Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния
В статье представлены результаты по получению двумерных структур макропористого кремния с нанопокритиями. Приведены исследования фотофизических процессов в таких структурах, в частности фотопроводимости и поглощения в ближней ИК-области спектра, которые определяют функциональные возможности материал...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Поверхность |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39301 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния / В.И. Иванов, Л.А. Карачевцева, О.А. Литвиненко, К.А. Паршин, Е.И. Стронская // Поверхность. — 2009. — Вип. 1(16). — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860187503780167680 |
|---|---|
| author | Иванов, В.И. Карачевцева, Л.А. Литвиненко, О.А. Паршин, К.А. Стронская, Е.И. |
| author_facet | Иванов, В.И. Карачевцева, Л.А. Литвиненко, О.А. Паршин, К.А. Стронская, Е.И. |
| citation_txt | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния / В.И. Иванов, Л.А. Карачевцева, О.А. Литвиненко, К.А. Паршин, Е.И. Стронская // Поверхность. — 2009. — Вип. 1(16). — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Поверхность |
| description | В статье представлены результаты по получению двумерных структур макропористого кремния с нанопокритиями. Приведены исследования фотофизических процессов в таких структурах, в частности фотопроводимости и поглощения в ближней ИК-области спектра, которые определяют функциональные возможности материала для формирования фотоприемных и болометрических элементов.
Представлені результати досліджень фотофізичних процесів у двовимірних структурах макропористого кремнію, зокрема фотопровідності та поглинання у ближній ІЧ-області спектру, які визначають функціональні можливості матеріалу.
The results of researches of photophysical processes in 2D macroporous silicon structures are presented. We have studied photoconductivity and absorption of these structures in near infrared range which define functionalities of the materials.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:04:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
1
УДК 541.013+621.315
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДВУМЕРНЫХ
СТРУКТУРАХ МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
В.И. Иванов, Л.А. Карачевцева, О.А. Литвиненко, К.А. Паршин,
Е.И. Стронская
Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва НАН Украины,
03028, Украина, г. Киев, пр. Науки, 41, e-mail: lakar@isp.kiev.ua
В статье представлены результаты по получению двумерных структур
макропористого кремния с нанопокритиями. Приведены исследования фотофизических
процессов в таких структурах, в частности фотопроводимости и поглощения в
ближней ИК-области спектра, которые определяют функциональные возможности
материала для формирования фотоприемных и болометрических элементов.
Введение
Интерес к двумерным структурам макропористого кремния вызван тем, что они
являются перспективным материалом для разработки излучательных, фото- и
теплоприёмных устройств [1]. Это связано c возможностью изготовления структур с
необходимой геометрией благодаря кристаллической анизотропии [2], что позволяет
использовать методы плазмохимического травления, низкотемпературных газофазных
реакций и дешевый процесс фотоэлектрохимического травления [3]. Устройства на
основе двумерных кремниевых структур могут быть использованы для экологического
мониторинга окружающей среды, диагностики в медицине, контроля производственных
процессов в промышленности.
В данной работе представлены результаты исследований фотопроводимости на
структурах макропористого кремния и поглощения в ближней ИК-области спектра.
Фотоэлектрохимический процесс формирования макропор
Особенности технологии получения двумерных структур представлены в [4, 5]. В
частности, нами разработана дифузионно-дрейфовая модель процесса формирования
макропор в кремнии, с учетом которой методом фотоанодного травления были
изготовлены структуры макропористого кремния с периодическим (рис. 1 а) и
произвольным расположением цилиндрических макропор (рис. 1 б).
а) б)
Рис. 1. Двумерные фотонные структуры макропористого кремния
2
Структуры формировались на пластинах кремния n-типа проводимости с
удельным сопротивлением 2,0–5,0 Омсм, ориентацией 100 и толщиной порядка
300 мкм. Для периодических структур затравочные ямки травления создавались с
применением фотолитографии и плазмохимического травления. Период таких структур
составлял 4 или 8 мкм и определялся литографической маской, диаметр пор при этом
составлял 3 и 4 мкм соответственно. Для непериодических структур поры
формировались на полированной поверхности случайным образом с распределением
диаметра пор, представленным ниже.
Таблица. Распределение диаметра макропор в непериодической структуре
Диаметр пор, мкм 1 2 3 4 5 6
Содержание. % 1 6 15 70 6 2
Глубина макропор определялась временем травления при постоянной скорости
0,5 мкм/мин [3] и достигала 250 мкм. Плотность пор составляла порядка 106 см-2.
