Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію

При формуванні наноструктурованого кремнію на підложжях монокристалічного кремнію відбувається зміна не тільки структурних властивостей, що призводить до зміни ширини забороненої зони і прояву квантоворозмірних ефектів, але й утворення на поверхні нових сполук кремнію з підвищеним вмістом водню й а...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Білик, Т.Ю., Шмирєва, О.М., Мельниченко, М.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76425
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію / Т.Ю. Білик, О.М. Шмирєва, М.М. Мельниченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 395-402. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76425
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-764252015-10-31T20:58:34Z Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію Білик, Т.Ю. Шмирєва, О.М. Мельниченко, М.М. При формуванні наноструктурованого кремнію на підложжях монокристалічного кремнію відбувається зміна не тільки структурних властивостей, що призводить до зміни ширини забороненої зони і прояву квантоворозмірних ефектів, але й утворення на поверхні нових сполук кремнію з підвищеним вмістом водню й аморфного кремнію. Така складна структура обумовлює прояв нових електрофізичних, фотоелектричних, теплофізичних та фотолюмінесцентних властивостей, що дозволяє створювати нові типи напівпровідникових приладів, зокрема, фотоприймачі короткохвильової частини спектру. Метою даної роботи є подальше дослідження технологічних метод керування функціональними властивостями наноструктурованого кремнію із застосуванням нових складів щавників. Formation of nanoporous silicon on monocrystalline silicon wafers changes structural properties that results in forbidden-bandwidth change and quantumdimension effects appearance as well as appearance of new silicon compounds with higher hydrogen and amorphous-silicon contents on the silicon surface. Such a complex structure with new electrophysical, photoelectrical, thermophysical, and photoluminescent properties makes possible new types of semiconductor devices, in particular, light detectors of short-wave spectral range. Goal of this work is to study technological methods for governing by functional properties of nanoporous silicon using new compositions of etching agents. При формировании наноструктурированного кремния на подложках монокристаллического кремния происходит изменение не только структурных свойств, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны и проявлению квантово-размерных эффектов, но и к возникновению на поверхности новых соединений кремния с повышенным содержанием водорода и аморфного кремния. Такая сложная структура приводит к проявлению новых электрофизических, фотоэлектрических, теплофизических и фотолюминесцентных свойств, что позволяет создавать новые типы полупровод-никовых приборов, в частности, фотоприемники коротковолновой части спектра. Целью данной работы является дальнейшее изучение технологических методов управления функциональными свойствами наноструктурированного кремния с применением новых составов травителей. 2009 Article Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію / Т.Ю. Білик, О.М. Шмирєва, М.М. Мельниченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 395-402. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1816-5230 PACSnumbers:78.55.Mb,78.67.Rb,81.07.Bc,81.40.Tv,81.65.Cf,85.60.Dw,85.60.Gz http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76425 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	При формуванні наноструктурованого кремнію на підложжях монокристалічного кремнію відбувається зміна не тільки структурних властивостей, що призводить до зміни ширини забороненої зони і прояву квантоворозмірних ефектів, але й утворення на поверхні нових сполук кремнію з підвищеним вмістом водню й аморфного кремнію. Така складна структура обумовлює прояв нових електрофізичних, фотоелектричних, теплофізичних та фотолюмінесцентних властивостей, що дозволяє створювати нові типи напівпровідникових приладів, зокрема, фотоприймачі короткохвильової частини спектру. Метою даної роботи є подальше дослідження технологічних метод керування функціональними властивостями наноструктурованого кремнію із застосуванням нових складів щавників.
format	Article
author	Білик, Т.Ю. Шмирєва, О.М. Мельниченко, М.М.
spellingShingle	Білик, Т.Ю. Шмирєва, О.М. Мельниченко, М.М. Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Білик, Т.Ю. Шмирєва, О.М. Мельниченко, М.М.
author_sort	Білик, Т.Ю.
