Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » О влиянии концентрации

О ВЛИЯНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ КВАНТОВЫХ НИТЕЙ

ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

Компан M.E. (kompan@solid.ioffe.rssi.ru), Сениченков И.Ю., Шабанов И.Ю.,

Салонен Я.(*) ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (*)Университет Турку, Турку, Финляндия

For the first time the dependence of wires size in porous silicon on the free-carrier concentration in initial silicon was explained as a result of carriers kinetics in process of wires self-formation.

Основная часть существующего потока публикаций по пористому кремнию (PS) посвящена исследованию свойств этого материала, см.например, [1-3]. Менее активно разрабатывается другая проблема, связанная с пористым кремнием - выяснение механизмов самоформирования сложной структуры из наноразмерных элементов - т.н. квантовых нитей . Характеристики отдельных нитей и структурные и топологические характеристики образующейся из нитей среды зависят от параметров процесса формирования и от исходного кристаллического материала. Понимание механизмов формирования и связи параметров исходных и полученных материалов было бы безусловно полезным для развития технологии этого нового перспективного опто-электронного материала.

Однако процесс самоформирования нитей пористого кремния не менее интересен как уникальный пример самоорганизации. Это единственный известный случай (по крайней мере в физике твердого тела) когда при определенных макроскопических условиях не только возникают отдельные наноразмерные элементы, но и образуется макроскопический (объемный) материал, состоящий из таких элементов.

Имеются лишь единичные работы, посвященные анализу механизмов самоформирования структуры пористого кремния. В частности, в [4] было показано, что в сложном процессе самоформирования уже образовавшаяся форма (структура) пористого кремния определяет параметры вновь образующейся структуры. Известны также некоторые эмпирические закономерности, связывающие параметры исходного кристаллического кремния и параметры пористого материала. В частности известно, что при использовании низколегированного кремния, с концентрацией порядка 10 см получающийся пористый материал имеет относительно крупные диаметры проволок (поры), в то время как из высоколегированного кремния



18 3

с концентрацией около 10 см удается получать пористый кремний с поперечными размерами элементов порядка единиц нанометров, демонстрирующий люминесценцию как следствие эффекта квантового конфайнмента.

В данной работе предложен механизм влияния концентрации свободных носителей в исходном материале на поперечный размер формирующихся нитей. Выводы работы подтверждены методами компьютерного моделирования.

Основные механизмы, участвующие в процессе формирования нитей, были сформулированы в модели, предложенной в [4]; зависимость размера нитей от концентрации примесей в исходном кремнии не была объяснена.

Непосредственной зоной формирования является граница трех сред -кристаллического материала, травителя и уже сформированного пористого кремния. Очевидно, что свойства травителя задаются экспериментатором и не зависят от легирования исходного материала. Свойства нитей также не зависят от концентрации примесей в материале: увеличение запрещенной зоны вследствие эффекта квантового конфайнмента приводит к уходу из нитей свободных носителей. Размер нитей столь мал, что при разумных концентрациях примесей число примесных центров в них ничтожно; кроме того, в процессе травления именно неоднородности и примеси в материале будут стравливаться в первую очередь, так что свойства нитей не могут зависеть от степени легирования исходного материала. Таким образом, и это естественно, на ход процесса самоформирования может влиять тольколегирование тонкого слоя исходного кремния, граничного с фронтом травления.

По имеющимся представлениям о химизме травления, процесс вытравливания инициируется локализацией электронной дырки на одном из атомов кремния. Последующие стадии процесса приводят к стравливанию атома с поверхности. Поставщиком электронных дырок для процесса является источник анодного смещения, используемый при травлении. Тем самым, исходная концентрация не должна была бы влиять на электронные дырки, участвующие в реакции. Это согласовалось бы с тем фактом, что без положительного смещения относительно травителя монокристаллический кремний не травится плавиковой кислотой при любых концентрациях последней. Однако такое влияние концентрации на процесс травления тем не менее существует, и механизм его нетривиален.

