Влияние адсорбционных покрытий на фотолюминесценцию пористого кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Основные результаты и выводы

1. Установлено, что активное изменение морфологии пористого слоя продолжается длительное время (>226 суток) после его электрохимического формирования. Этот процесс сопровождается значительным перераспределением адсорбированных молекул в пользу кислорода и углерода.

2. На основании экспериментальных данных рассчитаны при 273 К численные значения В окислителя (4.7-10"24 см2/с), интегральные (Х = 20.40- 10"7л/7 см) и истинные значения (х^ 12.75-10"10V? см, если время в сут.) толщин пленок 8Ю2, сформированных в пределах 226 суток на квантовых нитях ПК.

3. Установлена идентичность химических процессов, протекающих в пористом кремнии при естественном старении, плазмо-химическом и УФ- лазерном воздействиях. Показано, что начальное гашение и последующее возгорание ФЛ связано с промежуточным образованием монооксида кремния (деградация ФЛ) и последующим доокислением до БЮг (возгорание ФЛ). Под УФ эти процессы ускоряются в 200.250 раз.

4. Обнаружен идентичный характер изменения интенсивности ФЛ ПК 1(1) в парах этилового спирта и ацетона, гасящие стартовую интенсивность ФЛ более чем в 30 раз; установлено последующее возгорание ФЛ под действием УФ-облучения. Вакуумирование восстанавливает основные особенности фотостимулированной эволюции ФЛ, проявляемые ПК до введения паров анализируемых компонентов.

5. Установлено, что адсорбция молекул ацетона на ПК смещает максимум спектра ФЛ в коротковолновую область. Показано, что возгорание ФЛ

Ill под УФ-воздействием сопровождается частичным восстановление люминесцентных свойств ПК, проявляющееся в плавном смещении (возврате) спектра ФЛ из коротковолновой в длинноволновую область. Проведен анализ наблюдаемых явлений и предложена модель, описывающая спектральные и временные характеристики фотолюминесценции.

6. Установлено, что осаждённые плёнки (SiC и ZnS) и пористый кремний люминесцируют независимо. Интегральная интенсивность свечения складывается из голубой (-458 для SiC и 465 нм для ZnS ), зеленой (15 нм для ZnS) и оранжевой полосы квантовых нитей кремния. Поглощение УФ-излучения пассивирующим покрытием ведёт к потере экстремального характера зависимости интенсивности ФЛ ПК от времени облучения и к выпадению металлического Zn в осаждённой плёнке ZnS.

112

1. Николаев К.П., Немировекий JI.H. Особенности получения и области применения пористого кремния в электронной технике/Юбзоры по электр.технике. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1989. Вып.9. С.1-57.

2. Бучин Э.Ю., Постников А.В., Проказников А.Д., Световой В.Б., Чурилов А.Б. Влияние режимов обработки на морфологию и оптические свойства пористого кремния n-типа //Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. Вып. 1. с.60-65.

3. Smith R.L., Collins S.D. Porous silcon formation mechanisms //J. Appl. Phys. 1992. V.71. № 8. P. R1-R22.

4. Canham L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers //Appl.Phys. Lett. 1990. V.57. № 10. P. 1046-1048.

5. AverkievN.S., AsninV.M., Churilov A.B., Markov LI,Mokrousov N.E., Silov A. Yu., Stepanov V.I. Fine structure of the red photoluminescence band of porous silicon //Письма вЖЭТФ. 1992. T.55. Вып. 11. C.631-634.

6. Brandt M.S., FuchsH.D., StuzmannM., Weber J., CardonaM. The origin of visible luminescence from "porous silicon":a new interpretation //Sol. St. Commun. 1992. V.81. P.307-312.

7. Tsai C., LiK.-H., SarathzJ., Shih S., and Campbell J.C. Thermal treatment studies of the photoluminescence intensity of porous silicon //Appl. Phys. Lett. 1991. V.59. №22. P.2814-2816.

8. Nishitani H., NakataH., FugiwaraY., OhyamaT. Lihgt-induced degradation and recoverdy of visible photoluminescence in porous silicon //Japan. J. Appl. Phys. Pt.2. 1992. V.31. P.L1577-L1579.

9. Степанов В.И. Квантово-размерные эффекты и фотолюминесценция пористого кремния //Изв.АН. Сер.физ. 1994. Т.58. Вып.7. С.71-77.

