на p+ -Si, для интервала температур 220-295К. Прямое смещение соответствовало подаче положительного потенциала на кремниевую подложку (рис. 2.1 б). Как следует из рисунка, охлаждение образцов приводит к значительному уменьшению прямых и обратных токов. При температурах ниже 220К сопротивление структур превышало 109 Ом (сПК>1010 Ом·см) и проведение измерений в силу технических причин было невозможным. С аналогичной трудностью столкнулись авторы, которым из-за высокого сопротивления ПК не удалось провести измерения ВАХ ниже 200К. В интервале от 220 до 260-280К ВАХ исследуемых структур были строго линейны, незначительно отличаясь по величине в двух направлениях. При более высоких температурах в области больших смещений ВАХ становились нелинейными, но оставались практически симметричными для двух направлений. Если ВАХ структур с относительно тонкими слоями ПК, как правило, имеют значительное выпрямление, то характерной чертой исследуемых структур явился иной характер зависимости, связанный с наличием симметричных прямых и обратных ветвей. Такая симметричность свидетельствует о том, что контакты металл/ПК и ПК/МК при подавляющем падении напряжения на слое ПК не проявляют выпрямляющих свойств. Небольшая разница в значениях токов для прямой и обратной ветвей объясняется различной инжекцией носителей (односторонней, двухсторонней) в ПК. Это подтверждается тем, что ВАХ для структур металл/ПК/МК/металл, сформированных на n-Si, имели аналогичный практически симметричный вид, но преобладающие токи соответствовали подаче положительного потенциала не на МК, а на ПК. Подобные симметричные нелинейные ВАХ представлены в для высокоомных слоев ПК с относительно большими толщинами.

Рис.2.1. ВАХ структуры на p-Si c пористостью 65% и толщиной слоя ПК 106 мкм в интервале температур 220-295К (а). Полярность приложенного напряжения при прямом смещении (б)

2.2 Температурные зависимости удельного сопротивления пористого кремния с высокой пористостью

На основании полученных ВАХ появилась возможность по начальному линейному участку определить сопротивление слоя ПК, рассчитать величину сПК и изучить характер изменения удельного сопротивления слоев ПК с температурой. Величины удельного сопротивления ПК при комнатной температуре на пластинах n-Si и p-Si незначительно отличались друг от друга и находились в интервале 1·108 -8·108 Ом·см. Эти значения превышают соответствующие значения сПК для слоев ПК, описанных в предыдущих разделах. На рис.2.2 приведены типичные температурные зависимости проводимости высокопористых образцов в области комнатных температур. Как следует из приведенных зависимостей, для всех образцов, независимо от типа проводимости кремниевой подложки, наблюдается активационный характер

у = у0 exp (-E/kT) (3)

где у0 - префактор, соответствующий проводимости при бесконечно высокой температуре. Активационные зависимости проводимости в области комнатных температур уже отмечались нами для мезопористых образцов с невысокой пористостью, однако отличительной чертой ПК с высокой пористостью явилось то, что между величинами у0 и Ea имелась определенная взаимосвязь. Впервые подобную закономерность описали Балагуров с соавторами, а затем Лубианикер и Балберг провели детальное изучение этого явления. Ими было обнаружено, что для ПК с высокой пористостью экспериментальные зависимости у0=f(Ea) укладываются в две узкие полосы (два правила Мейера-Нелдела), показанные на рис. 2.3, при этом верхняя полоса значений соответствует известной зависимости у0=f(Ea) для аморфного гидрогенизированного кремния б-Si:H. Правила Мейера-Нелдела подчинялись общему выражению

lnу0 = BMNR + Ea/EMNR,

где параметры BMNR для первого и второго правила составляли 7,2·10-3 Ом-1·см-1 и 2,2·10-5 Ом-1·см-1, а параметры EMNR - 50 мэВ и 166 мэВ, соответственно.

Расчеты показали, что наши экспериментальные результаты у0=f(Ea) удовлетворяют верхней полосе значений, описывающей перенос носителей в a-Si:H по делокализованным состояниям. Величина энергии активации составила 0,42-1,05 эВ, что характерно для аморфного гидрогенизированного кремния и объясняется изменением энергетического диапазона между уровнем Ферми и зоной делокализованных состояний при вариации содержания водорода.

