Исследование условий получения, структуры и свойств нанопористого кремния для формирования многослойных светоизлучающих структур

Выбрано направление исследований – получение нанопористого кремния с заданными параметрами и оптическими свойствами с последующей разработкой модифицированного механизма образования нанопористого кремния.
Создана установка для получения слоев нанопористого кремния при контролируемых и регистрируемых токе и напряжении травления.
Проведены пробные процессы электролитического формирования слоев нанопористого кремния при использовании исходного монокристаллического кремния с разными характеристиками.
Проведены патентные исследования в отношении способов получения пористого кремния, в том числе способов получения пористого кремния, люминесцирующего в коротковолновой области спектра.

Проведено исследование влияния условий электрохимического травления на характеристики слоев пористого кремния при использовании исходного монокристаллического кремния с разной удельной электропроводностью с целью определения модификации свойств пористого кремния на последующих этапах работы.
Проведены патентные исследования в отношении способов получения пористого кремния с модификацией его свойств.
Проведены исследования по определению пористости слоев ПК и их структуры с использованием оптического и электронного микроскопов.
Исследованы аспекты процесса получения пористого кремния, которые обусловливают отклонения от общепринятого механизма образования пористого кремния и влияют на возможность модификации его свойств в процессе электрохимического травления.

Проведены эксперименты по получению электрохимическим травлением фотолюминесцирующих слоев НК и исследованы их фотолюминесцентные характеристики в зависимости от условий получения (состояния исходной поверхности, окисления, состава электролита, структуры НК), а также исследована зависимость толщины получаемых слоев НК от параметров получения НК и электросопротивления исходного монокристаллического кремния.
В результате работы получены образцы НК с двумя пиками фотолюминесценции с возможностью варьирования их интенсивности, образцы НК со сдвигом фотолюминесценции в коротковолновую часть видимой области спектра (менее 0,55 мкм) и разработан неразрушающий способ определения толщины слоев НК в процессе их получения.
Также проведены патентные исследования в отношении способов сдвига фотолюминесценции в коротковолновую часть видимой области спектра и способов определения толщины слоев НК и подана заявка на патент.

Проведено исследование зависимости спектральных характеристик слоев НК от параметров исходного монокристаллического кремния и качест-ва самих пластин. Было выявлено, что электрофизические параметры исход-ного материала, такие как удельное сопротивление, не оказывают сущест-венного влияния на образование слоев НК. Полученные слои обладали спо-собностью к фотолюминесценции и имели практически одинаковые спектры как по длинам волн излучения, так и по интенсивности. Существенного влияния ориентации монокристалла на фотолюминесцентные свойства НК также не обнаружено. В тоже время выявлено, что слои НК, полученные на более низкоомном материале, имеют большую механическую прочность. Найдено, что состояние поверхности пластин исходного монокристалличе-ского кремния не оказывает влияния на спектральные характеристики полу-чаемых в ходе травления слоев НК. Это также касается и пластин, подверг-нутых ионной имплантацией атомами бора или аргона и имеющих поверхно-стные нарушения. В тоже время, в структуре слоев НК, полученных на по-верхности пластин кремния, шлифованных при использовании абразивного микропорошка, наблюдалось формирование некого, не люминесцирующего слоя, обладающего высокой химической инертностью, который может пре-пятствовать фотолюминесценции НК. Это объяснено кремний-фторидными образованиями, возникающими в процессе электролитического травления при очень высокой плотности поверхностных дефектов, вызванных механи-ческим воздействием.
Также была выявлена количественная зависимость образования НК от концентрации фтористоводородной кислоты в растворе. Установлено, что слои фотолюминесцирующего НК образуются при использовании травителей с содержанием кислоты выше 10-12 % (объемных) и ниже 85 %. Подобная зависимость наблюдается как для травителей на основе этилового спирта, так и воды. Это объяснено диссоциацией HF на H+ и F- при содержании ее ниже 10 %, в то время как при более высоких значениях концентрации кислоты имеет место диссоциация с образованием иона (HF2). На основании этого был разработан механизм образования слоев нанопористого кремния в про-цессе электрохимического травления. Данный механизм основан на положе-нии о различной природе диссоциации молекулы HF в зависимости от кон-центрации и возможности химической эпитаксии высокоомных кремний-фторидных образований на поверхности пор в процессе электролитического травления и позволяет объяснить те моменты, которые не укладываются в рамки традиционного механизма образования слоев НК.
Получены лабораторные образцы НК с заданными свойствами (макси-мум фотолюминесценции от 760 нм до <600 нм при малом снижении интен-сивности излучения в коротковолновой области и равномерной фотолюми-несценции по площади образца, толщина от 2 мкм до 50 мкм, пористость от 60 % до 80 %), что соответствует требованиям технического задания.
Результаты работы могут быть использованы в оптоэлектронике, об-ласти топливных элементов и других областях, в которых используется на-нопористый кремний.