Цель работы – приобретение навыков исследования полупроводниковой низкоразмерной среды и исследования ее структурных характеристик в зависимости от технологии формирования.

Саратов 2015

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НИЗКОРАЗМЕРНОЙ

СРЕДЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УСТРОЙСТВ

НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Цель работы

Под низкоразмерной средой принято понимать среду для формирования на ее основе элементов микро- и наноэлектроники, у которой структурные элементы хотя бы в одном из геометрических направлений имеют нанометровые размеры. Современная оптоэлектроника связывает большие перспективы с созданием оптических элементов и приборов на основе пористого кремния. Пористый кремний представляет собой систему нанокристаллов, разделенных пустотами. В зависимости от размеров пустот (пор) пористый кремний делят на макропористый, мезопористый и микропористый. При этом величина пор может варьироваться от единиц до сотен нанометров, т. е. такая структура является типичной низкоразмерной средой.

Цель работы – приобретение навыков исследования полупроводниковой низкоразмерной среды и исследования ее структурных характеристик в зависимости от технологии формирования.

Задачи лабораторной работы

В данной лабораторной работе студенты решают следующие задачи:

• изучают физическую сущность получения одной из низкоразмерных полупроводниковых сред, используемых для создания оптоэлектронных устройств;

• планируют согласно порядку проведения работы свои исследования и готовят таблицы экспериментальных данных:

• исследуют пористую низкоразмерную среду, определяют ее структурные характеристики: толщину пористого слоя, диаметр пор, расстояния между порами, форму пор;

• производят анализ структурных характеристик низкоразмерной среды на их зависимость от технологических режимов;

• оформляют отчет по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

Теоретические сведения

Актуальность использования низкоразмерного кремния

Физические принципы создания низкоразмерного кремния

Низкоразмерный кремний, как указывалось выше, представляет собой монокристаллический кремний, пронизанный сетью каналов с размерами от единиц микрометров до единиц нанометров. Формирование таких каналов в кремнии осуществляют анодной обработкой пластины монокристаллического кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты.

При анализе анодных процессов на кремниевом электроде интерес представляют следующие аспекты:

• электрохимические реакции, протекающие в системе «кремний – электролит»;

• условия и особенности формирования наноканалов в кремнии на монокристаллах с дырочным и электронным типом проводимости;

• влияние условий анодной обработки на параметры низкоразмерного кремния.

На рис. 1.1 представлена упрощенная схема процесса анодизации. Анализ реакций, протекающих при анодной обработке кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты, показывает, что процесс образования наноканалов в матрице кремния определяется главным образом двумя факторами:

• процессом доставки ионов фтора в зону реакции и образованием и-фторида кремния (фактор, связанный с электролитом и режимом анодной обработки);

• наличием подвижных носителей заряда положительного знака в приповерхностном слое кремниевого анода (фактор, связанный с электрофизическими свойствами кремния).

В связи с этим процессы анодной обработки кремния дырочного и электронного типов проводимости из-за различий в концентрации подвижных носителей положительного заряда, представленных дырками, будут существенно отличаться.

Рис. 1.1. Упрощенная схема процесса анодизации

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

В кремнии, легированном донорными примесями, дырки являются неосновными носителями и их концентрация мала, поэтому для протекания анодной электрохимической реакции необходимы не только ионы фтора, но и внешний фактор, стимулирующий генерацию дырок.

На рис. 1.2 показано распределение зарядов на кремниевом аноде n-типа проводимости, помещенном в электролит, содержащий плавиковую кислоту. В приповерхностном слое кремния образуется обедненная область с положительным объемным зарядом, а в электролите на границе раздела – тонкий слой из отрицательно заряженных ионов. Толщина обедненного слоя в полупроводнике и соответствующий потенциальный барьер определяются степенью легирования кремния. Без дополнительной генерации или инжекции дырок анодная реакция происходить не будет. Концентрацию дырок в приповерхностном слое кремния с электронным типом проводимости можно увеличить несколькими способами: нагреванием; воздействием электромагнитного излучения; ударной ионизацией при электрическом пробое приповерхностной области пространственного заряда в кремнии.

