Влияние микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Мамичев, Дмитрий Александрович

• Мамичев, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мамичев, Дмитрий Александрович

Список часто используемых сокращений и обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР (обзор литературы)

1.1 Формирование щелевых кремниевых структур

1.1.1 Анизотропное жидкостное химическое травление

1.1.2 Реактивное ионно-плазменное травление

1.2 Оптические свойства щелевых кремниевых структур

1.2.1 Двулучепреломление света в щелевых кремниевых структурах

1.2.2 Комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых структурах

1.3 Оптические свойства одномерных слоистых кремниевых структур

1.3.1 Одномерные фотонные кристаллы на основе щелевых кремниевых структур -

1.3.2 Одномерные фотонные кристаллы на основе пористого кремния

1.4 Фотолюминесцентные свойства субмикронных структур и наноструктур на основе кремния

1.5 Выводы из обзора литературы и постановка задачи

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕТНАЛЬНЫХ ДАННЫХ

2.1 Образцы щелевых кремниевых структур

2.2 Образцы многослойных структур на основе пористого кремния

2.3 Образцы щелевых кремниевых структур, подвергшихся химическому травлению

2.4 Измерение спектров комбинационного рассеяния света

2.5 Измерение спектров многослойных структур на основе пористого кремния и показателей преломления образцов ЩКС в ИК диапазоне спектра

2.6 Измерение спектров фотолюминесценции щелевых кремниевых структур

2.7 Измерение спектров электронного парамагнитного резонанса образцов щелевых кремниевых структур

2.8 Расчет спектров отражения фотонных кристаллов на основе пористого кремния методом характеристических матриц

2.9 Расчет эффективных показателей преломления и коэффициентов поглощения света для щелевых кремниевых структур с различной концентрацией свободных носителей заряда

ГЛАВА 3. КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В

КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

3.1 Усиление комбинационного рассеяния света в многослойных кремниевых структурах на основе пористого кремния

3.2 Усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах

3.3 Эффект слабой локализации света в щелевых кремниевых структурах

3.4 Усиление локальных колебаний молекул, адсорбированных в щелевые кремниевые структуры

3.5 Комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых структурах с различной концентрацией свободных носителей заряда

3.6 Зависимость интенсивности рамановского рассеяния света в кремниевых микроструктурах от интенсивности излучения накачки

ГЛАВА 4.

ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕЛЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР

ОПТИЧЕСКИЕ КРЕМНИЕВЫХ

4.1 Фотолюминесценция и ее поляризационные зависимости для щелевых кремниевых структур

4.2 Влияние обработки поверхности на рекомбинацию неравновесных носителей заряда в щелевых кремниевых структурах

4.3 Двулучепреломление в щелевых кремниевых структурах с различным уровнем легирующей примеси

4.4 Влияние фотовозбужденных носителей заряда на двулучепреломление щелевых кремниевых структур

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ЩЕЛЕВЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

5.1 Фотолюминесценция и комбинационное рассеяние света в наноструктурированных щелевых кремниевых структурах

5.2 Поляризационные зависимости интенсивности фотолюминесценции для наноструктурированных щелевых кремниевых структур

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев»

Актуальность работы

Монокристаллический кремний (c-Si) на сегодняшний день остается базовым материалом современной микроэлектроники. В настоящее время прекрасно развиты все технологические этапы получения, очистки и обработки кремния. Однако современная микроэлектроника предъявляет очень высокие требования к интегральным микросхемам по степени интеграции, а главное по быстродействию и информационной емкости. Поэтому основной тенденцией развития микроэлектроники является непрерывное повышение степени интеграции и информационной емкости интегральных микросхем. Помимо увеличения плотности элементов в микросхеме проблему повышения скорости передачи информации, а также передаваемых объемов информации можно решить, если перейти на передачу ее оптическим путем. Поэтому весьма актуальной задачей является разработка новых методов по передаче информации оптическим путем. Кроме того, так как c-Si является базовым материалом современной микроэлектроники и компьютерной техники, то на повестку дня встает задача совмещения кремниевых электрических и оптических элементов в рамках одной интегральной схемы. Однако высокая изотропия линейных оптических свойств c-Si ограничивает возможности его применения, как для решения данной задачи, так и в фотонике в целом. Выходом из ситуации может быть формирование на основе c-Si анизотропных слоистых микро- и наноструктур, которые обладают значительной оптической анизотропией, необходимой для управления светом. При этом, варьируя условия формирования можно создавать анизотропные слоистые кремниевые структуры с требуемыми значениями оптических характеристик, таких как показатель преломления и поглощения, а также величина двулучепреломления и дихроизма. Кроме того, поскольку кремний является полупроводником, открывается перспектива контролируемого изменения концентрации свободных носителей заряда (СНЗ) в слоистых кремниевых микро- и наноструктурах, что даст возможность управлять оптическими параметрами образцов. Все это обуславливает актуальность задачи по исследованию влияния микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев.

