CC BY
19
УДК 539.216
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ НА ЕГО ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
В. И. Беклемишев1, А. И. Белогорохов2, Т. II. Заварицкая, В. А. Караваискин3. В. М. Масловский1, II. II. Мельник, Г. Я. Павлов2, В. В. Подзоров
Исследовано влияние обработки пористого кремнии (ПК) электродуговой плазменной струей (ЭДПС) на его спектры И К поглощения и фотолюминесценции (ФЛ). Исследование спектров ИК поглощения ПК показало, что обработка ЭДПС приводит к уменьшению более чем на порядок концентрации связей Si-IIn, С-Ып, (п = 1,2,3) и увеличению на такую же величину числа связей Si-Ox на поверхности обработанных образцов. Эти изменения состояния поверхности привели к уменьшению интенсивности линии ФЛ в 2 - 3 раза и сдвигу максимума полосы в длинноволновую область спектра, от 665 им к 700 им. Этот результат показывает, что изменения ь спектре ФЛ были вызваны заменой связей Si-IIn на связи Si-Ox, произошедшей в процессе ЭДПС обработки. В работе анализируется влияние параметров плазменного разряда на характеристики ФЛ, а также обсуждается механизм излучения пористого кремния.
Фотолюминесценция (ФЛ) пористого кремния приписывается образованию в образце кремниевых квантовых проволок с пассивированной поверхностью, хотя вопрос о
1 Зеленоградский исследовательский институт физических проблем. -'Центр анализа вещества, Москва. 'Институт общей физики РАН.
2S
механизме ФЛ все еще остается спорным [1]. Ранее была неоднократно показана исключительная роль водорода в процессах излучения ПК. В частности, предполагается, что водород пассивирует "оборванные связи" на поверхности пористого кремния, уменьшая при этом безызлучательную рекомбинацию [2]. Некоторые результаты показывают красное смещение линии ФЛ и значительное падение ее интенсивности при удалении водорода с поверхности образца, что сходно с поведением аморфного вг-.Н [1]. При больших температурах (900°С) кислород также может пассивировать поверхностные "оборванные связи" [2]. Однако вплоть до настоящего времени не существует полной теории и убедительного эксперимента, решающих проблему механизма ФЛ ПК. Так называемая "сухая обработка" ПК (очистка, окисление, отжиг и пассивация) широко применяется для изменения люминесцентных свойств образцов. Многообещающей методикой, относящейся к этому же классу процессов, является обработка поверхности образцов в электродуговой плазменной струе (ЭДГ1С) [3, 4]. Гидродинамически непрерывная, вы-сокоэитальпийиая (> 10лДж/г) и относительно низкотемпературная (< 10'1 К) плазменная струя воздействует на поверхность образца короткое время (от 0,01 до 0,1 сек). При этом образец находится в обычных атмосферных условиях (специальная откачка не производится). Высокая скорость потока плазмы (100 м/сек) в сочетании с высокой плотностью потока тепла (> 103 Вт/см2) и плотностью потока химически активных и возбужденных частиц (> 1018 см~2сек~г) на границе плазма - поверхность вызывают значительную модификацию поверхности образца.
Целью этой работы было исследовать и проанализировать влияние обработки ЭДПС на состояние поверхности ПК и па его спектры фотолюминесценции.
Образцы ПК были приготовлены анодным травлением кристаллических подложек р-5г(111) (10 Ом ■ см) в двухкамерной электрохимической ячейке с платиновыми электродами. Процедура травления подложек проводилась в плавиковой кислоте И (49%) (в этаноловом растворе 1:1), в темноте прн подаче постоянного напряжения на электроды ячейки (60 мА, 1 мин). После травления образцы высушивались в воздушной струе. Толщины полученных слоев ПК варьировались в пределах 2-4 мкм. Плазменная обработка образцов ПК выполнялась в /1г/воздушной дуге модифицированного прибора. АРЛТ-100М. Плазменный поток создавался двуструйным плазматроном при атмосферном давлении (¿7 = 80 В, I = ТОЛ, Слт = Зл/мин). Температура поверхности образца во время воздействия регулировалась поперечной скоростью движения образца в области разряда, которая составляла 1 м/се к. Типичное значение температуры на поверхности подложки кремния для указанных условий не превышало 400 К [3]. Полная
доза, воздействия определялась числом соударений плазменной струи с поверхностью образца, которое варьировалось от 1 до 180.
