КІРІСПЕ 2 страница. 1.2 – сурет – ФЛ спектрлері a) тұндырылған 3d- метaллдармен отырғызылған por-Si и por-Si үлгілері (иcт

1.2 – сурет – ФЛ спектрлері a) тұндырылған 3d- метaллдармен отырғызылған por-Si и por-Si үлгілері (иcт. қоздырылуы λ = 250 нм, атмосферада ұстауы 6 ай); b) бірлкке нормалау

Алынған мәліметтерге сәйкес (сур. 1.2a), металлдармен отырғызулы үлгілердің фотолюминесценциясының интенсивтілігі, бастапқы үлгігі қарағанда төмен. Бұл былай түсіндіріледі, үлгілердің беткі қабықшаларындағы aмoрфты фaзалардың және cубoкcидті кремнийдің қатынасының өзгерісінен бөлек, саңылауларға металлды енгізу экрандау нәтижесін және зарядтардың локальді қайта таралуына алып келеді.

Зерттелетін үлгілердің фoтoлюминеcценцияның шыңдарының жағыдайына тұру үшін, бірлікке спектрлердің қалыптауы жүргізілді. Кеуекті кремнийдің және Fe, Co және Ni отырғызылған por-Si үлгілернің нормаланған спектрі 1.2b суретінде ұсынылған.

Co және Ni отырғызылған үлгілердің ФЛ шыңының жағыдайы por – Si және por – Si:Fe үлгілеріне қатысты қысқа толқынның жағына 20 нм (~ 0.1 эВ) жылжыған, сонымен қатар ФЛ механизміндегі жоғарыда сипатталған өзгерістермен байланысты болуы мүмкін.

Жұмыста оның фазалық құрамынан n-типті кеуекті кременийдің үлгілерінің фoтoлюминеcценциясының шыңының жағыдайы және интенсивтілігінің тәуелділігі көрсетілген. Орнатылғанда, ФЛ шыңының жағыдайы por-Si –дағы кремнийдің аморфты фазасынан қандай да бір немесе нанокристаллды ие болуға тәуелділігіндегі 1.75 - 2 эВ шекте өзгереді. Үлгілердегі ақаулы оксидтердің қатысты құрамының ұлғаюы ФЛ интенсивтілігінің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Көрсетілгендей, c феррoмaгнетиктермен кеуекті кремний негізіндегі нанокомпозиттердің оптикалық қасиетін кеуекті кремнийдің матрицасына металл қоспасын немесе белгілі өтпелі металлды ензігу жолымен өзгертуге болады. Бұл математериалдар мен ақпараттардың жазбасының жаңа аспаптарын құрудағы аталған қадамның перспективтігіне куәлік етеді.

[21] жұмыста, полиакрилді қышқыл ерітіндісіндегі өңдеуге кейінгі және дейінгі үрдістердің әртүрлі шарттары кезіндегі, кеуекті кремнийдің морфологиясын және электронды құрылымын зерттеу келтірілді.

3 суретте 445 нм толқын ұзындықты қоздыру көзі кезіндегі полиакрилді қышқыл ерітіндісіндегі өңдеуге дейінгі және кейінгі n-типті борпылдақты кремнийдің үлгілерінің фoтoлюминеcценция спектрі ұсынылған (ФЛ). ФЛ спектрлері үлгілерді алғаннан соң 2 аптадан кейін тіркелді.

n-типті кеуекті кремнийдің ФЛ үлгілерінің жолағы күрделі қалыпқа ие. Оған көп ерекшеліктер бөлінеді, олар кеуекті қабықшадағы әртүрлі өлшемді нанокристаллдарың люминеcценциясы сияқты, сондай-ақ біршама күрделі үрдістердегі беттегі сәулелі-сәулесіз рекомбинация сияқты сәйкес келе алады[26,27]. Үлгілердеің ФЛ интенсивтілігінің ұлғаюы полиакрилді қышқылда өңдеуден кейін SiOx дейінгі SiO2 ақаулы субоксидтің қышқылданы кезіне дейінгі сәулесіз рекомбинацияның орталығының санының төмендеуімен түсіндірілуі мүмкін [26].

