Спосіб формування фотолюмінесцентної плівки пористого кремнію

Спосіб формування фотолюмінесцентної плівки пористого кремнію, що включає лазерну абляцію кремнієвої мішені в атмосфері інертного газу, осадження плівки із зворотного потоку часток ерозійного факела на розташовану в площині мішені підкладку та пасивацію внутрішньої поверхні плівки, який відрізняється тим, що абляцію 3+ здійснюють променем лазера ІАГ Nd з довжиною хвилі 1,06мкм, густиною енергії імпульсу 15-30 Дж/см2, його тривалістю 8-12 не та частотою 2030Гц в атмосфері аргону з тиском 5-20 Па, а пасивацію проводять в процесі осадження плівки шляхом застосування кремнієвої мішені, легованої золотом з концентрацією 10 -10 см Винахід відноситься до електронної напівпровідникової техніки, до нанотехнологм кремнію і може бути використаний при розробці елементів оптоелектроніки випромінювачів світла, фотоприймачів, а також дисплеїв, газових сенсорів, тощо Наноструктуровані кремнієві матеріали (нанокристалічний кремній nc-Si) можуть демонструвати фотолюмінесценцію (ФЛ) в видимій області спектру при кімнатній температурі, в той час як монокристалічний кремній (c-Si) - нефотолюмінесцентний матеріал, бо має непряму заборонену зону в 1,1 еВ nc-Si являє собою як мінімум двохфазну систему, в якій нанокристали (НК) Si з розмірами, що відповідають квантовому обмеженню для носив заряду, екситонів, знаходяться в другій фазі матриці SiOx (0 < х s 2), S13N4 та інших Характерною особливістю цих систем є сильно розвинена внутрішня поверхня nc-Si, зформована інтерфейсом Si НК/матриця, наявність меж фаз До nc-Si матеріалів належать пористий кремній (por-Si), що включає Si НК та пористий SiOx 3 фотолюмінесцентним (фл) por-Si пов'язані надії створення випромінювачів світла, отже рішення проблеми інтеграції елементів опто- та мікроелектроніки на базі кремнієвої технологи, розробки нових газових сенсорів за -10-30 хвилин Такі шари можуть мати значну інтенсивність ФЛ в видимій області спектру безпосередньо після формування Але, як правило, ці методи вимагають подальшої активації ФЛ, частіше шляхом відпалу в атмосфері, що містить кисень чи електрохімічним окисленням Один із основних недоліків цих шарів - нестабільність ФЛ з часом, яка пов'язана із слабкими зв'язками Si-H та значною пористістю р = 70 - 90% При умовах формування por-Si травленням внутрішня поверхня пасивована воднем Подальша, після формування, пасивація поверхні робить ці методи неодностадійними, менш технологічними ВІДМІТИМО відразу, що нестабільність ФЛ - недолік усіх відомих методів одержання por-Si Традиційно por-Si шари формують електрохімічним травленням c-Si [1-3], рідше ХІМІЧНИМ забарвлюючим травленням, коли не прикладається електричне поле [4] Електрохімічне травлення проводять в гальваностатичному режимі в розчинах HF в метанолі при густинах струму 1-20мА/см2 Традиційно підвищують стабільність та інтенсивність ФЛ, пасивуючи обірвані зв'язки Si атомами кисню [5-8] Пасивація атомами кисню більш ефективна, ніж атомами водню, тому що енергія зв'язку Si-0 більша, ніж Si-H Але найкращі результати по пасивацм досягнуто за допомогою атомів хлору Так, в [9] було запропоновано для підвищення інтенсивності ФЛ та и стабільності для por-Si, одержаного анодизацією, додати в електроліт соляну кислоту Ефект зв'язали із створенням тонкого шару S1O2 на поверхні НК, більш широкозонного та стабільного в порівнянні з SiOx Але зв'язки Si-CI теж не дуже МІЦНІ ІНШІ недоліки методів травлення пов'язані з тим, що - слабо контрольований по довжині хвилі спектр ФЛ обмежується енергіями меншими 2 еВ, що обумовлено розподілом розмірів Si НК, CO Ю C O О ю 50353 - це - рідинні методи, велика наявність домішок електроліту в por-Si, - процеси сушки призводять до значних напружень ПЛІВКИ, - виникають проблеми забруднення навколишнього середовища завдяки