Влияние состояния поверхности и гетерограниц на оптоэлектронные свойства наноразмерных структур на основе пористого кремния и пленок арсенида галлия на кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Московский физико-технический институт

12

Кафедра физических и технологических проблем микроэлектроники

На правах рукописи УДК 621.315.592

Найденков Михаил Николаевич

Влияние состояния поверхности и гетерограниц на оптоэлектронные свойства наноразмерных структур на

основе пористого кремния и пленок арсенида галлия на кремнии

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -

1997

Работа выполнена в лаборатории ыикроструктурирования и субмикронных приборов Физико-технологического института АН Росии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

А.. А. Орликовский

Официальные оппоненты: Член-корреспондент РАН, доктор

физико-математических наук A.M. Афанасьев Кандидат физико-математических наук В.В. Старков

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

материаловедения

igCo

Защита состоится «30 »ШОШ1 1997 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д.003.74.01 Физико-технологического института РАН по адресу: 117218, Москва, ул. Красикова 25А

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физико-технологического института РАН.

Автореферат разослан <<30 >> ¿¿¿¿Л- 1997г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук —Вьюрков В. В.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Одним из основных направлений в развитии оптоэлектроники является создание приборов на основе квантово-размерных гетероструктур с большой разницей величин ширины запрещенной зоны. В силу развитости кремниевой технологии весьма., привлекательными являются наноразмерные гетероструктуры, выращенные на кремниевой подложке. Кроме того, кремний может быть использован как активный излучатель в видимой области в качестве объекта пониженной размерности.

Однако, несмотря на интенсивное изучение свойств гетероструктур пониженной размерности и существенное продвижение в направлении создания опто- и наноэлектронных приборов на основе квази-2-мерных, -1-мерных и -0-мерных структур, остается не изученным влияние явлений на поверхности и гетерограницах на характеристики данных наноразмерных структур. В то же время, когда размеры гетероструктуры становятся сравнимыми с характеристическими длинами (длиной свободного пробега, длиной экранирования, длиной волны электрона) и растет величина поверхности на единицу объема, влияние явлений на гетерогранице на физические свойства наноразмерной структуры становится сравнимым с влиянием объемных явлений. Одной из основных проблем в развитии полупроводниковых приборов на основе наноразмерных гетероструктур с разницей в постоянной решетки более 3% является структурное разупорядочение на атомном уровне и появление дислокаций несоответствия на гетероинтерфейсе. Большой темп безызлучательной рекомбинации и большое сечение захвата носителей на глубоких центрах, связанных с дефектами на гетерогранице, большая величина электрон-фононного взаимодействия

ведут к гашению излучения с квантово-размерных уровней в светоизлучащих структурах и ухудшению характеристик фотоприемников. Поэтому изучение влияния состояния гетерограниц на оптозлектронные характеристики наноразмерных гетероструктур является одной из основных задач, требующих решения в рамках развития нанотехнологии современных приборов.

Цель работы: Исследование влияния поверхностных явлений на гетерогранице на свойства фотолюминесценции и фоточувствительности наноразмерных гетероструктур на примере слоев пористого 31, наноразмерных пленок СаАв и ГпСаАв на монокристаллическом 31, тонких пленок СаАв на пористом Б1.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику получения слоев пористого кремния с однородными характеристиками по поверхности образца.

2. Провести термические отжиги слоев пористого кремния в нейтральной среде, измеряя изменения в спектрах фотолюминесценции и фоточувствительности с ростом температуры и времени отжига

3. Разработать методику химического воздействия на поверхность нанокристаллитов в пористом кремнии.

4. Провести выращивание тонких пленок СаАв на монокристаллическои и пористом методом МЛЭ.

5. Провести комплексные исследования низкотемпературной ФЛ и спектральной фоточувствительности исследуемых гетероструктур; выявить зависимость их свойств от режимов роста.

Методика эксперимента. Для выполнения поставленных задач были проведены комплексные исследования с привлечением следующих методик:

- измерение спектров фотолюминесценции при комнатной температуре, а также при Т=77К и Т=4.2К;

- измерение спектров фоточувствительности;

- выращивание тонких пленок методом МЛЭ;

- измерение вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик;

- исследование десорбции при термических отжигах;

- измерение спектров комбинационного рассеяния;

- трансмиссионная электронная микроскопия высокого разрешения.