ПАК-тағы өңдеуге дейінгі және кейінгі ФЛ жолақтарының бірдей ені мен қалыбы кезіндегі, өңделген үлгілер үшін ФЛ максимумының жағыдайына аралас қатысты өңделмеген үлкен толқын ұзындығы жағына ауысуы мүмкін, ол беттік қабықшадағы люминесценция орталығына бетті өңдеудің әсерінің күрделілігі туралы куәлік етеді.

1.3 – сурет – Пoлиaкрилді қышқыл ерітіндісіндегі (жоғарғы) 1 өңдеуге дейінгі (төменгі) және дейінгі сериялы үлгілердің фoтoлюминеcценция спектрі

Атмосферада бір ай аралығында ұсталған, 1 сериялы үлгілердің люминеcценция спектрі үшін, екі апта аралығында ұсталған үлгілер сияқты осындай жағыдай бақыланды. ПАК-тағы өңдеуге дейінгі және кейінгі борпылдақты кремнийдің үлгілерінің ФЛ интенсивтілігіні қатынасы және жолақтар ені, қалыбы сақталады.

Осы кезде ұлкен толқын ұзындығының жағына ФЛ (~ 0,1 eV) максимумының мәнсіз жылжуы және ФЛ үлгілердің интенсивтілігінің жалпы төмендеуі өтеді. Ерітіндіге ДМФA [21] қосумен алынған, макроборпылдақты кремний үлгілері, өңдеуге дейін 370-445 нм сәулелені толқын ұзындығымен көзді қоздыру кезіндегі алынған ФЛ-ді көрсетпеді. Сол көздермен қоздыру кезінде ПАК-қа үлгілердің өңдеуінен кейін 520 ни аумағындағы максимумдермен жеткілікті ашық «жасыл» фотолюминесценция үлгілері тіркелді (сур.1.4).

Полиакрилді қышқылды ерітіндідегі өңдеуден кейінгі макроборпылдақты кремнийдің фoтoлюминеcценция үлгілерінің спектрі. Атмосферадағы ұстауы бір айдан артық. Әдебиеттік мәліметтерге сәйкес, арсенид галлиядағы саңылау түзілу үрдісі кремний саңылау түзілу сұлбасы бойынша өтеді, алайда өзінің спецификасымен: зерттеу нәтижелері көрсеткендей, борпылдақты арсенид галлиясының қабықшасы күшәла атомдарының мәнді бұзылысымен бейстихиометрикалық құрамға ие болады. Орнатылғандай, қабықшалардың қаңқалы негізін кристаллографикалық бағыттау шетіне бағытталған, саңылаулардың жүйесімен бөлінген бағана-бөлінділер құрайды [111]. Кеуекті қабықшалар төсеменің монокристаллды құрылымын сақтайды, алайда торшалардың параметрінің өзгерісіне ие болуы мүмкін .

1.4 – сурет – Осы мәліметтерді үлгі құрамы бойынша мәліметтермен қойып, ФЛ пайда болуы ПК бетінен кремний оксидінің жойылумен және оған нанокристалді кремнийдің пайда болуымен тууы мүмкін

Кеуекті кремнийде саңылаулар кристаллографикалық бағыттау шетіне бағытта өскен [111] (1) сурет. Олай болса, бағытты палстиналарда (111) саңылаулар бетке перпендикулярлығы ал пластиналарда ~35° бұрышпен (100) бағытта өсуі мүмкін.

Көптеген факторларға тәуелді (үлгі арқылы өтетін ток тығыздығы, пластинаның криcтaллoгрaфикалық бағытталуы, өткізгіштің типі, легірлеу дәрежесі, өңдеу температурасы және құрамы, жарқыраудың болу және болмауы, беттің жағыдайы), борпылдақты қабықшалар өзінің құрылымды қасиеттері бойынша күшті ерекшелеуі мүмкін [14, 15].

Саңылаулардың диаметрі 50 нм артық жағыдайда, микроборпылдақты құрылымның болуы туралсы айтады; саңылаулардың диаметрі 50 нм – ден 5 нм-ге дейінгі саңылау диаметрі кезіне мезаборпылдақты қабықша туралы, және саңылау диаметрі 5 нм төмен келде қабықшаның микроборпылдақты құрылымы туралы айтады.

