Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

Изучение свойства кремния в микро и наноструктурах

Сюэ Ю.С. 1 Инь Х.И. 1 Инь Ш.И. 1
1 Томский политехнический унтверситет
Наноструктурный кремний, с хорошими управляемыми электрическими и фотоэлектрическими свойствами, является перспективным материалом благодаря многим свойствам. В данной работе мы рассмотрели кристаллические решетки кремния и их параметры, а также зону Бриллюэна. Указаны сравнительные свойства кремния в микро и наноструктурах. Кроме того, рассмотрено влияние размерных эффектов на свойства кремния, а также квантовые размерные эффекты нанокремния. У нанокремния много специальных свойств, включая хорошо управляемые электрические и фотоэлектрические свойства. Благодаря разным свойствам наноструктурого кремния, он в наноструктуре широко используется во многих областях: кремний в различных своих формах (кристаллический, поликристаллический, аморфный) является основой современной микроэлектроники и фоточувствительной оптоэлектроники. На конец, приведено несколько технологии получения нанокремния.
свойства
размерный эффект
наноструктуры
микроструктуры
кремния
применение
технология получения
1] А.А. Ищенко, Г.В. Фетисов, Л.А. Асланов. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. – 2-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 648 с. – ISBN 978-5-9211-1369-4.
[2] А.А. Шкляев, М. Ичикава. Создание наноструктур германия и кремния с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа// Успехи физических наук. Том 176, №9.
[3] А.Н. Михайлов, А.И. Белов, М.О. Марычев, В.А. Бурдов, Д.И. Тетельбаум. Физические основы ионно-лучевого формирования и свойства квантовых точек кремния в диэлектрике// ННГУ/ 2010.
[4] Д.В. Кузнецов, С.И. Миляева, А.Г. Юдин, Д.С. Муратов, М.А. Костицын, С.Э. Кондаков, Е.А. Сопова, А.Ю. Годымчук, А.А. Гусев. Свойства нанопорошков кремния, полученных химико-термическим методом// Нано статьи/ УДК 546.06, 54.03.
[5] И.Е. Тысченко, В.А. Володин. Квантово-размерный эффект в пленках кремний-на-изоляторе, имплантированных большими дозами ионов водорода// Физика и техника полупроводников, 2012, том 46, вып. 10.
[6] К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаямя. Введение в физику поверхности. М.: Наука, 2006. ? 490 с.
[7] Н.Т. Баграев, Л.Е. Клячкин, А.А. Кудрявцев, А.М. Маляренко, В.В. Романов. Сверхпроводящие свойства кремниевых наноструктур// Физика и техника полупроводников/ 2009, том 43, вып. 11.
[8] http://www.findpatent.ru/patent/219/2192689.html// FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016

Рассмотрим прямую и обратную решетки кремния, а так же параметры решеток.

 
    
Рис. 1. Прямая (а) и обратная (б) решетки кремния [6].


Кристаллический кремний имеет такую же структуру, как и алмаз. Напомним, что пространственная решетка структуры алмаза - г.ц.к., а базис состоит из двух атомов с координатами 0,0,0 и 1/4,1/4,1/4 в примитивной г.ц.к. ячейке. Атомы в структуре кремния имеют тетраэдрическую координацию: каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Постоянная решетки равна 5,43 Å для кремния. Известно, что для примитивной кубической решетки обратная решетка тоже примитивная кубическая решетка, поэтому легко получить обратную решетку кремния,  [6]. На рис. 1 показана прямая и обратная решетки кремния. Связь между атомами кремния является ковалентной.

Рассмотрим зону Бриллюэна и поверхность Ферми кремния.

На рис. 2 показан вид зоны Бриллюэна для гранецентрированного кубического кристалла (рис. 2. (б)), а рис. 2. (а) иллюстрирует положение границ энергетических зон для такого кристалла с указанием направлений и характерных точек внутри зоны Бриллюэна.