Формирование нанопокрытий и фотопроводимость структур макропористого
кремния
Функциональные возможности макропористого кремния определяются как
геометрией макропор, так и природой нанопокрытий на их поверхности. Нами были
разработаны технологии изготовления, определены оптимальные режимы формирования
и получены структуры макропористого кремния с нанопокрытиями микропористого
кремния, оксида кремния (SiO2) а также карбида кремния (SiC), сформированного
методом низкотемпературных газофазных реакций [6].
Покрытия первого и второго типа могут быть созданы непосредственно во время
электрохимического процесса. Формирование микропористых слоев на стенках
макропор происходит в условиях большой плотности тока порядка 40–60 мА/см2, тогда
как для формирования в кремнии только макропор среднее значение плотности тока
составляет 20 мА/см2. В соответствии с данными сканирующей электронной
микроскопии при низкой плотности тока 40–50 мА/см2 на стенках макропор
формируются слои микропористого кремния толщиной до 700 нм с древовидной
структурой. При более высокой плотности тока 50-60 мА/см2 слои микропористого
кремния формируются более тонкими, толщиной до 250 нм без древовидной
структуры [7].
Данные инфракрасной спектроскопии [8] подтвердили, что слои на поверхности
макропор содержат гидриды, оксиды и органические соединения подобно плоским
микропористым слоям. Интенсивные пики поглощения на длинах волн 465 и 650 см-1,
которые соответствуют кремний-кремниевым связям, проявляются благодаря большой
общей поверхности нанопокрытия. После обработки в КОН, которая проводится для
удаления продуктов реакции, микропористые слои практически полностью
стравливаются.
Структуры макропористого кремния, изготовленные при низких значениях
начального напряжения, после травления в KOH содержат, главным образом, пики Si–O
и кремний-кремниевых связей. Структуры, изготовленные при начальном напряжении,
большем 1 В, содержат более интенсивные пики Si–O в соответствии с реакцией
анодного окисления кремния, что приводит к формированию оксида кремния толщиной
до 100 нм.
Следует отметить, что повышенный интерес к получению и изучению свойств
нитевидных наноструктур карбида кремния связан не только с его полупроводниковыми
свойствами, но и с высокой прочностью нанонитей и нанотрубок карбида кремния.
3
Размер и морфология микротрубок карбида кремния существенно зависят от
температуры формирования покрытия [6]. При определенных режимах их диаметр
может достигать 10 мкм. Таким образом, двумерные структуры макропористого кремния
могут выступать в качестве матрицы для формирования микротрубок карбида кремния.
Рассмотренные нанопокрытия, изменяя химическую природу, структуру и
морфологию макропор, создают гетеропереход на границе „нанопокрытие – кремний”,
который влияет на фотофизические процессы в двумерных структурах макропористого
кремния [9].
При изучении спектральной зависимости фотопроводимости в макропористых
кремниевых структурах экспериментально было установлено [10], что сигнал в области
зона-зонного поглощения света превосходит сигнал для монокристаллической подложки
в 30 раз. Зависимость величины максимума сигнала спектра фотопроводимости от
расстояния между макропорами (а – Dp) имеет наибольшее значение при расстоянии
между макропорами 2 мкм (а – период макропористой структуры, Dp – диаметр пор).
В [11] было рассмотрено теоретически и подтверждено экспериментально
увеличение латеральной фотопроводимости в периодических структурах в зависимости
от размера цилиндрических макропор и инверсии проводимости на границе «пора –
кремний», т.е. в слое Шоттки. Схема измерения спектров фотопроводимости и методика
экспериментов описаны в [11]. Отметим только, что омические контакты
In/монокристалл n-Si и In/макропора n-Si с переходным сопротивлением 4–10 Ом∙см2
были созданы термическим осаждением индия в 4-зондовой конфигурации. Расстояние
между контактами составляло 4 мм [12].
Для исследованных нами структур макропористого кремния в диапазоне
температур 77–300 К толщина слоя Шоттки w 1 мкм [11].
Рис. 2. Темновое сопротивление, рассчитанное для структуры с периодическими
макропорами, представленной на вставке (сплошная линия – толщина слоя
Шоттки 1 мкм, пунктирная – слой Шоттки отсутствует) при Т = 300 К.
Для расчета темновой проводимости и фотопроводимости в периодической
макропористой кремниевой структуре была рассмотрена элементарная ячейка,
представленная на вставке рис. 2. Темновое сопротивление структуры было определено
как последовательное сопротивление макропористого слоя и монокристаллической
подложки. Как видно из графика (рис. 2), темновое сопротивление макропористой
4
кремниевой структуры увеличивается с уменьшением расстояния между макропорами,
причем более резко в случае наличия слоев Шоттки, что хорошо согласуется с
экспериментальными данными.