Набор полученных экспериментальных фактов может быть интерпретирован следующим образом. В последнее время при анализе экспериментальных результатов для ПК с высокой пористостью обязательно учитывается наличие продуктов электрохимических реакций, которые в процессе порообразования частично переходят в электролит, а частично оседают на стенках пор. Поэтому разумно описывать ПК с высокой пористостью как набор кремниевых нанокристаллитов с различной размерностью, окруженных продуктами электрохимических реакций («pea-pod» модель) , которые, в свою очередь, контактируют с порами. Такая “трехфазная” модель ПК обсуждается во многих работах. Считается, что в зависимости от условий анодирования состав продуктов электрохимических реакций может быть различным: от фазы, близкой к аморфному кремнию, до фазы, близкой к SiOx. Электрохимическое травление длительное время в электролитах с большой концентрацией HF приводит, как правило, к формированию в объеме ПК фазы аморфного кремния, что обнаруживается методами просвечивающей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии и другими методами. На исследуемых образцах наличие фазы аморфного кремния подтверждено рентгеновскими исследованиями. Поэтому перенос носителей заряда в данном случае может происходить по фазе, близкой по свойствам к б-Si:H, окружающей кремниевые нанокристаллиты. Это нашло свое подтверждение не только при выполнении правила Мейера-Нелдела для проводимости аморфного кремния на постоянном токе, но и при измерениях величины подвижности, температурных зависимостей подвижности, проводимости на переменном токе и т.д. пористый кремний кристалл электрохимический

Рисунок.2.2. Активационный характер проводимости ПК с высокой пористостью в области комнатных температур. Образцы 1, 2 получены на кремнии n-типа проводимости (P=52-60%); 3, 4, 5 - на кремнии p-типа (P=.60-68%).

Рис.2.3. Два правила Мейера-Нелделя (область 1 и область 2) для ПК по данным работ Лубианикера и Балберга.

Штриховой линией показана зависимость для аморфного гидрогенизированного кремния. Крестиками отмечены результаты для исследуемых образцов ПК, сформированных на n-Si и p-Si подложках.

3.1 Классификация электрических свойств пористого кремния

Предлагаемая классификация электрических свойств ПК предусматривает деление пористого материала на четыре группы (рисунок.3), каждая из которых обладает индивидуальным набором свойств. К первой группе (PS1) относится пористый материал, у которого обедненные области или отсутствуют или слабо выражены. Измерения эффекта Холла показали неизменность концентрации электронов в монокристаллической матрице ПК по сравнению с исходным кремнием. Величина удельного сопротивления ПК оказалась в 1,2-1,7 раза больше, чем у исходной кремниевой подложки, что соответствовало расчетам на основе теории эффективной среды в модели "кремний-воздух". ПК 1-й группы, в отличие от пористых слоев других групп, не чувствителен к изменению влажности и присутствию полярных молекул.

Вторую группу (PS2) образуют пористые структуры, у которых крупные поры далеко отстоят друг от друга и поэтому обедненные области вокруг пор не перекрываются. Холловские измерения свидетельствовали, что концентрация электронов в области вокруг пор уменьшается, а увеличение удельного сопротивления ПК в этом случае не соответствует теории эффективной среды для весовой пористости, но находится в хорошем согласии с этой теорией при учете дополнительного объема, занимаемого обедненными областями. Удельное сопротивление ПК 2-й группы превышало удельное сопротивление исходного кремния в 1,6-15 раз и связано с переносом носителей заряда по низкоомным необедненным участкам кремниевой матрицы. ПК с такой морфологией эффективно формируется на подложках n-типа, хотя не исключено получить структуру с редкими макропорами и на p-Si.

В третью группу (PS3) входят пористые структуры с сильно развитой сетью мелких пор и имеющие относительно невысокий показатель пористости (менее 40-50%). Обедненные области соседних пор (за счет малого расстояния между стенками пор) перекрываются и весь оставшийся монокристаллический остов представляет собой кораллообразную структуру, состоящую в общем случае из областей с различной степенью обеднения, а в предельном случае - из кремния с собственной проводимостью. Удельное сопротивление ПК 3-й группы резко возрастает (до 106 Ом см) по сравнению с уже рассмотренными случаями, дрейф носителей заряда осуществляется по высокоомной кремниевой матрице и может сопровождаться явлением кулоновского отталкивания от заряженных стенок. Зависимости проводимости ПК от температуры обладают активационным характером с различной энергией активации 0,32-0,68 эВ для интервала 300-500К, что связано с флуктуацией потенциального рельефа. ПК, сформированный на подложках p-типа, в методе термозонда часто проявляет эффективный электронный тип проводимости, характерный для собственных полупроводников, имеющих более высокую подвижность электронов по сравнению с дырками.