Научная новизна работы:

1. Выявлена зависимость интенсивности ФЛ от положения пика ФЛ при воздействиях на поверхность нанокристаллитов в пористом кремнии, ведущих к деградации ФЛ пористого кремния. Показано, что характерная энергия активации процесса деградации ФЛ составляет Б=0.37±0.13 эВ. На основании экспериментальных данных предложена модель процесса ФЛ в пористом 31, предполагающая конкуренцию излучательного и безызлучательного каналов рекомбинации в 31-нанокристаллитах. Показана принципиальная возможность стабилизиравать характеристики ФЛ пористого кремния путей химического воздействия на поверхность нанокристаллитов.

2. Экспериментально определено, что релаксация напряжений несоответствия на гетерогранице СаАз-Б! на начальных стадиях МЛЭ происходит за счет образования дефектов упаковки. Показано влияние

: поверхностного заряда на гетерогранице на оптоэлектронные свойства данной наноструктуры. Определено, что в наноразмерных гетероструктурах (1пСа)Ав/31 встроенные поля позволяют эффективно разделять фотогенерированные носители заряда, что сопровождается эффектом лавинного умножения.

3. Показано, что в спектрах низкотемпературной ФЛ пленок СаАв,

выращенных на пористом кремнии, преобладает рекомбинация, связанная с дефектами МпСа и Кроме того пленки СаАв (0.5 мкм)

биаксиально сжаты'на 0.4%, что связано с релаксацией механических напряжений в пористом кремнии.

Практическая значимость. Выявлены основные механизмы деградации фотолюминесценции пористого кремния; разработаны методы пассивации дергадационных процессов-и управления спектрами фотолюминесценции путем химического воздействия на поверхность пористого кремния. Показана принципиальная возможность изготовления высокоэффективных фотодетекторов на основе наноразменых пленок (1пСа)АБ на кремнии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые показано, что в пористом кремнии, излучающем в желто-красном видимом диапазоне, интенсивность ФЛ экспоненциально зависит от энергии основного пика для образцов сразу после травления, отожкенных и дробленых до порошкообразного состояния. При воздействиях на поверхность пористого кремния, приводящих к деградации ФЛ, с уменьшением интенсивности - пик ФЛ смещается в сторону больших энергий. Коротковолновый сдвиг пика ФЛ сопровождается длинноволновым сдвигом спектральной характеристики фоточувствительности.

2. Характерная энергия активации процесса деградации ФЛ составляет В=0.37±0.13 эВ.

3. Наблюдаемые характеристики ФЛ пористого кремния наилучшим образом объясняются моделью конкуренции излучательного и безызлучательного каналов рекомбинации в кремниевых нанокристаллитах, построенной на основе теории оптических свойств кремниевых нанокристаллитов. Спектры фотолюминесценции пористого кремния определяются

распределение!! кристаллитов по размерам и зависимостью вероятности образования дефектов на поверхности кристаллитов от их размеров.

4. Впервые определено, что обработка поверхности пористого кремния в концентрированных Н230д, НЮ3 и Н-^РОд сразу после анодного травления при комнатной температуре и температуре кипения приводит к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в длинноволновую область. Обработка поверхности пористого кремния в НС1 и концентрированных водных растворах СеС1, ЫаС1, , ВаС12 приводит к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в коротковолновую область. Данные эффекты объясняются пассивационными процессами на поверхности нанокристаллитов.

5. В отличие от механизмов релаксации, указанных в литературе, снятие напряжений несоответствия на начальной стадии молекулярно-лучевой эпитаксии СаАв на происходит за счет образования дефектов

упаковки. При этом на гетерогранице формируется слой с высокой

1 ? 1 ч _р плотностью заряда (10 -10 см ).

