Физические принципы создания низкоразмерного кремния

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

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.

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