Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Дослідження ямок травлення як метод спостереження дефектної структури InP

Низькорозмірні напівпровідники є предметом активних досліджень завдяки модифікованим оптичним й електричним властивостям, обумовленими квантово-розмірними ефектами, що мають місце в нанорозмірних структурах [1 – 3]. Робота присвячена дослідженню дефектної структури фосфіду індію по ямкам травлення, що виникають під час електрохімічного травлення кристалу і можуть слугувати джерелом корисної інформації про стан напівпровідника.

Для експерименту нами були використані монокристалічні зразки блочного n-InP, вирощеного за методом Чохральского з кристалографічною орієнтацією (111) та концентрацією носіїв заряду 2,3∙10¹⁸ см^-3. Порувата поверхня формувалася шляхом анодного електролітичного травлення. У якості основи електроліту нами була обрана плавікова кислота (HF), травники на основі якої є найбільш хімічно активні по пороутворенню в монокристалах інтерметалевих сполук А³В⁵ . Використовувався розчин плавикової кислоти (48%), етилового спирту (C₂H₅OH) та води у відношенні 1:2:1. Морфологія поверхні досліджувалася на растровому електронному мікроскопі JSM-6490.

При вивченні мікроструктур поруватих шарів дуже часто виявляється загальна для всіх напівпровідникових сполук A³B⁵ особливість пороутворення, що виразно виявляється у визначеному для кожного з матеріалів діапазоні складів електролітів і електричних напруг зсуву та струмів, часів травлення і стану поверхні. Цією особливістю є негомогенне в площині з кристалографічною орієнтацією [111] розповсюдження пор. Пори, що розвиваються у кристалографічних напрямах [111], мають практично симетричний (близький до колового) поперечний перетин.

Поруваті шари з вираженою вглиб зразка анізотропною структурою формуються порами, що розповсюджуються від поверхні і гілкуються в об'ємі переважно вздовж кристалографічної осі [111] по напрямах А або В.

Глибина пор залежить від дефектності матеріалу в місцях формування пор. Затравками пор слугують дислокації, що є джерелами пружних механічних напружень, породжуючи навколо себе пружні деформації. Пружні взаємодії вихідних дислокацій з точковими дефектами кристалічної структури приводять до підвищення концентрації остаточних дефектів поблизу осі дислокації і створення хмарки Котрелла. Відомо, що дислокації суттєво впливають на механічні властивості кристалів завдяки порушенню регулярності кристалічної гратки в ядрі дислокації. Така ситуація призводить до зменшення внутрішньої енергії кристалу, а отож, і до ослаблення хімічної стійкості речовини в ядрі дислокації та поблизу нього, при цьому, деякі реагенти створюють ямки травлення.

При використовуванні електролітів, що містять аніони одного сорту, виділеними напрямами розповсюдження (мультиплікації) пор завжди виявляються поверхня (111)B, формування пор в площині якої є енергетично більш вигідним. У ряді випадків має місце електрохімічна дія домішкових атомів кристала на процеси розчинення у області виходу дислокацій на поверхню, оскільки локалізація домішки часто здійснюється у області ліній дислокацій. Симетрія та періодичність ансамблю пор повторює симетрію та періодичність дефектної структури InP, що виникає у приповерхневому шарі напівпровідника.

У InP пори в площині поверхні (111)B виникають у всьому діапазоні електричних потенціалів формування пор, відповідних умовам пороутворення, у всіх фторидних електролітах.

Вельми істотне значення для утворення добре сформованих крупних ямок має склад травника (селективного розчинника). Часто до складу травника вводять речовини, що адсорбуються на поверхні кристала і забезпечують велику контрастність виявлення виходів дислокацій.

При травленні кристалу фосфіду індію вдалося спостерігати ще один феномен – дефекти кристалічної гратки впливають не лише на поверхневу морфологію (розмір пор, поруватість), а й на глибину поруватого шару. Так, в області, що була щільно населена дефектами (сегрегація домішки, скупчення дислокацій), пори проросли на значно більшу глибину, ніж на ділянках з меншою концентрацією дефектів.

Таким чином, дослідження ямок травлення – важливий метод спостереження дефектної структури кристалу. Він дозволяє якісно і кількісно оцінити структуру реальних кристалів, яка не являється ідеальною навіть при використанні новітніх методів росту. В роботі встановлено вплив дефектів на пороутворення фосфіду індію, основні спостереження зроблено на основі аналізу ямок травлення, які утворюються під час електрохімічної обробки кристалу.

Слід зауважити, що електрохімічний процес розглядається не тільки як метод спостереження дефектів, але й як спосіб отримання принципово нового класу матеріалів, що мають унікальні властивості, які дозволяють розглядати вже відомі і добре досліджені напівпровідники в нових галузях техніки, електроніки, оптики.

Литература

1. Spiecker E. Morphology, interface polarity and branching of electrochemically etched pores in InP / E.Spiecker, M.Rudel // Phys. Stat. Sol. (a). – 2005. – № 202 (15). – Р. 2950 – 2962.

2. Suchikova Y.A. Morphology of porous n-InP (100) obtained by electrochemical etching in HCl solution / Y.A. Suchikova, V.V. Kidalov, G.A. Sukach // Functional Materials. – 2010. – Vol.17, №1. – P. 1 – 4.

3. Сычикова Я.А. Влияние типа аниона электролита на морфологию пористого InP, полученного методом электролитического травления / Я.А. Сычикова, В.В.Кидалов, Г.А. Сукач // Журнал нано- і електронної фізики – 2009. – Т. 1, № 4. – С. 69 – 77.