Оптические свойства анизотропных кремниевых структур

На правах рукописиКруткова Елена ЮрьевнаОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНИЗОТРОПНЫХКРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.10 − физика полупроводниковАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20071Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукТимошенко Виктор ЮрьевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукБелогорохов Александр Ивановичкандидат физико-математических наукФедянин Андрей АнатольевичВедущая организация:Центр Естественно-Научных ИсследованийИнститута Общей Физики РАНим.А.М.

ПрохороваЗащита состоится “24” мая 2007 года в1600часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 в Московском ГосударственномУниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, аудитория 2–05А криогенногокорпуса.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им.

М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “____” апреля 2007 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.10доктор физико-математических наукпрофессорПлотников Г.С.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыпредставленныхисследованийобусловленаширокими возможностями использования кремниевых структур в современныхоптоэлектронных технологиях. Учитывая, что кристаллический кремний (c-Si)является базовым материалом современной микроэлектроники и компьютернойтехники, то на повестку дня встает задача совмещения кремниевыхэлектрических и оптических элементов в рамках одной интегральной схемы.Однако высокая изотропия линейных оптических свойств c-Si ограничиваетвозможности его применения как для решения данной задачи, так и в фотоникев целом. Выходом из ситуации может быть формирование на основе c-Siанизотропных микро- и наноструктур, которые обладают оптическимихарактеристиками, необходимыми для управления светом.

При этом, варьируяусловия формирования, можно было бы создавать анизотропные кремниевыеструктуры с желаемыми значениями показателей преломления и величинойдвулучепреломления.полупроводником,Крометого,открываетсяпосколькуперспективакремнийуправленияявляетсяоптическимисвойствами образцов посредством контролируемого изменения концентрациисвободных носителей заряда в их микро- и наноструктурах. Все этообуславливает актуальность задачи по исследованию оптических свойстванизотропных кремниевых структур.Анизотропные кремниевые структуры можно формировать, используяпреимущественное травление c-Si вдоль кристаллографических направлений<100>, что достигается в определенных электрохимических или химическихпроцессах.Важнымипримерамитакиханизотропно-структурированныхкремниевых систем являются так называемые пористый кремний (ПК) ищелевыекремниевыеструктуры (ЩКС).

В частности, недавнобылообнаружено, что ПК, получаемый при электрохимическом травлении сильнолегированных бором монокристаллов c-Si c ориентацией поверхности (110),приопределенныхрежимахформированияобладаетзначительнымдвулучепреломлением, обусловленным анизотропией формы составляющих его3кремниевых остатков (нанокристаллов) и пор [1].

Причем, величинадвулучепреломления в слоях ПК оказывается много больше, чем для известныхприродныхдвулучепреломляющихкристаллов,таких,например,какисландский шпат [2]. Еще большим двулучепреломлением могут обладатьЩКС, состоящие из чередующихся кремниевых слоев и пустот (щелей) схарактерными толщинами порядка нескольких микрометров [3]. В последнемслучае двулучепреломление проявляется в средней и дальней инфракрасной(ИК) области спектра.

Отметим, что анизотропия оптических свойств ПК иЩКС связана с так называемым явлением двулучепреломления формы,обусловленным присутствием в среде анизотропных по форме структурныхэлементов с характерными размерами много меньше длины волны света [4].Важной особенностью двулучепреломления в ПК является то, что еевеличиной можно управлять как в процессе формирования материала, так и припоследующих его обработках. Фактически двулучепреломляющие слои ПКпредставляют собой яркий пример создания новых наноструктурированныхматериалов суникальными оптическими и электронными свойствами.Поскольку при определенных условиях формирования ПК представляет собойансамбль кремниевых нанокристаллов с чрезвычайно большой удельнойповерхностью, то открывается возможность управления его свойствами, вчастности,концентрациейсвободныхносителейзаряда,посредствомадсорбции различных молекул.

До последнего времени считалось, что в силуразличныхпричинвПКпроисходитпрактическиполноеобеднениеравновесными носителями заряда. Такое обеднение хорошо объяснимо длямикропористогокремния(микро-ПК)схарактернымиразмераминанокристаллов и пор порядка нескольких нанометров [5]. В этом случаенеобходимо учитывать квантовый размерный эффект, приводящий к сильнойлокализации носителей заряда и росту энергии связи примесных центров.Однако, в мезопористом кремнии (мезо-ПК), для которого характерныеразмеры кремниевых нанокристаллов обычно составляют более 5-10 нм,концентрация свободных носителей заряда может достигать значительных4величин (более 1017 см-3) [6]. Концентрация свободных носителей заряда приэтом сильно зависит от диэлектрического окружения и поверхностногосостояния нанокристаллов [6,7].

