8.1.8 Пористый кремний

При электрохимическом травлении кремниевой пластины образуются поры. На рис. 8.19 показано изображение плоскости (100) кремния, полученное на ска­нирующем туннельном микроскопе после травления. Видны поры (темные обла­сти) микронных размеров. Такой материал называют пористым кремнием (PoSi). Меняя условия обработки, можно добиться нанометровых размеров таких пор. Интерес к исследованиям пористого кремния возрос в 1990 году, когда была обнаружена его флюоресценция при комнатной температуре. Люминесценцией на­зывается поглощение энергии веществом с последующим ее переизлучением в видимом или близком к видимому диапазоне. Если эмиссия происходит за вре­мя менее 10^-8 с, процесс называется флюоресценцией, а если наблюдается за­держка переизлучения, то — фосфоресценцией. Обычный (не пористый) крем­ний обладает слабой флюоресценцией между 0,96 и 1,20 эВ, то есть на энергиях, близких к ширине запрещенной зоны, составляющей при комнатной температу­ре 1,125 эВ. Такая флюоресценция в кремнии является следствием переходов эле­ктронов через запрещенную зону. Однако, как можно видеть на рис. 8.20, порис­тый кремний демонстрирует сильную индуцируемую светом люминесценцию с энергиями заметно больше 1,4 эВ при температуре 300 К. Положение пика в эмиссионном спектре определяется временем травления образца. Это открытие получило большой резонанс из-за возможности использования фотоактивного кремния в хорошо отработанных технологиях с целью создания новых дисплеев или оптоэлектронных пар. Кремний — самая распространенная основа транзис­торов, являющихся переключателями в компьютерах.

Н а рис. 8.21 показан один из способов травления кремния. Образец помеща­ют на металлическое, например, алюминиевое дно контейнера, стенки которого сделаны из полиэтилена или тефлона, не реагирующих с плавиковой кислотой (HF), которая используется в качестве травителя.

Рис. 8.19. Изображение поверхности про­травленного кремния n-типа, полученное в сканирующем электронном микроскопе. Поры микрометровых размеров выглядят как темные области.

Рис. 6.20. Спектры фотолюминесценции пористого кремния при комнатной темпе­ратуре для двух времен травления. Следует обратить внимание на разный масштаб этих двух кривых.

Рис. 6.21. Ячейка для травления кремниевой пластинки в растворе плавиковой кис лоты (HF) с целью образования пор.

Между платиновым электродом и кремниевой пластиной подается напряжение, причем кремний выступает поло­жительным электродом. Параметрами, влияющими на характеристики пор, явля­ются концентрация HF в электролите, сила тока, присутствие поверхностно-ак­тивных веществ и полярность приложенного напряжения. Атомы кремния имеют четыре валентных электрона и образуют связи в кристалле с четырьмя ближайши­ми соседями. Если заменить один из них атомом фосфора, имеющим пять валент­ных электронов, то четыре его электрона будут участвовать в образовании связей с четырьмя ближайшими атомами кремния, оставляя один электрон не связанным и способным участвовать в переносе заряда, внося вклад в проводимость. Это со­здает в запрещенной зоне уровни, лежащие близко к дну зоны проводимости. Кремний с примесью такого рода называется полупроводником n-типа. Если атом примеси — алюминий, имеющий три валентных электрона, то для образования че­тырех связей с ближайшими атомами одного электрона не хватает. Структура, воз­никающая в таком случае, называется дыркой. Дырки тоже могут участвовать в пе­реносе заряда и увеличивать проводимость. Кремний, легированный таким обра­зом, называется полупроводником р-типа. Оказывается, что размер пор, образующихся в кремнии, зависит от того, какого он типа, n- или р-. При травле­нии кремния р-типа образуется очень тонкая сеть пор с размерами менее 10 нм.

Для объяснения происхождения люминесценции пористого кремния было предложено множество теорий, основанных на разных гипотезах, в которых учиты­вались следующие факторы: присутствие оксидов на поверхности пор; влияние со­стояния дефектов поверхности; образование квантовых проволок, квантовых точек и обусловленная ими квантовая локализация; поверхностные состояния квантовых точек. Пористый кремний также демонстрирует электролюминесценцию, при ко­торой свечение вызывается небольшим напряжением, приложенным к образцу, и катодолюминесценцию, вызываемую бомбардирующими образец электронами.