10. AstrovaE.V., BelovS.V., LebedevA.A., Remenjuk A.D., Rud Yu.V. Optical and electrical properties of porous silicon and stain-etched films //Thin Solid Films. 1995. V.255 № 1-2. P. 196-199.

11. Hashimoto A., Iwata K., Ohkubo M., Yamamoto A. New laser ablation phenomenon of the porous Si films by focused N2 pulse laser irradiation //J. Appl. Phys. 1994. V.75. № 10. P.5447-5449.

12. Компан M.E., Шабанов И.Ю. Фотолюминесценция диспергированного пористого кремния//ФТТ. 1994. Т.36. Вып.1. СЛ25-131.

13. Компан М.Е., Шабанов И.Ю. Наблюдение существования размерных эффектов на фрагментах пористого кремния //ФТТ. 1994. Т.36 Вып.8. С.2381-2387.

14. Di Francia G., Iadonisi G., Maddalena P. et al. A simple model for porous silicon photoluminescence line share //Opt. Commun. 1996. Y.127. № 1-3. P.44-47.

15. Копаев Ю.В, Молотков C.H., Назин С.С. Размерный эффект в квантовых проводах кремния //Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.55. Вып. 12. С.696-700.114

16. Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Константинова Е.А., Петрова С.А. О рекомбинации носителей заряда в пористом кремнии //ФТП. 1994. Т.28. Вып. 1. С. 100-103.

17. Prokes S.M. Mechanism of red light emission in porous silicon //11th Anna. IEEE LEDS Princeton Sec. Sarnoff Symp."New Dev. Micrwave and Opt. Technol." 1995. P. 197-211.

18. Komuro S., Kato Т., Morikawa T. et al. Direct observation of oxigen-induced luminescent states in porous silicon by tunable excitation time-resolved spectroscopy //Appl. Phys. Lett. 1996. V.68. № 7. P.949-951.

19. Qin G.G., Song H.Z., Zhang B.R. Lin J, Duan Y.Q, Jao G.Q. Experimental evidence for lumineccence from silicon oxide layers in oxidized porous silicon //Phys. Rev. B. 1996. Y.54. № 4. P.2548-2555.

20. Ji Z.G., Chen L.D., Ma X.Y. et al. Построение профилей РФЭС фотолюминесценции пористого кремния //Wuli xuebao. 1995. V.44. № 1. P.57-63.

21. Корсунская Н.Е., Торчинская Т.В., Джумаев Б.Р., БулахД.М., Смиан О.Д., Капитанчук А. Л., Антонов С.О. Зависимость фотолюминесценции пористого Si от состава вещества на поверхности кремниевых нитей //ФТП. 1996. Т.30. Вып.8. С.1507-1515.

22. Бондаренко В.П., Дорофеев A.M., Левченко В.И., и.д.р. Метод управления параметрами люминесценции пористого кремния в видимой области спектра//Письма в ЖТФ. 1994. Т.20. Вып.8. С.61-65.

23. Костишко Б.М., Орлов A.M., Миков С.Н., Емельянова Т.Е. Изучение типа водородных групп и их расположения в пористом кремнии методом ЭОС//Неорган, материалы. 1995. Т.31. Вып.4. С.444-446.

24. Lin J., Zhang L.Z., Zang B.R., Zong B.G. et al. Фотолюминесценция пористого кремния обработанного в Н2Ог при освещении //Wuli xuebao. 1994. V.43. № 4. Р.646-650. (Кит).115

25. Zoubir N., Yergnat M., Delatour T. Natural oxidation of annealed chemically etched porous silicon //Thin Solid Films. 1995. V.255. № 1-2. P.228-230.

26. КостишкоБ.М., Орлов A.M., Емельянова Т.Г. Химическая обработка пористого кремния и изменение его фотолюминесценции при непрерывном лазерном облучении //Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. Вып.19. С.32-27.

27. Орлов A.M., Костишко Б.М., Емельянова Т.Г. Кинетика фотолюминесценции химически обработанного пористого кремния при непрерывном лазерном облучении //Неорган, материалы. 1996. Т.32. Вып.9. С.1035-1038.

