ВЫПУСКНАЯКВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
в формебакалаврской работы
Созданиенизкоразмерной среды в арсениде галлия для устройств микро- и наноэлектроники
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Арсенид галлия как перспективный материал микро- инаноэлектроники
1.1 Свойства иприменение арсенида галлия
1.2 Пористая матрицаарсенида галлия и её структурные свойства
1.3 Оптическиесвойства пористой матрицы
2. Формирование низкоразмерной среды в арсениде галлия
2.1 Исследование электрофизических параметров исходного монокристаллическогоарсенида галлия
2.1.1 Определение кристаллографической ориентации подложек
2.1.2 Определение типа проводимости подложек методомтермо-ЭДС
2.1.3 Определение концентрации основных носителей заряда
2.2 Формирование пористой матрицы в арсениде галлия
2.2.1 Электрохимия полупроводников
2.2.2 Технологические условия формирования пористого арсенидагаллия
3. Исследование пористого арсенида галлия
3.1 Структурные свойства
3.1.1 Оптическая микроскопия
3.1.2 Электронная микроскопия
3.2 Электрические свойства
3.3 Оптические свойства
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время основным материалом функциональной электроники являетсяареснид галлия, как самый универсальный по своим электрофизическим свойствам извсех полупроводниковых материалов типа/>.
Физико-химические свойства пористых полупроводников достаточно давнопривлекают внимание исследователей, применяющих подобные материалы в технологииполупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Так, пористый кремний,получаемый обычно методом электрохимического травления, широко используется втехнологии «кремний на диэлектрике», для создания проводящих слоёв, а также вкачестве подложек для гетероэпитаксии [6]. Интерес к пористым полупроводникамзаметно возрос после обнаружения интенсивной фотолюминесценции у пористоймодификации кремния – изначально полупроводника со слабой излучательнойспособностью [7–10]. Условия получения и свойства пористого арсенида галлияпока остаются малоизученными. В литературе встречаются лишь отрывочные данные,свидетельствующие о возможности его получения методом электрохимическоготравления [11–13].
Согласно литературным данным, процесспорообразования в арсениде галлия происходит по схеме порообразования кремния,но со своей спецификой: результаты исследований говорят о том, что слоипористого арсенида галлия имеют нестихиометричный состав со значительнымизбытком атомов мышьяка. Установлено, что скелетную основу слоёв составляютстолбики-перегородки, разделённые системой пор, ориентированных вдолькристаллографического направления [111]. Пористые слои сохраняютмонокристаллическую структуру подложки, но могут иметь изменённый параметррешётки – Δа/а/>.
1 Арсенидгаллия как перспективный материал микро- и наноэлектроники
1.1 Свойства и применение арсенида галлия
Арсенид галлия – один из перспективных полупроводниковых материалов,который благодаря своим свойствам находит широкое применение в разработке новыхтипов полупроводниковых приборов.
Некоторые электронные свойства GaAsпревосходят свойства кремния. Носителизаряда в арсениде галлия обладают более высокой подвижностью, позволяющейработать на частотах до 250 ГГц. Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чемкремниевые устройства на той жеоперационной частоте. Из-за более высокого напряжения пробоя в GaAs чем в Siэти приборы могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAsшироко применяемым в мобильных телефонах, твердотельных лазерах, некоторыхрадарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеютболее высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обуславливает егоиспользование при наличии радиационного излучения (например, в солнечныхбатареях в космической технике).
Основное применение имеет:
1) Полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельнымсопротивлением (107 Ом.см). Используется при изготовлении высокочастотныхинтегральных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов. Помимо высокогоудельного сопротивления монокристаллы нелегированного GaAs, применяемые впроизводстве высокочастотных приборов (особенно с использованием технологийионной имплантации), должны иметь высокие значения подвижности носителей зарядаи высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как впоперечном сечении, так и по длине выращенных слитков.
2) Легированный кремнием GaAs n-типа проводимости снизкой плотностью дислокаций. Применяется при изготовлении светодиодов илазеров. Монокристаллы сильно легированного кремнием (1017–1018 см-3) GaAs,помимо высокой проводимости, должны обладать достаточно совершеннойкристаллической структурой. Они широко используется в оптоэлектронике дляизготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являютсяпрекрасным материалом для генераторов СВЧ-колебаний, применяются дляизготовления туннельных диодов, способных работать при более высокихтемпературах, чем кремниевые и на более высоких частотах, чем германиевые.
3) Монокристаллы арсенида галлия, легированные хромом,используют в инфракрасной оптике.
4) Монокристаллы GaAs, легированные цинком илителлуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов.
1.2 Пористая матрица арсенида галлия и еёструктурные свойства
Пористый арсенид галлия получают путём электрохимического анодированиямонокристаллического GaAs. В качестве электролита наиболее часто используютсяводные растворы фторводородной кислоты (HF), а также её смеси с соляной (HCl) и азотной (HNO3) кислотами.