6. Диод Шоттки, сформированный на эпитаксиально выращенной гетероструктуре 12нм-1а£Са1_хАв/31 (0£х<0.3), обладает высокоэффективной фоточувствительностью, что объясняется эффективным разделением носителей заряда посредством встроенного электрического поля и внутренним умножением. При этом в диапазоне измерений 5001100 ни спектральная характеристика фоточувствительности смещается в длинноволновую область и эффективность падает с ростом концентрации 1п в сверхтонкой пленке. Переход от пленки СаАв к тройному соединению приводит к резкому увеличению квантовой эффективности в УФ диапазоне. Уменьшение толщины пленки и рост при резком условии избытка мышьяка приводят к увеличению квантовой эффективности преобразования в гетероструктуре.

7. Впервые определено, что при молекулярно-лучевой эпитаксии БаАя на

пористом рост идет с избытком Ав на фронте кристаллизации с замещением вакансий &а атомами Мп, что позволяет получать пленки р-типа без дополнительного легирования. В спектрах низкотемпературной ФЛ пленки СаАз толщиной 0.5 мкм, выращенной на пористом кремнии, преобладает рекомбинация, связанная с дефектами МпСа и Кроме

того пленка СаАв биаксиально сжата на 0.4%, что связано с релаксацией механических напряжений в пористом кремнии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Российской конференции------с участием зарубежных ученых

"МИКР0ЭЛЕКТР0НИКА-94" (г. Звенигород, 1994), Международной конференции по кремниевым гетероструктурам (г. Гераклион, Крит Греция, 1995), ХХХ1X Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики" (г. Долгопрудный, 1996), на семинарах ФТИ РАН.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 4-х научных статьях и 3-х тезисах докладов на перечисленных выше конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка публикаций по теме работы. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, включая 148 страниц основного текста, 48 рисунков и список цитируемой литературы из 142 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы и выбор объектов исследования, формулируются цель и задачи работы, перечислены метода исследования, показана научная новизна и

практическая ценность полученных результатов, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 диссертации посвящена обзору литературы по методам получения и связи морфологии с оптическими свойствами наноразмерных гетерострктур на основе Б1 и СаАв.

В первом параграфе проводится обзор существующих методов получения -пористых структур кремния, обьединеных под понятием пористый кремний, изложены основные представления об электрохимическом механизме процесса селективного травления, описаны причины перехода ^ от процесса электрополировки к процессу формирования пористой структуры. Представлен обзор результатов исследований методами трансмиссионной и туннельной электронной микроскопии, масс-спекрометрии вторичных ионов, ИК и Фурье . ИК спектрометрии. Обзор экспериментальных данных сопровождается обсуждением существующих моделей механизма люминесценции пористого Б!. Кроме того, в первом параграфе Главы 1 приведены экспериментальные данные о свойствах структур, фотолюминесценция которых имеет сходство с фотолюминесценцией пористого4 31 и образование которых в процессе получения пористого 31 может служить причиной интенсивной фотолюминесценции последнего.

Глава 2 посвящена описанию оборудования и методик получения и исследования изучаемых низкоразмерных гетероструктур. В первом параграфе представлено описание методов получения и обработки пористого кремния. Во втором параграфе данной главы дано краткое описание установки молекулярно-лучевой эпитаксии и представлена методика получения тонких пленок СаАв на монокристаллическом и пористом

В третьем параграфе описаны экспериментальная установка фотолюминесценции и метод счета фотонов, реализованный на данной

установке. Также дано описание метода изучения температурной деградации фотолюминесценции пористого кремния.

Глава 3 посвящена результатам исследования влияния условий получения пористого кремния и обработки поверхности нанокристаллитов в пористом кремнии на свойства его фотолюминесценции и фоточувствительности.

В первом параграфе' приведены результаты -исследований влияния условий получения пористого кремния на его морфологию и фотолюминесценцию. Показано, что наличие на поверхности полученного термически окисного слоя ведет к сдвигу положения пика ФЛ в сторону больших энергий и ослаблению интенсивности ФЛ получаемой пористой структуры по сравнению с пористым кремнием, полученным на подложке с естественным окислом при одинаковых условиях травления. Таким образом, состояние поверхностного слоя подложки влияет на динамику процесса травления и структуру пористого слоя: поверхностный слой на подложке до того момента как он полностью стравливается действует как своеобразная маска, задавая начальные условия формирования структуры пористого слоя. Установлено, что использование в процессе получения пористого кремния промежуточной стадии окисления в концентрированном растворе гидроперита приводит к большему ветвлению каналов травления, усилению интенсивности и длинноволновому сдвигу пика фотолюминесценции полученного пористого кремния. Уменьшение плотности тока травления в пределах от 100 до 5 мА/см2 при постоянном времени также приводит усилению интенсивности и длинноволновому сдвигу пика фотолюминесценции. Увеличение интенсивности обясняется увеличением концентрации излучающих кластеров и, если в процессе излучения участвуют поверхностные состояния, площадью поверхности излучающих кластеров на единицу объема. Причиной сдвига пика ФЛ является пассивация ловушек