використанню кислот, тощо Відомий метод виготовлення фл por-Si за допомогою іскрового розряду [10] І хоч на відміну від методів селективного травлення, він є "сухим", однак вимагає використання високочастотного високовольтного генератора Він полягає в тому, що іскровий розряд між c-Si підкладкою та вольфрамовим вістрем, в атмосфері інертного газу чи повітря, викликає ерозію c-Si, формування плівки на c-Si підкладці та подальшу пасивацію киснем при старінні на повітрі протягом кількох тижнів До основних недоліків цього методу відноситься слабка інтенсивність ФЛ безпосередньо після формування, дуже велика шорстку ваті сть поверхні, що викликає труднощі для створення багатошарових структур приладів, і як вже відмічали, нестабільність ФЛ Спектр ФЛ некерований, бо велика дисперсія розмірів НК ВІДОМІ методи одержання фл nc-Si плівок лазерною абляцією кремнієвої мішені в вакуумі [1114] Серед них спосіб [14], вибраний за прототип, дозволяє одержати por-Si плівки в умовах вакуумної чистоти з суттєво зменшеною дисперсією розмірів Si кластерів, ВІДПОВІДНО З спектром ФЛ, що керується Він полягає втому, що c-Si мішень сканують променем ArF-лазера (довжина хвилі 193нм, тривалість імпульса 15 не, його густина енергії 1 - 3,9Дж/см2, частота імпульсів 3Гц) при тиску гелію Не в ~ 5 102Па та проводять осадження плівки на підкладку, що розташована в площині мішені Після ЦЬОГО проводять пасивацію киснем, витримуючи плівку протягом двох тижнів на повітрі В прототипі відсутні такі недоліки методів травлення, як наявність великої КІЛЬКОСТІ ДОМІШОК електроліту в por-Si, обмеженість слабоконтрольованого спектру ФЛ енергіями менш ніж 2,2еВ Метод лазерної абляції має переваги і щодо одержання дуже тонких (в десятки нанометрів) шарів, що відрізняються гладкою морфологією поверхні, придатною при створенні багатошарових структур для приладів Пористість цих плівок не перевищує 50%, що зменшує нестабільність їх ФЛ Але вона достатня для забезпечення чутливості до адсорбції газів Суттєвим недоліком методупрототипу є мала інтенсивність і нестабільність ФЛ безпосередньо після осадження, завдяки великій ролі безвипромінювального каналу рекомбінації, який обумовлений обірваними зв'язками кремнію Необхідність подальшої пасивацм цих зв'язків робить процес двохстадійним Крім того, після пасивацм інтенсивність та стабільність ФЛ недостатньо підвищується В основі винаходу поставлено задачу вдосконалити спосіб формування por-Si, шляхом підвищення інтенсивності і стабільності ФЛ плівок в одностадійному процесі при збереженні усіх переваг способа-прототипа, таких як вакуумна чистота формування плівок, селекція за розмірами Si HK, що забезпечує керованість спектром ФЛ, наявність пор, тобто середовища з діелектричною проникли вісю є = 1, що важливо для прояву діелектричного ефекту, який наряду з квантово-розмірним обумовлює видиму ФЛ та інш Поставлена задача досягається тим, що для формування фотолюмінесцентної плівки por-Si проводять лазерну абляцію кремнієвої мішені променем лазера ІАГ Nd + з довжиною хвилі 1,06мкм, густиною енергії імпульса 15-ЗОДж/см2, його тривалістю 8 - 12 не та частотою імпульсів 20 - 30Гц в атмосфері аргону з тиском 5-20Па, осаджують плівку із зворотнього потоку часток ерозійного факела на розташовану в площині мішені підкладку, в процессі осадження плівки проводять пасивацію її внутрішньої поверхні золотом, шляхом застосування кремнієвої мішені, легованої золотом з концентрацією 10 -10 см Ефект підвищення інтенсивності та стабільності ФЛ por-Si обумовлений вказаною сукупністю параметрів запропонованого способу, що забезпечує пасивацію обірваних зв'язків Si електропозитивними іонами золота та формуванням на поверхні Si HK плівки S1O2 Наявність останньої зумовлює формування потрібного потенційного бар'єру на поверхні Si HK, що в свою чергу, забезпечує