Электрохимическое анодирование пластин может проводиться вгальваностатическом и потенциостатическом режимах. В первом случае черезпластину GaAs пропускается ток постоянной на всём протяжении экспериментаамплитуды, в то время как при потенциостатическом режиме постоянным остаётсянапряжение. Однако в силу причины низкой эффективности потенциостатическогометода, в подавляющем большинстве экспериментов используетсягальваностатический метод.
В результате реакции электрохимического травления на поверхности GaAsмогут образовываться химические соединения типа />, имеющие алмазоподобную формукристаллиты />,а при травлении в хлорсодержащем растворе ещё и />.
В связи с тем, что процесс порообразования проходит при непосредственномучастии дырок, а их концентрация в GaAs n-типа весьма мала, возникает необходимость создания дополнительныхусловий для их генерации. Чаще всего для этой цели применяют импульсныйисточник освещения, светом которого в процессе травления подсвечиваетсяобразец.
Пористому арсениду галлия, как и пористому кремнию, свойственно значительноеувеличение площади поверхности – до 600 м2/см3.
В GaAs поры растут вдолькристаллографического направления [111] (рисунок 1). Следовательно, в пластинахс ориентацией (111) поры растут перпендикулярно поверхности, а в пластинах сориентацией (100) под углом ~35°.
/>
Рисунок 1 – Перпендикулярный поверхности рост пор на пластине ориентации (111)
В зависимости от многих факторов (плотность тока, протекающего черезобразец, кристаллографическая ориентация пластины, тип проводимости, уровеньлегирования, состав и температура травителя, наличие или отсутствие подсветки,состояние поверхности), пористые слои могут весьма сильно различаться по своимструктурным свойствам[14, 15].
В том случае, когда диаметр пор больше 50 нм, говорят о наличиимакропористой структуры; при диаметре пор от 50 нм до 5 нм говорят омезапористом слое, и в случае диаметра пор меньше 5 нм говорят о микропористойструктуре слоя.
Для образцов p-типа, как показывают авторы работы [15], формирование наповерхности пор кристаллитов /> не наблюдается, как это было вслучае некоторых образцов пористого n-GaAs. В то же время суммарное количествоатомов кислорода, участвующих в формировании оксидных связей на поверхностинанокристаллов оказалось почти равным. Стоит отметить, что интенсивностьфотолюминесценции в образцах пористого p-GaAs существенно ниже, чем в образцах пористого n-GaAs, а положение самого пика фотолюминесценции сдвинуто вкрасную область спектра. Структура пористого слоя p-GaAs менее однородная,размеры нанокристаллов колеблются в пределах от десятков до сотен нанометров. Вслучае n-GaAs размеры нанокристаллов идисперсия значений среднего диаметра существенно меньше, чем в образцах p-GaAs.
Как указано в работе [13], при электролитическом травлении n-GaAs (/>) в растворах HCl, начиная с плотности тока около /> на поверхности образцов образуется тёмная плотнаяплёнка, прочно сцепленная с подложкой. При плотности тока большей /> образуется толстый слой, легко отделяющийся отподложки. При ещё больших плотностях тока этот слой рассыпается в мелкийпорошок уже в процессе электролиза. Замена растворителя (воды) наводно-этаноловую смесь (1:1) снижает порог «рассыпания» примерно в 2 раза.
Электролит, содержащий в своём составе /> образует на поверхности GaAs тонкую тёмную плёнку ужечерез несколько секунд после погружения в него образца без пропускания тока, тоесть действует как химический травитель. Дальнейший электролиз в такомэлектролите приводит к образованию толстых слоёв пористого арсенида галлия, также как и при химическом травлении в растворах HCl.
В результате же чисто химического травления образуются тонкие однородныечёрные слои, толщина которых практически не зависит от времени травления.
1.3 Оптические свойства
Говоря об оптических свойствах пористого арсенида галлия, в первую очередьстоит упомянуть его фотолюминесценцию (ФЛ). Как утверждают авторы работы [13],все слои характеризуются наличием ФЛ в инфракрасной(ИК) области спектра,близкой к полосе излучения подложки. Такая же полоса ИК излучения наблюдается вспектрах свободных (отделенных от подложки) плёнок и в порошкообразном пористомарсениде галлия. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что получаемые врезультате электролитического травления слои представляют собой губчатыеобразования. Для всех слоёв, выращенных на подложках с /> наблюдается сдвиг ИК максимума в длинноволонвуюобласть спектра и расширение полосы ФЛ (рисунок 2, а). Такой же сдвигмаксимума, но без уширения полосы наблюдается у образцов с />(рисунок 2, б).