28. Chang I.M., Chuo G.S., Chang D.C. et al. Evolution of photoluminescence of porous silicon under light exposure //J. Appl. Phys. 1995. V.77. № 10. P.5365-5368.

29. Niki H., Ogata Yu., Sakka Т. Окисление пористого кремния //Kyoto daigaku genshi enerugi kenkyujo iho. 1993. V.84. P.34. (Яп.)

30. Zhang X.R., Bao X.M., Yan F. et al. Измерение пикосекундного спада фотолюминесценции в пористом Si и анализ механизма излучения //Wuli xuebao. 1993. V.42. № 11. С.1874-1878. (Кит).

31. Takazawa A., Tamura Т., Yamada М. Photoluminescence mechanisms of porous Si oxidized by ary oxigen //J. Appl. Phys. 1994. V. 75. № 5. P.2489-2495.

32. Томчук П.М., Данько Д.Б., Кияев О.Э. О механизме люминесценции кремниевых наноструктур //ФТТ. 2000. Т. 42. Вып. 11. С.1964-1968.

33. Лебедев А.А., Ременюк А.Д., Рудь Ю.В. Температурная зависимость стационарной фотолюминесценции пористого кремния в видимой области спектра //ФТП. 1993. Т.27. Вып.11/12. С.1846-1850.116

34. Lonl A., Simons A. J., Calcott P.D. et al. Blue photoluminescence from rapid thermally oxidized porous silicon following storage in ambient dir //J. Appl. Phys. 1995. V.77. № 7. P.3557- 3559.

35. Костишко Б.М., Дроздов А.В., ShibaevP.V., Костишко А.Е. Модификация состава поверхностии спектра фотолюминесценции пористого кремния в процессе аргонно-кислородной ионно-плазменной обработки//Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, Вып. 20. С.52-59.

36. Бащенко, И.В. Блонский, М.С. Бродин, В.Н. Кадан, Ю.Г. Скрышевский Влияние УФ облучения на температурную зависимость фотолюминесценции и фотоакустический отклик пористого кремния // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 1. С. 66-71.

37. Кашкаров П.К., Константинова Е.А., Тимошенко В.Ю. Механизмы влияния адсорбции молекул на рекомбинационные процессы в пористом кремнии//ФТП. 1996. Т.30. Вып.8. С. 1479-1489.

38. Guha S., Heendershot G., Peebles D. et al. Photoluminescence and Raman studies of porous silicon in polymethyl methacrylate //Appl. Phys. Lett. 1994. V.64. №5. P.613-615.

39. Gorbounova O., Mejiritski A., Torres-Filho A. Perturbation of the luminescent silicon emission by adsorbed dyes //J. Appl. 1995. V.77. № 9. P.4643-4647.

40. Zhang F.L., Hou X.Y., Yang M. et al. Улучшение стабильности пористого кремния химическим методом //Wuli xuebao. 1994. V.43. № 3. Р.449-504. (Кит).117

41. Tischler M.A., Collins R.T. Stathis J.H. et al. Luminescence degradation in porous silicon//Appl. Phys. Lett. 1992. V.60. P.639-641.

42. Пирятинский Ю.П., Клюй Н.И., Рожин А.Г. Фотолюминесценция пористого кремния, сформированного на ионно-имплантированных пластинах кремния // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26. Вып. 21. С.20-25.

43. Костишко Б.М., Атажанов Ш.Р., Миков С.Н. Фотолюминесценция и деградационныесвойства карбонизированного пористого кремния// Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 16. С.24-30.

44. Костишко Б.М., Атажанов Ш.Р., Миков С.Н., Пузов И.П., Гордецкий К. А. Аномальный характер кинетики затухания фотолюминесценции карбонизированного пористого кремния //Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 6. С. 13-20.

45. Liu, В. Yang, Z. Fu, P. Не and Y. Ruan. Stable blue-green and ultraviolet photoluminescence from silicon carbide on porous silicon // Solide St. Com. 1998. V. 106. №4. P. 211-214.

46. Костишко Б.М., Атажанов. Ш.Р.// Тезисы докладов III Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин». Часть 5. Нижний Новгород.: Изд-во НГТУ, 1998. С. 27.