Увеличение фотопроводимости макропористого кремния php по сравнению с
фотопроводимостью монокристалла phb характеризуется отношением общей площади
поверхности макропор к площади поверхности исходного монокристалического образца,
которое значительно больше единицы и описывается соотношениями [11]:
wDa
w
Da
a
hD
wDa
a
hD
p
pp
p
p
phb
php
2,
2
2,
2
2
,
где h – глубина пор.
При комнатной температуре отношение фотопроводимости макропористого
кремния к фотопроводимости монокристалла имеет максимум, когда расстояние между
порами равняется удвоенной толщине слоя Шоттки [11]. Расчетное значение этого
отношения в максимуме равно 44 и хорошо согласуется с экспериментальной
величиной 30.
Согласно рассмотренной модели основной вклад в фотопроводимость
макропористого кремния вносит модуляция проводимости слоев Шоттки, вызванная
освещением. При освещении толщина слоя Шоттки меньше, чем в темноте, что
соответствует увеличению электронной проводимости.
В результате проведенных экспериментов и выполненных расчетов было
установлено [11], что фотопроводимость макропористого кремния = св – т может
достигать 10% величины темновой проводимости (т) при интенсивности освещения
1013–1015 квант/см2с, что на порядок величины больше, чем для монокристаллического
кремния. Такое увеличение фотопроводимости вызвано большой общей площадью
поверхности и наличием слоя Шоттки в приповерхностной области макропор.
Особенности ИК-поглощения и болометрические характеристики структур
макропористого кремния
Для двумерных макропористых кремниевых структур были получены спектры
поглощения в ИК-диапазоне электромагнитных волн, распространяющихся вдоль
макропор. В спектрах имеется широкая полоса с большим эффективным коэффициентом
поглощения (300–500 см-1). Кривая оптического поглощения структур макропористого
кремния имеет ступенчатую форму и осцилляции (рис. 3). Кроме этого, изменение
оптического поглощения структур макропористого кремния в длинноволновой области
рассматриваемого диапазона определяется законом «3/2». Такая зависимость
определяется изменением мнимой части диэлектрической проницаемости для
оптических переходов между примесными уровнями и разрешенными зонами кристалла
в электрическом поле (примесный электрооптический эффект Франца–Келдыша [13]). В
коротковолновой области оптическое поглощение макропористого кремния
уменьшается по степенному закону «–1/2». Это связано с ростом мнимой части
диэлектрической проницаемости по закону «3/2» и с уменьшением поглощения по
закону «–2» для направленных и квазинаправленных мод, сформированных на
макропорах и кремниевой матрице [13].
Таким образом, фотофизическими процессами, вызывающими большое
поглощение электромагнитного излучения в ИК-диапазоне двумерными структурами
5
макропористого кремния, являются формирование волноводных мод в сочетании с
электрооптическими эффектами.
Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициента поглощения двумерной структуры
макропористого кремния.
С учетом большого поглощения в ближней ИК-области нами была
предложена [14] и запатентована [15] конструкция компактных болометрических
элементов на основе структур макропористого кремния. Чувствительность такого
теплового приёмника (0,8–1,2)103 Вт/K, что значительно лучше, чем в кремниевых
аналогах, а величина шума составляет (2–5)10-9 В/Гц1/2 и определяется джонсоновским
шумом, что в 10 раз ниже уровня шума в аморфном и поликристаллическом кремнии.
Увеличение поглощения в ближней ИК-области спектра в результате реализации
примесного эффекта Франца–Келдыша обеспечивает обнаружительную способность
таких болометрических элементов до D* 109 cмГц1/2/Вт, что также превосходит
характеристики аналогов.
Выводы
1. Показано, что благодаря большой общей площади поверхности и наличию слоя
Шоттки в приповерхностной области цилиндрических макропор фотопроводимость
макропористого кремния = св – т может достигать 10% величины темновой
проводимости (т), что на порядок величины больше, чем для
монокристаллического кремния.
2. Установлено, что широкая полоса поглощения электромагнитной волны в ИК-
диапазоне спектра с высоким эффективным коэффициентом поглощения является
следствием формирования волноводных мод в сочетании с линейным
электрооптическим эффектом в двумерных структурах макропористого кремния.