Генерация дырок путем нагревания в допустимых пределах для кремния малоэффективна из-за широкой запрещенной зоны. По этой причине данный метод увеличения концентрации носителей нет смысла рассматривать. Концентрацию носителей увеличивают чаще всего за счет фотогенерации или ударной ионизации. Рассмотрим более подробно последний способ.

Для того чтобы оценить возможность электрического пробоя потенциального барьера в кремнии n-типа проводимости (при анодной обработке в темноте, т. е. без воздействия электромагнитного излучения), необходимо сравнить максимальное поле (Емакс), возникающее при положительном смещении кремниевого электрода и определяемое напряжением формовки (Uф), с критическим полем (Екрит), характеризующим потенциальный барьер. При этом граница «электролит – кремний» обычно представляется как контакт «металл – кремний» или как резкий p+-n-переход при обратном смещении.

На рис. 1.3 приведены расчетные теоретические зависимости Емакс и Екрит от степени легирования кремния n-типа проводимости при напряжении формовки 10 В. В расчете сделаны следующие допущения: граница «кремний – электролит» является планарной и вытянутой (ширина граница много больше толщины обедненного слоя); кремний легирован однородно, и в нем нет дефектов; система «кремний – электролит» имеет распределение зарядов, показанное на рис. 1.2, т. е. максимальное электрическое поле имеет место на границе раздела.

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

Рис. 1.2. Распределение зарядов на границе монокристалла кремния и электролита:

1 – электролит; 2 – слой Гуи – Гельмгольца; 3 – кремний n-типа проводимости

Рис. 1.3. Расчетные зависимости Емакс и Екрит от степени легирования донорной примесью

Как видно из рис.1.3, величина Емакс превышает Екрит при концентрации доноров 2·1017 см^–3 и, следовательно, в этом случае должен идти анодный процесс вследствие электрического пробоя области пространственного заряда. При концентрациях выше 1018 см^–3 наиболее вероятный механизм пробоя – туннельный. Для концентрации менее 1017 см^–3 Емакс меньше Екрит и генерации дырок не происходит.

При других напряжении формовки и условиях эксперимента результаты численно изменяются, однако качественно картина выглядит аналогично. При увеличении степени легирования кремния донорными примесями облегчаются условия для осуществления анодной реакции.

Необходимо отметить, что в реальных условиях на процесс анодной обработки кремния n-типа проводимости заметное стимулирующее действие оказывают структурные дефекты.

Рассмотрим общие для дырочного и электронного кремния условия протекания анодного электрохимического процесса – наличие ионов фтора в зоне реакции. Концентрация ионов фтора определяется скоростью их подвода из объема электролита в зону реакции и связана с процессами диффузии, конвекции и миграции. Дать точное количественное описание этих процессов практически невозможно, поскольку на кремнии образуется анодный cлой бифторида кремния, затрудняющий процесс подвода и отвода реагентов. Кроме того, эти процессы усложняются эффектами перемешивания, вызываемыми газовыделением и термическими градиентами в системе «кремний – электролит».

Для характеристики электрохимических анодных процессов на кремнии в электролитах на основе плавиковой кислоты используется понятие критической плотности анодного тока (iкрит). Этот параметр является границей, разделяющей электрополировку и процесс образования наноканалов.

Экспериментально установлено, что iкрит зависит от скорости доставки ионов фтора из объема электролита к поверхности кремния. При плотности тока, меньшей iкрит, концентрация ионов фтора в зоне реакции высока и растворение кремния происходит в двухвалентной форме с образованием анодной пленки SiF2. Одновременно протекает реакция, в ходе которой образуются наноканалы в кремнии. При плотности тока, большей критической, в зоне анодной реакции недостаточно ионов фтора для протекания реакции и равновесие смещается в область преимущественного протекания реакции, которая включает растворение кремния в четырехвалентной форме. Анодный продукт, сформированный в этих условиях, образует пленку двуокиси кремния, которая легко растворяется в плавиковой кислоте, т. е. происходит электрополировка. Более подробно химические реакции будут представлены ниже. Для оценки величины iкрит можно использовать соотношение, которое учитывает зависимость критической плотности тока от концентрации и вязкости электролита при допущении, что концентрация реагирующих частиц определяется в основном их направленной диффузией:

j крит. = A*C^3/4*η ^(-1/4),

где А – коэффициент, зависящий от геометрии анода и некоторых физических характеристик границы «кремний – электролит»; С – концентрация электролита; η – вязкость электролита.