Здесь символом Г обозначен центр зоны Бриллюэна, а символами ?, Λ, Σ, L, К, W – симметричные точки в зоне Бриллюэна для гранецентрированного кубического кристалла. Положение этих точек определяется с использованием методов теории групп. Направления ?, Λ, Σ для ГЦК ячейки будут соответственно [100], [111], [110] .

Поверхность Ферми кремния, который является непрямозонным полупроводником, состоит из шести эллипсоидов вращения в k-пространстве.

 
   
Рис. 2. Зонная структура в одноэлектронном приближении для гранецентрированного кубического кристалла [1].


В таблице приведены сравнительные свойства кремния в микроструктурах и наноструктурах.

Параметры

Макроструктура

Наноструктура (2-5нм)

Температура плавления

1414,85 °C (1688 K)

1600°C (1873 K)

Температура кипения

2349,85 °C (2623 K)

2230°C(2503 K)

Плотность

2,33 г/см3

2,4 г/см3

Ширина запрещенной зоны

1,12 эВ

2,5 эВ

Молярная масса

28,08 г/моль

59,96 г/моль

 

Сравнивая свойства кремния в микроструктурах и наноструктурах, отметим, что при превращении из макроструктуры в наноструктуру увеличилась температура плавления почти на 200°C, уменьшилась температура кипения на 119°C, плотность осталась такой же, ширина запрещенной зоны приблизительно в два раза больше, молярная масса увеличивалась в два раза.

Рассмотрим влияние размерных эффектов на свойства кремния.

Существует два вида размерных эффектов: классические и квантовые. Как будет указано ниже, изменение свойств кремния вызывают, в основном, квантовые размерные эффекты (КРЭ). Квантовые размерные эффекты проявляются, когда один из геометрических размеров наноструктуры порядка или меньше длины волны де Бройля. Квантовые размерные эффекты связаны с квантованием квазиимпульса, когда энергетические зоны электронного спектра расщепляются на подзоны и формируется зонная структура вещества. КРЭ играют основную роль, когда размер области локализации свободных электронов становится соизмеримым с их длиной волны де Бройля .

 
   
Рис. 3. Основные типы идеальных твердотельных наноструктур [3].


Для электрона в полупроводнике с mе* = (0.1?1) m0, где mе* является эффективной массой электронов, и длина де Бройля лежит в промежутке 3 нм < λδ < 30 нм. В наноструктурах с минимальными размерами 1 ? 100 нм электроны, дырки и другие квазичастицы будут испытывать ограничения при движении, что приводит к квантовому размерному эффекту. На рис. 3 показаны основные типы идеальных твердотельных наноструктур: квантовые пленки (2D), квантовые проволоки (1D), квантовые точки (0D). Квантовый размер d приближается к длине волны де Бройля, т.е. d ~ λδ = h/p, где p – квазиимпульс электрона или дырки в кристалле.

 
    
(а)                                                   (б)
Рис. 4. (а) Схема зон кремния. (б) Квантово-размерный эффект для запрещенной зоны усиливается при переходе от 2D к 0D (при понижении размерности наноструктуры) [5].


Используя понятие эффективной массы, можно исследовать квантово-размерный эффект, который для запрещенной зоны кремния усиливается при переходе от 2D к 0D (при понижении размерности наноструктуры), как показано на рис. 4.

У наноструктурого кремния много специальных свойств:

Кремний (с-Si) имеет кубическую решетку, ширину запрещенной зоны Eg=1.17 эВ (Т=4 К), хорошо изучены и управляемые электрические и фотоэлектрические свойства. На его основе делаются основные компоненты микроэлектроники и фотовольтаики. Но эффективность излучательной рекомбинации в чистом с-Si очень низкая ввиду непрямозонной природы оптических переходов. Эффективность излучательной рекомбинации можно увеличить, формируя нанокристаллы с размерами 2-3 нм [7].

Сверхпроводящие свойства кремниевых сандвич-наноструктур на поверхности Si (100) n-типа, которые представляют собой сверх узкие кремниевые квантовые ямы p-типа, ограниченные δ-барьерами, сильно легированными бором, проявляются в измерениях температурных и полевых зависимостей удельного сопротивления, термо-ЭДС, теплоемкости и статической магнитной восприимчивости [4].