/>
Пунктирная линия – спектр исходного арсенида галлия, сплошная – егопористого слоя
а – подложка с />, б – />
Рисунок 2 – Сравнение ФЛ образцов исходного арсенида галлия и егопористых слоёв
Все образцы пористого GaAsобладают ФЛ в видимой области спектра. Интенсивность и форма полосы зависят отусловий формирования слоёв. Наибольшей интенсивностью, несмотря на малуютолщину, обладают «химические» слои. У этих слоёв преобладает ФЛ в краснойобласти спектра, в то время как для «электрохимических» слоёв характернадвугорбая кривая с более выраженным коротковолновым максимумом.
Сдвиг основной фазы фотолюминесценции образцов пористого GaAs,полученных анодным травлением, по сравнению с кристаллическим GaAs может бытьобъяснён, если предположить, что имеет место размерное квантование энергииносителей тока в результате образования нанообъектов. Производя оценочныерасчёты, определяют приблизительный размер нанокристаллов, излучение которыхопределяет максимальную энергию спектра излучения фотолюминесценции дляпористого слоя. Например, в тех пористых образцах n-типа, в которых максимумфотолюминесценции располагается при энергиях 1,85–2,52 эВ, расчёт даёт размерынанокристаллов от 5 до 8 нм.
2 Формирование низкоразмерной среды в арсенидегаллия
2.1 Исследование электрофизических параметровисходного монокристаллического арсенида галлия
2.1.1 Определение кристаллографическойориентации подложек
В первую очередь стоит отметить экспресс-метод определениякристаллографической ориентации пластин – по характеру скола. Пластиныориентации (100) при расколе образуют прямой угол, в то время как пластиныориентации (111) образуют угол, равный 60 градусам.
/>
Слева – пластина ориентации (111), справа – ориентации (100)
Рисунок 3 – Определение кристаллографической ориентации пластин похарактеру раскола
С другой стороны, в отличие отаморфных тел почти все свойства кристаллических веществ по разным направлениямразличны. В частности, при химическом взаимодействии кристаллов с травителямирастворение их граней по разным кристаллографическим направлениям, как правило,происходит с различными скоростями.
При травлении в слабом травителе в течение продолжительного времени влокальной области кристалла, на его гранях образуются правильные фигуры,наблюдаемые под микроскопом, которые получили название фигур травления. Установлено,что фигуры травления на различных кристаллографических плоскостях различны.Так, на пластинах с кристаллографической ориентацией (100) фигуры травлениястремятся принять вид квадратов, в то время как на пластинах (111) –треугольников [5].
/>
а
/>
б
Рисунок 4 – Фигуры травления пластин арсенида галлия ориентации: а –(100); б – (111)
/>
а
/>
б
Рисунок 5 – Ямки травления пластин арсенида галлия ориентации: а – (100); б – (111)
По геометрии фигур травления можно судить об ориентации кристалла, атакже о его монокристалличности. Если образец не представляет собоймонокристалла, в различных местах одной и той же грани фигуры травления будутразличными [5].
В таблице 1 приведены наиболее распространённые составы селективныхтравителей для арсенида галлия.
Таблица 1 – Селективные травители для арсенида галлияСостав травителя Комментарии
/> 2–4 мин., выявление дислокаций
/> 10 мин, выявление дислокаций
/> Проявление границ зёрен
2.1.2 Определение типа проводимости подложек методомтермо-ЭДС
Метод термо-ЭДС заключается в том, что с анализируемымполупроводником вводится в соприкосновение разогретый до 50–70°С зонд иотносительно холодной части образца определяется знак термо-ЭДС. Приопределении типа проводимости данным методом возникает вопрос о концентрацияхлегирующей примеси, при которых возможно достоверное определение величины изнака термо-ЭДС. При этом можно рассмотреть два предельных случая: концентрациялегирующей примеси очень мала, что примерно соответствует собственномуполупроводнику, и концентрация легирующей примеси очень велика, что примерносоответствует металлам.
Рассмотрим механизм возникновения термо-ЭДС. Приприкосновении горячего зонда к полупроводнику в последнем возникает градиенттемпературы. Вследствие этого в образце появляется градиент средней энергии иградиент концентрации носителей заряда. Это приводит к возникновениюдиффузионного потока носителей заряда, то есть к возникновению тока. Врезультате разделения носителей заряда, внутри образца образуется электрическоеполе, которое порождает компенсирующий поток носителей заряда. Между горячимзондом и холодной частью образца возникает разность потенциалов. Согласноформуле (1) термо-ЭДС полупроводника определяется двумя слагаемыми, каждое изкоторых соответствует вкладу, вносимому электронами и дырками, причем этислагаемые имеют противоположные знаки.
В случае электронного полупроводника в разогретойобласти образца возникает положительный объемный заряд, в дырочномполупроводнике наоборот.