Рассмотрим область кристалла вблизи фронта травления, где только что на отдельном атоме была локализована электронная дырка и тем самым была запущена последовательность реакций, приводящая к вытравливанию атома кремния. Может ли это привести к изменению вероятности вытравливания соседних атомов? Принято считать, что единственной причиной изменения вероятности последующего вытравливания других



атомов кремния в рассматриваемой области может являться изменение числа связей у атомов, соседних с только что вступившим в реакцию. Однако это не так, изменение вероятности вытравливания может затронуть существенно более протяженную область. Как уже указывалось, источником электронных дырок для инициации реакции травления является внеший источник тока. При типичных режимах анодного травления концентрация носителей в объеме в процессе травления остается постоянной. Однако это утверждение справедливо лишь в среднем. Когда атом с локализованной на нем электронной дыркой вступает в реакцию с анионом фтора, электронная дырка меняет свой статус - она перестает быть свободным носителем, ее заряд компенсируется зарядом анионов фтора, реагирующих с атомом кремния. Тем самым, в кристалле в приповерхностной области возникает отклонение концентраций носителей от равновесной. Совсем просто это можно представить себе следующим образом: когда какая-то дырка используется для реакции, в данной локальной области кристалла просто не остается другой дырки, необходимой для инициации реакции вытравливания следующего атома. Поэтому в первые моменты времени после вытравливания вероятность стравливания новых атомов в той же области резко понижается. Однако со временем равновесие в системе свободных носителей должно восстановиться, и эффект памяти к предыдущему вытравливанию исчезнет.

Обратим внимание: особенностью сформулированного выше механизма влияния вытравливаемых атомов на вероятность вытравливания соседей является его динамический характер. Действительно, по существу сформулированный механизм является следствием законов поведения подсистемы свободных зарядов в кристалле. Понимая это, легко предсказать поведение носителей в данной области. Очевидно, что в процессе случайной диффузии носителей равновесие должно быть восстановлено в среднем за характерное время реакции (восстановления равновесия) зарядовой подсистемы. Эта характеристика известна как максвелловское время

зарядовой подсистемы (Тм)

где (s) и (а) - диэлектрическая проницаемость и проводимость материала. Из общей концепции понятно также, что уменьшение вероятности травления не распространяется на всю границу раздела, а захватывает лишь область с размерами порядка радиуса Дебая (RD)

s /а


s k T / e2 n



Здесь в формуле (кТ) - температура в энергетических единицах, (е) - заряд электрона, (п) - концентрация свободных носителей.

Предложенный механизм является следствием законов, определяющих реакцию системы подвижных зарядов на возмущающее воздействие. Представляется, что этот механизм должен быть существенным на начальном этапе процесса самоформирования, когда рельеф из квантовых проволок еще не сформировался. Его действие сводится к следующему: случайно вытравленные на начальном этапе атомы тормозят травление вокруг позиции вытравленного атома на расстояниях порядка радиуса Дебая. За время, пока зарядовая система в этой области прийдет в равновесие (восстановится), на внешней границе этой области успеет произойти следующий акт стравливания; область между точками первого и второго вытравливания снова останется заблокированной. Но при этом место первого травления оказывается за пределами радиуса Дебая относительно точки возмущения зарядовой подсистемы вторым актом травления, и травление в первой точке снова становится возможным. В целом механизм обеспечивает дистанцирование центров травления на расстояние пропорциональное корню квадратному из концентрации носителей. Можно указать, что, из общих соображений и по результатам проведенного компьютерного моделирования, предложенный механизм эффективно влияет на формирование системы нитей на начальном этапе травления. В том случае, когда рельеф из квантовых проволок уже сформирован, ход процесса самоформирования будет определяться другими, более сильными факторами и новообразующиеся проволоки будут преимущественно повторять уже имеющуюся структуру.

Таким образом, впервые предложен механизм, определяющий зависимость параметров самоформирующейся структуры квантовых проволок пористого кремния от концентрации свободных носителей висходном кристаллическом кремнии.

[1] A.G. Cullis, L.T. Cancham. Nature, v.353, N 335 (1991)

[2] M.I.J. Beale, J.D. Benjamin, M.J.Uren, N.G.Chew, A.G.Cullis J. of Cristal

Growth v.73, pp.622-636 (1985)

[3] P.D.Steven, H.Gosser Appl.Phys.Lett. v.63, N.6 pp.803-805 (1993) [4] Компан М.Е., Шабанов И.Ю. ФТП т.29, в.10, стр.1859-1869 (1995)



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.