Благодаря разным свойствам наноструктурого кремния, он в наноструктуре широко используется во многих областях:

Кремний (с-Si) в различных своих формах (кристаллический, поликристаллический, аморфный) является основой современной микроэлектроники и фоточувствительной оптоэлектроники (фотовольтаики).

Системы, содержащие кремниевые нанокристаллы в диэлектрической матрице, являются перспективными для создания светоизлучающих устройств, совместимых с технологией интегральных схем. Легирование структур кремниевых нанокристаллов ионами редкоземельных металлов позволяет реализоваться уникальному процессу практически полной передачи энергии экситонов на внутренние степени свободы ионов.

Искусственные среды с требуемыми оптическими свойствами могут быть сформированы путем наноструктурирования гомогенных изотропных материалов методом электрохимического травления. Высококачественные одномерные фотонные кристаллы на основе пористого кремния имеют ярко выраженную запрещенную зону в видимом или ближнем ИК диапазоне, что позволяет компенсировать дисперсию материала для достижения условий фазового согласования в процессах волнового смешения. Анизотропный пористый кремний является отрицательным одноосным кристаллом с огромной величиной двулучепреломления. Подобные слои могут использоваться в качестве сред для фазового согласования нелинейно-оптических взаимодействий. Анизотропное наноструктурирование полупроводников открывает широкие возможности для изготовления искусственных сред с новыми оптическими свойствами для различных приложений в фотонике (поляризаторы, фазокомпенсирующие пластины, дихроичные зеркала, плоские “окна Брюстера”) [1].

Существуют разные способы получения наноструктурного кремния.

Известен способ получения наноразмерных кластеров на плоской поверхности подложки с помощью туннельного атомного силового микроскопа. По этому способу на подложку окисленного кремния наносят тонкий слой титана. На поверхности напыленного металлического слоя сорбируется тонкая пленка воды. В присутствии сильного электрического поля между подложкой и зондом микроскопа в результате электрохимических процессов происходит локальное окисление титана. В результате этого процесса формируется транзистор с толщиной базовой области в несколько десятков нанометров. Данный способ обеспечивает получение наноструктур различной конфигурации, однако их формирование происходит лишь на поверхности подложки и требует применения сложного оборудования [1].

Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях, включающий разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала, который переносится с подложки на поверхность алюминия. При этом при помощи отклоняющего излучение устройства на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с заданной геометрией рисунка. Но, данный способ имеет ограниченную область применения, так как он может быть использован только для алюминиевых подложек и не позволяет получать структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров [1].

Известен способ получения кремниевых наноструктур, включающий воздействие потоков электронов с энергией 5-25 кэВ и плотностью электронов в потоке 1-102 мА/см2 в течение не менее 50 с на пористую силикатную матрицу и последующее осаждение выделяющегося кремния в наноразмерных полостях силикатной матрицы.

Ещё есть способ получения кремниевых наноструктур, который относится к технологии получения наноэлектронных структур с помощью потока заряженных частиц [8]. Подобные структуры используют для передачи, преобразования, хранения или генерации информационных сигналов. Данный способ включает воздействие на кремнийсодержащее вещество потоком заряженных частиц. Новым в способе является предварительное нанесение на поверхность кремнийсодержащего вещества металлического покрытия и воздействие ускоренными тяжелыми ионами, при этом длительность облучения кремнийсодержащего вещества ионами определяют из соотношения j?t = N, 1/см2, где j – заданная плотность потока ионов, 1/см2.с; t – длительность облучения слоя ионами, с; N – заданная плотность кремниевых наноструктур, 1/см2. Металлическое покрытие может быть нанесено в виде сплошной пленки или в виде участков заданной геометрии, например нитей.


Библиографическая ссылка

Сюэ Ю.С., Инь Х.И., Инь Ш.И. Изучение свойства кремния в микро и наноструктурах // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=16775 (дата обращения: 01.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074