/> (1)
где а – удельная термо-ЭДС;
Nc, Nv – эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентнойзоне;
k –постоянная Больцмана;
п, р – концентрации электронов и дырок;
μn,μр – подвижности электронов и дырок;
е – элементарный заряд.
Для собственного полупроводника величина термо-ЭДСопределяется лишь шириной запрещенной зоны и соотношением подвижности электронови дырок. При определении типа проводимости слаболегированного образца можетвозникнуть проблема, связанная со следующей причиной. Поскольку подвижностьэлектронов выше подвижности дырок, то знак термо-ЭДС собственногополупроводника будет соответствовать знаку термо-ЭДС электронного полупроводника.Поэтому при определении типа проводимости слаболегированного полупроводникаможет возникнуть ошибка.
Согласно формуле (1) величина термо-ЭДС зависит нетолько от концентрации носителей, но и от их подвижности. А посколькуподвижность электронов больше подвижности дырок, при некоторой температуре этоприводит к инверсии знака удельной термо-ЭДС. Причем особенно заметно это у полупроводниковс более низкой степенью легирования.
Следовательно, в таких случаях невозможно определитьтип полупроводника по знаку термо-ЭДС [1].
2.1.3 Определение концентрации основныхносителей заряда
Как известно, именно основные носители заряда вносят основной вклад вэлектропроводность полупроводника. Таким образом, возникает возможностьопределить концентрацию основных носителей заряда косвенным методом черезизмерение удельного сопротивления пластины полупроводника [1].
Сопротивление пластины определяется четырёхзондовым методом – этот методизмерения электрического сопротивления является самым распространённым. Кромевысоких метрологических показателей преимущество четырёхзондового методасостоит в том, что для его применения не требуется омических контактов кобразцу, возможно измерение удельного сопротивления объемных образцов самойразнообразной формы и размеров, а также удельного сопротивления слоевполупроводниковых структур. Условием для его применения с точки зрения формыобразца является наличие плоской поверхности, линейные размеры которойпревосходят линейные размеры системы зондов.
Метод заключается в том, что кплоской поверхности образца вдоль прямой линии прижимают четыре металлическихконтакта (зонда), отстоящих друг от друга на расстояние S (рисунок 6).
/>
Рисунок 6 – Схема определенияудельного поверхностного сопротивления четырёхзондовым методом
К крайним зондам прикладываютнапряжение от источника Е1 за счет чего создается ток I14. Ток входит в пленкучерез один контакт, растекается по пленке и выходит через другой контакт. Засчет прохождения тока по пленке между точками касания средних зондов происходитпадение напряжения U23, которое может быть измерено. Измерив U23, зная I14 иразмеры образца (пленки), можно определить величину удельного сопротивления.
/>, (2)
где f – поправочная функция,учитывающая соотношение размеров образца пленки и расстояние между зондами S.
Измерение напряжения между зондами производяткомпенсационным методом, используя высокоомный потенциометр. Суть методакомпенсации заключается в том, что встречно с источником неизвестногонапряжения U23 включают источник калиброванного регулируемого напряжения Ux – потенциометр.В замкнутый контур включен гальванометр. Если Ux ≠U23, в цепигальванометра идет ток. Если же установить Ux таким, чтобы Uх = U23, тока вцепи гальванометра не будет. Это и есть компенсация неизвестного напряженияизвестным. Важнейшей особенностью компенсационного метода является то, что приизмерении, когда Uх = U23, ток не ответвляется в цепь зондов 2 и 3 и потому непроисходит нарушения растекания тока, идущего через зонды 1 и 4. Так как при Uх= U23 тока в цепи средних зондов нет, можно не принимать во внимание качествоконтакта (величину сопротивления) в точках касания зондов 2 и 3 в пленке.
Объёмное сопротивление определяется по формуле
/>, (3)
где d – толщина пластины.
Проводимость пластин:
/>, (4)
Она же:
/>, (5)
где q – заряд электрона,
n, p – концентрация носителей заряда,
/> – подвижность электронов,
/> – подвижность дырок.
Для пластин n-типа проводимости:
/>. (6)
Для пластин p-типа проводимости:
/>. (7)
Объединяя формулы, получаем расчётные формулы для определенияконцентрации основных носителей заряда в полупроводнике дырочного иэлектронного типа проводимости соответственно:
/>, (8)
/>. (9)
2.2 Формирование пористой матрицы в арсенидегаллия
2.2.1 Электрохимия полупроводников
В отличие от элементных полупроводников электрохимия полупроводниковыхсоединений усложняется из-за наличия двух или более видов атомов, полярностисвязей, анизотропии кристалла, отклонений от стехиометрии и т.п. Так, например,кристаллы соединений />(соединения алюминия, галлия,индия с фосфором, мышьяком и сурьмой) имеют кубическую решетку цинковой обманки(сфалерита). В них атом одного вида, например, элемента А, лежащий в плоскости(111), в одном направлении имеет три связи с тремя атомами элемента В, впротивоположном направлении – одну связь с одним атомом элемента В. После резкии травления пластинки такого полупроводника, большие поверхности которойпараллельны плоскости (111), на ней в основном остаются атомы, более прочносвязанные тремя связями с объемом. В случае, например, арсенида галлия настороне А такой пластины будут оставаться атомы галлия (плоскость (111)А,галлиевая сторона), а на противоположной стороне В пластины – атомы мышьяка(плоскость (111)В, мышьяковая сторона). Очевидно, что физические, физико-химическиеи, следовательно, электрохимические свойства этих противоположных поверхностейдолжны быть различными.