В последние годы было обнаружено, что можно формировать кремниевые слои с большой оптической анизотропией, используя преимущественное травление c-Si вдоль определенных кристаллографических направлений в электрохимическом, плазмохимическом или химическом процессах. Важными примерами таких анизотропноструктурированных кремниевых объектов являются так называемые пористый кремний (ПК) и щелевые кремниевые структуры (ЩКС).

Хорошо известно, что фотонные кристаллы (ФК) могут быть созданы на основе композитных сред, у которых неоднородности периодически упорядочены, причем период сравним с длиной волны. Известно, что при электрохимическом травлении c-Si порообразование происходит преимущественно вдоль кристаллографических направлений <100>. Это свойство позволяет формировать на подложке c-Si с ориентацией поверхности (100) ламинарную систему периодически чередующихся оптически изотропных (при нормальном падении излучения) слоев ПК с высоким и низким показателем преломления. Создание таких периодических вариаций диэлектрической проницаемости в слоях ПК позволяет получать фотонно-кристаллические структуры с высоким оптическим качеством. При этом, варьируя параметры электрохимического травления, возможно в широких пределах управлять структурными параметрами слоев ПК и, как следствие, их оптическими характеристиками для создания ФК с необходимыми свойствами.

Щелевые кремниевые микроструктуры, состоящие из чередующихся кремниевых стенок и пустот (щелей) с характерными толщинами порядка нескольких микрометров, также как и многослойные структуры на основе ПК, проявляют фотонно-кристаллические свойства. ЩКС представляет объект, в котором происходит периодическое чередование слоев с низким (щели) и высоким (кремниевые стенки) показателем преломления. Таким образом, ЩКС представляет собой ФК, обладающий достаточно высоким контрастом по показателю преломления. При этом свойства ФК на основе ЩКС можно изменять посредством изменения структурных параметров щелевого слоя (размеры щелей и кремниевых стенок), а также введения в щели различных веществ.

Таким образом, как многослойные структуры на основе ПК, так и ЩКС, могут быть использованы для создания ФК, которые могут быть интегрированы с кремниевой технологией микроэлектроники. В связи с этим открывается возможность управления световыми потоками внутри чипа и контроля излучательных мод на краю фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) или в области дефектных мод микрорезонаторов.

Помимо этого ЩКС обладают большим двулучепреломлением, которое наблюдается в средней и дальней инфракрасной (ИК) области спектра. Наблюдаемая анизотропия оптических свойств ЩКС является проявлением хорошо известного в оптике явления двулучепреломления формы. Суть данного явления состоит в модификации тензора эффективного показателя преломления среды при наличии в ней упорядоченных или квазиупорядоченных анизотропных по форме структурных элементов с характерными размерами много меньше длины волны света.

Следует заметить, что как фотонно-кристаллические свойства ЩКС и слоистых структур на основе ПК, так и двулучепреломление ЩКС обусловлены эффектами локальных электрических полей, которые проявляются при распространении света в такой диэлектрически неоднородной структуре. При этом еще более заметного влияния локальных электрических полей можно ожидать в таких структурах, например, при комбинационном рассеянии света (КРС). Особый интерес в исследовании КРС в кремниевых микро- и наноструктурах, обусловлен появившимися в последнее время работами по созданию рамановского лазера на кремнии.

Целью работы являлось исследование влияния структурных параметров и вклада свободных носителей заряда в щелевых кремниевых микроструктурах и многослойных структурах на основе пористого кремния на их оптические свойства, а именно^ эффективность комбинационного рассеяния света; дисперсию показателя преломления; двулучепреломление и фотолюминесценцию.