Свободные носители заряда в случае ихвысокой концентрации вносят существенный вклад в полную диэлектрическуюпроницаемость ПК. Поэтому, управляя концентрацией свободных носителейзаряда с помощью адсорбции молекул, можно существенным образом влиять наоптические свойства ПК, особенно в ИК области спектра [8].К моменту постановки данного диссертационного исследования внаучной литературе отсутствовали надежные данные о дисперсии показателейпреломления двулучепреломляющего мезо-ПК. Не было также исследовановлияние пористости данного материала и концентрации свободных носителейзаряда в нем на спектры показателей преломления и двулучепреломление.Оптические свойства ЩКС были исследованы только в узком спектральномдиапазоне, а полученные результаты не имели количественного согласия спредсказаниями теории.Целью работы являлось исследование в широком спектральном диапазонеоптических свойств анизотропных слоев мезо-ПК, полученных на сильнолегированных бором подложках c-Si, а также микроструктур ЩКС, длявыяснения влияний их структурных характеристик и концентрации свободныхносителей заряда на двулучепреломление и дихроизм.В работе были поставлены следующие задачи:1.Исследованиедисперсиипоказателейпреломленияидвулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК и анализ полученныхрезультатов в рамках модели эффективной среды.2.

Изучение зависимости величины двулучепреломления слоев мезо-ПК отих пористости и определение количественных характеристик анизотропииформы кремниевых нанокристаллов и пор в исследуемых слоях.3. Исследование в широком спектральном диапазоне оптическогопропускания образцов ЩКС и анализ полученных результатов с цельюнахождениязначенийосновныхкомпонентов5тензоровэффективнойдиэлектрической проницаемости и эффективного показателя преломлениятаких структур.4. Изучение особенностей комбинационного рассеяния света в мезо-ПК иЩКС для выявления роли анизотропии формы кремниевых структур исвободных носителей заряда в данном явлении.5. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния свободныхносителей заряда на эффективные показатели преломления и коэффициентыпоглощения мезо-ПК и ЩКС в ИК диапазоне спектра.Для решения поставленных задач был применен комплекс различныхметодов исследования, включающий методы поляризационно-чувствительнойИК и субмиллиметровой спектроскопии тонких слоев, растровую электроннуюмикроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света (КРС).Достоверность полученных результатов обеспечена применениемнаборавзаимно-дополняющихэкспериментальныхметодик,детальныманализом физических явлений и процессов, определяющих оптическиесвойства исследуемых структур.

В значительной степени достоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсяхорошимсогласиеммеждуэкспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными врамках общепринятых физических моделей.Автор защищает:1.Новыеданныеподисперсиипоказателейпреломленияидвулучепреломления мезо-ПК в спектральном диапазоне 0.6-6 мкм и выводо возможности их описания в рамках обобщенной модели эффективнойсреды Бруггемана.2.Найденные зависимости эффективных показателей преломления, величиныдвулучепреломленияистепенианизотропииформыкремниевыхнанокристаллов ипор от величины пористости слоев мезо-ПК,изменяемой в диапазоне от 55 до 85%.3.Утверждениеовозможностимногократногоизменениявеличиныдвулучепреломления и ее знака в ИК диапазоне спектра в слоях мезо-ПК6при увеличении в них концентрации свободных носителей заряда выше1019 см-3.4.Вывод о возможности описания в дальнем ИК диапазоне спектраоптических свойств ЩКС с периодом структур 4-7 мкм в рамках моделиэффективной среды с учетом эффектов двулучепреломления формы.5.Утверждение о возможности использования метода комбинационногорассеяния света для определения концентрации свободных носителейзаряда в мезо-ПК.6.Выводомногократномувеличенииинтенсивностисигналакомбинационного рассеяния света в ЩКС при возбуждении их светом сдлиной волны ~1 мкм, близкой к толщине кремниевых стенок в такихструктурах.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1)Экспериментально найдены законы дисперсии показателей преломления ивеличины двулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК в видимоми ИК диапазонах спектра.2)Установлено, что оптические свойства мезо-ПК в видимом и ИКдиапазонах спектра могут быть удовлетворительно описаны в рамкахмодели эффективной среды Бруггемана с учетом анизотропии формыкремниевых нанокристаллов и пор.3)Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободныхносителейзаряданадисперсиюпоказателейпреломления,двулучепреломление и дихроизм в слоях мезо-ПК.4)Впервые исследованы оптические свойства ЩКС в спектральномдиапазоне 1-1250 мкм и найдены законы дисперсии эффективныхпоказателей преломления и двулучепреломления таких структур.5)Предложен и реализован оптический метод определения концентрациисвободных носителей заряда в диапазоне 1017-1019 см-3 в слоях мезо-ПК поизменению эффективности КРС.6)Обнаруженмногократныйпосравнению7сподложкойc-Siростинтенсивности стоксовой компоненты КРС в образцах ЩКС привозбуждении их светом с длиной волны ~1 мкм, близкой к толщинекремниевых стенок в таких структурах.Научная и практическая значимость работы состоит в полученииновыхрезультатов,фундаментальныхкоторыеэлектронныхявляютсяиважнымиоптическихкаксвойствдляпониманияанизотропныхкремниевых нано- и микроструктур, так и для создания новых элементов наоснове кремния для управления светом.Личный вклад.