Микротвердость пористого кремния

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»

 

Институт математики физики и информатики

 

Кафедра теоретической и экспериментальной физики

 

Коростелева Татьяна Олеговна

 

МИКРОТВЕРДОСТЬ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

 

Дипломная работа

 

ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ В ГАК   Студент 5 курса (52 группы)

зав. кафедрой теоретической    дневного отделения ИМФИ

и экспериментальной                      

физики, д.ф.-м.н., проф.    Руководитель дипломной

____________Шибков А. А.              работы: к.ф.-м.н., доцент

"___" ________ 2013 г.      ________ Ефремова Н.Ю.

 

 

 

 

 

 

Тамбов – 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение            3

Глава 1. Литературный обзор        5

1.1. Пористый кремний        5

1.1.1. Строение пористого кремния     7

1.1.2. Свойства пористого кремния     9

1.2. Влияние гамма облучения на кинетику

фотолюминесценции пористого кремния    13

1.3. Радиационная стойкость пористого кремния    17

1.4. Виды ионизирующего излучения     21

1.5. Большие, умеренные и малые дозы облучения   25

2.1. Применение пористого кремния в медицине    28

Глава 2. Методика эксперимента       30

Глава 3. Результаты и их обсуждение       31

Выводы            35

Список используемой литературы        36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Пористый кремний является перспективным материалом микро-, нано- и оптоэлектроники. Его свойства на протяжении последнего десятилетия активно исследуются более чем в 40 странах мира, а объем научных публикаций достигает 500 статей в год. На крупных международных конференциях обсуждаются и уникальные свойства этого материала, и возможности его применения в приборах различного назначения [1].

С развитием нанотехнологий полупроводниковые устройства находят все более широкое применение. Переход к элементам, структурные составляющие которых имеют размеры порядка единиц и сотен нанометров, позволяет полупроводниковой электронике освоить новые области применения и существенно увеличить доли компонент электроники в медицинских приложениях, способных заменить человеку его поврежденные органы. Один из примеров – искусственная сетчатка глаза на основе кремниевой фоточувствительной матрицы [2].

Немаловажным фактором, определяющим, техническое применение полупроводниковых материалов, является также их радиационная стойкость. Литературные данные свидетельствуют о том, что радиационная стойкость слоев пористого кремния существенно выше, чем для монокристаллического кремния. Поэтому приборы, созданные на основе пористого кремния, будут сохранять работоспособность при воздействии на них облучения [3].

Не смотря на значительные достижения последних лет в области изучения пористого кремния вопрос о механических свойствах при различных условиях получения и эксплуатации, остается открытым.

Поэтому целью работы явилось исследование механических свойств пористого кремния в зависимости от условий и режимов получения, а также дозы низкоинтенсивного бета-облучения.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать зависимость микротвердости пористого кремния от длительности электрохимического травления при постоянной плотности тока и от плотности тока при постоянной длительности анодирования.
2. Провести сравнительный анализ механических свойств пористого и монокристаллического кремния.
3. Определить зависимость микротвердости пористого кремния, предварительно прошедшего процедуру бета-облучения, от длительности электрохимического травления при постоянной плотности тока.

 

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ

 

Пористый кремний впервые был получен А. Улиром в 1956 году в ходе исследований процесса электрохимической полировки поверхности кремния в водных растворах плавиковой кислоты (HF+H2O). Такая операция необходима для придания рабочей поверхности идеально гладкого, зеркального состояния. Установка для электрохимической полировки состояла из фторопластовой ванны, в которую был погружен платиновый электрод, который являлся катодом, а кремниевая пластина выступала в роли анода. В ходе травления было обнаружено, что при определенных режимах (низкой плотности анодного тока и высокой концентрации HF в электролите) вместо процесса электрополировки наблюдалось образование окрашенных пленок на поверхности кремния. Было установлено, что цветные слои имеют в своем объеме сеть мельчайших пор. Формирование пор начинается на поверхности пластины, с течением времени анодной обработки концы пор все дальше продвигаются в глубь кристалла. В результате этого толщина пленок пористого кремния в зависимости от времени травления может изменяться от нескольких до сотен микрометров [4].

Модельные представления о механизме порообразования начали формироваться с середины 1960-х годов, но единая точка зрения пока до конца не выработана. Обобщая различные модели, можно отметить следующее. Поверхность кремния (Si) при контакте с водными или спиртовыми растворами HF насыщается водородом и становится химически инертной по отношению к электролиту. Если на электроды подать разность потенциалов, то  дырки в кремниевой пластине начинают мигрировать к поверхности раздела кремний-электролит. При этом атомы Si освобождаются от блокирующего их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и переходят в раствор. Если электролиз проводят при высокой плотности тока, то к поверхности электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплошным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si. Поскольку микровыступы имеют бόльшую поверхность, чем ровные участки, то они растворяются быстрее. Таким образом, поверхность Si-анода постепенно выравнивается. Это и есть режим электрохимической полировки.

Если же электролиз проводить при низкой плотности тока, то количества дырок не хватает для организации сплошного фронта и поэтому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Согласно различным моделям, зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, механически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля поверхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электрода за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше.