47. Джон Р. Дайер. Приложения абсорбционной спектроскопии органических соединений. (Пер. с англ. В.Т. Иванова). Издательство «Химия», М.: 1970. 164 С.118

48. Румак Н.В., Хатько В.В. Диэлектрические пленки в твердотельной микроэлектронике // Под ред. В.Е. Борисенко.-Минск: Навука i тэхшка. 1990.-191 С.

49. Белогорохов, Л.И. Белогорохова. Оптические свойства слоев пористого кремния, полученных с использованием электролита HC1:HF:C2H50H // ФТП. 1999. Т. 33. № 2. С. 198-204.

50. Балагуров, В.Ф. Павлов, Е.А. Петрова, Г.П. Боронина. Исследование пористого кремния и его старения методами полного внешнего отражения рентгеновских лучей и инфракрасной спектроскопии // ФТП. 1997. Т. 31. №8. С. 957-960.

51. Копылов А.А., Холодилов А.Н. Инфракрасное поглощение в пористом кремнии, полученном в электролитах, содержащих этанол // ФТП. 1997. Т. 31. №5. С. 556-558.

52. Быковский Ю.А., Караванский В.А, Котковский Г.Е., Ляскина О.А., Чистяков А. А. Фотостимулированные процессы на поверхности пористого кремния // Поверхность. 1999. № 9. С.23-29.

53. Вавилов B.C., Кисилев В.Ф. Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. (Физика полупроводников и полупроводниковых приборов) //М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1990. 216 С.

54. Ковалев, Л.А. Озолин, М.Г. Воронков, Л.А. Жагат. Оптика и спектроскопия. Сб. ст., Ill Молекулярная спектроскопия // Л., Наука, 1987, С. 301.

55. Hobert, Н.Н. Dunken, J. Meinschien, Н. Stafast. Infrared and Raman spectroscopic investigation of thin films of A1N and SiC on Si substrates // Vibrational Spectroscopy. 1999. № 19. P. 205-211.

56. Yong Sun and Tatsuro Miyasato. Infrated Absorption Properties of Nanocrystalline Cubic SiC Films // Jpn. J. Appl. Phis. 1998. V. 37. P. 54855489.119

57. Cardona M. Modulation Spectroscopy // Academic Press, N. Y., 1969.

58. Курова А.И, Белогорохова Л.И., Белогорохов А.И. Особенности оптических спектров аморфного гидрированного кремния, легированного бором, в инфракрасной области спектра // ФТП. 1998. Т. 32. №5. с. 631-633.

59. Полупроводники. Под ред. Н.Б. Хеннея, пер. с англ. под ред. Б.Ф.Ормонта. -М.:, ИЛ. 1962. 668 С.

60. Диссертация на соискание уч. степени к. ф.-м. н. Емельяновой Т.Г. «Эволюция фотолюминесценции пористого кремния при непрерывном лазерном воздействии». Ульяновск 1998.

61. Орлов A.M., Синдяев A.B. Нестабильность люминесценции пористого кремния.//ЖТФ. 1999. Т. 69. № 6. С. 135-137.

62. Hilliard Т., Andsager D., Abu Hassan L. et.al Infrared spectroscopy and secondary ion mass spectrometry of luminescent, nonluminescent, and metal quenched porous silicon // J.Appl. Phys. 1994. V.76. №4. P. 2423-2428.

63. Плазменная технология в производстве СБИС: Пер. с англ. с сокращ./ Под ред. Айнспрука Н.Г. и Брауна Д.М. М.: Мир, 1987. 472 с.

64. Краткая химическая энциклопедия. Т.2 // Под. ред. Кнунянца И.Л., Бахаровского Г.Я., Бусева А.И. и др. М.: Сов. энциклопедия. 1963. 1088 С.

65. Крестовников А.Н, Владимиров Л.П., Гуляницкий Б.С. и др. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций. М.: Металлургиздат, 1963. 416 С.

66. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. Л.: Химия. 1984. 216 С.

67. Лебедев Э.А., Полисский Г., Петрова-Кох В. Дрейфовая подвижность носителей заряда в пористом кремнии. // ФТП. 1996. Т.ЗО. Вып.8. С. 1468-1472.120

68. Banarjee S., Narasimhan K.L., Sardesai A. Role of hydrogen- and oxygen-terminated surfaces in the luminescence of porous silicon // Phys. Rev. B. 1994. V.49. № 4. P.2915-2918.

