Оптические свойства анизотропных кремниевых структур (1104253)
Текст из файла
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.
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}