Четвертая группа (PS4) включает в себя структуры с высокой пористостью (более 45-50%), для которых структура материала, а следовательно и характер проводимости, претерпевают значительные изменения. Такой ПК представляет собой совокупность кремниевых нанокристаллитов с различной фрактальной размерностью, находящихся в пористой матрице сложного химического состава. Нанокристаллиты кремния размерами от единиц до десятков нанометров являются областями кремния, не подвергнутыми растворению и окруженными продуктами электрохимических реакций. При размерах кристаллитов менее 4 нм в них начинают возникать квантово-размерные эффекты, приводящие к квантованию энергетического спектра носителей, к увеличению ширины запрещенной зоны до 1,8-2,9 эВ и к уменьшению диэлектрической проницаемости. Структура ПК, когда кремниевые кристаллиты погружены в среду продуктов электрохимических реакций, обуславливает аномально высокое удельное сопротивление ПК, достигающее 109 Ом см в наших измерениях и 1012 Ом·см по данным работы. Температурные зависимости темновой проводимости образцов ПК 4-й группы в области комнатных температур имеют активационный характер, при котором энергия активации и предэкспоненциальный множитель связаны двумя правилами Мейера-Нелдела. К настоящему времени не выявлено существенных различий в характере проводимости пористого материала этой группы при наличии и отсутствии размерного квантования. Это объясняется тем, что длины дрейфа носителей даже при низких подвижностях не превышают 0,1 мкм, что много больше размеров квантового конфайнмента (2-5 нм). Нанокристаллиты кремния подвержены процессам обеднения, концентрация носителей в них 1010 - 1013 cм-3, однако величина проводимости уже определяется не столько концентрацией носителей, сколько характером переноса.

Проводимость в такой структуре в сильной степени зависит от удельного сопротивления среды продуктов электрохимических реакций и может осуществляться по окружающей кристаллиты матрице или при помощи межкристаллитных перескоков (когда удельное сопротивление окружающей нанокристаллиты среды достаточно велико). Последний случай может иметь место при формировании продуктов электрохимических реакций в виде высокоомных оксидов SiOx. Оболочка из оксидов кремния может формироваться вокруг кремниевых нанокристаллитов как в процессе анодной электролитической обработки, так и при дополнительном частичном прокислении ПК. Первый случай описан еще Меммингом и Швандтом и относится к случаю малой концентрации плавиковой кислоты в электролите. Электрохимические и химические реакции в этих условиях могут быть записаны

Si + 2H2O + 2h+ > Si(OH)2 + 2H+,

Si(OH)2 + 2H2O > Si(OH)4 + H2,

Si(OH)4 > SiO2 +2H2O.

При высоких анодных потенциалах может наблюдаться следующая последовательность реакций

Si + 4H2O + 4h+ > Si(OH)4 + 4H+,

Si(OH)4 > SiO2 +2H2O.

Результатом реакций и является формирование тонких пленок SiO2, которые покрывают как поверхность ПК, так и внутренние стенки пор, что обнаруживается при эллипсометрических измерениях и при изучении инфракрасных спектров поглощения ПК. Установлено, что кремниевые нанокристаллиты, погруженные в SiO2, наиболее вероятно возникают в приповерхностных областях ПК или в пористых слоях небольшой толщины. Оксидная оболочка кремниевых нанокристаллитов может быть получена дополнительным частичным прокислением ПК при хранении в естественных условиях, при термической обработке, при анодном или плазменном окислении], при подсветке во время анодного электрохимического травления, методом фотоокисления и т.д. Установлено, что окислительные процессы способствуют уменьшению концентрации поверхностных ловушек в ПК, но приводят к появлению новых ловушечных уровней в объеме нанокристаллитов. В работе рассмотрена модель, в которой оболочка SiO2 покрывает другие продукты электрохимических реакций, осажденных на стенках пор. Процессы переноса носителей заряда в таких структурах связаны с перескоками носителей между кремниевыми нанокристаллитами, что показано Демидовым и соавторами при изучении ВАХ, Балбергом при исследовании шумовых характеристик и т.д. Подвижность носителей заряда для ПК 4-й группы имеет очень широкий диапазон от 10 до 10-5 см2/Вc. Относительно высокие значения подвижности 10-1 - 10 см2 /Вс характерны для переноса по среде, близкой по свойствам к б-Si:H. Низкие значения подвижности наблюдались в ПК с нанокристаллитами, погруженными в SiO2, когда методом измерения времени пролета изучалась дрейфовая подвижность в частично окисленном ПК. Отметим, что приведенная классификация (рис.3.2, табл.3.1) является заведомо упрощенной. Здесь в ряде случаев опущены такие важные моменты, как трехкомпонентная структура ПК (кремний + поры + продукты электрохимических реакций), зависимость проводимости ПК от присутствия ионов на поверхности пор, наличие ловушек в материале, которые в рамках каждой группы могут оказывать определенное влияние на характер переноса носителей. Кроме того, следует учитывать, что, в силу неоднородности процессов анодного травления, возможно появление в ПК локальных областей, относящихся к соседним группам, а также появление слоев ПК с разными электрическими свойствами по толщине.

