LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Формування та дослідження двовимірних фотонних структур на основі макропористого кремнію

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ






ЛИТВИНЕНКО ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ



УДК 541.013+621.315




ФОРМУВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ
ДВОВИМІРНИХ ФОТОННИХ СТРУКТУР
НА ОСНОВІ МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНІЮ




05.27.06 – технологія, обладнання та виробництво електронної техніки





АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук












КИЇВ – 2002

Дисертацією є рукопис


Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України


Науковий керівник: доктор технічних наук,
Карачевцева Людмила Анатоліївна,
Інститут фізики напівпровідників НАН України,
зав. відділом



Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор, Осинський Володимир Іванович,
науково-дослідний інститут “Мікроприлад” міністерства промислової політики України, заступник директора


– доктор фізико-математичних наук, професор, Горбик Петро Петрович,
Інститут хімії поверхні НАН України, заступник директора


Провідна установа:

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ.



Захист відбудеться “18” жовтня 2002 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, м. Київ – 28, проспект Науки, 45.



З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (м. Київ, проспект Науки, 45)



Автореферат розісланий “12” вересня 2002 р.





Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Охріменко О.Б.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Фотонні структури з періодичною модуляцією діелектричної проникності є новим класом матеріалів, які використовуються для трансформації спектру електромагнітного випромінювання. Зокрема, в періодичних структурах спектр електромагнітного випромінювання розподіляється на зони, заборонені для його проходження, за аналогією з електронами у кристалах. Різниця між фотонами і електронами визначає специфіку фізичних явищ у фотонних структурах і потребує перегляду звичайних законів поглинання та емісії електромагнітного випромінювання, рекомбінаційних процесів. Основні роботи, в яких сформульовані принципи формування фотонної забороненої зони, були опубліковані у 1987 році, але динамічного розвитку ця проблема одержала у 90-ті роки. Нині вже запропоновані напрямки застосування структур з фотонною забороненою зоною для частот електромагнітного випромінювання від мікрохвильових до оптичних, зокрема безпорогові лазери, фільтри, мікрохвильові антени, дзеркала, хвилеводи. Ефект формування фотонної забороненої зони відкриває перспективи виготовлення фотонних аналогів напівпровідникових пристроїв.

Найбільш ефективними методами виготовлення фотонних структур є літографічні методи, поєднані з електрохімічним травленням. Такі методи дозволяють формувати структури з періодом від нанометрів до мікрометрів. Зокрема, методом електрохімічного травлення виготовлені мікропористі (діаметр пор до 2 нм), мезопористі (діаметр пор 2 50 нм) та макропористі (діаметр пор більше 50 нм) структури в залежності від умов анодного електрохімічного процесу. Перспективним матеріалом для розробки двовимірних фотонних структур є макропористий кремній. Це пов’язано з відносно нескладною технологією електрохімічного формування структур з потрібною геометрією, великим контрастом діелектричної проникності макропор і кремнієвої матриці, можливістю узгодження нових пристроїв на основі макропористого кремнію з існуючими технологіями.

Двовимірні структури макропористого кремнію вперше були виготовлені на фірмі СІМЕНСВ.Леманном. При цьому високоякісні фотонні періодичні структури були сформовані на кремнії з опором 40 Ом·см. В.Леманном були також виготовлені макропористі структури на пластинах низькоомного кремнію (< 5 Ом·см), але форма пор відрізнялася від циліндричної (конічна, з нерівними стінками пор). Тому процес фотоанодного травлення кремнію з довільним питомим опором потребує удосконалення з урахуванням впливу дифузії, дрейфу та об’ємної рекомбінації дірок на струмоперенос в кремнієвому аноді.

Сформовані структури містять шар мікропористого кремнію на стінках макропор. Мікропористий кремній із розмірами нанокристалів до 10 нм був запропонований для розробки кремнійізолюючих структур у технології інтегральних схем. Спостереження фотолюмінесценції та електролюмінесценції при кімнатній температурі продемонструвало практичну ефективність емітерів на основі мікропористого кремнію. Комплексна макропориста структура з нанокристалами мікропористого шару на стінках макропор має бути важливим елементом оптоелектронних пристроїв, завдяки як випромінювальним, так і оптичним фотонним характеристикам.

Основні дослідження фотонних кристалів направлені на застосування в оптиці та мікрохвильовій техніці. Однак, однією з характеристик фотонної забороненої зони є формування затухаючих електромагнітних хвиль і перехід у Джоулеве тепло. Тому двовимірні фотонні структури на основі макропористого кремнію перспективні для використання в інфрачервоному діапазоні електромагнітних хвиль. Наявність глибоких пор, розділених тонкими перегородками кристалічного кремнію, забезпечує велику ефективну поверхню зразка, що визначає оптичні та електрофізичні характеристики структур макропористого кремнію. Аномальні коефіцієнти оптичного поглинання завдяки формуванню затухаючих хвиль дозволять розробити нові типи теплових приймачів.


Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з тематикою та планами наукових досліджень Інституту фізики напівпровідників НАН України, зокрема за держбюджетними темами № 31/20 “Розробка фізико-хімічних основ технологій створення та функціональна діагностика кристалів і структур (приладів) для реєстрації та перетворення енергії інфрачервоного випромінювання на базі напівпровідникових сполук і вузькощілинних твердих сполук”, № 7 “Фізико-технологічні дослідження напівпровідникових систем інфрачервоної мікроелектроніки”, одним з виконавців яких був автор дисертаційної роботи.


Метою даної роботи було виготовлення двовимірних фотонних структур макропористого кремнію методом фотоанодного травлення, дослідження процесів формування структур та механізмів трансформації енергетичного спектру електромагнітного випромінювання для розробки нових випромінювальних та сенсорних пристроїв напівпровідникової електроніки. У зв’язку з цим були визначені такі основні задачі:

  • виготовити обладнання та сформувати структури макропористого кремнію методом фотоанодного травлення;

  • вивчити умови переносу нерівноважних дірок і стабілізації процесу формування макропор протягом електрохімічного травлення кремнієвих пластин при зона-зонному освітленні;

  • дослідити структуру, хімічний склад та фотолюмінесценцію поверхні макропор;

  • встановити залежності оптичних та електрофізичних характеристик фотонних структур на основі макропористого кремнію від параметрів пор;

  • визначити характеристики двовимірних фотонних структур макропористого кремнію для практичного використання в якості теплових приймачів.

Об’єкт досліджень: двовимірні фотонні структури макропористого кремнію з періодичним і довільним розташуванням пор.

Предмет досліджень: процеси переносу нерівноважних дірок при формуванні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію, випромінювальні, оптичні та електрофізичні характеристики структур макропористого кремнію.

Методи досліджень. Для