поглощающих красную часть спектра ФЛ. Показано, что в спектрах фотолюминесценции исследованного пористого кремния кроме основного пика присутствуют'два боковых пика на энергиях 1.6 зВ и 2.85 эВ. Эти боковые пики появляются только в спектрах ФЛ образцов с интенсивным основным пиком при условии высокой мощности УФ накачки. В результате исследования наноструктуры слоев пористого кремния методами комбинационного рассеяния и трансмиссионной электронной микроскопии определены средние размеры индивидуальных нанокристаллитов.

Во втором параграфе приведении результаты исследования взаимосвязи между свойствами фотолюминесценции пористого кремния и выбранными методами деградационного воздействия на его поверхность: отжига

I 10:

1

0.1

1Л 135 1.9 1.95 2 2.05 2.1

Энергия фотонов (эВ) г

Рис.1. Зависимость интенсивности ФЛ от положения основного пика ФЛ: треугольники - в случае пористого кремния сразу после травления (Н^О:НР:С2Н50Н= 1:1:2; средняя плотность тока травления 70 мА/си2 и 14 мА/см2); квадраты - в случае отожженных образцов пористого кремния (Т=100-500°С); круги - интенсивность и положение основного пика ФЛ пористого кремния до растирания в порошок (1) и после растирания в порошок (2).

и механического дробления, (отн. ед.)

Установлено, что в случае пористого кремния, излучающего в желто-красном видимом диапазоне, в пределах ошибки эксперимента зависимость энергии основного пика от интенсивности ФЛ единая для образцов сразу после травления, отожженных и дробленых до порошкообразного состояния. Данная зависимость носит экспоненциальный характер; с уменьшением интенсивности - пик ФЛ смещается в сторону больших энергий (рис.1). В результате изучения термической деградации ФЛ пористого кремния определено, что характерная энергия активации процесса деградации ФЛ составляет D=0.37±0.13 эВ. Такая низкая энергия активации указывает на то, что деградация ФЛ пористого кремния является результатом термодесорбции с поверхности нанокристаллитов или процесса релаксации в пористой структуре.

Третий параграф посвящен изучению влияния мощности УФ накачки на рекомбинационные процессы в пористом кремнии. Увеличение мощности накачки приводит к падению эффективности ФЛ и коротковолновому сдвигу пика ФЛ. На основании экспериментальных данных предложена формула, описывающая зависимость эффективности ФЛ от мощности накачки:

I -1/3 Q = - = А х (W/W ) (1)

щ/щ m и)

iq

где Г - интенсивность ФЛ в основном пике, W - мощность накачки, Wm -максимальная мощность накачки в эксперименте, А - константа пропорциональности. Сдвиг положения основного пика ФЛ с изменением мощности накачки описывается следующим уравнением:

Е - EQ = С * llfß , (2)

где ß= 0.6±0.18, С - константа, Е0= 1.92 эВ (получено экстраполяцией).

В четвертом параграфе показано, что наблюдаемые характеристики

ФЛ пористого кремния наилучшим образом объясняются моделью конкуренции излучательного и безызлучательного каналов рекомбинации, построенной на основе теории оптических свойств кремниевых нанокристаллитов. В рамках модели показано, что свойства пористого кремния определяются распределением кристаллитов по размерам и зависимостью вероятности образования дефектов на поверхности кристаллитов от их размеров. В модели выдвигаются следующие положения:

1) ФЛ ПК является следствием квантово-размерного эффекта в Si-кристаллитах с размерами 1.6-5 ни.

2) Распределение кристаллитов по размерам описывается функцией Гаусса:

G (х) = (тс х а)~иг * ехр (-(х - а)2/ ст), (3)

о

где (7 = 27 ± 0.5, a = 37.55 ± 0.25 А, х - размер в ангстремах.

