CC BY
32
НАНОСИСТЕМЫ: ФИЗИКА, ХИМИЯ, МАТЕМАТИКА, 2011, 2 (1), С. 116-120
УДК 537.533.3
ОПТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ПАРАМЕТРЫ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ СЛОЕВ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ 0,1-6,2 эВ
Д. Т. Ян1
1 Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск, Россия
Проведено исследование оптических свойств слоев пористого кремния, полученного на кристаллическом кремнии р-типа (100) методом анодного травления. Из оптических спектров на пропускание и отражение проведена оценка основных оптических характеристик пористого кремния. Установлено, что явление видимой фотолюминесценции пористого кремния обусловлено изменением параметров зонной структуры.
Ключевые слова: пористый кремний, фотолюминесценция, рекомбинация. 1. Введение
В настоящее время кремний широко применяется для создания полупроводниковых приборов и устройств. Известно, что кремний является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ [1]. Вследствие низкой эффективности излучатель-ных переходов в собственном полупроводнике, создание на его основе оптоэлектронных приборов является маловероятным.
Известно, что в результате анодного травления при малых плотностях тока (менее 20 мА/см2) на поверхности кристаллического кремния образуется массив кремниевых кристаллитов с размерами менее 10 нм - нанокристаллитов, разделенных порами [9]. Явление видимой фотолюминесценции (ФЛ) на поверхности пористого кремния (ПК) при комнатной температуре обусловлено высокой интенсивностью излучательной рекомбинации [2]. Это указывает на изменение фундаментальных параметров в образующемся материале: типа перехода и ширины запрещенной зоны [3,4].
Целью представленной работы является определение оптических характеристик пористого кремния и параметров его электронной структуры. В статье рассмотрены оптические функции тонких слоев ПК на Si (100), рассчитанные из данных оптической спектроскопии на пропускание и отражение. Данные из литературы о характере фундаментального перехода и энергетических положениях межзонных переходов в пористом кремнии отличаются друг от друга. Согласно теоретическим расчетам ширина запрещенной зоны нанокристаллитов ПК имеет величину 2.0-2.5 эВ.
Тонкие слои пористого кремния толщиной 0.5-2.1 мкм были получены методом анодного травления на пластинах монокристаллического кремния р-типа (100), легированного бором с удельным сопротивлением 10 Ом • см.
Для получения омического контакта кремниевой пластины с электродом на тыльную сторону пластины был нанесен слой алюминия при температуре 450°С. Процесс анодного травления проводился в спиртовом растворе плавиковой кислоты при равном соотношении реагентов. Плотность тока в течение процесса составила 10 мА/см2, процесс проводили в течение 6 мин. После окончания анодного травления образцы промывались в деионизован-ной воде [5,6].
Спектры ИК-поглощения были сняты при комнатной температуре на Фурье ИК-спектрометре Вгакег ГР8-113у с разрешением 8 см-1 и усреднением по 600 сканам. Для получения ИК-спектров было проведено удаление слоя А1 с тыльной стороны пластины.
2. Результаты и обсуждение
Для вычисления оптических функций в области прозрачности была использована двухслойная модель, в которой учитывались многократные внутренние отражения и поглощение в пленке ПК и подложке [7]. Основные оптические функции монокристаллического кремния были взяты из литературы [8]. На основе данного метода были рассчитаны: коэффициент поглощения (а), показатель преломления (п), коэффициент экстинкции (к), действительная (е1) и мнимая (е2) части диэлектрической функции.
Методами оптической спектроскопии на пропускание и отражение в диапазоне энергий фотонов 0.1-1.24 эВ исследованы тонкие слои пористого кремния на 81(100).
РИС. 1. Спектры ИК пропускания (слева) и отражения (справа) образцов кристаллического (1) и пористого кремния (2) в диапазоне энергий 0,1-6,2 эВ
На рис. 1 приведены оптические спектры на пропускание и отражение кристаллического кремния р-типа (100) и пористого кремния.
Расчеты спектральных зависимостей коэффициента поглощения показали, что выращенные тонкие слои ПК имеют полупроводниковый характер поглощения и являются прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 1.85-2.0 эВ. Отсутствие дисперсии коэффициента преломления означает, что межзонный переход с энергией 1.852.0 эВ действительно определяет край фундаментального поглощения в тонких слоях ПК на 81(100). Экстраполяция линейной части зависимости 1/(п2-1) к величине А-2 в соответствие с моделью Друде для диэлектрической функции (рис. 2) позволяет вычислить величину п0=2.2±0.02 для тонких слоев ПК [9]. Анализ спектров оптической проводимости показал, что приведенная плотность состояний в тонких слоях пористого кремния имеет небольшое значение в области фундаментального перехода и значительно возрастает в диапазоне энергий 3.2-3.5 эВ. На рис. 3 приведен спектр диэлектрической функции пористого кремния, рассчитанный на основе данных оптической спектроскопии с использованием интегральных соотношений Крамерса-Кронига.
Определены функции потерь энергии 1ш(е1)-1 и плотности состояний е2е0ш2 (рис. 4), которые отражают сложную энергетическую структуру пористого кремния.
