14.7. Пористый кремний

При электрохимическом травлении кремниевой пластины образуются поры.

На рис. 14.15 показано изображение с плоскости (100) Si, полученное на туннельном микроскопе (темные области микронных размеров – поры). Меняя условия обработки, можно добиться нанометровых размеров таких пор. Вообще интерес к исследованиям пористого кремния возрос в 1990-х годах, когда была обнаружена его флюоресценция при комнатной температуре. Если эмиссия происходит за время ~10^-8 с, процесс называется флюоресценцией, а если наблюдается задержка переизлучения, то – фосфоресценцией.

Рис. 14.15. Изображение плоскости (100) Si, полученное на

туннельном микроскопе

Обычный (не пористый) кремний обладает слабой флюоресценцией при возбуждении квантами света с энергией, лежащей между 0,96 и 1,20 эВ, т.е. при энергиях, близких к ширине запрещенной зоны Si, составляющей при комнатных температурах 1,125 эВ. Такая флюоресценция в кремнии является следствием переходов электронов через запрещенную зону.

Если мы рассмотрим спектр люминесценции, то видно, что пористый кремний демонстрирует сильное индуцируемое светом послесвечение с энергиями заметно больше 1,4 эВ при Т = 300 К. При этом положение пика в эмиссионном спектре определяется временем травления образца.

Это открытие получило большой резонанс из-за возможности использования фотоактивного Si в уже хорошо отработанных технологиях с целью создания новых дисплеев компьютеров или оптоэлектронных пар. Каким образом производят такие образцы? Как получают подобную пористость?

Рис. 14.16. Спектры люминесценции пористого кремния в

зависимости от времени травления

Образец Si помещают на металлическое, например алюминиевое дно контейнера, стенки которого сделаны из полиэтилена и тефлона, т.е. материала, не реагирующего с плавиковой кислотой, которая используется в качестве травителя. Между платиновым электродом и кремниевой пластиной подается напряжение, причем Si выступает «+» электродом. Параметрами, влияющими на характеристики пор, является концентрация HF в электролите, сила тока, присутствие поверхностно-активного вещества (катализатора), полярность напряжения. Атомы кремния имеют четыре валентных электрона и образуют связи в кристалле с 4 ближайшими соседями. Если заменить один из них атомом фосфора, имеющим 5 валентных электронов, то 4 его электрона будут участвовать в образовании связи с 4 ближайшими атомами Si, оставляя один электрон несвязанным и способным участвовать в проводимости. Это создает в запрещенной зоне уровни, лежащие близко к дну зоны проводимости. Так получают полупроводник n-типа. Если легировать Si, например алюминием (3 валентных электрона), то в результате одного электрона будет не хватать, т.е. будет избыток «дырок», которые также не могут принимать участие в проводимости. Такой кремний будет называться кремнием p-типа.

Рис. 14.17. Установка для получения пористого кремния

Оказывается, что размер пор, образующийся в Si, сильно зависит от того, какого он типа, n- или p-.

При травлении Si p-типа образуется тонкая сеть пор с размерами поры ≤ 10 нм. Вообще пористый кремний – крайне интересный материал. Например, он демонстрирует электролюминесценцию, при которой свечение вызывается небольшим напряжением, приложенным к образцу, а также катодолюминесценцию.

Для объяснения происхождения люминесценции пористого кремния было предложено множество теорий, основанных на разных гипотезах, в которых учитывались следующие факторы:

• присутствие окислов на границе раздела пор;

• влияние состояния дефектов поверхности;

• образование квантовых проволок и (или) квантовых точек и обусловленная ими квантовая локализация;

• поверхностные состояния квантовых точек/проволок.