 

 

1.1.1. СТРОЕНИЕ ПОРИСТОГО  КРЕМНИЯ

 

Очевидно, что в кремнии n- и p-типа количество дырок различно и поэтому процессы порообразования в n-Si и p-Si имеют свои особенности. В пористом кремнии (p-Si) дырки являются основными носителями заряда, и их концентрация составляет 1014 – 1018 см–3. В этом случае, как правило, формируются поры нанометровых размеров. Тонкая высокопористая структура типа губки показана на Рис. 1, а. В n-Si, где основными носителями заряда являются электроны, концентрация дырок крайне мала (102 – 106 см–3). Необходимое минимальное количество дырок можно получить за счет фотогенерации (при подсветке Si-электрода) или за счет лавинной генерации (при анодировании в области высоких напряжений). Полученная структура пор существенно отличается от предыдущей и характеризуется наличием пор достаточно большого диаметра (Рис. 1, б). На Рис. 1, а, б представлены два предельных случая в ряду получаемых пористых структур. Изменяя условия  анодирования, можно получать пористый кремний с различной морфологией (геометрией) пор. На поперечный размер R пор влияют плотность тока анодирования, время, дополнительная подсветка, состав электролита, уровень и вид легирования кремния и т.д., в результате чего этот размер может меняться от 10 мкм до  
1 нм. По существующей классификации пористый кремний подразделяется на микропористый (R < 2 нм), мезопористый (2 нм < R < 50 нм) и макропористый (R > 50 нм).

 

 

а) б)

Рис. 1. а – изображение структуры пористого кремния на p-Si, полученное на просвечивающем электронном микроскопе. Размеры пор составляют около 50 нм (светлые области), а кремниевые нити (темные области) имеют диаметр менее 10 нм;  
б – электронно-микроскопический снимок структуры макропористого кремния на n-Si. Размеры пор составляют 0,7 – 1,0 мкм. Темная область внизу – монокристаллический кремний [5].

 

1.1.2. СВОЙСТВА ПОРИСТОГО  КРЕМНИЯ

 

Специалисты, употребляя термин «пористый кремний», имеют в виду именно материал, свойствами которого можно управлять, варьируя величину пористости и форму пор. Известно, что формы пор могут принимать самые разнообразные очертания, возможно даже создание материалов с упорядоченным расположением пор (фотонных кристаллов). Микрофотографии различных конфигураций пор приведены на Рис. 2. На свойства материалов влияет не только геометрия пор, но и вещество, их заполняющее; также стенки пор покрыты адсорбированными атомами и продуктами электрохимических реакций, в результате которых пористый кремний был получен, что также накладывает отпечаток на его свойства.

Рис. 2. РЭМ-изображения пористого кремния, полученного различными  
методами [7].

 

Удельная площадь поверхности

Одной из основных характеристик пористого кремния, как легко догадаться, является суммарная площадь поверхности пор в расчете на единицу объема. Для макропористого кремния эта величина составляет  
10 – 100 м2/см3, для мезопористого – 100 – 300 м2/см3, для микропористого – 300 – 800 м2/см3. Последняя цифра означает, что кубик материала с суммарной площадью граней 6 см2 растягивается на площадь футбольного поля! Также используется величина пористости, равная отношению объема пустот в образце к объему всего образца.

Примеры того, какими физическими характеристиками пористого кремния можно управлять, меняя величину пористости, приведены в  
таблице 1.

 

Таблица 1. Зависимость свойств пористого кремния от величины пористости

Характеристика	Кристаллический кремний	Пористый кремний
Модуль Юнга	160 ГПа	83 ГПа (20%) – 0,87 ГПа (90%)
Теплопроводность	157 Вт/м·К	1,2Вт/м·К(нанопористый) − 80Вт/м·К(мезопористый)
Удельное сопротивление	0,01 – 5000 Ом·см	10−2 – 1011 Ом·см (нанопористый)
Ширина запрещенной зоны	1,12 эВ	1,4 эВ (70%) – 2 эВ (90%)
Удельная поверхность	0,2 м2/см3	до 1000 м2/см3 (нанопористый)
Показатель преломления	3,94	1,2 – 2,87

 

Ход зависимости тех или иных величин при изменении пористости легко понять из интуитивных соображений: наличие пор делает кристаллическую решетку неидеальной, что приводит к ухудшению упругих свойств материала; наличие воздушных пустот затрудняет перенос тепла и электричества; также наличие пустот уменьшает показатель преломления – вычисленный для композитной среды, он представляет собой нечто среднее между показателями преломления кремния и воздуха [4].

Удельное сопротивление

Пористый кремний в зависимости от условий травления обладает широким интервалом величин удельного сопротивления 10−2 − 1011 Ом·см. С электрической точки зрения, материал с пористостью более 50% полностью обеднен носителями заряда и характеризуется удельным сопротивлением более 107 Ом·см при значении этого параметра у подложки 1 – 10 Ом·см. Убедительное объяснение такой трансформации полупроводника практически в диэлектрик в литературе к настоящему времени отсутствует. Выдвигаются различные гипотезы, в том числе о селективном вымывании легирующих примесей при электрохимическом процессе или о проявлении квантоворазмерного эффекта в увеличении энергии ионизации примесных центров.

Теплопроводность

Теплопроводность высокопористого кремния на порядок ниже, чем у монокристаллического. Это необходимо учитывать в опытах с использованием высокоэнергетичного воздействия, например мощных лазерных или электронных пучков. Возникающий при этом сильный нагрев образца может существенно повлиять на его свойства [8].

Оптические свойства

Оптические свойства пористого кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала. В частности, край спектра поглощения пористого слоя, отделенного от подложки, в зависимости от пористости смещен в сторону больших hν относительно Eg0 на  
100 — 500 мэВ. Этот результат объясняется с позиции квантоворазмерного эффекта. Так как образцы пористого кремния достаточно неоднородны по сечению квантовых нитей и кластеров, то измеряемый спектр поглощения является усредненным по размеру составляющих кремниевый скелет наноструктур.

Фотолюминесценция

Наиболее удивительным свойством пористого кремния является его способность эффективно люминесцировать в видимой области спектра.

Уже в первых опытах выяснилось, что эффективно люминесцируют образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %. Эффективность фотолюминесценции может достигать десятков процентов. Длиной волны излучения можно управлять, изменяя условия анодирования. Оказалось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготовления цветных дисплеев.