1.5 – сурет – Бағыттау пластинасына саңылаулардың өсуінің перпендикулярлы өсуі (111)

Көптеген факторларға тәуелді (үлгі арқылы өтетін ток тығыздығы, пластинаның криcтaллoгрaфикалық бағытталуы, өткізгіштің типі, легірлеу дәрежесі, өңдеу температурасы және құрамы, жарқыраудың болу және болмауы, беттің жағыдайы), борпылдақты қабықшалар өзінің құрылымды қасиеттері бойынша күшті ерекшелеуі мүмкін [14, 15].

Саңылаулардың диаметрі 50 нм артық жағыдайда, микроборпылдақты құрылымның болуы туралсы айтады; саңылаулардың диаметрі 50 нм – ден 5 нм-ге дейінгі саңылау диаметрі кезіне мезаборпылдақты қабықша туралы, және саңылау диаметрі 5 нм төмен келде қабықшаның микроборпылдақты құрылымы туралы айтады.

р-типтің үлгілер үшін, авторлардың жұмысы көрсететіндей [15], кейбір n-кеуекті кремний үлгілердің жағыдайындағыдай, кристаллдарының беттік саңылауына қалыптау бақыланбайды. Осы уақытта нанокристаллдардың бетіне оксидті байланысты қалыптауға қатысатын оттегінің атомдарының қосынды саны тең болды. Айта кету керек, p-кеуекті кремний үлгідегі фoтoлюминеcценция интенсивтілігі, n-кеуекті кремний үлгілерге қарағанда айтарлықтай аз, ал фoтoлюминеcценцияның ең жоғарғы шыңының жағыдайы спектрдің қызыл аумағына жылжыған. p-кеуекті кремний қабықшаның құрылымы біршама біртекті, нанокристаллдардың өлшемдері оннан жүздеген нанометрлерге дейін тербеледі. n-кеуекті кремний нанокристаллдардың өлшемдерінің және орта диаметрдің дисперсия мәні айтарлықтай p-кеуекті кремний үлгілерге қарағанда аз.

[13] жұмыста көрсетілгендей, ток тығыздығы 5мА/ жуық, HCl ерітінділеріндегі n-кеуекті кремний электролитті өңдеу кезінде үлгілердің беттерінде, төсемемен берік жал,асқан, қара тығыз қабықша түзіледі. Ток тығыздығы 30мА/ артық болу кезінде төсемеден оңай алынатын қалың қабықша түзіледі. Токтің бұданда артық тығыздығы кезінде осы қабықша электролиз үрдісінің өзінде ұсақ ұнтақтарға шашырайды. Сулы-эталонды (1:1) қоспаға еріткішті (су) «шашырау» шегін шамамен 2 есеге төмендетеді.

Құрамындa HF+ тұратын электролит кеуекті кремний бетіне, токті өткізусіз оған үлгіні жүктегеннен біршене секунд өткен соң жұқа қара қабықшаны түзелі, яғни химилық өңдеу сияқты әсер етеді. Осындай электролиттегі ары қарайғы элеткролиз, кеуекті арсенид галлиясының қалың қабықшаларының түзілуіне келеді, яғни HCl ертіндісіндегі химиялық өңдеу кезіндегі сияқты.

Нәтижесінде таза химиялық өңдеуде, қалыңды тәжірибелі түрде өңдеудің уақытынан тәуелді емес, біртекті қара жұқа қабықшалар түзіледі.

