Управление концентрацией свободных носителей заряда в кремниевой наноструктуре

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиВоронцов Александр СергеевичУПРАВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙЗАРЯДА В КРЕМНИЕВОЙ НАНОСТРУКТУРЕСпециальность 01.04.10Физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Московского государственного университета имениМ.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П.К. КашкаровОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.А. Кульбачинскийдоктор физико-математических наук,заведующий лабораторией А.

И. БелогороховВедущая организация:Физический институтим. П.Н. Лебедева РАНЗащита состоится «19 » июня 2008 года вчасов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские Горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективногопользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» мая 2008 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы.

Разработка технологий получения объектовнанометрических размеров и изучение их свойств в последнее десятилетиесоставилисамостоятельноенаправлениевфизикеконденсированногосостояния. Учитывая, что кристаллический кремний (c-Si) является базовымматериаломсовременноймикроэлектроникиикомпьютернойтехники,актуальным является изучение свойств кремниевых нанокристаллов (nc-Si),которые существенно отличаются от свойств монокристалла. Это связано, вопервых, с уменьшением характерных размеров системы и, соответственно,проявлением в этом случае квантово-размерного эффекта, а во-вторых, созначительным увеличением удельной поверхности материала. Областьюприменений nc-Si, например, могут быть оптоэлектроника, газовые сенсоры,биомедицина.Одной из широко распространенных технологий создания ансамблейnc-Si является электрохимическая обработка пластин c-Si в растворах на основеплавиковой кислоты (формирование пористого кремния (ПК)) [1]. Данныйметод позволяет получать упорядоченную совокупность кремниевых остатков нанокристаллов с характерными размерами 1-100 нм.

В зависимости от размерапор ПК подразделяется на микропористый (≤ 2 нм), мезопористый (2-50 нм) имакропористый (≥ 50 нм) [2]. В работе [3] была обнаружена эффективнаяфотолюминесценция при комнатной температуре слоев микро-ПК. Авторысвязывали наблюдаемую люминесценцию с квантово-размерным эффектом внаноструктурах пористого слоя. Полученные результаты позволили приступитьк разработке кремниевых приборов, излучающих свет в широком спектральномдиапазоне. В работе [4] зафиксирована электролюминесценция микро-ПК.Однако фотолюминесцентные и электролюминесцентные структуры на основеПК деградируют с течением времени, что затрудняет создание на его основесветоизлучающего устройства. В то же время наличие развитой удельнойповерхности, достигающей в пределе величины 103 м2/г [5] и открытой длявоздействия молекул окружающей среды, делает ПК весьма привлекательным1объектом для изучения закономерностей адсорбционных процессов и анализавозможности управления его свойствами путем изменения молекулярногоокружения nc-Si в слоях ПК.Отметим, что по сравнению с микро-ПК, мезо-ПК изучен менееподробно.

В то же время, слои ПК с размерами пор от 5 до 50 нм обладаютрядом интересных особенностей. Во-первых, в таких структурах квантоворазмерный эффект незначителен [6]. Во-вторых, концентрация легирующейпримеси в слоях мезо-ПК может достигать уровня, сравнимого с подложкой [7].В-третьих, в работе [8] установлено, что в мезо-ПК р-типа проводимости могутсуществовать равновесные свободные носители заряда (снз) (дырки) сдостаточно большой концентрацией (1016–1018 см-3), чувствительной кдиэлектрическому окружению и состоянию поверхности nc-Si. В силууказанных причин мезо-ПК может служить хорошим модельным объектом дляизученияспособовуправленияконцентрациейснзвпористыхполупроводниках, что является важным как с фундаментальной, так и сприкладной точки зрения для создания газовых сенсоров, основанных наиспользовании кремниевых технологий.К моменту постановки задач исследования в литературе отсутствоваладостоверная информация о влиянии типа проводимости и уровня легированияnc-Si на концентрацию в них снз и спиновых центров, однако такаяинформация может играть ключевую роль для разработки сенсоров на основеПК.