Рис 3. Схематичное изображение процессов переноса носителей в ПК различный групп

1-исходная монокристаллическая матрица, 2-поры, 3-обедненные области,4 - фаза продуктов электрохимических реакций.

Интересно сопоставить электрические свойства ПК со свойствами других пористых полупроводников. Экспериментальные исследования показали, что существенными особенностями электрических свойств обладают лишь пористые слои аморфного кремния с высоким содержанием (до 1022 см-3) примесей Mn или Fe. В таких материалах вследствие топологического беспорядка длина свободного пробега мала и составляет несколько межатомных расстояний. Это, с одной стороны, много меньше поперечных размеров областей аморфного кремния, а с другой стороны, много больше длины волны де Бройля (1 нм). Поэтому в таких объектах не проявляются эффекты размерного квантования и приграничного рассеяния, что приводит к наблюдению классических размерных явлений, характерных для ПК.

Таблица 2 Электрические свойства пористого кремния

Группа

Свойста обедненных областей

Характер проводимости про 300К

Температурная зависимость проводимости

1

Обедненные области слабо выражены или отсутствуют

Проводимость по кремниевой матрице в соответствии с теорией эффективной среды модели « Si+ воздух» спк/смк=1,2-1,7

Как у исходного кремния

2

Обедненные области соседних пор не перекрываются

Проводимость по необедненным участкам кремниевой матрицы согласно теории эффективной среды в модели «Si+(воздух+обедненные области)» спк/смк=1,6-15

Та же

3

Обедненные области охватывают все межпоровое пространство

Проводимость по обедненной кремниевой матрице в модели флуктуирующего потенциального рельефа. спк/смк108

Активационный характер проводимости с различной энергией активации, не подчиняющейся правилу Мейера-Нелдера

4

Обедненные носителями нанокрситаллы кремния различной фрактальной размерности окружены продуктами электрохимических реакций

Проводимость по межкристаллитной среде и (или) проводимость путем межкристаллитных перескоков. спк/смк1011

Активационный характер проводимости с различной энергией активации, подчиняющейся двум правилам Мейера-Нелдела