В;работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние структурных характеристик щелевых кремниевых микроструктур и многослойных структур на основе пористого кремния; на эффективность комбинационного рассеяния света в них. 2. Изучить комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых микроструктурах, заполненных различными диэлектрическими веществами:

3. Исследовать межзонную фотолюминесценцию и ее поляризационные характеристики для щелевых кремниевых микроструктур с различной; степенью пассивации поверхностных дефектов.

4. Исследовать влияние равновесных и неравновесных носителей заряда на комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых микроструктурах.

5. Экспериментально и теоретически исследовать влияние свободных носителей заряда на эффективный показатель преломления щелевых кремниевых микроструктур.

6. Изучить влияние наноструктурирования щелевых кремниевых микроструктур на их фотолюминесцентные свойства и эффективность комбинационного рассеяния света.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Экспериментально и теоретически продемонстрирована возможность увеличения эффективности комбинационного рассеяния света на краю фотонной запрещенной зоны в периодических структурах, сформированных на основе пористого кремния.

2. Обнаружено многократное увеличение интенсивности комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах, полученных методом реактивного ионного травления, при возбуждении их видимым или инфракрасным излучением по сравнению с пластинами c-Si.

3. Установлено, что усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении светом с длиной волны 1.064 мкм связано с эффектом слабой локализации излучения в кремниевых стенках толщиной порядка нескольких микрометров.

4. Обнаружено многократное увеличение эффективности рамановского рассеяния света на локальных колебаниях молекул, адсорбированных на поверхности стенок в щелевых кремниевых микроструктурах, что позволяет использовать их для построения высокочувствительных сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации.

5. Экспериментально найдена зависимость интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на длине волны 1.064 мкм в щелевых кремниевых микроструктурах от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см"3.

6. Обнаружено, что щелевые кремниевые микроструктуры при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм обладают более интенсивной по сравнению с подложкой c-Si фотолюминесценцией, обусловленной межзонной излучательной рекомбинацией носителей заряда.

7. Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободных носителей заряда на величину двулучепреломления и дихроизм в щелевых кремниевых микроструктурах.

8. Впервые исследовано влияние наноструктурирования поверхности кремниевых стенок щелевых кремниевых микроструктур на их фотолюминесцентные свойства и явление комбинационного рассеяния света в таких структурах.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Вывод о возможности усиления комбинационного рассеяния света на краю фотонной запрещенной зоны в периодических слоистых структурах, сформированных на основе пористого кремния.

2. Вывод о многократном возрастании интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на фононах кристаллической решетки крехмния в щелевых кремниевых микроструктурах с толщиной стенок от 1 до 7 мкм и периодом от 4 до 24 мкм при возбуждении светом с длинами волн 0.488, 0.633 и 1.064 мкм по сравнению с пластинами c-Si.

3. Утверждение о линейной зависимости интенсивности комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см"3.

4. Вывод об усилении сигнала комбинационного рассеяния света на колебательных модах молекул, конденсированных в щелевых кремниевых микроструктурах.

5. Утверждение о росте концентрации фотовозбужденных носителей заряда и возрастании интенсивности межзонной фотолюминесценции в щелевых кремниевых микроструктурах по сравнению с подложкой c-Si при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм, а также результаты по влиянию обработки поверхности кремниевых микроструктур на интенсивность их фотолюминесценции.

6. Вывод о зависимости эффективных показателей преломления и величины двулучепреломления в щелевых кремниевых микроструктурах в ИК диапазоне спектра от значения концентрации свободных носителей заряда, . а также предложенное теоретическое описание экспериментальных результатов на основе модели эффективной среды с учетом влияния свободных носителей заряда по модели Друде-Лоренца.

7. Новые данные по влиянию наноструктурирования щелевых кремниевых микроструктур на фотолюминесценцию и комбинационное рассеяние света в них, которые заключаются в появлении интенсивной фотолюминесценции в диапазоне 550 - 900 нм, связанной со слоем кремниевых нанокристаллов на поверхности кремниевых стенок и увеличении интенсивности комбинационного рассеяния света на ТО-фононах кристаллической решетки кремния.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания влияния микро- и наноструктурирования на электронные и оптические свойства кремниевых слоев, так и в прикладном плане - для создания сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации и новых элементов для управления светом на основе кремния.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 10 работах, из которых 4 -статьи в научных журналах и сборниках (см. список публикаций) и 6 — тезисы докладов в материалах конференций. Апробация проходила на следующих конференциях: Российская научная конференция "Ломоносовские чтения - 2006", Москва, Россия, 2006; 5th International Conference on Porous Semiconductors - Since and Technology (PSST 2006), Sitges-Barcelona, Spain, 2006; 3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau, Moldova, 2006; 3rd International Conference on Micro-Nanoelectronics, Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007), Athens, Greece, 2007; XI Всероссийская школа-семинар "Волновые явления в неоднородных средах", Звенигород, Россия, 2008; 4th International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2008), Chisinau, Moldova, 2008.

Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях:

Al. L.A. Osminkina, A.S. Vorontsov, S.A. Kutergin, А.Е. Tkachenko, D.A. Mamichev, A.V. Pavlikov, E.A. Konstantinova, V.Yu. Timoshenko, P.K. Kashkarov "Influence of iodine molecule adsorption on electronic properties of porous silicon studied by FTIR and EPR spectroscopy" // Phys. Status Solidi (c), 2007, v. 4, Issue 6, pp. 2121-2125. A2. H.A. Пискунов, C.B. Заботнов, Д.А. Мамичев, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров "Модификация двулучепреломляющих свойств наноструктурированного кремния при изменении уровня легирования подложки бором" // Кристаллография, 2007, т. 52, № 4, стр. 711-715. A3. А.В. Зотеев, Л.А.Головань, Е.Ю. Круткова, А.В. Лактюнькин, Д.А. Мамичев, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко, Е.В. Астрова, Т.С. Перова "Усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых структурах" // ФТП, 2007, т. 41, вып. 8, стр. 989-991. А4. D.A. Mamichev, V.Yu. Timoshenko, A.V. Zoteyev, L.A. Golovan, E.Yu. Kratkova, A.V. Laktyunkin, P.K. Kashkarov, E.V. Astrova and T.S. Perova "Enhanced Raman scattering in grooved silicon matrix" // Phys. Status Solidi (b), 2009, v. 246, Issue 1, pp. 173-176.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Мамичев, Дмитрий Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе были изучены оптические свойства щелевых кремниевых микроструктур, сформированных и модифицированных различными методами, включая наноструктурирование поверхности кремниевых слоев, а также многослойных структур на основе пористого кремния, и выявлены основные закономерности влияния структурных параметров образцов и концентрации свободных носителей заряда в них на эффективные показатели преломления, двулучепреломление, дихроизм и эффективность комбинационного рассеяния света в таких системах. Были получены следующие основные результаты:

1. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность многократного увеличения эффективности комбинационного рассеяния света ближнего инфракрасного диапазона спектра на краю фотонной запрещенной зоны в периодических слоистых структурах на основе пористого кремния.

2. Обнаружено увеличение (до 8 раз) интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра в щелевых кремниевых микроструктурах с периодом от 4 до 24 мкм по сравнению с подложкой c-Si, что объясняется эффектами слабой локализации излучения в щелях и кремниевых слоях.

3. Установлено, что для щелевых кремниевых микроструктур интенсивность комбинационного рассеяния света при возбуждении светом с длиной волны 1.064 мкм практически линейно зависит от логарифма концентрации свободных носителей заряда в диапазоне от 1015 до 1019 см"3 , что объясняется поглощением света на свободных носителях заряда и эффектом Фано.

4. Обнаружено многократное (в 10-20 раз) увеличение интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света на локальных колебаниях молекул (бензола, четыреххлористого углерода, этанола, ацетона), помещенных в щелевые кремниевые микроструктуры, что открывает возможность использования таких структур для построения высокочувствительных сенсоров на молекулы с оптическим методом считывания информации.

5. Установлено, что величина сигнала межзонной фотолюминесценции в щелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении излучением с длиной волны 1.064 мкм в 10-50 раз выше, чем для подложки c-Si, к тому же фотолюминесценция кремниевых микроструктур обладает преимущественной поляризацией, задаваемой ориентацией кремниевых структур.

6. Методом поляризационно-чувствительной инфракрасной спектроскопии исследованы спектральные зависимости показателей преломления и величины двулучепреломления в дальнем и среднем инфракрасном диапазонах спектра щелевых кремниевых микроструктур с различной концентрацией равновесных и неравновесных носителей заряда и установлено, что экспериментальные результаты для рассматриваемого диапазона спектра хорошо описываются в рамках модели эффективной среды с учетом взаимодействия света со свободными носителями заряда по модели Друде-Лоренца.