3) Оптические свойства отдельного кристаллита не зависят от оптических свойств соседних кристаллитов.

4) Соответствие между диаметром кристаллита и шириной запрещенной зоны в данном кристаллите принято из теории C.Delerue, G.Allan и M.Iannoo (DAI-теория).

5) В соответствие с DAb-теорией, наличие на поверхности Si-кристаллита одной оборванной связи разрушает его ФЛ в области 1.4-2.2 эВ в результате высокой скорости безызлучательного захвата носителей в состояние, образованное оборванной связью.

6) Зависимость скоростибезызлучательного захвата носителей на оборванную Si-связь от энергии зкситонов принята на основании вычислений в DAL-теории.

7) Вероятность, что в ПК Si-кристаллит с даметром D имеет на

2

поверхности ловушку (оборванную связь) пропорциональна D . Тотда число кристаллитов S с диаметром D, имеющих на своей поверхности

ловушку, определяется следующим уравнением:

S = Ъ х с (D) х в2 / В, (4)

где В = 260 и b1 являются коэффициентами, характеризующим! вероятность образования ловушек (здесь и далее в других уравнениях I определено в акгстемах).

8) В первом приближении для Si-кристаллитов принимается, чтс скорость захвата фотонов с энергией 3-4 зВ величина q вше че1

Q 1

10 с . Кроме того q рассматривается независящим от числ; электронно-дырочных пар в данном кристаллите. Однако предполагается, что вероятность безызлучательной Оже-рекомбинацш растет с увеличением числа электронно-дырочных пар в кристаллите Исходя из этого, в приближении первого порядка интенсивность ФЛ ] результате излучательной рекомбинации 1(6) в кристаллите с диаметро] D без оборванных связей на поверхности прямопропорциональна числ фотонов УФ-излучения 6(D), облучающих этот кристаллит в секунду вплоть до 8С= 1/т;г, где тг - время излучательной рекомбинации : данном кристаллите. В случае 8 > 6С считаем 1(6) = Const = 1(9С).

Как следует из пункта 8), число кристаллитов n(D), принимающи участие в поглощении УФ фотонов, постоянно для интенсивносте облучения С = Ю^3 - 1018 фотонов/(с * см2). Таким образом, пр насыщении излучательного канала кристаллитов с диаметром интенсивность их облучения равна С(9с) = n(D)* 6С, при это С = 2 С(9„) является полной интенсивностью УФ-излучения, падающег

а с

на образец ПК. Следуя DAX-теории, принимается, что кристаллиты принимающие участие в поглощении фотонов с длиной волны 365.5 ни имеют диаметр 1.6-5 нм. В качестве проверки характера зависимост скорости излучательной рекомбинации от диаметра кристаллита рассчитанной в DAL-теории, была рассмотрена зависимость скорост излучательной рекомбинации R от диаметра кристаллита заданная

диапазоне 20 - 35 А в следующей форме:

Н = К х ( ехр (-В х ¥ ) (5)

Было определено,■ что оптимальное соответствие с экспериментом достигается при

И = г х ( ехр (-П х 0.3074) ) х 10б, (б)

где коэффициент г имеет размерность с"1 и при интенсивности УФ облучения С(9с) для кристаллита с дааметром Б численно равен: г = с3 (ес) / п, (7)

где С3 (6С) - интенсивность УФ насыщения С (9С) для ФЛ кристаллитов ¿ диаметром 3 им (энергия экситона 1.99 эВ), п - число всех кристаллитов с диаметром 1.6 - 5 ни, принимающих участие в процессе поглощения фотонов УФ-излучения.

I (отн. ед.)

Энергия фотонов (эВ)

Рис.2. Взаимосвязь положения пика ФЛ и интенсивности ФЛ пористого кремния. Сплошные лиши - экспериментальные спектры ФЛ от различных образцов; штриховые линии - спектры, вычисленные на основе предложенной модели для различных значений Ъ (ур.5). Скорость рекомбинации определяется уравнением (6).