4. Электрические свойства контакта пористого кремния с металлами

Предложенная классификация электрических свойств ПК позволяет не только описать процессы переноса носителей заряда в пористых слоях с различными структурными характеристиками, но и объяснить экспериментально наблюдаемое многообразие свойств переходов ПК/металл и ПК/МК. Действительно, переходы ПК/металл некоторые исследователи рассматривают как выпрямляющие, другие приписывают им омический характер. Аналогичная ситуация имеет место при анализе перехода ПК/МК: известны работы, где переход является выпрямляющим, и работы, где выпрямления на границе нет. Наиболее полная подборка экспериментальных данных приведена в обзоре. Результаты этого обзора свидетельствуют, что единый подход к анализу экспериментальных результатов отсутствует, затрудняя возможность обсуждения данных, особенно для многослойных пористых структур. На основании приведенной классификации можно говорить о том, что ПК различных групп обладает принципиально разными электрическими свойствами. Как следствие, в создаваемых многослойных структурах контакты пористого материала с металлами и исходными монокристаллическими подложками могут иметь или выпрямляющий или омический характер. Достаточно легко прогнозировать свойства контакта металл/ПК для пористых слоев из 1-3 групп, рассмотренные ниже на примере алюминиевой металлизации. В этом случае могут быть применены положения теории создания омических или выпрямляющих контактов Al к кремнию с различной концентрацией носителей заряда. Известно, что на границе алюминия и кремния с разным типом проводимости всегда возникает потенциальный барьер, вследствие чего переход является выпрямляющим. Однако в случае высокого уровня легирования кремния (более 5·1017 cм-3) барьер становится узким, и за счет процессов эффективного туннелирования переход алюминий/кремний становится невыпрямляющим (омическим).Контакты алюминия с ПК 1-й группы вследствие высокой концентрации носителей в монокристаллической матрице пористого материала являются омическими; более того, за счет развитой эффективной поверхности ПК переходные сопротивления контактов оказываются значительно меньше переходных сопротивлений контактов алюминий/кремний, полученных в аналогичных условиях. Переходы алюминий/ПК для пористых материалов 2-й группы могут иметь как выпрямляющий, так и омический характер в зависимости от соотношения на интерфейсе площадей низкоомных и высокоомных областей кремния. При временах анодной обработки, достаточных для возникновения сплошного приповерхностного обедненного слоя, контакты Al/PS2 обладают выпрямлением. Такие же выпрямляющие свойства из-за процессов обеднения в кристаллической матрице типичны для контактов алюминий/ПК 3-й группы. Для ПК 4-й группы можно предсказать квазиомическое поведение контактов Al/ПК. Во-первых, именно такое поведение характерно для контактов Al/a-Si:H.Экспериментально показано, что переходы Al/a-Si:H даже после незначительной термообработки (170-250 С) вследствие наблюдаемого питтинга и приповерхностной кристаллизации аморфного гидрогенизированного кремния являются невыпрямляющими. Поэтому, в том случае, когда ПК 4-й группы содержит фазу аморфного кремния, контакты Al/PS4 являются квазиомическими. Во-вторых, на поверхности ПК с высокой пористостью имеет место высокая плотность поверхностных электронных состояний, приводящая к потере выпрямляющих свойств металлических контактов. В-третьих, отсутствие заметного выпрямления может быть объяснено относительно малым падением напряжения на переходе. При аномально высоком удельном сопротивлении пористого слоя практически все подаваемое на структуру напряжение будет приходиться на слой ПК, в результате чего падение напряжения на контакте металл/ПК будет малым, и в этом случае даже выпрямляющий переход будет обладать практически линейной вольтамперной характеристикой. Данный подход получил в дальнейшем экспериментальное подтверждение.

Исследования электрических свойств контактов Al/ПК с пористыми слоями, относящимися к различным группам, показали хорошую работоспособность предложенной модели. Здесь необходимо сделать важное замечание. Известно, что процессы порообразования в кремнии могут сопровождаться формированием на поверхности аморфной пленки кремния, поэтому наличие либо отсутствие данной аморфной пленки может существенно изменить свойства контактов. Нужно учитывать, что на поверхности ПК 2-й и 3-й групп за счет диффузии водорода может образовываться тонкий обедненный слой. Кроме этого, термообработка ПК способна сильно влиять на концентрацию носителей заряда в пористом слое и электрофизические свойства контактов могут зависеть от температурных режимов создания многослойных структур.

Заключение

Мы познакомились с некоторыми уникальными физическими свойствами пористого кремния. Очевидно, дальнейшее изучение электронных и атомных процессов в этом материале представляет несомненный интерес как с чисто научной, так и с прикладной точек зрения. Это обусловлено возможностью создавать слои с различными размерами наноструктур, легко изменять состав внешнего слоя кремниевого скелета, тем самым модифицируя характер указанных процессов. При исследовании этого материала весьма эффективным оказалось применение целого арсенала современных физических методов: фото- и катодолюминесценции, электронного парамагнитного резонанса, романовского рассеяния света, электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и многих других. Результаты, полученные этими методами, позволяют построить детальную картину электроники квантовых нитей и точек и использовать разработанные модели для создания элементов наноэлектроники, которая, очевидно, будет определять развитие информационных систем ХХI века.

По-видимому, найдет практическое применение и такое свойство пористого кремния, как чувствительность его электронных свойств к окружающей среде. Появляется принципиальная возможность создания сенсоров на различные молекулы, причем для считывания данных удобно использовать люминесцентное излучение.

Cписок использованных источников

1. Зимин С.П. «Электрофизика пористого кремния и структур на его основе.» Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Ярославль - 2003г.

