Сычикова Я.А.

Бердянский государственый педагогический университет

 

АНІЗОТРОПНЕ ТРАВЛЕННЯ ФОСФІДУ ІНДІЮ

 

Більшість сучасних технологій побудовано на отриманні та використанні нових матеріалів. В останні роки все більшу увагу привертають наноструктури, завдяки тому, що вони володіють цілим рядом унікальних властивостей і мають величезні перспективи технологічного застосування (створення надвеликих інтегральних схем, опто- та наноелектроніка, мікроінтегральная сенсорика). Головним чином, інтерес до дослідження поруватих нанорозмірних напівпровідникових структур пов'язаний з квантово-розмірними ефектами в нанокристалах, одним з найважливіших проявів яких є фотолюмінесценція у видимій області спектра. Серед напівпровідникових поруватих матеріалів найбільш добре досліджено поруватий кремній. Для нього неодноразово отримано залежності параметрів поруватого шару від технологічних умов отримання [1,2]. В даний час робляться спроби створити аналогічні поруваті шари на напівпровідниках групи А3В5: GaAs [3-5], GaP [6,7], InP [8, 9]. Відомо, що процес травлення відбувається з різною швидкістю по різних кристалографічних площинах. Форма пор залежить від орієнтації поверхні. Формування глибоких отворів заданої форми на монокристалічному фосфіді індію часто необхідно при виготовленні мікромеханічних датчиків на його основі.

Метою даної роботи є оптимізація процесу анодування, детально досліджуючи залежність форми фігур травлення від орієнтації поверхні кристалу. Представлено ​​якісну сторону процесу формування пор заданої форми, що є важливою технологічною задачею, рішення якої необхідно для подальшого використання поруватих структур фосфіду індію.

Властивості напівпровідникових та металевих матеріалів можна дослідити, розглянувши електронну структуру цих матеріалів. Із зонної моделі прямо випливає картина атомних рівнів енергії. Коли мова йде про напівпровідники, обговорюються два типи зарядів – дірки та електрони. У результаті струм в напівпровідниках складається з двох компонентів:

- рухливих дірок у валентній зоні;

- рухливих електронів у зоні провідності.

Електрони можуть бути збуджені у зоні провідності електрично, термічно або оптично. Однак є ще один метод для генерації носіїв заряду в напівпровідниках – легування кристалів. Легування постає у додаванні різних хімічних елементів у напівпровідник. Найпростішим випадком є введення елементів п’ятої групи (донорів) або третьої групи (акцепторів).

Нелеговані напівпровідники відомі як власні, а леговані – домішкові. Леговані напівпровідники, у яких домінуючими носіями заряду є електрони, називають n-типу, якщо носієм заряду є дірка – р-типу. Для n-типу рівень Фермі лежить трохи нижче зони провідності, для р-типу – трохи вишче валентної зони. В залежності від рівня легування напівпровідників рівень Фермі може бути розташованим в забороненій зоні, або у валентній чи зоні провідності. Крім того, під час травлення кристалу рівень Фермі залежить від виду електроліту, він змінюється при прикладенні зовнішнього потенціалу. 

Для отримання кристалів з регульованими електрофізичними властивостями застосовують легування фосфіду індію електрично активними домішками. S, Se, Te, Si, Ge, Sn застосовують для отримання монокристалів n-типу, Zn и Cd – відповідно р-типу. Фосфід індію кристалізується у гратці типу сфалериту (рис. 1).

Структура типу сфалериту відноситься до гексатетраедричного класу кубічної сингонії. У фосфіді індію атоми фосфору займають вузли ГЦК-комірки, а атоми індію – центри чотирьох октантів. Таку структуру можна описати як дві ГЦК-гратки, що зміщені одна відносно другої на чверть діагоналі кубічної гратки. Атоми фосфору та індію знаходяться у взаємозаміщуємих положеннях та утворюють дві правильні системи точок, кожна має кратність 4. У структурі сфалериту ряд кристалографічних площин є полярним. Поверхні А (In) та В (Р) характеризуються відмінними поверхневими хімічними зв’язками. Це все зумовлює анізотропію властивостей кристалу фосфіду індію.

 

Рис. 1. Гратка фосфіду індію

 

Добре відомо, що рідинне травлення кристалів А3В5 травниками, основний компонент яких плавикова або соляна кислота, є анізотропним . Швидкість хімічної реакції між травником і твердим тілом залежить від кристалографічного напрямку.

Початкова стадія електрохімічного розчинення однакова для кристалів InP з різною кристалографічної орієнтацією. При накладенні до електролітичної осередку зовнішньої напруги починається травлення тих областей, де спостерігається наявність поверхневих дефектів. При відсутності таких відбувається хаотичне утворення пор по всій поверхні кристалу. Утворюється нерегулярний тонкий шар пор (0,5 – 5 нм). На наступному етапі починається ріст пор вглиб підкладки. На цьому етапі кінетику утворення пор визначатиме кристалографічна орієнтація кристаллу (рис.2).

44444

Рис. 2. Схематичне зображення фігур травлення кристалів

з орієнтацією поверхні (100) та (111)

 

Розглянемо процес утворення пор на n-InP (111). Процес зростання пор вглиб кристалу сповільнюється тим, що напрям [111], перпендикулярний поверхні підкладки, відповідає найменшій швидкості реакції. Тому пори вибирають напрям під кутом до поверхні кристалу. Відбувається утворення так званих «сrysto» пор. Такі пори мають тенденцію до розгалуження. Пори, які ростуть вздовж напрямків <111> В, утворюють між собою кут 1090. Цей факт можна пояснити, якщо обчислити кут між векторами за відомою формулою скалярного добутку векторів.

Інша картина спостерігається при формуванні поруватих шарів на підкладках n-InP (100). Фронт травлення фосфіду індію такої кристалографічної орієнтації просувається вглиб підкладки значно швидше, оскільки напрямку [100], перпендикулярному поверхні кристалу, відповідає максимальна швидкість травлення. При цьому процес розтравлювання стінок між порами ускладнюється тим, що відбувається в напрямках, які характеризуються меншою швидкістю реакції. Одночасно з цим відбувається збільшення вхідних отворів пор. Тонкі стінки пор, які утворюються при цьому, стають стійкими до розчинення. Це призводить до локалізації процесу травлення на дні пор. Внаслідок цього утворюються глибокі довгі канали пор. Процес відтоку продуктів реакції з утворюючих каналів сповільнюється, що призводить до утруднення надходження до них свіжого розчину електроліту. У результаті цього процес проростання пор вглиб зразка сповільнюється. Пори при цьому утворюються дрібні (порядку 10 – 40нм), щільно упаковані і слабо розгалужені.Практично відразу вони вирівнюються, йдучи довгими каналами вглиб підкладки.

В даній роботі досліджено кристалічну структуру фосфіду індію. Поверхні А (In) та В (Р) характеризуються відмінними поверхневими хімічними зв’язками. Це зумовлює анізотропію властивостей кристалу фосфіду індію. Рідинне травлення кристалів InP, є анізотропним.  Швидкість хімічної реакції між травником і твердим тілом залежить від кристалографічного напрямку. Продемонстровано залежність форми ямок травлення фосфіду індію від орієнтації поверхні напівпровідника. Запропоновано механізм формування пор заданої форми.

Література

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.

4.       Сычикова Я.А. Влияние дислокаций на процесс порообразования в монокристаллах n-InP (111) / Я.А. Сычикова, В.В. Кидалов, Г.А. Сукач // Физика и техника полупроводников. – 2011. – Т. 45, № 1. –  С. 123 – 126.