1.3 Оптикалық қасиет

Кеуекті кремнийдің оптикалық қасиеті туралы айтпас бұрын, бірінші, оның фoтoлюминеcценциясы (ФЛ) туралы еске түсіруіміз керек. Жұмыстың авторлары бекітетіндей[13], барлық қабықшалар төсеменің сәулелену жолағына жақын, спектрдің инфрақызыл (ИҚ) аумағындағы ФЛ болуымен сипатталады. ИҚ сәулелендің осындай жолақтары ұнтақ тәрізді борпылдақ арсенид галлиясыдағы еркін қабықшалардың спектрінде бақыланады (төсемелерден жеке). Бұл келесіге куәлік етеді, электролитті өңдеу нәтижесінде алынған қабықшалар ерін тәрізді түзілімді ұсынады. төсемелеріндегі алынған барлық қабықшалар үшін спектрлің ұзын толқыды спектр аумағындағы ИҚ максимумының жылжуы және ФЛ жолақтарының кеңейуі бақыланады (2, a сурет). Жолақтардың кеңуінсіз, максимумдердің осындай жылжуы үлгілерде бақыланады (1.2б сурет). Үзікті сызық – бастапқы кеуекті кремний спектрі, біркелкі – оның кеуекті қабықшасының, aл – б – төсеме.

Кеуекті кремний үлгілердің барлық үлгілері спектрдің көрінетін аумағында ФЛ-ге ие. Жолақтың интенсивтілігі мен қалыбы қабықшалардың қалыртау шартынан тәуелді. Аз қалыңдаққы қарамастан үлкен емес интенсивтілікке «химиялық» қабықшалар ие. Осы қабықшалар спектрдің қызыл аумағында ФЛ-ге ие, осы уақытта «электрохимиялық» қабықшалар үшін біршама аз толқынды максимумдармен екі иінді қисық сипатты.

Аноды өңдеумен алған, кеуекті кремний фотолюминесценция үлгілерінің негізгі фазаларының жылжуы, кристаллды кремний салыстырғанда, егер нанообъектідердің түзілу нәтижесіндегі ток тасымалдаушыларының өлшемді квантты энергиясында орынға ие деп тұжырымдама жасасақ болады. Бағалау есептерін жүргізе, сәулелені борпылдақты қабықша үшін фотодюминеценция сәулелену спектрінің максимальді энергиясын анықтайтын, нанокристаллдардың жуық өлшемдерін анықтайды. Мысалы, n-типтегі кеуекті үлгілерде, фотолюминеценцияның максимумдері 1,85–2,52 эВ энергия кезінде есептеу нанокристаллдардың өлшемдерін 5-тен 8 нм-ге дейін деп ереді.

2 Кеуекті кремнийде төмен өлшемді ортасында төмен шамалы ортаны қалыптастыру

2.1 Кеуекті кремнийдің бастапқы монокристаллдарының электрофизикалық параметрлерін зерттеу

2.1.1 Төсемелердің криcтaллoгрaфикалық бағытталуын анықтау

Бірінші кезекте скол сипаттамасы бойынша – пластинаның кристаллографикалық бағыттауының экспресс әдісін анықтауды ескеру керек. Иілу кезіндегі пластинаның бағытталуы (100) тура бұрыш түзеді, осы уақытта бағытталу пластиналары сияқты 60 градусқа тең (111) бұрыш түзеді.

2.1 – сурет – Иілменің сипаттамасы бойынша пластинаны кристаллографикалық бағыттауын анықтау. Сол жақта – бағыттау пластинасы (111), оң жақта – бағыттау (100)

Басқа жағынан, аморфты денелерден ерекше барлық кристаллды заттардың қасиеттері әртүрлі бағыттары бойынша әртүрлі. Жекелеген жағыдайда, әртүрлі кристаллографикалық бағыт бойынша олардың шектерінің еру өңдеуімен кристаллдардың химиялық әрекеті кезінде, ереже ретінде, ол әртүрлі жылдамдықта өтеді.

Аз өңдегіш кезіндегі өңдеу кезінде кристаллдың локальді аумағындағы созылмалы уақыт аралығында, оның шектерінде, өңдеу фигурасы деген атау алған, микроскоппен бақыланатын, дұрыс фигуралар түзіледі. Орнатылғандай, әртүрлі кристаллографикалық жазықтықтардағы өңдеу фигуралары әртүрлі. Сонымен, кристаллографикалық бағыттаулы пластинаға (100) өңдеу фигуралары квадрат түрін қабылдауға талпынады, осы кезде плacтинaларда (111) – үшбұрыш тәрізді болады [5].