2. Балагуров Л.А. «Пористый кремний. Получение, свойства, возможные применения» Москва - 1998г.

3. Интернет-ресурс «Википедия»

4. Шенгуров В. Г. «Многослойное строение структур с пористым кремнием» Москва - 1998г.

5. Немировский Л. Н. «Особенности получения и области применения пористого кремния в электронной технике» -1986г.

Размещено на Allbest.ru

...

курсовая работа "Особенность использования пористого кремния" скачать

Подобные документы

Метрологическая аттестация образцовой установки по измерению удельного электрического сопротивления полупроводниковых материалов (кремния монокристаллического) четырехзондовым методом
Создание технических средств метрологического обеспечения контроля качества полупроводниковых материалов. Анализ установки по измерению удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом. Измерение сопротивления кремния монокристаллического.

дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.07.2012
Проект создания инновационного кластера солнечной энергетики на территории Красноярского края в 2009–2015 году
Получение поликристаллического кремния. Методы получения газовых соединений Si, поликристаллических кремния из моносилана SiH4. Восстановление очищенного трихлорсилана. Установка для выращивания монокристаллического кремния. Мировой рынок поликремния.

дипломная работа [2,3 M], добавлен 14.12.2011
Омический контакт металл-карбид кремния
Изучение свойств карбида кремния. Понятие омического контакта. Разработка и оптимизация технологии воспроизводимого получения омических контактов к карбиду кремния n- и р-типа проводимости на основе выявления факторов, влияющих на его формирование.

курсовая работа [165,7 K], добавлен 10.05.2014
Изучение зависимости сопротивления полупроводника от температуры
Деление твердых тел на диэлектрики, проводники и полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводниковых материалов. Исследование изменений сопротивления кристаллов германия и кремния при нагревании, определение энергии их активации.

лабораторная работа [120,4 K], добавлен 10.05.2016
Эпитаксиальный рост простых полупроводников Si и Ge на поверхности Si(111)
Дифракция быстрых электронов на отражение как метод анализа структуры поверхности пленок в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Анализ температурной зависимости толщины пленки кремния и германия на слабо разориентированой поверхности кремния.

курсовая работа [1,0 M], добавлен 07.06.2011
Применение полупроводников в технике
Общие сведения о полупроводниках. Методы очистки и переплавки полупроводниковых материалов. Металлургия германия и кремния. Применение полупроводников. Тепловые сопротивления. Фотосопротивления. Термоэлементы. Холодильники и нагреватели.

реферат [26,8 K], добавлен 25.06.2004
Электрофизические свойства ультратонких плёнок кремния на изоляторе, сформированных методом ионной имплантации и водородного переноса
Механизм анодного окисления кремния. Влияние толщины пленки, сформированной методом ионной имплантации и водородного переноса, на ее электрофизические свойства. Электрофизические свойства структур "кремний на изоляторе" в условиях анодного окисления.

дипломная работа [327,8 K], добавлен 29.09.2013
Общие сведения о полупроводниках
Описание полупроводников, характеристика их основных свойств. Физические основы электронной проводимости. Строение кристалла кремния. Направленное движение электронов и дырок под действием электрического поля, p-n переход. Устройство транзисторов.

презентация [2,4 M], добавлен 20.04.2016
Солнечные элементы на основе монокристаллического кремния
Значение и использование монокристаллического кремния при производстве солнечных элементов повышенной эффективности. Природа и механизм возникновения дефектов для пар железо-бор в составе элементов при различных условиях эксплуатации и освещения.

реферат [104,0 K], добавлен 23.10.2012
Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+
Получение и люминесцентные свойства легированного эрбием монокристаллического кремния. Влияние дефектов и примесей на интенсивность сигнала фотолюминесценции ионно-имплантированных слоев. Безизлучательная передача возбуждений между оптическими центрами.

дипломная работа [1,2 M], добавлен 06.01.2016
Влияние метилирование поверхности на устойчивость наночастиц кремния
Особенности частичного насыщения поверхностных атомов кремния метильными группами и методов моделирования кластера минимального размера. Иммобилизация метильных групп на поверхность димеризованного гидрогенизированного кластера в различных соотношениях.