title	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
title_short	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
title_full	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
title_fullStr	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
title_full_unstemmed	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
title_sort	технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76425
citation_txt	Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію / Т.Ю. Білик, О.М. Шмирєва, М.М. Мельниченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 395-402. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT bíliktû tehnologíčnímetodikeruvannâvlastivostâminanostrukturovanogokremníû AT šmirêvaom tehnologíčnímetodikeruvannâvlastivostâminanostrukturovanogokremníû AT melʹničenkomm tehnologíčnímetodikeruvannâvlastivostâminanostrukturovanogokremníû
first_indexed	2025-07-06T00:51:24Z
last_indexed	2025-07-06T00:51:24Z
_version_	1836856728400953344
fulltext	395 PACS numbers:78.55.Mb, 78.67.Rb,81.07.Bc,81.40.Tv,81.65.Cf,85.60.Dw, 85.60.Gz Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію Т. Ю. Білик, О. М. Шмирєва, М. М. Мельниченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», вул. Політехнічна, 16, 03056 Київ, Україна При формуванні наноструктурованого кремнію на підложжях монокрис- талічного кремнію відбувається зміна не тільки структурних властивос- тей, що призводить до зміни ширини забороненої зони і прояву квантово- розмірних ефектів, але й утворення на поверхні нових сполук кремнію з підвищеним вмістом водню й аморфного кремнію. Така складна структу- ра обумовлює прояв нових електрофізичних, фотоелектричних, теплофі- зичних та фотолюмінесцентних властивостей, що дозволяє створювати нові типи напівпровідникових приладів, зокрема, фотоприймачі корот- кохвильової частини спектру. Метою даної роботи є подальше досліджен- ня технологічних метод керування функціональними властивостями на- ноструктурованого кремнію із застосуванням нових складів щавників. Formation of nanoporous silicon on monocrystalline silicon wafers changes structural properties that results in forbidden-bandwidth change and quantum- dimension effects appearance as well as appearance of new silicon compounds with higher hydrogen and amorphous-silicon contents on the silicon surface. Such a complex structure with new electrophysical, photoelectrical, thermo- physical, and photoluminescent properties makes possible new types of semicon- ductor devices, in particular, light detectors of short-wave spectral range. Goal of this work is to study technological methods for governing by functional prop- erties of nanoporous silicon using new compositions of etching agents. При формировании наноструктурированного кремния на подложках моно- кристаллического кремния происходит изменение не только структурных свойств, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны и проявле- нию квантово-размерных эффектов, но и к возникновению на поверхности новых соединений кремния с повышенным содержанием водорода и аморфного кремния. Такая сложная структура приводит к проявлению но- вых электрофизических, фотоэлектрических, теплофизических и фотолю- минесцентных свойств, что позволяет создавать новые типы полупровод- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 2, сс. 395—402 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 396 Т. Ю. БІЛИК, О. М. ШМИРЄВА, М. М. МЕЛЬНИЧЕНКО никовых приборов, в частности, фотоприемники коротковолновой части спектра. Целью данной работы является дальнейшее изучение технологи- ческих методов управления функциональными свойствами нанострукту- рированного кремния с применением новых составов травителей. Ключові слова: хемічне щавлення, наноструктурований кремній, кое- фіцієнт фоточутливости, фотоелектричні властивості, РЕМ-зображення. (Отримано 12 листопада 2008 р.) 1. ВСТУП Основними стратегічними науково-технічними напрямами в розви- тку сучасного суспільства є створення екологічно чистих поновлю- ваних джерел енергії, до