3. Предложена и запатентована конструкция компактных болометрических элементов
на основе структур макропористого кремния, которая с учетом высоких
коэффициентов поглощения в ближней ИК-области имеет параметры,
превосходящие характеристики аналогов.
6
Литература
1. С.П. Зимин. Пористый кремний – материал с новыми свойствами // Сорос.
образоват. – 2004. –Т. 8. – № 1. – С. 101 – 107.
2. Crystal Orientation Dependence of Macropore Growth in n-Type Silicon / S. Rönnebeck,
J. Carstensen, S. Ottow, H. Föll // Electrochem. Solid-State Lett. – 1999. – V. 2. – N 3.–
P. 126 – 128.
3. Lehmann V. and Föll H.. Formation mechanism and properties of electrochemically etched
trenches in n-type silicon // J. Electrochem. Soc. – 1990. – V. 137. – N 2. – P. 653 – 659.
.4 Карачевцева Л.А. , Литвиненко О.А. , Маловичко Э.А. . Стабилизация процесса
электрохимического формирования макропор в n-Si // Теор. и эксперим. химия. –
1998. – Т. 34. – N 5. – С. 314 – 318.
5. Исследование процесса электрохимического формирования макропор в кремнии /
Л.А. Карачевцева, О.А. Литвиненко, Э.А. Маловичко, Е.И. Стронская // Теорет. и
эксперим. химия. – 2000. – Т. 36. – N 3. – С. 193 – 197.
6. Парофазные реакции между твердофазными кремнием и углеродом / А.И. Харламов,
Н.В. Кириллова, Л.А. Карачевцева, А.А. Харламова.// Теорет. и эксперим. химия. –
2003. – Т. 39. – N 6. – С. 362 – 367.
7. Karachevtseva L.A. . Novel macroporous silicon structures as light emission and sensor
elements // Proceedings of SPIE – 2001. – V. 4288. – P. 122-129.
8. Карачевцева Л.А. , Литвиненко О.А. , Стронская Е.И. . Исследование локальных
химических состояний в структурах макропористого кремния // Теор. и эксперим.
химия. – 2003. – Т. 39. – N 2. – С. 77 – 81.
9. Surface polaritons in 2D macroporous silicon structures / L.A. Karachevtseva, N.I. Karas’,
V.F. Onischenko, F.F. Sizov.// Int. J. Nanotechnology – 2006. – V. 3. – N 1. – P. 76 – 88.
10. Кутова залежність фотопровідності у двовимірних фотонних структурах
макропористого кремнію / Л.А. Карачевцева, О.О. Литвиненко, М.І. Карась,
В.Ф. Онищенко. // Фізика і хімія тверд. тіла – 2004. – Т. 5. – N 2. – С. 241 – 246.
11. Photoconductivity in macroporous silicon with regular structure of macropores /
V.I. Ivanov, L.A. Karachevtseva, N.I. Karas, O.A. Lytvynenko, K.A. Parshin,
A.V. Sachenko. // Semiconductor Phys. Quant.Electronics end Optoelectronics – 2007. –
V. 10 – N 4. – P. 72 – 76.
12. LElectrical properties of macroporous silicon structure / .A. Karachevtseva,
O.A. Lytvynenko, E.A. Malovichko, V.D. Sobolev, and O.J. Stronska. // Semiconductor
Phys. Quantum Electronics end Optoelectronics – 2001. – V. 4 – N 1. – P. 40 – 43.
13. The impurity Franz-Keldysh effect in 2D photonic macroporous silicon structures /
L.A. Karachevtseva, V.I. Ivanova, O.A. Lytvynenkoa, K.A. Parshin O.J. Stronska. // App.
Surf. Science. – 2008. – V. 255. – N 5. – P. 3328 – 3331.
14. L. Bolometric characteristics of macroporous silicon structures / .A. Karachevtseva,
O.A. Lytvynenko, E.A. Malovichko, V.D. Sobolev, O.J. Stronska // Semiconductor Phys.
Quantum Electronics end Optoelectronics – 2001. – V. 4 – N 3. – P. 177 – 181.
15. Патент України № 80345, МПК (2006) G01J 5/20 H01L 31/02, Л.А. Карачевцева,
Ф.Ф. Сизов, Ю.В. Голтвянський, К.П. Конін, О.Й. Стронська, К.А. Паршин,
О.О. Литвиненко, Неохолоджуваний теплоприймальний елемент для болометрів,
10.09.07, Бюл. N 14.