Данное представление R находится в хорошем соответствии i DAL-теорией. Все численные коэффициенты в уравнениях (3)-(6 получены приведением теоретически вычисляемых спектров Ш ] экспериментальным спектрам. В частности, удовлетворяюще экспериментальным спектрам значения коэффициента Ъ в Ур. (4 находятся в пределах 0.06 - 0.4 (рис.2).

В пятом параграфе .показано, что обработка, поверхности пористоп кремния после травления в концентрированных H2S04, HNOg и Н^РОд npi комнатной температуре и температуре кипения приводит к усиленш интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в длинноволновую область Обработка поверхности пористого кремния в HCl и концентрированны; водных растворах СбС1, NaCl, ZnClg, BaClg приводит к усилени интенсивности ФЛ. Данные эффекты объясняются пассивационншв процессами на поверхности нанокристаллитов.

В шестом параграфе приведены результаты исследование взаимосвязи спектров фотолюминесценции и фоточувствительност! пористого кремния. Показано, что в пористом кремнии коротковолновы! сдвиг пика ФЛ сопровождается длинноволновым сдвигом спектрально! характеристики фоточувствительности.

Глава 4 посвящена исследованию влияния дефектов н; гетерогранице на оптоэлектронные свойства наноструктур на ochobi зпитаксиальных пленок GaAs и S1.

В первом параграфе представлены результаты исследована процессов релаксации напряжений несоответствия на гетерограниц! нанокристаллическая пленка GaAs-Si. Показано, что, в отличие о1 предполагавшегося ранее в литературе механизма релаксации, сняти! напряжений несоответствия на начальной стадии молекулярно-лучево] зпитаксии GaAs на Si происходит за счет образования дефекто] упаковки; При этом на гетерогранице формируется слой с высоко!

плотностью заряда (1012-1013 см-2). Из вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик диода Шоттни на сверхтонком слое определена зонная диаграмма гетероперехода нано-СаАв/Б!.

Во втором параграфе изложены результаты исследования влияния состояний на гетерогранице на оптоэлектронные свойства гетероперехода наноразмерная пленка 1п2.Са1(О^зхО.З). Установлено, что диод Шоттки, сформированный -на эпитаксиально выращенной гетероструктуре 12нм-1пгСа1_хАз/31 (ОСххО.З), обладает высокоэффективной фоточувствительностью, что объясняется эффективным разделением носителей заряда посредством встроенного"" электрического поля и внутренним умножением. При этом в диапазоне измерений 5001100 нм спектральная характеристика фоточувствительности смещается в длинноволновую область и эффективность падает с ростом концентрации 1п в сверхтонкой пленке.

Длина волны (нм) Рис.3 Спектральные характеристики фоточувствительности гетероструктур А1/Гп_гСа1 _гАв(12 нм)/Б1.

Переход в данной гетероструктуре от пленки СаДз к тройному соединению приводит к резкому увеличению квантовой эффективности в УФ диапазоне (рис.3). Уменьшение толщины пленки и рост при резком условии избытка мышьяка приводят к увеличению квантовой эффективности преобразования в гетероструктуре.

В третьем параграфе приведены результаты исследования влияния ростовых дефектов на спектр низкотемпературной фотолюминесценции тонкой эпитаксиальной пленки йаАБ на светоизлучающем пористом кремнии. Эпитаксиальный рост кристаллической пленки происходит только на пористом кремнии, полученном при слабых плотностях тока анодного травления, с зеркальной поверхностью. Кроме того, следует обратить внимание на предэпитаксиальную очистку поверхности. В работах по эпитаксиальному росту арсенида галлия приводятся режимы предэштаксиальной очистки поверхности отжигом в ростовом модуле (например в потоке мышьяка) с низкими температурами с целью избежать высокотемпературное разрушение пористого слоя и добиться наилучшей стабилизации поверхности. Однако, такая предэпитаксиальная подготовка поверхности не позволяет удалить окисел с поверхности. Опыт по предэпитаксиальной подготовке поверхности кристаллического кремния был перенесен на пористый кремний. Выла исследована низкотемпературная фотолюминесценция пленок СаАз толщиной 0.5 икм, выращенных на кристаллическом и пористом кремнии при одинаковых режимах предэштаксиальной подготовки и молекулярно-лучевой эпитаксии. В обоих случаях буфферныа слои выращивались миграционно усиленной эпитаксией при температуре 300"С. Установлено, что при молекулярно-лучевой эпитаксии СаАэ на пористом Б1 рост идет с избытком Аз на фронте кристаллизации с замещением вакансий йа атомами Мп, что позволяет выращивать пленки р-типа без проведения легирования. В спектрах низкотемпературной ФЛ пленки СаАз толщиной

