Ведущее положение кремния связано с широким набором положительных свойств, которых нет у других полупроводниковых материалов. Кремний технологичен, инертен в обычных условиях, выдерживает высокие температуры, сопровождающие процесс изготовления приборов и интегральных схем. Для создания диэлектрических слоев нет необходимости специально искать диэлектрические материалы – собственный окисел SiO2, формируемый на кремнии, выполняет изолирующие и маски'рующие функции. В кристаллической решетке атомы кремния занимают только 25 % объема, в результате чего материал имеет малую плотность (2,32 г/см^3, для германия – 5,35 г/см^3) и допускает сильное легирование элементами III и V групп. Каждый введенный в кристалл кремния атом III или V группы добавляет один носитель заряда с положительным знаком (дырку) или один электрон соответственно. Концентрация носителей заряда в результате этого может изменяться в широких пределах – от 1010 до 1021 см^–3. Высокие значения коэффициентов диффузии легирующих элементов в кремнии позволяют формировать локальные области микронных и субмикронных размеров с дырочным (p-Si) или электронным (n-Si) типом проводимости, совокупность которых и составляет основу любой интегральной схемы или полупроводникового прибора. Производство кремниевых монокристаллов превышает 3000 т в год.
Однако монокристаллический кремний имеет и недостатки. Один из их связан с относительно невысокой подвижностью носителей заряда (для лектронов – 1500 см2/(В·с), дырок – 600 см^2/(В·с), что ограничивает быстродействие приборов. Для этих целей применяют другой полупроводник – арсенид галлия (GaAs), у которого подвижность электронов при комнатной температуре составляет 8500 см^2/(В·с), а при температуре кипения жидкого азота (77 К) – 250000 см2/(В·с). Результатом этого стало появление нового технологического направления, получившего название арсенид-галлиевой микроэлектроники. Другой недостаток монокристаллического кремния заключается в том, что его нельзя использовать для создания светоизлучающих приборов. Светоизлучающие структуры широкого спектрального диапазона изготавливают на основе других полупроводников (GaAs, GaP, GaN, ZnS, ZnSe и др.), однако решение этой задачи в перспективе все же возможно в рамках кремниевой технологии. Существуют два подхода в решении данной проблемы. Один из них состоит в легировании кремния редкоземельны-
ми элементами (Ег, Eu, Gd), в результате чего такой модифицированный кремний обладает излучающими свойствами в инфракрасном диапазоне. Другой подход заключается в формировании на поверхности или в объеме диэлектрических материалов (например, SiO2) кремниевых кристаллов нанометровых размеров (1 нм = 1·10–9 м). Среди подобных технологических приемов наиболее доступным и дешевым является создание нано-кристаллов посредством вытравливания в монокристаллах кремния мельчайших пустот,
в результате чего оставшиеся области кремния могут иметь размеры в несколько нанометров. Монокристаллический кремний, пронизанный сетью пор (пустот), получил название пористого кремния (ПК). Пористый кремний является низкоразмерным. В п ористом к ремнии в х оде э лектрохимического травления можно получать квантовые точки, квантовые нити, элементы с различной фрактальной размерностью, поэтому пористый кремний с пористостью (П) > 50 % следует рассматривать как один из материалов наноэлектроники. Более того, перспективным может оказаться заполнение пор другими химическими соединениями, что даст возможность формировать дополнительные низкоразмерные элементы в объеме пористого кремния. Характерной особенностью пористого кремния является большая суммарная площадь его внутренней поверхности. В зависимости от величины пористости и геометрии пор она может составлять для макропористого кремния от 10 до 100 м^2/см^3, для мезопористого – от 100 до 300 м^2/см^3 и для микропористого – от 300 до 800 м^2/см^3.Низкоразмерный кремний в зависимости от условий травления обладает широким интервалом величин удельного сопротивления 10−2–1011 Ом·см.
С электрической точки зрения материал с пористостью более 50 % полностью обеднен носителями заряда. Убедительное объяснение такой трансформации полупроводника практически в диэлектрик в литературе отсутствует. Выдвигаются различные гипотезы, в том числе о селективном вымывании легирующих примесей при электрохимическом процессе или о проявлении квантоворазмерного эффекта в увеличении энергии ионизации примесных центров.
Теплопроводность высокопористого кремния более чем на порядок ниже, чем монокристаллического. Это необходимо учитывать в экспериментах с использованием высокоэнергетичного воздействия, например, мощных лазерных или электронных пучков. Возникающий при этом сильный нагрев образца может существенно повлиять на его свойства.
Оптические свойства низкоразмерного кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала. В частности, край спектра поглощения пористого слоя, отделенного от подложки, в зависимости от пористости, смещен в сторону больших hν относительно Eg0 на 100–500 мэВ.
Наиболее удивительным свойством пористого кремния является его способность эффективно люминесцировать в видимой области спектра.
Уже в первых опытах выяснилось, что эффективно люминесцируют образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %. Эффективность фотолюминесценции может достигать десятков процентов. Длиной волны излучения можно управлять, изменяя условия анодирования. Оказалось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготовления цветных дисплеев. Существуют данные электронной микроскопии и комбинационного рассеяния, свидетельствующие о наличии корреляции между голубым сдвигом спектра фотолюминесценции (ФЛ) и уменьшением сечения наноструктур пористого кремния.
Параметры ФЛ пористого слоя оказались весьма чувствительными к термовакуумным обработкам и изменению свойств среды, в которой находится образец. Так, интенсивность ФЛ падает более чем на порядок, если свежевыращенный образец прогревается в вакууме при 400 ºС. При этом анные ИК-спектроскопии свидетельствуют об уходе атомов водорода с поверхности пористого кремния, а методом электронного парамагнитного резонанса регистрируется появление в пористом кремнии большого числа дефектов, представляющих оборванные связи кремния на поверхности наноструктур.
К заметному (5–10 раз) гашению ФЛ приводит также заполнение пор жидкостями с высоким значением статической диэлектрической проницаемости ε (этанол, метанол и др.).
Предполагается, что излучение в свежеприготовленных образцах пористого кремния формируется в наноструктурах (нитях и кластерах) кремния, электронный спектр которых модифицирован за счет квантоворазмерного эффекта.
Электролюминесценция в пористом кремнии изучена в меньшей степени, чем фотолюминесценция. В то же время именно с электролюминесценцией связаны перспективы практического использования пористого кремния как материала для создания светоизлучающих устройств (светодиодов, плоских цветных дисплеев). Предполагается, что светодиоды из пористого кремния будут значительно дешевле, чем производимые на базе полупроводниковых соединений. Электролюминесцентный излучатель из пористого кремния может быть доведен до микронных размеров и совмещен с другими полупроводниковыми элементами на одном кремниевом кристалле. Это позволит осуществлять быстродействующую оптическую обработку информации, т. е. сделать следующий шаг в развитии информационных и компьютерных технологий. Однако существует ряд трудностей при практическом использовании этого свойства. К ним относятся невысокая эффективность электролюминесценции и быстрая деградация структур.
Эффективность первых электролюминесцентных приборов была невелика (10−5 %), однако со временем удалось выяснить причины старения светоизлучающего пористого кремния и наметить пути создания стабильных во времени структур. Явление фотолюминесценции эффективно поддерживается при введении в объем атомов углерода или железа, а современные электролюминесцентные приборы имеют срок службы несколько лет при квантовой эффективности порядка 10^−1 %.