квантову обмеженість носив заряду та екситонів в цих низькорозмірних структурах та прояв діелектричного ефекту Прояв діелектричного ефекту підсилюється також наявністю пор Нами встановлено, що електропозитивний метал (золото) розряджається на обірваних зв'язках HK Si та ефективно пасивує внутрішню поверхню por-Si Завдяки захвату для розрядки ІОНІВ золота електронів кремнію (що рівносильно розриву ковалентних зв'язків SI-SI), має місце окислення та зменшення розмірів Si HK навколо первісних зв'язків SiAu Нами було встановлено, що концентрація атомів золота має відповідати концентрації обірваних зв'язків кремнію, що становить 1011—10 2см 2, тобто дорівнювати концентрації Аи 10 - 10 см в мішені Перевищення цієї концентрації не дає позитивний ефект по підвищенню інтенсивності ФЛ завдяки можливості носив заряду не рекомбінувати, випромінюючи в HK Si, а по металевих острівцях стікати з HK Si Менші концентрації залишають непасивованими значну частину обірваних зв'язків Отже, легування золотом концентрацією, порівняною з концентрацією обірваних зв'язків атомів Si, пасивує ці зв'язки, що призводить до блокування цього сильного каналу безвипромінювальної рекомбінації, тим самим підвищується інтенсивність ФЛ Сила зв'язку Si-Au значно міцніша, ніж для зв'язків SI-H та Si-O, тому і стабільність ФЛ краща Через те, що поверхня більших за розміром Si наночасток пасивується ефективніше, виникає більше підвищення інтенсивності довгохвильової ФЛ Слід ВІДМІТИТИ, ЩО крім пасивацп золотом, має місце і пасивація залишковим киснем вакуумної камери, як і в прототипі, але и частка незначна Аргон - важкий інертний газ, маса його атомів близька до маси атомів кисню, тому він вибраний для розсіювання енергії часток кремнію Тиск його повинен бути не меншим, ніж 5 Па, щоб при вказаних параметрах абляції агрон був спроможний розсіювати енергію часток Si та Аи ерозійного фа 50353 кела так сильно, щоб вони формували пористу плівку por-Si на підкладці, що міститься у площині мішені 3 іншого боку, цей тиск не повинен бути більший, ніж 20Па, що не дозволило би сепарувати Si НК за розміром на підкладці Для забезпечення умов кванто-розмірного ефекту необхідно, щоб розміри Si НК були меншими радіусу екситона в Si та довжини хвилі деБройля для носив заряду в Si, тобто лежали в діапазоні величин 1-5нм Як розміри НК Si, так і їх розподілення у факелі визначається умовами випромшення та тиску газу Тиск газу корелюється з режимом роботи та типом лазера Чим більша енергія фотонів лазерного променя, чим більша його густина енергії, тим більші кластери вони виривають з мішені, тим більший потік часток у факелі На відміну від ексимерного лазера, промінь лазера ІАГ Nd 3+ , що має енергію фотону ~1,1еВ, дає можливість виривати з мішені більшу частину атомів Si, а не їх кластерів, а підібрана енергія променя обумовлює значний їх потік В способі, що заявляється, лазер працює в режимі модульованої добротності (тривалість імпульсу - 8 - 12 не, густина енергії в імпульсі 15-ЗОДж/см ), що забезпечує потрібну енергію для абляції, на відміну від режиму вільної генерації Та ж мета досягається значною частотою імпульсів f = 25 - 30Гц Таким чином, визначена сукупність параметрів режиму роботи лазера забезпечує потрібний потік часток ерозійного факела, а цим самим і умови формування плівок por-Si з покращеними фл властивостями при одностадійності процесу Запропонований спосіб має принципові переваги порівняно з аналогами та прототипом і дозволяє підвищити інтенсивність ФЛ, особливо в червоній області спектру, и стабільність, здійснити одностадійність процесу Спосіб забезпечує значно більшу стабільність зв'язків Si-Au, на відміну від зв'язків SI-H та Si-О в прототипі При пасивацм Аи створюються полегшені умови формування S1O2 шарів на поверхні Si НК Зріст останніх (S1O2, а не SiOx (x