69. Peter L.M., Wielgosz R.I. Light-induced electroluminescence of porous silicon layers on p-Si in persulfate solution // Appl.Phys.Lett. -1996. V.69. № 6. C.806-808

70. Mimura H., Futagi Т., Matsumoto Т., Nakamura Т., Kanemitsu Y. Blue Light Emission from Papid-Thermal-Oxidized Porous Silicon //Jpn. J. Appl. Phys. 1994. V. 33. № lb. P. 586-589.

71. Qin G.G., Zong H.Z., Zhang B.R. Lin J, Duan Y.Q, Jao G.Q. Experimental evidence for lumineccence from silicon oxide layers in oxidized porous silicon //Phys. Rev. B. 1996. V.54. № 4. P.2548-2555.

72. Воюцкий C.C. Курс коллоидной химии. M.: Химия, 1964. 574 С.

73. Физический энциклопедический словарь. Ел. ред. Прохоров A.M. Ред. кол. Алексеев Д.М., Бонч-Бруевич A.M., Боровик-Романов А.С. и др. М.:Сов. энциклопедия, 1983. 928 С.

74. Орлов A.M., Костишко Б.М., Емельянова Т.Г., Никитин К.Е. Температурная зависимость изменения фотолюминесценции пористого кремния при непрерывном лазерном облучении // РАН Неорганические материалы. 1997. Т.ЗЗ. № 10. С. 1174-1177.

75. Костишко Б.М., Орлов A.M., Емельянова Т. Г. Эволюция фотолюминесценции пористого кремния при одновременном термическом и лазерном воздействии // Письма в ЖТФ. 1996. Т.20. №. 10. С. 68-73.

76. Неницеску К. Общая химия. / Пер.с румынского под ред. Аблова А.В. М.: Мир, 1968. 816 С.

77. Shimuzu-Iwayama Т., Terao Y., Kamiya A. et al. Correlation of microstructure and photoluminiscence for nanometer-sized Si crystals formed in an amorphous Si02 matrix by ion implantation // Nanostruct. Mater. 1995. V. 5. № 3 P. 307-318.

78. Morisaki H, Hashimoto H., Ping F.W. et al. Strong blue light emission from an oxigen-containing Si fine structure // J. Appl. Phys. 1993. V. 74. № 4. P. 2977-2979.122

79. Шелонин Е.А., Найденкова М.В., Хорт A.M., Яковенко С.Ф., Гвелесиани А.А., Марончук И.Е. Влияние термических отжигов и химических воздействий на фотолюминесценцию пористого кремния //ФТП. 1998. Т.32. № 4. С. 494-496.

80. Киселёв В.А., Полисадин С.В., Постников А.В. Изменение оптических свойствпористого кремния вследствие термического отжига в вакууме // ФТП. 1997. Т. 31. № 7. С. 830-832.

81. Bsiesy A., Nicolau Y.F., Ermolieff A. et.al. Electroluminescence from n+-type porous silicon contacted with layer-by-layer deposited polyaniline: // Thin Solid Films. 1995. V. 255. №1-2. P. 43-48.

82. Liu R, Yang В., Fu Z., He P. and Ruan Y. Stable blue-green and ultraviolet photoluminescence from silicon carbide on porous silicon // Solide St. Com. 1998. V. 106. №4. P.211-214.

83. Steiner P., Lang W. Micromachining applicaions of porous silicon: // Thin Solid Films. 1995. V. 255, № 1-2. P. 52-58.

84. Kolic Y., Gauthier R., Garcia Peres M.A. et al. Electron powder ribbon polycrystalline silicon plates used for porous layer fabrication: // Thin Solid Films. 1995. Vol. 255, № 1-2. P. 159-162.

85. Гавриленко, A.M. Грехов, Д.В. Корбутяк, В.Г. Литовченко. Оптические свойства полупроводников. Справочник. Киев: Наукова думка. 1987. 607 С.

86. Физика и химия соединений А11 В VI / Пер. с англ. Под ред. проф. С.А. Медведева. М.: Мир. 1970. 624 С.

87. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991. 1232 С.

88. ЮО.Краткая химическая энциклопедия. / Ред. кол. И.Л.Кнунянц (отв. ред.) и др. Т.1. М. Советская энциклопедия. 1961. 1262 С.123