7
SURFACE PHENOMENA IN 2D MACROPOROUS SILICON
STRUCTURES
V.I. Ivanov, L.A. Karachevtseva, O.A. Lytvynenko, K.A. Parshyn,
O.J. Stronska
V. Lashkaryov Institute of semiconductor physics NASU,
45 pr. Nauki, 03028 Kyiv, Ukraine, e-mail: lakar@isp.kiev.ua
The results of researches of photophysical processes in 2D macroporous silicon
structures are presented. We have studied photoconductivity and absorption of these structures
in near infrared range which define functionalities of the materials.
ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА У ДВОВИМІРНИХ СТРУКТУРАХ
МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНІЮ
В.І. Іванов, Л.А. Карачевцева, О.О. Литвиненко, К.А. Паршин,
О.Й. Стронська
Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,
03028, Україна, г. Київ, пр. Науки, 41, e-mail: lakar@isp.kiev.ua
Представлені результати досліджень фотофізичних процесів у двовимірних
структурах макропористого кремнію, зокрема фотопровідності та поглинання у
ближній ІЧ-області спектру, які визначають функціональні можливості матеріалу.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-39301 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0106 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:04:58Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Иванов, В.И. Карачевцева, Л.А. Литвиненко, О.А. Паршин, К.А. Стронская, Е.И. 2012-12-14T16:28:11Z 2012-12-14T16:28:11Z 2009 Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния / В.И. Иванов, Л.А. Карачевцева, О.А. Литвиненко, К.А. Паршин, Е.И. Стронская // Поверхность. — 2009. — Вип. 1(16). — Бібліогр.: 15 назв. — рос. XXXX-0106 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39301 541.013+621.315 В статье представлены результаты по получению двумерных структур макропористого кремния с нанопокритиями. Приведены исследования фотофизических процессов в таких структурах, в частности фотопроводимости и поглощения в ближней ИК-области спектра, которые определяют функциональные возможности материала для формирования фотоприемных и болометрических элементов. Представлені результати досліджень фотофізичних процесів у двовимірних структурах макропористого кремнію, зокрема фотопровідності та поглинання у ближній ІЧ-області спектру, які визначають функціональні можливості матеріалу. The results of researches of photophysical processes in 2D macroporous silicon structures are presented. We have studied photoconductivity and absorption of these structures in near infrared range which define functionalities of the materials. ru Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Поверхность Наноматериалы и нанотехнологии Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния Поверхневі явища у двовимірних структурах макропористого кремнію Surface phenomena in 2d macroporous silicon structures Article published earlier |
| spellingShingle | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния Иванов, В.И. Карачевцева, Л.А. Литвиненко, О.А. Паршин, К.А. Стронская, Е.И. Наноматериалы и нанотехнологии |
| title | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| title_alt | Поверхневі явища у двовимірних структурах макропористого кремнію Surface phenomena in 2d macroporous silicon structures |
| title_full | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| title_fullStr | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| title_full_unstemmed | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| title_short | Поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| title_sort | поверхностные явления в двумерных структурах макропористого кремния |
| topic | Наноматериалы и нанотехнологии |
| topic_facet | Наноматериалы и нанотехнологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/39301 |
| work_keys_str_mv | AT ivanovvi poverhnostnyeâvleniâvdvumernyhstrukturahmakroporistogokremniâ AT karačevcevala poverhnostnyeâvleniâvdvumernyhstrukturahmakroporistogokremniâ AT litvinenkooa poverhnostnyeâvleniâvdvumernyhstrukturahmakroporistogokremniâ AT paršinka poverhnostnyeâvleniâvdvumernyhstrukturahmakroporistogokremniâ AT stronskaâei poverhnostnyeâvleniâvdvumernyhstrukturahmakroporistogokremniâ AT ivanovvi poverhnevíâviŝaudvovimírnihstrukturahmakroporistogokremníû AT karačevcevala poverhnevíâviŝaudvovimírnihstrukturahmakroporistogokremníû AT litvinenkooa poverhnevíâviŝaudvovimírnihstrukturahmakroporistogokremníû AT paršinka poverhnevíâviŝaudvovimírnihstrukturahmakroporistogokremníû AT stronskaâei poverhnevíâviŝaudvovimírnihstrukturahmakroporistogokremníû AT ivanovvi surfacephenomenain2dmacroporoussiliconstructures AT karačevcevala surfacephenomenain2dmacroporoussiliconstructures AT litvinenkooa surfacephenomenain2dmacroporoussiliconstructures AT paršinka surfacephenomenain2dmacroporoussiliconstructures AT stronskaâei surfacephenomenain2dmacroporoussiliconstructures |