LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

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

розв’язання поставлених задач були залучені технології фотоанодного, хімічного та плазмохімічного травлення кремнію, вакуумне нанесення металу та термічний відпал виготовлених структур; сучасні методи досліджень поверхні структур (скануюча електронна мікроскопія, ІЧ фур’є-спектроскопія, електровідбиття); методи досліджень оптичних та фотолюмінесцентних характеристик (оптичне поглинання та відбиття, реєстрація фотолюмінесценції в режимі рахування фотонів); методи досліджень електричних характеристик (вольт-амперні характеристики, ефект Хола, вимірювання низькочастотних шумів).


Наукова новизна роботи полягає в отриманні нових наукових результатів:

  • Вперше у рамках дифузійно-дрейфової моделі встановлено і експериментально доведено співвідношення між параметрами процесу електрохімічного формування двовимірних фотонних структур макропористого кремнію при товщині кремнієвого аноду, яка перевищує довжину дифузії дірок, а також при порівняно великих діаметрах макропор. Встановлено, що режим стабілізації напруженості електричного поля є найбільш сприятливим для стабільного формування пор завдяки відповідності умови стаціонарності концентрації дірок на кінцях пор умові постійності густини струму.

  • Вперше виміряна оранжева фотолюмінесценція на структурах макропористого кремнію з нанокристалами мікропористих шарів товщиною 100–700 нм, сформованих на стінках макропор в режимі великої густини струму протягом електрохімічного процесу. Виявлені інтенсивні піки поглинання, пов’язані з коливанням атомів кисню перпендикулярно площині Si O Si, а також із Si Si зв’язками, які спостерігаються завдяки великій загальній поверхні мікропористого шару на стінках макропор.

  • Виміряні фотонна смуга поглинання електромагнітного випромінювання з мінімумом пропускання на довжинах хвиль між одним і двома оптичними періодами двовимірної фотонної структури макропористого кремнію у відповідності з теоретичними розрахунками для напрямку поширення випромінювання, паралельного макропорам, та широка смуга поглинання, пов’язана з формуванням направлених і затухаючих оптичних мод.

  • Встановлена залежність електрофізичних параметрів шарів макропористого кремнію від об’єму, площі поверхні, діаметру та концентрації макропор. Електронна провідність і концентрація в матриці макропористих шарів досягають максимуму для відносного об’єму макропор V = 0,3-0,4 в результаті збагачення поверхні донорами після електрохімічної та хімічної обробок стінок макропор.


    Практична цінність одержаних результатів полягає в:

    • виготовленні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію методом фотоанодного травлення на пластинах n-типу провідності діаметром макропор 1 15 мкм і глибиною до 250 мкм, сформованих в періодичні та довільні структури з періодом 3 25 мкм;

    • встановленні режимів електрохімічного формування пор в структурах макропористого кремнію при лінійній зміні прикладеної напруги, що важливо для травлення циліндричних макропор та управління їх діаметром;

    • формуванні випромінювальних структур макропористого кремнію з нанокристалами в області довжин хвиль 550 700 нм інтенсивністю 10 мкВт/см2;

    • одержанні двовимірних фотонних структур макропористого кремнію з аномально високими коефіцієнтами поглинання у середньому ІЧ-діапазоні довжин хвиль;

    • виготовленні збагачуючого контакту “In – макропористий кремній” з низьким перехідним опором 4 Омсм2 в результаті відпрацювання технології очищення поверхні, напилення та термічного відпалу In на структурі макропористого кремнію;

    • встановленні параметрів болометричного ефекту для використання фотонних структур макропористого кремнію у якості теплових приймачів: температурний коефіцієнт опору досягає 1 4%/К і визначається температурною залежністю рухливості електронів; рівень шуму становить (2–5)10-9 ВГц-1/2 для частот понад 10 Гц, що на порядок нижче рівня шуму в аморфному і полікристалічному кремнії, і відповідає характеристикам сучасних мікроболометрів.


    Особистий внесок здобувача полягає в систематизації та аналізі літературних даних по формуванню і характеристикам фотонних структур на основі макропористого кремнію. Автором безпосередньо була спроектована і створена електрохімічна комірка, змонтована і налагоджена установка для травлення макропористого кремнію, досліджені режими та виготовлені структури макропористого кремнію. Він приймав активну участь у підготовці зразків до формування індієвих контактів, вимірюваннях структурних, оптичних та електрофізичних характеристик фотонних структур макропористого кремнію, обговоренні та обробці експериментальних даних, а також у написанні статей згідно з ними. Більшість отриманих у дисертації результатів доповідалися автором на вітчизняних та міжнародних наукових конференціях.


    Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на конференціях: IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (Ukraine, Kyiv, 1998); XXVIII International School on Physics of Semiconducting Compounds “Jaszowiec ’99” (Poland, Ustro-Jaszowiec, 1999); Third International School-Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Ukraine, Chernovtsi, 1999); International Conference “Advanced Materials” (Ukraine, Kyiv, 1999); 5th International Symposium on Advanced Physical Fields: Fabrication and Characterization of Atomic Scale Structures (Japan, Tsukuba, 2000); Fifth International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Ukraine, Kyiv, 2000); NATO/EC Advanced Research Workshop Spring School “Frontier of Nano-Optoelectronic System: Molecular-Scale Engineering and Processes” (Ukraine, Kyiv, 2000); International Conference on Solid State Crystals Materials Science and Applications (Poland, Zakopane, 2000); Второй российско-украинский семинар “Нанофизика и наноэлектроника” (Украина, Киев, 2000); Конференція молодих вчених “Лашкарьовські читання” (Україна, Київ, 2000); VI Polish Conference on Crystal Growth (Poland, Pozna, 2001).


    Публікації. За результатами дисертації опубліковано 20 робіт, у тому числі 9 статей та 11 тез наукових доповідей.


    Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 151 сторінці, складається з переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (182 найменування), містить 50 рисунків, 12 таблиць та додаток.


    ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

    У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані основна мета та задачі роботи, предмет та методи досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Відображено особистий внесок здобувача, надано інформацію про апробацію результатів досліджень, наукові публікації, структуру дисертації.

    В першому розділі наведено критичний аналіз стану проблем, яким присвячена дисертація, та визначено напрямки досліджень. В огляді літератури представлені основні відомості про матеріали з фотонною забороненою зоною (фотонні кристали). Відмічено, що матеріали з фотонною забороненою зоною перспективні для використання у широкому діапазоні довжин хвиль електромагнітного випромінювання (від мікрохвильових до оптичних) у якості резонаторів для безпорогових лазерів, фільтрів, мікрохвильових антен і дзеркал, хвилеводів. Продовжується пошук матеріалів і технологій для виготовлення як одно-, дво- так і тривимірних фотонних структур для оптичного діапазону спектру, зокрема на основі напівпровідникових матеріалів. Структури макропористого кремнію на даний час є найбільш поширеними і актуальними серед двовимірних напівпровідникових фотонних кристалів.

    Розглянуто електрохімічний метод формування структур макропористого кремнію. Підкреслено, що виготовлення досконалих фотонних структур макропористого кремнію залежить від узгодження режимів електрохімічного процесу з характеристиками кремнієвого аноду (орієнтація, легув


  •