Спектры ФЛ и комбинационного рассеяния света (КРС) полученных образцов возбуждались линией излучения Аг+ ионного лазера 48S нм. Рассеянный свет анализировался двойным монохроматором U-1000 с системой микронастройки на образец. Диаметр лазерного луча и плотность падающей мощности во время измерений составляли 50 v м к .it и 100 Вт/см2 соответственно.
Для исследования спектров И К поглощения использовался спектрометр Bt uker IFS-113v с разрешением не хуже 0,5 с.«-1 в диапазоне волновых чисел 20 - 15000 см'1. Спектр ИК поглощения подложки кремния вычитался из всех спектров образцов для устранения влияния двухфотонного поглощения подложки.
Число соударений с ЭДПС Рис. 1. ИК поглощение образцов ПК после обработки в ЭДПС.
Спектры ИК поглощения в области колебательных мод связей Si-Ox (полоса в районе 1074 см'1) и Si-II2 (полоса с максимумом при 2110 еж-1) для образцов после обработки ЭДПС показаны на рис. 1. Полоса с максимумом в районе 20S6 см'1 в спектре И К поглощения приписывается колебаниям связи Si-II, в области 2110 см"' - колебаниям связи Si-II2 и в области 2136 см"1 - Si-Из связи. Эти связи играют исключительно важную роль в пассивации поверхности квантовых проволок кремния [1]. Данные но
Длина волны, им
Рис. 2. Типичные изменения е спектрах ФЛ после обработки с> ЭЛИС'.
ИК поглощению показывают, что обработка образцов ПК в Лг/воздушной плазменной струе приводит к адсорбции кислорода на поверхность и уменьшает концентрацию связей ¿'г-//2- Органические связи С-Нп, связи Зг-Л и Бг-Лз удаляются подобно связи Si-.fi2- Таким образом, состояние поверхности образцов изменяется под действием смеси возбужденных ионов кислорода и аргона плазмы, причем с увеличенном степени плазменной обработки пик ИК поглощения связи 81-02 возрастал. При десорбции атомов II связи 8г-Нп либо распадаются, либо трансформируются в 54-0-11 связи. Несмотря на почти полное удаление связей 5г-Пп с поверхности пористого кремния, спектры ФЛ изменяются не столь значительно. Наиболее интересным результатом обработки образцов потоком плазмы является заметный сдвиг пика ФЛ в красную область спектра, (рис. 2 и 3) в противоположность влиянию быстрого термического окисления [1]. Изменение положения максимума спектра ФЛ сопровождается уменьшением интенсивности пика приблизительно в 2 - 3 раза (рис. 2). Наблюдаемые изменения в спектре ФЛ монотонно
Число столкновений с ЭДПС
Рис. 3. Положение максимума пика ФЛ образцов ПК после обработки в ЭЛИС.
зависят от полной дозы взаимодействия потока плазмы с образцом. По-видимому, •> го происходит благодаря пассивации "оборванных связей" кремния атомами кислорода после удаления водорода с поверхности. Спектры КРС не проявляют столь значительных изменений после обработки в плазме.
Мы предполагаем, что обработка образцов ПК потоком плазмы, состоящей из возбужденных частиц с энергиями, достигающими порога ионизации, предоставляет простой и быстрый метод модифицирования поверхности. Модификация может варьироваться выбором газа плазмы и, следовательно, такая обработка может оказывать не только термическое, но и селективное химическое воздействие на поверхность пористого кремния. Для более детального понимания механизма воздействия высокоэиергетичной плазмы на пористый кремний и на его оптические свойства необходимы дальнейшие исследования в этом направлении. Существенно, что такая обработка не нарушает структуру образца в целом, в то время как другие методики (например высокотемпературный отжиг) приводят к существенной ее модификации. По нашему мнению методика может дать новые возможности в исследовании природы излучения пористого кремния.
Исследования были выполнены при частичной финансовой поддержке Российской государственной программы "Физика наноструктур" (проект 1-042), а также Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 95-02-04510 и 95-02-04450).
Л И Т Е Р А Т У Р А
[1] А г a k a. k i О., II a t t a A., I t о Т. and II i г a k i A. Jpn. J. Appl. Phys., 33, 6586 (1994).
[2] Gar delis S. and Hamilton B. J. Appl. Phys., 76, N 9, 5327 (1994).
[3] Maslovsky V. M. and Pavlov G. Ya. Proc. 2nd Int. Sym. on Ultra-Clean Processing of Porous Silicon Surface (UCPSS'94), Brugge, pp. S3 - 86, 1991.
[4] Кул и к II. II., Павлов Г. Я. Способ плазмохимического травления поверхности твердого тела, Патент РФ N 1Ш2003201С1.
Поступила в редакцию 24 ноября 1995 г.