Экспериментальные факты позволяют представить следующий вариант механизмаанодного растворения арсенида галлия ориентации (111)А в щёлочной среде, когдапроцесс контролируется электрохимической стадией:
≡Ga + OH– + e+ → =Ga–OH + OH– + e+ → –Ga=(OH)2 + OH– +e+ → Ga(OH)3.
Здесь –, = и ≡ – одинарная, двойная и тройная ковалентная связь,соответственно.
Стадия 1. Очень быстрое взаимодействие ОН-иона или />в растворах, где рН .
Cтадия 2. Аналогичная электрохимическая реакция, но протекающая снаибольшими затруднениями, так как в отличие от стадии 1, атом галлия ужечастично окислен и экранирован ОН-группой. Поэтому отторжение внутреннегоэлектрона одной из двух ковалентных связей в объём полупроводника, т. е. подводпазона (дырки), отрицательным полем ОН-иона, который теперь не может подойтинепосредственно к атому галлия, весьма затруднен. Эта стадия контролируетпроцесс анодного растворения арсенида галлия.
Стадия 3. Также электрохимическая реакция. Её протекание облегчено,во-первых, из-за наличия у атома галлия уже двух ОН-групп, создающихотрицательное поле, способствующее генерации пазонов в последней связи;во-вторых, оставшаяся одинокая ковалентная связь ослаблена из-за отклонений отконфигурации кристаллической решетки, и дополнительная адсорбция частицраствора приводит к быстрому разрыву последней связи и переходу Ga (III) враствор.
Стадия 4 – стадия растворения продуктов анодного окисления GaAs, (вприведенной схеме она не показана). Эта стадия может ограничивать процессанодного растворения лишь при высокой плотности анодного тока, выше 1–30/>из-за оксидирования его поверхности: проявляютсяпассивационные явления, потенциал растёт до 50–100 В.
Атомы мышьяка, появившиеся на поверхности анода из GaAs ориентации(111)A, реагируют, как и атомы галлия, но с меньшими затруднениями, так как ониимеют лишь одну ковалентную связь с объёмом полупроводника, остальные связи уженарушены.
Анодное растворение арсенида галлия n-типа исследовалось многими авторамив кислых и щелочных растворах, без, и в присутствии окислителей, в водных иорганических средах, на свету и в темноте, для образцов с разной ориентациейповерхности и разной концентрацией донорной примеси и т.п.
В кратком виде результаты многих исследований следующие.
1. В отличие от p-GaAs анодное поведение n-GaAs существенно зависит отего полупроводниковых свойств, от концентрации в нём донорной примеси.
2. У невырожденного GaAs n-типа (/>) в темноте быстрое возрастаниеанодного перенапряжения начинается при плотности анодного тока />. В отличие от n-Ge,но также как и у n-Si, скорость возрастания перенапряжения при анодной поляризации n-GaAs растётс уменьшением концентрациидонорной примеси и, наоборот, уменьшается с её ростом.
3. Рассматриваемое торможение анодного процесса независит от интенсивности перемешивания раствора или скорости вращения дисковогоанода из n-GaAs, лишь улучшаетсявоспроизводимость и несколько возрастает ток для стороны (111)A. Этосвидетельствует, что затруднения обусловлены процессами в твёрдой фазе анода.
4. Кристаллографическая ориентация поверхности анода из n-GaAsне влияет заметным образом на характер торможения и на вид анодных кривых, хотяанодный ток растворения стороны (111)B обычно больше, чем для стороны (111)A.
5. Напряжение пробоя, при котором начинается новый ростанодного тока, зависит от концентрации электронов (донорной примеси), а такжеот состава раствора, т. е. от его способности растворять продукты окисленияарсенида галлия, которые пассивируют локальные места пробоя. Так, в 1 моль/лрастворе /> напряжение пробоя выше, чем в 1моль/л растворе />, и для n-GaAs ориентации (111)В егозависимость от концентрации носителей, больше />, описывается эмпирической формулой: /> [3].