яких, насамперед, відносяться фотоелект- ричні перетворювачі (ФЕП) сонячної енергії. При оцінці комерцій- ної цінности ФЕП, крім ефективности перетворення, необхідно враховувати питому вартість вироблюваної електричної енергії, га- барити елемента, поширеність матеріялу в природі, рівень токсич- ности технології, енергетичних витрат при виготовленні. Сукуп- ність цих вимог дозволяє кремнійові утримувати свої позиції в цій області, тим більше його резерви далеко не використані, особливо з відкриттям нових функціональних властивостей нанокристалічно- го і пористого кремнію. Успішний розвиток можливий при ство- ренні нових напівпровідникових матеріялів, у тому числі і нанок- ристалічних, з керованими функціональними властивостями. За допомогою комплексного дослідження властивостей різнома- нітними методами (АСМ, СТМ, РЕМ) встановлено, що сформовані плівки наноструктурованого кремнію представляють собою нано- композитну структуру, яка включає нанокристаліти, морфологічні сполуки кремнію з воднем та оксидні фази кремнію. Вони характе- ризуються яскравою фотолюмінесценцією в області 650 нм при збу- дженні ультрафіолетовим випроміненням з довжиною хвилі 350 нм. Для детального дослідження елементного складу плівок нанос- труктурованого кремнію на поверхні та розподілу елементів за гли- биною було застосовано методи Оже-електронної спектроскопії та вторинної йонної мас-спектрометрії [1—4]. При вирощуванні шару наноструктурованого кремнію на повер- хні монокристалічного кремнію змінюється як вміст, так і профіль розподілу кисню й оксидованого кремнію. Крім цього, істотно зрос- тає вміст водню в приповерхній області, що забезпечує значне зни- ження рекомбінаційних центрів. При формуванні наноструктуро- ваного кремнію на підкладках монокристалічного кремнію відбу- вається зміна не тільки структурних властивостей, що призводить до зміни ширини забороненої зони і появі квантово-розмірних ефе- ктів, але й утворення на поверхні нових з’єднань кремнію з підви- МЕТОДИ КЕРУВАННЯ ВЛАСТИВОСТЯМИ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО Si 397 щеним вмістом водню й аморфного кремнію. Така складна структу- ра обумовлює появу нових електрофізичних, фотоелектричних, те- плофізичних та фотолюмінесцентних властивостей, що дозволяє створювати нові типи напівпровідникових приладів, зокрема, фо- топриймачі короткохвильової частини спектру. Метою даної роботи є подальше дослідження технологічних ме- тод керування функціональними властивостями наноструктурова- ного кремнію зі застосуванням нових складів щавників. 1. ТЕХНОЛОГІЧНІ МЕТОДИ ФОРМУВАННЯ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО КРЕМНІЮ Існують численні методи одержання nc-Si з використанням не елект- ролітичного, а чисто хемічного (фарбувального) щавлення кремнію. Для цього у склад щавника поруч з HF вводиться сильний окисню- вач. Найчастіше для одержання нанокристалічного (пористого) кре- мнію використовуються суміші: HF + HNO3 + H2O; NaNO2 + HF + + оцтова кислота + гліцерин з різною концентрацією компонент. За цих умов доокиснення йонів Si2+ до Si4+ відбувається вже не йонами водню, а більш сильними окиснювачами і, відповідно, без виділення водню. Основними є дві реакції, які відбуваються послідовно. Перша з них безпосередньо пов’язана з переносом заряду через міжфазну границю кремній/розчин і відбувається за участю дірок h +. В йонній формі ця реакція може бути записана як [5] Si + 2h+ → Si2+. (1) Утворені при цьому йони Si2+ нестійкі. Тому надалі вони або окиснюються, наприклад, йонами водню: Si2+ + 2H+ → Si4+ + H2, (2а) або беруть участь у реакції диспропорціонування за схемою: Si2+ + Si2+ → Si + Si4+. (2б) В результаті реакції (2б) утворюється вторинний атомарний кре- мній у кількості, рівній половині йонів кремнію, що беруть участь у цій реакції, а друга його половина зв’язується присутніми у розчині йонами F −, утворює міцні комплексні йони [SiF6] 2− і у такому вигля- ді переходить у розчин. Реально обидві вторинні реакції (2а) та (2б) відбуваються паралельно. Частка кожної з них визначається