7. Исследованы оптические свойства модифицированных щелевых кремниевых микроструктур со слоями микропористого кремния на поверхности кремниевых стенок и обнаружено, что наноструктурирование поверхности стенок приводит к дополнительному росту интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света при возбуждении видимым излучением, а также к появлению интенсивной фотолюминесценции в диапазоне 550 - 900 нм, обусловленной излучательной рекомбинацией экситонов в кремниевых нанокристаллах в микропористых слоях. % %

В заключение хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В.Ю. Тимошенко за руководство работой и всестороннюю поддержку и помощь в процессе диссертационной работы. Также хочу поблагодарить Е.В. Астрову (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН) и Т.С. Перову (Trinity College, Dublin) за любезно предоставленные образцы щелевых кремниевых микроструктур и полезные обсуждения, а также Е.А. Константинову за помощь в исследовании образцов щелевых микроструктур методом ЭПР-спектроскопии, Л.А. Голованя и С.В. Заботнова за полезные и плодотворные дискуссии по теме диссертации, студента В.А. Горячева за помощь в изготовлении и измерении спектров отражения некоторых многослойных структур на основе пористого кремния. Выражаю свою благодарность заведующему кафедрой общей физики и молекулярной электроники профессору П.К. Кашкарову за предоставленную возможность выполнения диссертационного исследования, а также всем сотрудникам кафедры за доброе отношение и помощь на протяжении всех лет обучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мамичев, Дмитрий Александрович, 2009 год

1. В. Bhushan, Springer Handbook of Nanotechnology, Springer, 2nd Edition, 2004, pp. 204218.

2. Marc J. Madou, Fundamentals of microfabrication: The science of miniaturization, Taylor & Francis Inc., 2002, pp. 183-251.

3. D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich., Technology of integrated circuits, Springer, 2000, pp. 174-205.

4. H. Robbins and B. Schwartz "Chemical etching of silicon. The system HF, HNO3, and H20" // J. Electrochem. Soc., 1959, v. 106, № 6, pp. 505-508.

5. H. Robbins and B. Schwartz "Chemical etching of silicon. The system HF, HNO3, H20, and HC2H3O2" // J. Electrochem. Soc., 1960, v. 107, № 2, pp. 108-111.

6. B. Schwartz and H. Robbins "Chemical etching of silicon. A Temperature study in the acid system" // J. Electrochem. Soc., 1961, v. 108, № 4, pp. 365-372.

7. B. Schwartz and H. Robbins "Chemical etching of silicon. Etching technology" // J. Electrochem. Soc., 1976, v. 123, № 12, pp. 1903-1909.

8. Don L. Kendall "Vertical etching of silicon at very high aspect ratios" // Ann. Rev. Mater. Science, 1979, v. 9, pp. 373-403.

9. H. Seidel, L. Csepregi, A. Heuberger and H. Baumgartel "Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solutions Part I: Orientation dependence and behavior of passivation layers" // J. Electrochem. Soc., 1990, v. 137, pp. 3612-3626.

10. D. B. Lee "Anisotropic etching of silicon" // J. Appl. Phys., 1969, v. 40, pp. 4569-4574.

11. A. Reisman, M. Berkenbilt, S. A. Chan, F. B. Kaufman and D. C. Green "The controlled etching of silicon in catalyzed ethylene-diamine-pyrocathechol-water solutions" // J. Electrochem. Soc., 1979, v. 126, pp. 1406-1414.

12. O. Tabata, R. Asahi, H. Funabashi, K. Shimaoka and S. Sugiyama "Anisotropic etching of silicon in TMAH solutions" // Sensors and Actuators A, 1992, v. 34, pp. 51-57.

13. S. Brida, A. Faes, V. Guarnieri, F. Giacomozzi, B. Margesin, M. Paranjape, G. Pignatel and M. Zen "Microstructures etched in doped TMAH solutions" // Microelectronic Engineering, 2000, v. 53, pp. 547-551.

14. J. W. Coburn and H. F. Winters "Plasma etching A discussion of mechanisms" // J. Vac. Sci. Technol., 1979, v. 16, pp. 391-403.

15. H. Jansen, H. Gardeniers, Meint de Boer, M. Elwenspoek and J. Fluitman "A survey on the reactive ion etching of silicon in microtechnology" // J. Micromech. Microeng., 1996, v. 6, pp. 14-28.1617,18,19