Известные экспериментальные данные свидетельствуют о пригодности этой формулы для оценки критической плотности тока в практически важных условиях.. ЛАБОРАТОРНАЯ Анализ условий образования слоя наноканалов в кремнии при анодной обработке монокристаллического кремния в электролите, содержащем плавиковую кислоту, позволил выявить основные закономерности этого процесса. Образование наноканалов в кремнии имеет место только в том случае, когда плотность анодного тока меньше критической. Характерной особенностью анодной обработки кремния с электронным типом проводимости является необходимость генерирования дырок в приповерхностном слое полупроводника, стимулированной электрическим пробоем приповерхностной области пространственного заряда в кремнии или воздействием электромагнитного излучения достаточной энергии и мощности (например, светом). В кремнии, легированном акцепторными примесями, дырки являются основными носителями и их концентрация в практически важных случаях оказывается достаточной для протекания реакции. Поэтому для кремния p-типа проводимости основное влияние на протекание анодных реакций будет оказывать процесс доставки ионов фтора. Процесс формирования каналов в кремнии p-типа может идти и без внешних воздействий (нагревание, воздействие электромагнитного излучения, ударная ионизация при электрическом пробое приповерхностной области пространственного заряда).

В кремнии указанного типа проводимости достаточно собственных носителей заряда (так как процесс идет с участием дырок) для осуществления процесса анодизации кремния и дополнительной их генерации не требуется. Фактически все изучения формирования наноканалов в кремнии были ограничены исключительно его электрохимической вольтамперной характеристикой (ВАХ) в сравнении с моделью диода Шоттки полупроводника/электролита, свойства которого играли преобладающую роль. Использование дополнительных методов изучения низкоразмерного кремния подтвердило, что формирование наноканалов все еще основывается на ВАХ и элементарных знаниях кремниевой электрохимии.

Низкоразмерного кремния

При электрохимическом травлении кремния в растворах плавиковой кислоты можно получить ВАХ, вид которых обусловлен типом проводимости. На рис. 1.4, а, рис. 1.4, б представлены типичные ВАХ. Отличительной особенностью ВАХ для p-кремния является быстрый рост тока при малых напряжениях, если образец кремния является анодом. Если же образец кремния является катодом, то ток начинает течь через систему «кремний – электролит» при значительно больших напряжениях (рис. 1.4, а). Для кремния электронного типа проводимости вид ВАХ иной (рис. 1.4, б). В этом случае прямая ветвь вольтамперной характеристики будет похожа на прямую ветвь рис. 1.4, а только при принудительной подсветке образца кремния. На прямых ветвях ВАХ имеются два разных по величине скачка тока. Первый (маленький) скачок тока соответствует формированию анодного оксида. Второй (большой) скачок тока характеризует формирование низкоразмерного к ремния. В ц елом ж е н а п рямых в етвях ВАХ м ожно в ыделить т ри зоны (рис. 1.5). В области А происходит формирование низкоразмерного кремния. В зоне С кремний электрополируется. В переходной области напряжений В существует формирование каналов и электрополирование кремния, которые отвечают за управление поверхностной морфологией. Результирующая структура в пределах этой области является в общем пористой по своей природе, но диаметр каналов быстро увеличивается, поскольку электрополировка берет верх над морфологией поверхности. Область С связана с отрицательным сопротивлением, соответствующим формированию поверхностного анодного оксида, необходимого для электрополирования. Хотя точный состав поверхностного оксида не определен, механизм его формирования подобен анодному пассивированию и отрицательному сопротивлению, т. е. так называемому металлическому «клапану». На ВАХ в области С может отсутствовать падение тока. В этом случае наблюдается горизонтальный участок («полочка»), как показано на рис. 1.6 (кривая 4). Если же процесс анодирования осуществляется в темноте, то подъем прямой ветви начинается с больших напряжений. Обратная ветвь, наоборот, начинает резко возрастать при маленьких напряжениях. Следовательно, снимая прямые и обратные ветви ВАХ без принудительной подсветки образцов кремния при его электрохимическом травлении в растворах плавиковой кислоты, можно судить о типе электропроводимости кремния. Таким образом, в электрохимическом поведении кремния n- и p-типа при формировании наноканалов имеются существенные отличия, обусловленные как типом проводимости, так и различием кинетики формирования, его структуры, состава и толщины. Несмотря на большие объемы теоретических и практических данных процессы формирования наноканалов в кремнии при его электрохимической обработке до конца не изучены. Внешний вид ВАХ определяется значениями следующих параметров: легированием образца, составом и концентрацией электролита, режимами освещения, температурой. Образование структур с заданной морфологией возможно проводить следующим образом.