доклад [1,1 M], добавлен 26.01.2011
Повышение энергоэффективности рельсовых транспортных средств путем уточнения аналитических зависимостей для расчета сопротивления движению
Выявление характера зависимостей составляющих основного удельного сопротивления движению при перемещении под током и без него. Использование метода имитационного моделирования. Анализ снижения аэродинамического коэффициента при уменьшении отпора хода.

отчет по практике [91,3 K], добавлен 15.07.2017
Распределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния
Расчёт компоновки загрузки из полупроводникового и металлургического кремния для выращивания мультикремния. Количественный химический анализ слитков мультикремния. Анализ профилей распределения примесей в слитках в приближении перемешивания расплава.

дипломная работа [1,1 M], добавлен 08.06.2017
Особенности технологии создания микрорельефа на поверхности солнечных элементов на основе монокристаллического кремния
Исследование особенностей технологических путей создания микрорельефа на фронтальной поверхности солнечных элементов на основе монокристаллического кремния. Основные фотоэлектрические параметры полученных структур, их анализ и направления изучения.

статья [114,6 K], добавлен 22.06.2015
Зонная структура непрямозонного полупроводника Si
Энергетическая зонная структура и абсолютный минимум зоны проводимости у кремния. Измерение спектра собственного поглощения образца кремния с помощью электронно-вычислительного комплекса СДЛ-2. Оценка ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника.

курсовая работа [376,2 K], добавлен 08.06.2011
Катодолюминесценция твердых растворов на основе (SiC)1-x(AlN)x
Кристаллическая структура и полупроводниковые свойства карбида кремния и нитрида алюминия. Люминесцентные свойства SiC и твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x. Технологическая установка для выращивания растворов. Электронный микроскоп-микроанализатор ЭММА-2.

дипломная работа [175,9 K], добавлен 09.09.2012
Общие сведения о полупроводниках
Классификация твердых тел по электропроводности. Процесс образования пары электрон - дырка. Преимущества использования кремния в качестве полупроводникового материала. Структура кристаллической решетки типа "алмаз". Электронно-дырочный p-n-переход.

презентация [823,2 K], добавлен 09.07.2015
Свойства полупроводников
Удельное сопротивление полупроводников. Строение кристаллической решетки кремния. Дефекты точечного типа и дислокации. Носители заряда и их движение в электрическом поле. Энергетические уровни и зоны атома. Распределение носителей в зонах проводимости.

презентация [150,3 K], добавлен 27.11.2015
Температурные зависимости удельного электосопротивления твердых растворов CoXMn1-XS
Изучение электропроводности твердых растворов ферритов. Анализ результатов опыта, которые позволяют утверждать, что в исследованных твердых растворах системы CoXMn1-XS реализуются переходы типа металл-диэлектрик как по температуре, так и по концентрации.

реферат [1,8 M], добавлен 21.06.2010
Баллистическая задача в случае нелинейной зависимости силы сопротивления от скорости
Баллистика движения материальной точки в случае нелинейной зависимости силы сопротивления от скорости. Зависимости коэффициента лобового сопротивления от числа Рейнольдса для шара и тонкого круглого диска. Расчет траектории движения и силы сопротивления.

статья [534,5 K], добавлен 12.04.2015

Другие документы, подобные "Особенность использования пористого кремния"

весь список подобных работ

скачать работу можно здесь

сколько стоит заказать работу?

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

Группа	Свойста обедненных областей	Характер проводимости про 300К	Температурная зависимость проводимости
1	Обедненные области слабо выражены или отсутствуют	Проводимость по кремниевой матрице в соответствии с теорией эффективной среды модели « Si+ воздух» спк/смк=1,2-1,7	Как у исходного кремния
2	Обедненные области соседних пор не перекрываются	Проводимость по необедненным участкам кремниевой матрицы согласно теории эффективной среды в модели «Si+(воздух+обедненные области)» спк/смк=1,6-15	Та же
3	Обедненные области охватывают все межпоровое пространство	Проводимость по обедненной кремниевой матрице в модели флуктуирующего потенциального рельефа. спк/смк108	Активационный характер проводимости с различной энергией активации, не подчиняющейся правилу Мейера-Нелдера
4	Обедненные носителями нанокрситаллы кремния различной фрактальной размерности окружены продуктами электрохимических реакций	Проводимость по межкристаллитной среде и (или) проводимость путем межкристаллитных перескоков. спк/смк1011	Активационный характер проводимости с различной энергией активации, подчиняющейся двум правилам Мейера-Нелдела