2.2.2 Технологические условия формированияпористого арсенида галлия
Пористый арсенид галлия получали путём электрохимической обработкимонокристаллического арсенида галлия, являющегося анодом. В качестве электролита использоваливодный раствор плавиковой кислоты [4]. Для экспериментов были использованыобразцы арсенида галлия n- и p-типов проводимости с полированной поверхностью,кристаллографической ориентацией (100) и концентрацией основных носителейзаряда порядка />. Перед получением пористого слояобразцы предварительно подвергали химическому полированию в растворе /> в течение 1 минуты с последующей промывкой вдистиллированной воде.
При травлении образца n-типа необходима подсветка. В нашей работеприменялась зеркальная лампа, мощностью порядка 20 />.
В качестве электролита применялся 25 % раствор HF. Плотность тока лежалав пределах 70–80 />. Время травления – 15 минут.
Само травление осуществлялось в электрохимической ячейке (рисунок 7).
/>
1 – Платиновый катод; 2 – электролит; 3 – прокладка из вакуумированнойрезины; 4 – полупроводниковая пластина; 5 – омический контакт к полупроводнику;6 – основание ячейки.
Рисунок 7 – Конструкция электрохимической ячейки
Глава 3. Методы исследования пористого арсенидагаллия
3.1 Структурные свойства
3.1.1 Оптическая микроскопия
Для исследования структуры поверхности широко используется микроинтерферометрЛинника МИИ-4, предназначенный для визуальной оценки, измерения ифотографирования высоты неровностей тонко обработанных поверхностей.
Микроинтерферометр применяется в лабораториях, научно-исследовательских иучебных институтов и промышленных предприятий, занимающихся вопросами чистоты обработкиповерхностей.
Оптическая система микроинтерферометра показана на рисунке 8.
/>
Рисунок 8 – Оптическая система микроинтерферометра
Нить лампы накаливания 1 проектируется коллектором 2 в плоскостьапертурной диафрагмы 3. В фокальной плоскости проекционного объектива 4 помещенаполевая диафрагма 5, которая изображается объективом 4 в бесконечности.
После проекционного объектива параллельный пучок лучей попадает наразделительную пластинку 6, на одной стороне которой нанесено светоотделительноепокрытие. Разделительная пластинка делит падающий на нее пучок света пополам:одну половину она отражает, другую – пропускает.
Пучок лучей, отраженный от пластинки 6, собирается в фокусе объектива 7на исследуемой поверхности, после отражения от которой снова проходит черезобъектив 7, пластинку 6 и собирается в фокусе объектива 8, где наблюдается изображениеисследуемой поверхности. Зеркало 9 направляет пучки лучей в визуальный тубус.
Второй пучок лучей, пройдя через разделительную пластинку 6, падает накомпенсатор 10, после чего собирается в фокусе объектива 11 на эталонном зеркале12, отразившись от которого, снова проходит через объектив 11, компенсатор 10 ипадает на разделительную пластинку 6. При этом часть лучей проходит черезпластинку 6 и не участвует в образовании изображения, а другая часть лучейотражается от пластинки 6 и интерферирует с лучами первой ветви интерферометра,образуя резкое изображение интерференционных полос в бесконечности. Этоизображение объективом 8 переносится в фокальную плоскость окуляра 13.
Таким образом, изображения интерференционных полос и исследуемойповерхности получаются в фокальной плоскости окуляра и налагаются друг на друга.
Для работы с монохроматическим светом, т.е. светом определенной длиныволны, прибор снабжен двумя интерференционными светофильтрами 14, которыевключаются и выключаются из хода лучей перемещением направляющей. Светофильтрыотличаются друг от друга своими характеристиками.
На рисунке 9 представлены фотографии сколов пластин арсенида галлия спористым слоем. Ввиду низкой разрешающей способности оптического микроскопаопределить какие-либо характеристики пористых слоёв невозможно, но можноподтвердить наличие самого пористого слоя.
/>
/> Рисунок 9 – Изображения пористых слоёв, полученные при помощи оптического микроскопа
3.1.2 Электронная микроскопия
В растровом электронном микроскопе (РЭМ) применяютсяэлектронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно очень малыхразмеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Этопятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающемуэкран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировкеобъекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экранетелевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которойсинхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рисунок 10).
Увеличение в данном случае понимается как отношениеразмера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце.Это увеличение принципиально может составлять величину от 10 до 10 млн.
/>
1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 –отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 –кольцевой детектор; 8 – анализатор.
Рисунок 10 – Растровый электронный микроскоп
Электроны, идущие от источника, ускоряются и фокусируются в узкий пучокна образце. Этот пучок перемещается по образцу отклоняющими катушками с током.Детекторы, расположенные выше образца, регистрируют рентгеновское излучение,вторичные и отраженные электроны. Электроны, прошедшие сквозь тонкий образец,регистрируются кольцевым детектором или, пройдя через энергетическийанализатор, используются для формирования изображения на экране.