0.5 шш, выращенной на пористои креннии, преобладает рекомбинация, связанная с дефектами МпСа и 31дв (рис.4). Кроме того пленка БаАв Оиаксиально сяата^на 0.4%. Это указывает на то, что в отличие от предполагаемых в литературе механизмов, релаксация механических напряжений в слое пористого кремния, а пленка арсенида галлия растет на пористом кремнии более напряженной чем на кристаллическом кремнии.

30

25

<и *

а

н

0

1

е

о о

а §

3 ю

а

Й РЧ

а

20

15

0

Мп

ва

4.2 К

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 Энергия фотонов (эВ)

Рис.4 Спектр НФЛ пленки СаАв толщиной 0.5 мкм на пористои кремнии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые показано, что использование в процессе получения пористого кремния промежуточной стадии химического окисления приводит к большему ветвлению каналов травления, усилению интенсивности и длинноволновому сдвигу пика фотолюминесценции полученного пористого кремния.

2. Определено, что в спектрах фотолюминесценции исследованного пористого кремния кроме основного пика присутствуют два боковых пика на энергиях 1.6 зВ и 2.85 зВ. Эти боковые пики появляются только- в спектрах ФЛ образцов с интенсивным основным пиком при условии высокой мощности УФ накачки.

3. Впервые проведенные комплексные исследования взаимосвязи между свойствами фотолюминесценции пористого кремния, выбранными методами электрохимического травления и деградациокного воздействия на его поверхность: отжига и механического дробления показали, что в случае пористого кремния, излучающего в желто-красном видимом диапазоне, в пределах ошибки эксперимента зависимость интенсивности ФЛ от энергии основного пика единая для образцов сразу после травления, отожженных и дробленых до порошкообразного состояния. Данная зависимость носит экспоненциальный характер; с уменьшением интенсивности - пик ФЛ смещается в сторону больших энергий. Показано, что в пористом кремнии коротковолновый сдвиг пика ФЛ сопровождается длинноволновым сдвигом пика фоточувствительности.

4. В результате изучения термической деградации ФЛ пористого кремния определено, что характерная энергия активации процесса деградации ФЛ составляет Б=0.37±0.13 эВ. Столь низкая энергия активации указывает на то, что деградация ФЛ пористого кремния является результатом термодесорбции с поверхности нанокристаллитов или процесса

релаксация в пористой структуре.

5. Наблюдаемые характеристики ФЛ пористого кремния наилучшим образом объясняются моделью конкуренции излучательного и безызлучательного каналов рекомбинации, построенной на основе теории оптических свойств кремниевых нанокристаллитов Делеру-Алана-Ланно. В рамках модели показано, что свойства пористого кремния определяются распределением кристаллитов по размерам и зависимостью вероятности образования дефектов на поверхности кристаллитов от их размеров.

6. Впервые установлено, что обработка поверхности пористого кремния после травления в концентрированных HgSO^, HNO3 и Н^РОд при комнатной температуре и температуре кипения приводит к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в длинноволновую область. Обработка поверхности пористого кремния в HCl и концентрированных водных растворах CsCl, MaCl, ZnCl2> ВаС12 приводит к усилению интенсивности ФЛ и сдвигу пика ФЛ в коротковолновую область. Данные эффекты объясняются пассивзционными процессами на поверхности нанокристаллитов.

7. Показано, что, в отличие от предполагавшегося ранее в литературе

механизма релаксации, снятие напряжений несоответствия на начальной

стадии молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs на S1 происходит за счет

образования дефектов упаковки. При этом на гетерогранице формируется

Т? П -?