конк- ретними умовами експерименту. Йони Si2+, що утворилися в ре- зультаті реакції (1), можуть адсорбуватися поверхнею кремнію в місцях їх утворення або дифундувати у розчин у вигляді комплекс- 398 Т. Ю. БІЛИК, О. М. ШМИРЄВА, М. М. МЕЛЬНИЧЕНКО них йонів [SiF4] 2− і адсорбуватися на деякій віддалі від місця утво- рення. Потім вступають в силу реакції (2а) та (2б). Реакція диспро- порціонування вимагає, щоб два йони Si2+ обмінялись своїми заря- дами. Таким чином, диcпропорціонуванню піддаються йони, адсо- рбовані поверхнею кремнію. Вторинні нейтральні атоми кремнію, що утворюються за реакцією (2б), також спочатку опиняються ад- сорбованими поверхнею кремнійової основи. При цьому на поверхні кремнію утворюються своєрідні початкові дефекти – «зайві» поверхневі атоми кремнію. Концентрація ато- мів, що повторно кристалізуються протягом однієї секунди на пове- рхні кремнійової основи, співрозмірна чи перевищує поверхневу концентрацію вихідної ґратниці. За цих умов утворені атоми крем- нію не мають реальної можливости рівномірно добудовувати крис- талічну ґратницю вихідного кремнію. Більш ймовірним стає хаоти- чний розподіл вторинних атомів кремнію на поверхні основи, у тому числі з утворенням аґреґатів, що складаються з кількох атомів вто- ринного кремнію [6]. Ці утворення можуть знову розчинятися від- повідно до реакції (1). Проте в результаті квантово-розмірного роз- ширення забороненої зони їх електричний опір може виявитись на- багато більшим, що підвищує стійкість кремнійових аґреґатів до розчинення. Таким чином, на поверхні кремнію виникають статич- но розподілені острівки з підвищеною стійкістю до розчинення (по- верхневі нанокристаліти). Тим самим забезпечується перша стадія утворення нанокристалічного кремнію – виникнення поверхневих неоднорідностей квантово-розмірного масштабу. Надалі кремній буде розчинятися переважно у проміжках між нанокристалічними аґреґатами, тобто почнеться утворення і поглиблення пор (рис. 1). Одночасно з утворенням пор продовжується нарощування вторин- ного кремнію на всій поверхні nc-Si, у тому числі і на стінках пор. Його високий питомий опір в тонких стінках пор забезпечує підви- щену стійкість стінок пор до розчинення і сприяє росту крупних пор A B C D Рис. 1. СЕМ-фотографія поверхні кремнію з різним питомим опором: (А) 0,3, (В) 1,0, (С) 4,5, (D) 10 Ом⋅см після хемічного процесу формування на- ноструктурованого кремнію. МЕТОДИ КЕРУВАННЯ ВЛАСТИВОСТЯМИ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО Si 399 в глибину основи. Осідання вторинного кремнію на стінках пор та- кож відбувається у вигляді окремих розрізнених аґреґатів, що до- зволяє утворюватись мілким боковим відгалуженням пор. Таким чином, згідно з нашими уявленнями в nc-Si утворюються дві системи пор: крупні «маґістральні» пори мікрометрової ширини, що йдуть у глибину основи на десятки мікрометрів і які добре видно у оптичні мікроскопи, і значно більш короткі «нанопори», що відга- лужуються від крупних пор. Непрямим підтвердженням можливости утворення вторинних кремнійових аґреґатів з кристалічною струк- турою (нанокристалітів) є одержання пористих шарів на основах з аморфного кремнію, що люмінесцюють у видимій області спектру. 2. ВПЛИВ РЕЖИМІВ ФОРМУВАННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ nс-Si. Практичний інтерес виявляють залежності параметрів НК від умов проведення процесу формування. У випадку хемічного щавлення властивості сформованих нанокристалічних плівок залежать від концентрації щавника та часу щавлення. Зміна концентрації щавни- ка призводить до появи процесів полірування чи тривалого неоднорі- дного формування нанокристалічної плівки. Тому в даній роботі про- а б в Рис. 2. РЕМ-зображення текстурованої поверхні кремнію (а) і НК, сформова- ного на ній за час щавлення 3хв. (б), 10хв. (в);щавник4НF:HNO3:xH2O. 400 Т. Ю. БІЛИК, О. М. ШМИРЄВА, М. М. МЕЛЬНИЧЕНКО ведені дослідження властивостей nс-Si від тривалости щавлення з ме- тою з’ясування закономірностей впливу часу формування плівок nс- Si на структуру, хемічний склад і фотоелектричні властивості. Різноманітний характер формування нанокристалічного крем- нію на текстурованій поверхні в залежности від складу щавника і часу оброблення ілюструють зображення поверхні, одержані мето- дою РЕМ. (рис. 2, 3). а б в Рис. 3. РЕМ-зображення поверхні нанокристалічного кремнію сформова- ного на текстурі в щавнику 100 мл НF + 2 г NaNO2 + xH2О. а б Рис. 4. Залежність провідности від часу щавлення у щавнику 4НF:HNO3:xH2O (а) та 100 мл НF + 2 г NaNO2 + xH2О (б) для n- та р-Si. МЕТОДИ КЕРУВАННЯ ВЛАСТИВОСТЯМИ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО Si 401 3. ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОСТРУКТУРОВАНОГО КРЕМНІЮ З ростом часу щавлення на поверхні збільшується кількість нано- розмірних аґреґатів з високим питомим опором, який призводить до зростання загального опору структури наноструктурований кре- мній-кремній (рис. 4, а), проте у випадку невеликого часу щавлен- ня (за умови використання більш аґресивних щавників) опір струк- тури навпаки зростає за рахунок адсорбованих поверхнею йонів ки- сню. На рисунку 4 показані залежності провідности структури nc- Si/Si від часу щавлення, щавника та типу основи. Час щавлення також впливає на розмір нанокристалітів крем- нію, що призводить до зміни спектру вбирання та коефіцієнту від- бивання шарів наноструктурованого кремнію, і, як наслідок, до зміни фоточутливости (рис. 5, 6). а б Рис. 5. Залежність коефіцієнту фоточутливости Кф від часу щавлення у щавнику 4НF:HNO3:xH2O (а) та 100 мл НF + 2 г NaNO2 + xH2О (б). а б Рис. 6. Люмен-амперні характеристики структур por-Si/Si при викорис- танні різних щавників та основ n-Si (а) та p-Si (б). 402 Т. Ю. БІЛИК, О. М. ШМИРЄВА, М. М. МЕЛЬНИЧЕНКО 4. ВИСНОВКИ Встановлено, що першою стадією утворення нанокристалічного кремнію є виникнення поверхневих неоднорідностей квантово- розмірного масштабу з подальшим поглибленням і розгалуженням пор. Осідання вторинного кремнію на стінках пор відбувається у вигляді окремих розрізнених аґреґатів, що дозволяє утворюватися мілким боковим відгалуженням пор. Застосування методи РЕМ показало, що структура поверхні на- нокристалічного кремнію, одержаного методою хемічного щавлен- ня, визначається складом, концентрацією щавника та часом щав- лення, і станом вихідної поверхні монокристалічного кремнію. Визначено, що провідність плівок нанокристалічного кремнію залежить від розміру кристалітів та кількости адсорбованих йонів кисню. При використанні щавника 100 мл НF + 2 г NaNO2 + xH2О відбувається швидке утворення глибокого шару нанокристалічного кремнію, що призводить до підвищення інтенсивности фотолюмі- несценції та високих значень фоточутливости. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. A. I. Luchenko, M. M. Melnichenko, K. V. Svezhentsova, and O. M. Shmyryeva Proc. of SPIE, 6327, No. 16: 1 (2006). 2. В. М. Коваль, А. Н. Шмырева, Радиотехника, 145: 57 (2006). 3. N. F. Starodub, V. G. Melnik, and O. M. Shmyryeva, Proc. of the 36th Interna- tional Conference on Environmental Systems (Norfolk, USA, 2006), p. 2210. 4. N. F. Starodub, V. G. Melnik, and O. M. Shmyryeva, Proc. of the 36th Interna- tional Conference on Environmental Systems (Norfolk, USA, 2006), p. 2210. 5. D. R. Turner, Electrochemistry of Semiconductors (Ed. P. J. Holmes) (New York: Academic: 1961). 6. А. А. Айвазов, В. В. Мушниченко, Обзоры по электронной технике, Сер. 6: Материалы, № 6: 44 (1989). 5. В. М. Коваль, А. Н. Шмырева, Радиотехника, 145: 57 (2006). 7. А. Н. Шмырева, Н. Н. Мельниченко, Электроника и связь (2006), ч. 1, с. 17. 8. О. М. Шмирєва, П. С. Смертенко, В. В. Наумов, М. М. Мельниченко, Фотоп- риймач ультрафіолетового діапазону (Пат. 6117 Украина, МКИ Н01 L 51/30/ – № 20040907889. Заявл. 28.09.2004. Опубл. 15.04.2005. Бюл. № 4). 9. О. М. Шмирєва, М. М. Мельниченко, Спосіб виготовлення сонячного елеме- нта (Пат. 22241 Украина, МКИ Н01L31/18/ – № u200608000. Заявл. 17.07.1006. Опубл. 25.04.2007. Бюл. № 5).

Технологічні методи керування властивостями наноструктурованого кремнію

Institution

Ähnliche Einträge