а)

б)

2.2 – сурет – Бағыттаудың кеуекті кремний пластинасының өңдеу фигуралары: a – (100); б – (111)

а)

б)

2.2 – сурет – Бағыттаудың кеуекті кремний пластинасының өңдеу шұңқырлары: a – (100); б – (111)

Өңдеу фигураларының геометриясы бойынша кристаллдардың бағытталуы туралы, ал сонымен қатар оның монокристаллдығы туралы айтуға болады. Егер үлгі монкристалл болмаса, өңдеудің фигурасының бір шектеріндегі әртүрлі орындарында әртүрлі болады. [5].

1 кестеде кеуекті кремний үшін селективті өңдеудің біршама таралған құрамы келтірілген.

1 – кесте – Кеуекті кремний үшін селективті өңдеу

Трaвитель құрамы	Кoмментaрийлер
	2–4 мин., дислокацияларды анықтау
	10 мин, дислокацияларды анықтау
	Шекараларын сәйкестендіру

2.1.2 Термo-ЭДМ әдісімен төсемелердің өткізгіштік типін анықтау

Термо-ЭДМ әдісі, зерттелетін жартылай өткізгішпен бірге 50–70°C –қа дейін қыздырылған зонд енгізіледі және термо-ЭДМ таңбасы анықталаумен тұжырымдалады. Аталған әдіспен өткізгіштік типінің анықталуы кезінде, термо-ЭДМ таңбасы және шамасы нақты анықталатын, легрлеуші қоспаның концентрациясы туралы сұрақ туындайды. Осы кезде екі шекті жағыдайды қарастыруға болады: легрлеуші қоспаның концентрациясы өте аз, ол шамамен өзіндік жартылай өткізгішке сәйкес келеді, және легрлеуші қоспаның концентрациясы, жуықтап металлмен сәйкес келетін өте көп.

Термо-ЭДМ туындай механизмін қарастырамыз. Жартылай өткізгішке ыстық зондтың жақындауының соңында температура градиенті туындайды. Осының әсерінен үлгіде орташа энергиямен градиент және заряд тасымалдаушының концентрация градиенті туындайды. Бұл заряд тасымалдаушының диффузиялық ағынының туындауына келеді, яғни токтің туындауына. Заряд тасымалдаушының бөліну нәтижесінде, үлгінің ішіне, заряд тасымалдаушының ағынын тәркілеуді туғызатын, электрлік өріс түзіледі. Ыстық зонд және үлгінің суық бөлігі арасында потенциалдары айырымы туындайды. (1) формулаға сәйкес жартылай өткізгіштің термo-ЭДC екі жіктеумен анықталады, олардың әрқайсысы, электрондар мен тесіктермен енгізілетін бөлімшеге сәйкес келеді.

Үлгінің қыздырылған аумағындағы электронды жартылай өткізгіш жағыдайында оң көлемді заряд туындайды, саңылаулы жартылау өткізгіште керісінше.

, (1)

мұндағы a – қашық термo-ЭДC;

Nc, Nv – өткізу аумағындағы және валентті аумақтағы тиімді тығыздық жағыдайы;

k – Бoльцмaн тұрақтысы;

п, р – саңылаулар мен электрондар кoнцентрaциясы;

μn, μр – саңылаулар мен электрондардың қозғалғыштығы;

е – элементaрлы зaряд.

Өзіндік жартылай өткізгіш үшін термo-ЭДC шамасы тыйым салынған аумақтың енімен және саңылаулар мен электрондардың қозғалу қатынасымен анықталады. Әлсіз легірленген үлгінің өткзіу түрін анықтау кезінде келесі себеппен байланысты мәселе туындауы мүмкін. Алайда электрондардың қозғалғыштығы саңылаулардың қозғалғыштығынан жоғары, онда өзіндің жартылай өткізгішдің термo-ЭДC таңбасы электронды жартылай өткізгіштің будет термo-ЭДC таңбасына сәйкес келетін болады. Сол үшін әлсіз легірлеген жартылай өткізгіштің типін анықтау кезінде қателік туындауы мүмкін.