слой с высокой плотностью заряда (10-10 см ). Установлено, что диод Шоттки, сформированный на зпитаксиально выращенной гетероструктуре 12hm-InJGa1_rAs/Sl (0<х<0.3), обладает

высокоэффективной фоточувствительностью, что объясняется эффективным разделением носителей заряда посредством встроенного электрического поля и внутренним умножением. При этом в диапазоне измерений 5001100 ни спектральная характеристика фоточувствительности смещается в длинноволновую область и эффективность падает с ростом концентрации

In в сверхтонкой пленке. Переход от пленки GaAs к тройному соединению приводит к резкому увеличению квантовой эффективности е УФ диапазоне. Уменьшение толщины пленки и рост при резком условие избытка мышьяка приводят к увеличению квантовой эффективность преобразования в гетероструктуре.

8. Было впервые проведено сравнительное исследование низкотемпературная фотолюминесценция пленок GaAs толщиной 0.5 мкм, выращенных на монокристаллическом и пористом кремнии при одинаковые режимах предэпитаксиальной подготовки и молекулярно-лучево£ эпитаксйи с выращиванием буфферных слоев миграционно усиленно! эпитаксией при температуре 300°С. Установлено, что при молекулярно-лучевой зпитаксии GaAs на пористом S1 рост идет с избытком As н; фронте кристаллизации с замещением вакансий Ga атомами Мп, ч.т< позволяет выращивать пленки р-типа без проведения легирования. ] спектрах низкотемпературной ФЛ пленки GaAs толщиной 0.5 мкм выращенной на пористом кремнии, преобладает рекомбинация, связаннаj с дефектами и Кроме того пленка GaAs биаксиально сжата н;

0.4%. Данный факт указывает на то, что в отличие от предполагаемых ] литературе механизмов, релаксация механических напряжений происходи' в слое пористого кремния, а пленка арсенида галлия растет н, пористом кремнии более напряженной чем на монокристаллическо) кремнии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующи. работах:

1. I.A.Bogonin, V.A.Ioshltln, M.N.Naldenkov, A.A.Orllkovskii.an A.V.Kvit; "A Correlation, between Positions and Intensities о Photoluminescence Peaks in Porous Silicon at Different Procès Parameteres and Pumping Powers", Russian Microelectronics, Vol.24 No.2,1995, pp.. 119-122.

2. V.A.Joskin, M.tf.Naiderikov, V.№.Pavlenko, A.V.Kvit, and S.R.Oktyabrsky; "Evidence lor quantum conilnement In porous silicon from photoluminescence measurements", Physical Review В (1995), 701.52, №.16, pp.12102-12107.

3. И.А.Богонин, В.А.Иошшн, М.Н.Найденков, А.А.Орликовский, А.В.Квит; "Определение взаимосвязи оптических свойств пористого кремния с технологией его получения и термической обработки", МИКР0ЭЛЕКТР0НИКА-94 Российская конференция с участием зарубежных ученых. Звенигород, 28 ноября - 3 декабря 1994- ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ. Часть 2. Москва 1994; стр. 487-488.

4. М.Н.Найденков, В.А.Иошкин, А.В.Квит; "Влияние дефектов на свойства фотолюминесценции пористого кремния", Труды ФТИАН том 10, Проблемы субмикронной технологии, стр. 64-76. ~~

5. В.А.Иошкин, В.Н.Павленко, М.Н.Найденков, А.А.Орликовский, А.В.Квит; "Исследование релаксации напряжений несоответствия на начальной стадии молекулярно-лучевой эпитаксии арсенида галия на кремнии", Труды ФТЙАН том 10, Проблемы субмикронной технологии, стр. 41-47.

6. М.Н.Найденков, М.В.Якимов, М.В.Найдеккова, А.В.Квит; "Исследование влияния распределения Si-кристаллитов по размерам и процесса образования оборванных связей в пористом кремнии на его фотолюминесценцию", Тезисы докладов ХХХ1Х Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института. Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики, 29-30 ноября 1996, стр 122

7. М.Н.Найденков, М.В.Якимов, Р.Е.Барановский, В.А.Иошкин, А.А.Орликовский, М.В.Найденкова, А.В.Квит; "Исследование начальных стадий роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs на монокристаллическом кремнии и роста тонких пленок GaAs на пористом кремнии", Тезисы докладов ХХХ1Х Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института. Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики, 29-30 ноября 1996, стр 123