Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Визначення потенціалу плоских зон на кордоні контакту напівпровідник-електроліт (на прикладі InP-HF)

Розглянемо контакт напівпровідника InP n-типу з окисно-відновлювальним електролітом (HF). Якщо зовнішня напруга, щ прикладена до контакту, дорівнює нулю, то маємо рівновагу (рис. 1а). Між напівпровідником та електролітом відбувається обмін частинками. Анодний струм (направлений від напівпровідника до електроліту) та катодний струм (від електроліту до напівпровідника) рівні за абсолютним значенням та мають протилежний напрямок. Тому загальний струм, що проходить через межу переходу, дорівнює нулю. Якщо до контакту прикласти прямий зсув (forward bias), концентрація електронів на поверхні буде меншою, ніж в рівноважному стані n_s<n_so (рис. 1с). Анодний струм буде більшим за катодний. На поверхні напівпровідника відбуватимуться окислювально-відновлювальні реакції (окислення). Результатом буде утворення пор. Якщо до контакту прикласти зворотній струм (revers bias), концентрація електронів на поверхні буде більшою, чим в рівноважному стані n_s>n_so (рис. 1b). Катодний струм буде більшим за анодний. Процес травлення не буде відбуватися.

Таким чином, сила струму, що протікає через контакт, залежить від величини відхилення концентрації електронів від рівноважного значенням(n_s - n_so) [1]. Якщо n_s=n_so, то струм, що протікає через межу напівпровідник-електроліт, дорівнює нулю.

Рис. 1. Зонна діаграма контакту напівпровідник-електроліт: (а) – рівноважний стан, (b) – зворотній зсув, (с) – прямий зсув. На рисунку також вказано напрямки анодного та катодного струмів.

Вольт-амперна характеристика контакту напівпровідник-електроліт (InP-HF) зображена на рис.2.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика контакту напівпровідник-електроліт

При зануренні напівпровідника в електроліт в приповерхневій області напівпровідника відбувається викривлення зон. При певному потенціалі викривлення зникає, і рівні енергії стають плоскими [1, 2].

Визначення потенціалу плоских зон (φ_fb) на кордоні напівпровідник--електроліт грунтується головним чином на вимірюванні диференціальної ємності. Згідно роботи [1].

_,

де С_sc - диференціальна ємність області просторового заряду в напівпровіднику, віднесена до одиниці площі контакту напівпровідник-електроліт;

φ  - прикладений потенціал;

φ_FB - потенціал плоских зон;

N - концентрація донорів для напівпровідника n-типу або акцепторів для напівпровідника p-типу.

Залежність кривої С^-2(U) повинна відповідати виконанню умови Мотта-Шотткі [1, 3]. Для ідеального бар'єру Шотткі залежність С^-2(U) являє собою пряму лінію та перетинає вісь абсцис при напрузі плоских зон. Шляхом екстрополяціі отриманих експериментально кривих, можна отримати значення потенціалу плоских зон.

Вимірювання вольт-фарадних характеристик для системи електроліт-напівпровідник (InP-HF) проводилося при кімнатній температурі на ємнісному профілометрі PN4200. . Зондуюча напруга, використовувана для визначення диференціальної ємності, мала частоту 300 Гц і амплітуду не вище 20 мВ.

В якості електроліту застосовувався 0.2 М водний розчин HF.

Типовий вид отриманих залежностей диференціальної ємності досліджуваної системи від напруги зсуву представлений на рис.3.

Рис 3. Залежність диференційної ємності досліджуваної системи від напруги зсуву

Як видно з рисунку , напруга плоских зон (UFВ) у використовуваному нами електроліті становить ~ 0.4 В.

1. Nozik A. J. Physical chemistry of semiconductor-liquid interfaces / A. J. Nozik, R. Memming // Journal of Physical Chemistry. – Vol. 100 (31). – 1996. – p. 13061–13078.

2. Сычикова Я.А. Зависимость величины порогового напряжения порообразования фосфида индия от состава электролита / Я.А. Сычикова, В.В. Кидалов, Г.А. Сукач // Поверхность. рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2013, № 5, с. 1 – 6.

3. Suchikova Y. Properties of porous n-InP (100) obtained by electrochemical method / Y. Suchikova, V. Kidalov, G. Sukach // 217^th ECS Meeting: abstracts іnternational сonference (Canada, Vancouver, 25 – 30 april, 2010). – Vancouver: ECS Transaction, 2010. – P. 92.