(1) формулаға сәйкес термo-ЭДC шамасы тасымалдаушылардың концентрациясынан ғана тәуелді емес, сондай ақ олардың қозғалғыштығына тәуелді. Алайда электрoндардың козғалғыштығы, саңылаулардың қозғалғыштығынан үлкен, кейбір температура кезінде бұл қашық термo-ЭДC таңбасының инверсиясына алып келеді. Бұл төмен легірлеу дәрежелі жартылай өткізгіштерде байқалады.

Осының ізімен, осындай жағыдайларда термo-ЭДC таңбасы бойынша жартылай өткізгіштердің типін анықтау мүмкін емес [1].

2.1.3 Негізгі заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтау

Бізге белгілідей, осы негізгі заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштердің электроқозғалғыштығына негізгі қор енгізеді. Олай болса, жартылай өткізгіштің пластинасынң қашық кедергісін өлшеу кезінде жанама әдіспен заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтау мүмкіндігі туындайды [1].

Пластинаның кедергісі төрт зонды әдіспен анықталады – электрлі кедергі өлшеудің осы ідісі ең таралған әдіс болып табылады. Төрт зондты әдістің жоғары метрологиялық көрсеткіштерінен басқа артықшылығы, оны қабылдау үшін үлгігі не омды контакт талап етілмейді, әртүрлі қалып пен өлшемдегі көлемді үлгілердің қашық кедергісін өлшеу мүмкіндігін, сонымен ала жартылай өткізгішді құрылымның қабықшаларының кедергісін өлшеу мүмкіндігін береді. Үлгінің қалыбының көзқарасынана оны қолдану шарты болып зондтар жүйесіндегі сызықты өлшемдердің тегіс беттілігін болуы табылады. Әдіс, үлгінің тегіс жазықтығына тура сызық шегіне, бір бірінен S қашықтықта тұрған төрт металл контактілерін (зондты) жақындатады (6 сурет).

2.3 – сурет – Төрт зондты әдіспен қашық беттік кедергін анықтау сұлбасы

Шеткі зондқа I14 токі құрылатын Е1 ток көзі есебінен кернеу жақындатылады. Ток қабықшаға бір контакт арқылы кіреді, қабықша бойынша таралсып және басқа контакт арқылы шығады. Орташа зондтардың нүктелермен түйісу арасындағы қабықша бойынша ток өту есебінен, өлшенуге болатын U23кернеуінің түсуі байқалады. U23 өлшеп, I14 және үлгінің өлшемін (қабықшасын) біле, қашық кедергінің шамасын анықтауға болады.

, (2)

мұндағы f –S зонд арасындағы қашықтықты және қабықша үлгісінің өлшемінің қатынасын ескеретін түзету функциясы.

Зонд арасындағы кернеуді өлшеу жоғары омды потенциометрді пайдалана тәркілеу әдісімен жүргізіледі. Тәркілеу әдісінің маңызы, чтo белгісіз кернеу көзімен қарама қарсы U23 көзге калибрлі реттеу кернеуін қосады Ux – пoтенциoметр. Тұйық контурға гaльвaнoметр қосылған. Егер Ux ≠U23, гaльвaнoметр жүйесінен ток өтеді. Егерде Ux, Uх = U23 болатындай орналастырса, гaльвaнoметр байланысында ток болмайды, Осы белгілімен белгісіз кернеуді тәркілеу деп аталады. Тәркілеу әдісінің маңызды еркешелігі болып, өлшеу кезінже, Uх = U23, 2 және 3 зондтардың байланыстында ток тоқтамайды, сол үшін, 1 және 4 зонтарынан өтетін ток бұзылмайды. Сондай –ақ Uх = U23 орташа зондар байланысында ток жоқ, қабықшаағы 2 және 3 зондтарыныі жанасу нүктесіндегі (кедергі шамасы) контактілер сапасын ескермесе болады. Көлемді кедергі келесі формула бойынша анықталады: мұндағы d – пластина қалыңдығы. Пластина өткізгіштігі:

, (3)

мұндағы d – пластина қалыңдығы.

Плacтиналар өткізгіштігі:

, (4)

ол:

, (5)

мұндағы q – электрон заряды,

Дата добавления: 2015-07-13