Взаимодействие электронов сфокусированного пучка с атомами образца можетприводить не только к их рассеянию, которое используется для полученияизображения в ОПЭМ, но и к возбуждению рентгеновского излучения, испусканиювидимого света и эмиссии вторичных электронов. Кроме того, поскольку в РЭМперед образцом имеются только фокусирующие линзы, он позволяет исследовать«толстые» образцы [6].
Посредством сканирующего электронного микроскопа были получены снимкиповерхности образца n-типа (рисунок 11).
/> Рисунок 11 – Электронная микроскопия образца пористого арсенида галлия n-типа проводимости
3.2 Электрические свойства
Поляризационные процессы смещения любых зарядов в веществе, протекая вовремени до момента установления и получения равновесного состояния,обусловливают появление поляризационных токов, или токов смещения вдиэлектриках. Токи смещения упруго связанных зарядов при электронной и ионнойполяризациях настолько кратковременны, что их обычно не удается зафиксироватьприбором [1].
Токи смещения, при различных видах замедленной поляризации, наблюдаемые умногих технических диэлектриков, называют абсорбционными токами (или токамиабсорбции) />.
При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление,проходят только в периоды включения и выключения напряжения. При переменномнапряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала вэлектрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, атакже инжекция их из электродов приводят к возникновению небольших токовсквозной электропроводности (или сквозных токов).
Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике, называемого токомутечки, представляет собой сумму плотностей токов абсорбционного и сквозного:
/> (10)
Проводимость диэлектрика при достоянном напряжении определяется посквозному току, который сопровождается выделением и нейтрализацией зарядов наэлектродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется нетолько сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.
В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ионная, реже – электронная.
Сопротивление диэлектрика, заключенного между двумя электродами, припостоянном напряжении, т. е. сопротивление изоляции />, можно вычислить по формуле:
/>, (11)
где /> –приложенное напряжение;
/> –наблюдаемый ток утечки;
/> –сумма токов, вызванных замедленными механизмами поляризации, ток абсорбции.
У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностнуюэлектропроводности.
Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводностиразных материалов используют также удельное объемное /> и удельное поверхностное /> сопротивления.
Удельное объемное сопротивление /> численно равно сопротивлению кубас ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если токпроходит через две противоположные грани этого куба; /> выражают в Ом/>м; 1 Ом/>м = 100 Ом/>см.
В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемноесопротивление рассчитывают по формуле:
/>, (12)
где />–объемное сопротивление, Ом;
/> –площадь электрода, м/>;
/> –толщина образца, м.
Удельное поверхностное сопротивление /> численно равно сопротивлениюквадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, еслиток проходит через две противоположные стороны этого квадрата (/>выражают в Омах):
/>, (13)
где /> -поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленнымиэлектродами шириной /> отстоящими друг от друга нарасстоянии /> (рисунок12).
/>
Рисунок 12 – Эскиз размещения электродов (1) на поверхности образца изэлектроизоляционного материала (2) при измерении />
арсенид галлий заряд матрица
По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемнуюпроводимость />и соответственно удельнуюповерхностную проводимость />.
Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению/>, складываетсяиз объемной и поверхностной проводимостей.
Так как в данной работе использовались плоские образцы, то для расчетаудельного объемного сопротивления подходит формула (12). Исходные данные: />=215000 Ом; />=0,0001 м/>; />=0,00035 м.,тогда
/> (14)
/>
В процессе анодирования снималась вольт-амперная характеристика, покоторой впоследствии была определена динамика изменения сопротивления цепи (рисунки13, 14).
/>
Рисунок 13 – Изменение сопротивления цепи в процессе анодирования образцаn-типа проводимости
/>
Рисунок 14 – Изменение сопротивления цепи в процессе анодирования образцаp-типа проводимости
Сразу после травления образцы промывались дистиллированной водой, извлекалисьиз ячейки и высушивались на воздухе. При визуальном рассмотрении можно былоотметить потемнение поверхности образцов после анодирования.
3.3 Оптические свойства
Исследована спектральная зависимость фотоответа образцов пористогоарсенида галлия.
Схема экспериментальной установки (рисунок 14) содержала осветитель соптической системой, сигнал с которого поступал на образец, связанный сузкополосным усилителем. Фотоответ в мкВ фиксировался на шкале усилителя вмомент совпадения частот вращения механического модулятора и полосы пропусканияусилителя, настроенного на заданную длину волны.
/>
1 – осветитель с оптической системой; 2 – исследуемый образец; 3 –узкополосный усилитель.