Не было единой точки зрения в отношении микроскопической моделивзаимодействия активных молекул аммиака с поверхностью nc-Si. Осталасьнерешеннойпроблема,касающаясявозможностиинвертированиятипапроводимости ПК при адсорбции активных молекул.Цель настоящей диссертационной работы – изучение путей управленияконцентрацией свободных носителей заряда в слоях мезопористого кремния,сформированных на подложках p- и n-типа проводимости, при адсорбцииактивных молекул.2Основные научные задачи работы:1. Изучить влияние адсорбции активных молекул йода, проявляющихсвойства акцепторов электронов, на концентрацию снз и спиновыхцентров в слоях мезо-ПК p- и n-типа проводимости.2. Изучитьвлияниеадсорбцииактивныхмолекуламмиака,проявляющих свойства доноров электронов, на концентрацию снз испиновых центров в слоях мезо-ПК p- и n- типа проводимости.3.

Исследовать основные механизмы взаимодействия молекул йода иаммиака с nc-Si в слоях ПК.4. Сформулировать физические принципы управления концентрациейснз в слоях мезо-ПК, сформированных на подложках p- и n-типапроводимости.Длярешенияпоставленныхисследования, включающийзадачбылпримененинфракрасную(ИК)комплексметодовФурье-спектроскопию,спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Экспериментыпо адсорбции различных молекул проводились на современном вакуумномоборудовании.Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнаборавзаимно-дополняющихэкспериментальныхметодик,детальныманализом физических явлений и процессов в исследуемых структурах.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.Получены новые данные о влиянии адсорбции молекул йода иаммиака на электронные и оптические свойства ПК.

Предложенымикроскопическиемоделивзаимодействияуказанныхмолекулсповерхностью nc-Si в слоях мезо-ПК.2.Представленановаяинформацияобинжекциисвободныхэлектронов в зону проводимости ПК при адсорбции молекул влажногоаммиака на поверхности образцов как p-, так и n-типа проводимости.33.Впервые исследовано влияние адсорбции молекул йода и аммиакана концентрацию спиновых центров в nc-Si p- и n-типа проводимости.4.Предложен способ управления концентрацией и типом снз вкремниевых наноструктурах посредством адсорбции активных молекул.Автор защищает:1.Новые данные о влиянии адсорбции молекул йода и аммиака наэлектронные и оптические свойства ПК. Микроскопическую модельвзаимодействия указанных молекул с поверхностью nc-Si в слояхмезо-ПК.2.Новую информацию об инжекции свободных электронов в зонупроводимости ПК при адсорбции молекул влажного аммиака наповерхности образцов как p-, так и n-типа проводимости.3.Новые данные о влиянии адсорбции молекул йода и аммиака наконцентрацию спиновых центров в nc-Si p- и n-типа проводимости.4.Способ управления концентрацией и типом снз в кремниевыхнаноструктурах посредством адсорбции активных молекул.Научная и практическая значимость работы.

Полученные в работерезультаты характеризуют зависимость электронных и оптических свойствnc-Si от молекулярного окружения их поверхности. Особую значимость имеетобнаруженный способ управления концентрацией снз посредством адсорбцииактивных донорных и акцепторных молекул. Такого рода информация можетбыть полезна при создании газовых сенсоров на основе ПК, а также приразработке альтернативных методов управления концентрацией снз в nc-Si.Личный вклад. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях итеоретическом анализе полученных результатов является определяющей.Апробация результатов работы. Результаты, вошедшие в диссертацию,опубликованы в 12 работах, из которых 5 статей в научных журналах исборниках и 7 тезисов докладов в материалах конференций: ЛомоносовскиеЧтения 2006 секция Физики, Москва, Россия 2006; 5-th International Conferenceof Porous Semiconductors – Science and Technology PSST-2006; Международная4конференция “Физика низкоразмерных структур”, Кишинев, Молдова 2006;6-th International Conference of Porous Semiconductors – Science and TechnologyPSST-2008.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения, основных выводов, списка публикаций автора исписка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 96 страницмашинописного текста, включающих 45 рисунков и 6 таблиц. Библиографиясодержит 79 наименований.Вруководствеработойактивноеучастиепринималад.ф.-м.н. Е.А. Константинова.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, отмечена научная новизна полученныхрезультатов и их практическая ценность, приведены положения, выносимые назащиту, представлен перечень конференций, в рамках которых происходилаапробация работы, и список публикаций.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальныхработ, посвященных изучению структурных и оптических свойств ПК. Вразделе 1.1 рассмотрены структурные свойства ПК, перечислены факторы,определяющие морфологию пор и кремниевых нанокристаллов.