СОДЕРЖАНИЕ
Список часто используемых сокращений и обозначений 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СЛОИСТЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР (обзор литературы) 12
1.1 Формирование щелевых кремниевых структур 12
1.1.1 Анизотропное жидкостное химическое травление 12
1.1.2 Реактивное ионно-плазмениое травление 18
1.2 Оптические свойства щелевых кремниевых сіруктур 25
1.2.1 Двулучеиреломление света в щелевых кремниевых структурах 25
1.2.2 Комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых структурах 31
1.3 Оптические свойства одномерных слоистых кремниевых
структур 41
1.3.1 Одномерные фотонные кристаллы на основе щелевых кремниевых структур * * 41
1.3.2 Одномерные фотонные кристаллы на основе пористого кремния 43
1.4 Фотолюминесцентные свойства субмикронных сіруктур и
наноструктур на основе кремния 49
1.5 Выводы из обзора литературы и постановка задачи 65
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО
АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕТНАЛЬНЫХ ДАННЫХ 67
2.1 Образцы щелевых кремниевых структур 67
2.2 Образцы многослойных структур на основе пористого кремния 70
2.3 Образцы щелевых кремниевых структур, подвергшихся
химическому травлению 71
2.4 Измерение спектров комбинационного рассеяния света 72
2
73
76
78
78
82
89
89
95
99
102
105
107
Измерение спектров многослойных структур на основе пористого кремния и показателей преломления образцов ЩКС в ИК диапазоне спектра
Измерение спектров фотолюминесценции щелевых кремниевых структур
Измерение спектров электронного парамагнитного резонанса образцов щелевых кремниевых структур
Расчет спектров отражения фотонных кристаллов на основе пористого кремния методом характеристических матриц Расчет эффективных показателей преломления и коэффициентов поглощения света для щелевых кремниевых структур с различной концентрацией свободных носителей заряда
КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Усиление комбинационного рассеяния света в многослойных кремниевых структурах на основе пористого кремния Усиление комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых микроструктурах
Эффект слабой локализации света в щелевых кремниевых структурах
Усиление локальных колебаний молекул, адсорбированных в щелевые кремниевые структуры
Комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых структурах с различной концентрацией свободных носителей заряда
Зависимость интенсивности римановского рассеяния света в кремниевых микроструктурах от интенсивности излучения накачки
3
ГЛАВА 4. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕЛЕВЫХ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР 110
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
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
110
114
120
125
129
129
135
139
141
4
Список часто используемых сокращений и обозначений
с-81 - монокристаллический кремний
ЩКС — щелевая кремниевая структура
ФК - фотонный кристалл
ФЗЗ - фотонная запрещенная зона
КРС - комбинационное рассеяние света
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние света
И К - инфракрасный
ФЛ - фотолюминесценция
ПК - пористый кремний
Микро-ПК - микропористый кремний
Мезо-ПК - мезопористый кремний
Макро-ПК - макропористый кремний
СНЗ - свободные носители заряда
НПЗ - неравновесные носители заряда
ЭПР - электронный парамагнитный резонанс
нано-ЩКС - наноструктурированная щелевая кремниевая структура
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Монокрнсталлический кремний (с-81) на сегодняшний день остается базовым материалом современной микроэлектроники. В настоящее время прекрасно развиты псе технологические этапы получения, очистки и обработки кремния. Однако современная микроэлектроника предъявляет очень высокие требования к интегральным микросхемам по степени интеграции, а главное но 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 передач)' се оптическим путем. Потому весьма актуальной задачей является разработка новых методов по передаче информации оптическим путем. Кроме того, так как с-51 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 с-81 ограничивает возможности его применения, как для решения данной задачи, так и в фотонике в целом. Выходом из ситуации может быть формирование на основе с-Б1 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 вдоль определенных кристаллографических направлений в электрохимическом, плазмохимическом или химическом процессах. Важными примерами таких анизотропно-
6
структурированных 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 с-51 порообразование происходит преимущественно вдоль кристаллографических направлений <100>. Это свойство позволяет формировать на подложке с-Б! 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 кон трастом 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
7
или квазиупоридоченных 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 элекчричсских 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 римановского лазера на кремнии.
Целыо 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
8
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 с-Бн
3. Установлено, что усиление комбинационного рассеяния света и щелевых кремниевых микроструктурах при возбуждении светом с длиной волны 1.064 мкм связано с аффектом 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 с-Б! фотолюминесценцией, обусловленной межзонной излучатсльной 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 наноструктурироваиия 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 фонолах кристаллической решетки кремния в щелевых
9
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 с-Бі.
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 с-Бі 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-Лорснца.
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 н 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.
10
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-Barcclona, Spain, 2006; 3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau, Moldova, 2006; 3rd International Conference on Micro-Nanoclcctronics, Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007), Athens, Greece, 2007; XI Всероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах”, Звенигород, Россия, 2008; 4’1' 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. И.А. Пискунов, C.B. Заботнов, Д.А. Мамичев, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров “Модификация двулучепреломляюших свойств наноструктурированного кремния при изменении уровня легирования подложки бором” // Кристаллография, 2007, т. 52, №> 4, стр. 711-715.
АЗ. 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. Krulkova, 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.
11
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
Исторически технология жидкостного травления кремния [1,2] появилась раньше методов “сухого” (ионно-плазменного) травления [1-3]. На сегодняшний день жидкостное травление все еще играет достаточно важную роль в производстве полупроводниковых микро- и наноэлементов для интегральных схем. Однако необходимо отметить, что на многих этапах оно уже заменяется ионно-плазменным травлением. Различают два вида жидкостного травления: изотропное жидкостное травление и анизотропное жидкостное травление. В случае изотропного травления материал удаляется во всех направлениях с одинаковой скоростью, в результате этого профиль полупроводниковой структуры под маской фоторезиста получается полукруглым (см. рис. 1.1 а). При анизотропном травлении скорость травления зависит от кристаллографических направлений в кристалле, и поэтому в этом случае возможно получать полупроводниковые структуры с прямыми стенками (см. рис. 1.16).
Изотропное травление используют в основном для очистки поверхности,
удаления дефектов на поверхности,
полировки, а также получения пористых слоев. Для изотропного жидкостного травления используются в основном
различные растворы ШТНМОз/НгО и НР/НЫОз/СНзСООН (НКА) [4-7].
Механизм травления достаточно прост -азотная кислота окисляет кремний, образуя оксид, который затем удаляется плавиковой кислотой. Уксусная кислота используется в качестве буферной жидкости для предотвращения диссоциации азотной кислоты.
Анизотропное жидкостное травление является важным звеном в технологии изготовления полупроводниковых микроструктур. Для анизотропного травления с-81 наиболее часто используют следующие три травителя: гидроксид калия (КОН) [8, 9],
я)
Рис. 1.1. Профили травления для изотропного (а) и анизотропного (б) процессов травления [1].
12
- Київ+380960830922