Рисунок 14 – Схема установки для исследования спектральной зависимостифотоответа
/>
Рисунок 15 – Зависимость фотоответа от длины волны падающего света (площадьвоздействия света />)
Как видно из приведённого графика, приближаясь к длине волны красногоцвета, величина фотоответа замедляет свой рост, что позволяет сделатьпредположение о том, что максимум фотолюминесценции приходится на длину волны порядка650 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1) Методами скола и селективного травления определенакристаллографическая ориентация фрагментов подложек арсенида галлия; методом термо-ЭДСопределён их тип проводимости; четырёхзондовым методом определено удельноеповерхностное сопротивление и рассчитана концентрация носителей, составившаявеличину порядка />.
2) Проведено анодирование подложек арсенида галлия n- и p-типовпроводимости с ориентацией (100); при помощи сканирующего электронногомикроскопа установлено, что формируется низкоразмерная среда с размерамиэлементов до 500 нм.
3) Измерено удельное сопротивление полученных слоёв, которое составиловеличину порядка />. Такое высокое сопротивлениеобъясняется наличием пор в полученном материале.
4) Исследование фотоэлектрических свойств образцов n- и p-типа показывает,что максимум фотоактивности образцов соответствует длине волны красного света650–680 нм, – 1,7 эВ. В образце арсенида галлия n-типа проводимости величинафотоответа выше, чем в образце p-типа проводимости примерно на 15–20 %, чтосовпадает с литературными данными.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. КовтонюкН.Ф. Измерение параметров полупроводниковых материалов [Текст]: учеб. / Н.Ф.Ковтонюк, Ю.А. Концевой. – М.: Металлургия, 1970. – 272 с.
2. БатавинВ.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур [Текст]:учеб. / В.В. Батавин, Ю.А. Концевой, Ю.В. Федорович. М.: Радио и связь, 1985. –264 с.
3. МямлинВ.А. Электрохимия полупроводников [Текст]: учеб. / В.А Мямлин, Ю.В. Плесков.М.: Наука, 1965. – 376 с.
4. ГуревичЮ.Я. Фотоэлектрохимия полупроводников [Текст]: учеб. / Ю.Я. Гуревич, Ю.В.Плесков. М.: Наука, 1983. – 281 с.
5.Шелованова, Г.Н. Материаловедение и материалы электронных средств [Текст]:метод. указания по лаб. раб. №1-10 / Г.Н. Шелованова. – Красноярск: ИПЦ КГТУ,2006. – 64 с.
6. www.krugosvet.ru/
Онлайн энциклопедия Кругосвет. Электронный микроскоп.
7. Николаев,К.П. Особенности получения и области примененияпористого кремния в электронной технике [Текст] / Николаев К.П.,Немировский Л.Н // Обзоры по электронной технике – 1989. – №9. – С. 59.
8.Properties of Porous Silicon / Ed. L. Canham. DERA: Malvern, UK,1997. 405 p
9. Зимин, С.П.Пористый кремний – материал с новыми свойствами [Текст] / С.П. Зимин. // Соросовскийобразовательный журнал – 2004. – №1. – С. 48-53.
10. Образцов,А.Н. Поглощеине света и фотолюминесценция пористого кремния [Текст] / А.Н.Образцов, В.А. Караванский, Х. Окуси, Х. Ватанабе. // Физика и техника полупроводников– 1998. – №8. – С. 79-83
11. Зимин, С.П.Классификация электрических свойств пористого кремния [Текст] / С.П. Зимин. //Физика и техника полупроводников – 2000. – №3. – С. 31-34.
12. Белогорохов,А.И. Оптические свойства пористого наноразмерного GaAs [Текст] / А.И.Белогорохов, С.А. Гаврилов, И.А. Белогорохов, А.А. Тихомиров. // Физика итехника полупроводников. – 2005. – №39. – С. 25-29.
13. Аверкиев,Н.С. Оптические и электрические свойства пористого арсенида галлия [Текст] /Н.С. Аверкиев, Л.П. Казакова, Э.А. Лебедев, Ю.В. Рудь, А.Н. Смирнов, Н.Н.Смирнова. // Физика и техника полупроводников – 2000. – №34. – С. 58-65.
14. Горячев, Д.Н.Фотолюминесценция пористого арсенида галлия [Текст] / Д.Н. Горячев, О.М.Сресели. // Физика и техника полупроводников – 1997. – №31. – С. 47-52.
15. Бузынин, Ю.И.Монокристаллические слои GaAs, AlGaAs и InGaAs, полученные методом газофазнойэпитаксии из металлоорганических соединений на подложках пористого арсенидагаллия [Текст] / Ю.И. Бузынин, С.А. Гусев, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н.Дроздов, А.В. Мурель, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин. // Письма в ЖТФ – 2000. – №7. –С. 112-118.
16. Орлов, Л.К.Формирование структуры квантовых нитей InGaAs в матрице арсенида галлия [Текст]/ Л.К. Орлов, Н.Л. Ивина. // Физика твёрдого тела – 2004. – №5. – С. 86-90.