а) б)

Рис. 1.4. Типичные вольтамперные характеристики для кремния, электрохимически

протравленного в растворе плавиковой кислоты: а – для p-типа проводимости; б – для n-

типа проводимости

Рис. 1.5. Вольтамперная характеристика

формирования наноканалов в матрице кремния

Рис. 1.6. Вольтамперная характеристика

формирования наноканалов в матрице кремния

Путем снятия ВАХ можно выбрать рабочие точки по току и напряжению в указанных выше трех областях ВАХ и сформировать любую из основных морфологических структур либо любую их комбинацию, перемещаясь по ВАХ в ходе анодирования.

Рис. 1.7. Микрофотографии низкоразмерного кремния, полученные

с помощью электронного микроскопа: а – ближней к катоду поверхности;

б – дальней от катода поверхности

а) б)

Рис. 1.8. Микрофотографии сколов образцов с низкоразмерным кремнием,

полученные с помощью электронного микроскопа: а – при меньшей плотности тока;

б – при большей плотности тока

а) б)

Рис. 1.9. Микрофотографии сколов образцов с низкоразмерным кремнием,

полученные с помощью оптического микроскопа: а – при гальваностатическом режиме;

б – при потенциостатическом режиме

Основным параметром любого пористого материала является показатель пористости П. Этот показатель определяет долю объема материала, занятую порами. Для пористого кремния значения пористости могут находиться в необычайно широком интервале: от 5 до 95 %. Когда объем, занимаемый порами, невелик (5 %), свойства такого материала близки к свойствам кристаллического кремния. При высоких показателях пористости картина существенно меняется и такой пористый кремний проявляет новые свойства, многие из которых являются уникальными. Как уже сообщалось, суммарная площадь внутренней поверхности низкоразмерного кремния велика. 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. Для сравнения следует отметить, что удельная поверхность монокристаллического кремния составляет всего 0, 1–0, 3 м^2/см^3. Электрические свойства пористого кремния также зависят от его структуры.

Задание на выполнение лабораторной работы

В работе необходимо выполнить следующее:

1.5.1. Изучить физическую сущность получения пористого кремния.

1.5.2. Ознакомиться с работой измерительного оборудования по описаниям к соответствующим приборам.

1.5.3. Получить у преподавателя кремниевый образец c низкоразмерной полупроводниковой средой.

1.5.7. Исследовать с помощью оптического микроскопа и растрового электронного микроскопа пористую низкоразмерную среду, определяя ее структурные характеристики: толщину пористого слоя, диаметр пор, расстояния между порами, форму пор;

1.5.8. Провести анализ структурных характеристик низкоразмерной среды на их зависимость от технологических режимов;

1.5.9. Оформить отчет по лабораторной работе.

Подготовка образцов кремния

В работе используются пластины кремния (рис. 1.17) n-типа, полированные с одной стороны, с удельным сопротивлением 10 Ом⋅ см, вырезанные перпендикулярно кристаллографическому направлению. Диаметр и толщина пластины соответственно равны 100 мм и 500 мкм.

Рис. 1.17. Пластина кремния

Кремниевые пластины разрезают полосами, параллельными базовому срезу. Ширина полос составляет 15 мм. Для этого исходную пластину скрайбируют с неполированной стороны, т. е. на нее наносят царапины параллельно базовому срезу, по которым осуществляют ломку пластин. Затем полосы аналогичным образом разрезают на образцы длиной 25 мм.

