Управление концентрацией свободных носителей заряда в кремниевой наноструктуре (1102938)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