РИС. 2. Спектральная зависимость величины (п2 — 1)-1 от Л-2. Пунктирной линией показана линейная аппроксимация зависимости для расчет бездисперсионного коэффициента преломления пористого кремния
5 п
4 - □ □
ТР
и 2 ■ Л 1 ч
1 - V
0 - *
• б1
□ ё2
2 4 6 Энергия фотонов, эВ
Рис. 3. Действительная и мнимая части диэлектрической функции пористого кремния в диапазоне энергий 1.6-6.2 эВ
РИС. 4. Спектральная зависимости потерь энергии (слева) и плотности состояний (справа) в тонких слоях пористого кремния для тонких слоев пористого кремния в диапазоне энергий 0.1-6.2 эВ
Функция потерь энергии 1ш(е1)_1 (рис. 4, слева) дает дополнительную информацию о распределении потерь энергии заряженными носителями. В тонких слоях пористого кремния эти потери относятся к носителям заряда - дыркам. Наблюдается почти линейный рост энергетических потерь в диапазоне энергий от нуля до 1.9 эВ. Начиная с энергии 2 эВ, линейный характер зависимости сохраняется, при этом увеличивается угол ее наклона. В диапазоне энергий 3.3-4.3 эВ величина потерь энергии, проявляет рост, близкий к экспоненциальному, достигает максимума при 4.3 эВ. Максимум потерь энергии соответствует максимуму потерь энергии дырками в слое ПК. Затем величина потерь уменьшается незначительно и слабо растет до 6.2 эВ. Такой характер потерь энергии дырками соответствует сложной структуре плотности состояний в зоне проводимости пористого кремния.
Для классических полупроводников известно, что в условиях сохранения квадрата модуля матричного элемента переходов и параболичности дисперсии энергетических зон произведение оптической проводимости (аопт) на частоту (ш) пропорционально функции плотности состояний G(ш) в энергетических зонах [10-12]: аопт(ш )-ш=2п1к1е0ш2 = £2£oш2^G(ш)
Используем данный метод оценки для расчета плотности состояний в пористом кремнии, предполагая, что параболичность энергетических зон в нем сохраняется. Такая спектральная зависимость представлена на рис. 4, справа. Рассчитанная зависимость имеет вид, аналогичный зависимости потерь энергии (рис. 4, слева), но максимум плотности состояний смещен в сторону меньших энергий. В диапазоне энергий (0.68-1.21 эВ) величина плотности состояний растет слабо, однако, с ростом энергии обнаруживает линейный рост и достигает максимума при 3.2 эВ, что соответствует максимуму поглощения в слое пористого кремния. При энергии более 3.3 эВ величина плотности состояний снижается вплоть до 4.3 эВ, а затем растет с увеличением энергии фотонов.
Характер спектральных зависимостей потерь энергии и плотности состояний в пористом кремнии показывает, что при малых энергиях плотность состояний и вероятность межзонных переходов малы, а сильное поглощение в этой структуре происходит при энергиях, превышающих 2.0 эВ. Наличие области слабого поглощения соответствует как присутствию некоторого количества столбов повышенных размеров в структуре слоя пористого кремния (по теории квантового ограничения, так и наличию внутризонных переходов
в столбах различных размеров, связанных с дефектами на границе с окислом и внутри кристаллитов [13-15].
Литература
[1] Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 490 с.
[2] Canham L.T. Visible photoluminescence of porous Si // Appl. Phys. Lett., 1990, 57, P. 1046-1049.
[3] Sawada S., Hamada N., Ookubo N. Mechanism of visible photoluminescence of porous silicon // Phys.Rev. B., 1994, 49, № 8, P. 5236-5245.
[4] Dimova-Malinovska D., Sendova-Vasileva, Marinova T., Krastev V., Kamenova M., Tzenov N. Correlation between the photoluminescence and chemical bonding in porous silicon // Thin Solid Films, 1996, 276, P. 290292.
[5] Uhlir A. Formation of porous silicon // Bell Syst. Tech., 1956, 35, P. 333-336.
[6] Theib W. Optical properties of porous silicon // Surf. Sci. Rep., 1997, 29, № 5, P. 92-192.
[7] Уханов Ю.А. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука. 1997, 252 с.
[8] Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высш. школа, 1977, 448 с.
[9] Горбачев В.В., Спицина Л.Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1976. 368 с.
[10] Cantin J. L. et al. Anodic oxidation of p- and p+- type porous silicon // Thin Solid Films, 1996, 276, № 3, P.76-79.
[11] Belmont O. et al. About the origin and the mechanisms involved in the cracking of highly porous silicon layers under capillary stresses // Thin Solid Films, 1996, 276, № 3, P. 219-222.
[12] Горячев Д.Н., Беляков Л.В., Сресели О.М. О механизме образования пористого кремния // Физ. и техн. полупроводн., 2000, 34, Вып. 5, С. 1130-1134.
[13] Petrova-Koch V., Muschik T. The relation between the visible and the infrared luminescence bands in porous silicon // Thin Solid Films, 1995, 255, № 5, P. 246-249.
[14] Кашкаров П.К., Константинова Е.А., С. А. Петрова, Тимошенко В.Ю. Юнович А.Э. К вопросу о температурной зависимости фотолюминесценции пористого кремния // Физ. и техн. полупроводн., 1997, Т. 31, Вып. 6, С. 745-748.
[15] Ян Д.Т. Влияние лазерного возбуждения на фотолюминесценцию анодно окисленного пористого кремния // Опт. журнал, 2010, 77, № 8, C. 67-71.