Образцы промывают в проточной воде для удаления кремниевой крошки после скрайбирования и ломки исходных пластин. Ополаскивают в дистиллированной воде и помещают в химический раствор для снятия окисла на 1–3 минуты. Состав раствора: аммиак (NH4OH): перекись водорода (H2O2): дистиллированная вода (H2O) = 1: 1: 7. Раствор подогревается до 50–60 °С. После химической обработки кремниевые образцы промывают в дистиллированной воде и высушивают на воздухе. Подготовленные образцы помещают в плотно закрывающуюся чистую и сухую тару.

Низкоразмерного кремния

Последовательность операций при исследовании структурных характеристик низкоразмерного кремния следующая.

1.6.6.1. Визуально осмотреть образец. Описать цвет образца, равномерность цветовой окраски на обеих сторонах.

1.6.6.2. Просмотреть обе поверхности образца в оптическом микроскопе, сделав микрофотографии не менее трех характерных участков. За характерные участки принять участки с различной цветовой окраской. Для этого использовать микроскоп с видеозахватом и размещением видеоизображения на экране персонального компьютера. На изображения нанести масштабную метку.

1.6.6.3. Изображениявывести на печать и приложить к отчету по лабораторной работе.

1.6.6.4. По микрофотографиям сделать выводы о плотности расположения пор по поверхности, конфигурации пор, величине их диаметра.

Пример обзорной микрофотографии представлен на рис. 1.18. Внизу на микрофотографии рис. 1.18 фиксируются кратность увеличения и размерная метка в микрометрах.

Рис. 1.18. Изображение скола образца с пористым слоем

на микроскопе

По размерной метке оценить величину структурных элементов низкоразмерной среды.

1.6.6.5. Оформить один отчет на подгруппу из двух человек.

Требования к отчету по лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе выполняют на компьютере один на подгруппу из двух человек. На титульном листе указывают список исполнителей. В содержание отчета включают цель и задачи лабораторной работы, описание оборудования, объекта исследования, заданные технологические режимы, порядок выполнения работы, микрофотографии. Микрофотографии можно оформить как приложение.

1.8. Контрольные вопросы

1. Почему кремний является основным материалом современной микро- и наноэлектроники?

2. Какие причины сдерживают использование монокристаллического кремния в оптоэлектронике?

3. Сравните электрические сопротивления монокристаллического и пористого кремния.

4. Сравните теплопроводности монокристаллического и пористого кремния.

5. Какие составы электролитов используются при формировании низкоразмерного кремния?

6. Присутствие носителей заряда какого знака необходимо для получения низкоразмерного кремния?

7. Какой потенциал подается на кремниевый образец при анодировании?

8. Что произойдет, если плотность тока на кремниевом образце превысит критическую?

9. Как влияет вязкость электролита на процесс формирования низкоразмерного кремния при анодировании?

10. Изобразите ВАХ при получении пористого кремния на образцах n- и p-типа.

11. На каком участке ВАХ можно получить поры большого диаметра при прочих равных условиях?

12. Как классифицируется пористый кремний по размеру пор?

13. Как измерить толщину пористого слоя?

14. Какой кристаллографической ориентации можно получить поры, перпендикулярные поверхности образца в монокристаллическом кремнии?

Библиографический список

1. Юзова, В. А. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники [Электронный ресурс]: лаб. практикум / В. А. Юзова, Г. Н. Шелованова. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

2. Шишкин Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Шишкин Г.Г., Агеев И.М.— Электрон. текстовые данные.— М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.— 409 c.— Режим доступа: http: //www.iprbookshop.ru/6462.— ЭБС «IPRbooks».

3. Трубочкина Н.К. Моделирование 3D наносхемотехники [Электронный ресурс]/ Трубочкина Н.К.— Электрон. текстовые данные.— М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.— 524 c.— Режим доступа: http: //www.iprbookshop.ru/12234.— ЭБС «IPRbooks».

4. Шишкин Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Шишкин Г.Г., Агеев И.М.— Электрон. текстовые данные.— М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.— 409 c.— Режим доступа: http: //www.iprbookshop.ru/6462.— ЭБС «IPRbooks».

Саратов 2015

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НИЗКОРАЗМЕРНОЙ

СРЕДЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УСТРОЙСТВ

НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Цель работы

Задачи лабораторной работы

В данной лабораторной работе студенты решают следующие задачи:

• оформляют отчет по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

Теоретические сведения

12 3 4 5 Следующая ⇒