Сичікова Яна Олександрівна

Бердянський державний педагогічний університет

Процес пороутворення в кристалах фосфіду індія

Поруватий фосфід індію утворюється у результаті анодної обробки кристалу в розчинах кислот та лугів, де відбувається утворення вузьких «каналів травлення», що уходять вглиб зразка. Пори під час травлення збільшуються та розширюються, в результаті на поверхні залишається множина залишків цих стінок у вигляді ниток, що розташовані переважно перпендикулярно поверхні чи у напрямку кристалографічних висей. Товщина цих ниток, як правило, не перевищує одиниць нанометрів, що зумовлює виникнення ряду квантово-розмірних ефектів, зокрема збільшення ширини забороненої зони.

Вторинні нейтральні атоми індію та фосфору, що утворюються у результаті реакції електрохімічного травлення, також адсорбуються поверхнею кристалу. При цьому на по поверхні фосфіду індію утворюються своєрідні початкові дефекти – «зайві» поверхневі атоми індію та фосфору та їх сполуки з киснем. Їх концентрація перевищує поверхневу концентрацію гратки InP, та відбувається хаотичне розподілення вторинних атомів по поверхні. У результаті квантово-розмірного розширення забороненої зони їх електричний опір перевищує вихідний, що збільшує стійкість до розчинення – виникають поверхневі кристаліти. Вони представляють собою неоднорідності квантово- розмірного масштабу, тобто області з підвищеною та пониженою поруватістю, різним діаметром пор та взаємним розподілом.

Однією з особливостей частинок малого розміру є зменшення здатності електронів екранувати електростатичні поля, внаслідок чого спостерігається збільшення радіусу взаємодії між електронами. Завдяки різному розміру пор структура поруватого фосфіду індію є неоднорідною вздовж поверхні. Просторове квантування електронного енергетичного спектру призводить до власних значень енергії електронів та дірок, що залежать від поперечного розміру ниток. У нашому випадку ниткоподібні кластери фосфіду індію різного діаметру включені послідовно в планарному режимі вимірювань, що призводить до ефекту випрямлення та появи внутрішніх мікробар’єрів, що перешкоджають руху струму.

Процес пороутворення в кристалах фосфіду індію – це складний процес, що супроводжується рядом електрохімічний реакцій та відбувається у декілька етапів. Кожний з етапів травлення кристалу характеризується притаманним тільки йому механізму. Розглянемо кожний з етапів.

На початковому етапі травлення спостерігається так званий інкубаційний період, протягом якого пороутворення не спостерігається. Однак стверджувати, що ніяких реакцій не відбувається некоректно. Інкубаційний період може характеризуватися збільшенням щільності струму, кипінням електроліту, що свідчить про наявність складних електрохімічних реакцій, що відбуваються на даному етапі.

Початкова стадія пороутворення характеризується первинним вириванням атомів з поверхні кристалу. Найбільш імовірно, це відбувається в дефектних областях поверхні кристалу – місцях дислокацій, скупчення домішок, тріщинах. Загалом, дефекти являють собою пільгові напрямки для травлення, так як в цих місцях спостерігається наявність надлишкових внутрішніх напруг, що провокує виривання атомів з поверхні кристалу.

Поряд з цим починається формування нерегулярного верхнього шару, який можна вважати поруватим лише у деякому наближенні. Цей шар тонкий (декілька нанометрів), дуже нерегулярний. Хімічний склад може характеризуватися великим розмаїттям елементів – крім основних (фосфор, індій) спостерігається також наявність кисню (у деяких випадках до 50%), а також елементів, що входять у склад електроліту. Присутність цих елементів не обов’язково свідчить про наявність складних хімічних сполук. Кисень, фтор/хлор можуть мати не хімічний, а електричний зв'язок з матеріалом підкладки. Крім того, утворювані сполуки можуть легко вириватися з поверхні кристалу при подальшому травленні (або під час очистки пластин безпосередньо після травлення). Можливо формування(або деформування) цього шару відбувається на пізніх стадіях травлення.

Як зазначалося раніше, початкова стадія електрохімічного розчинення однакова для кристалів з різною кристалографічною орієнтацією. При накладенні до електролітичної комірки зовнішньої напруги починається травлення тих ділянок, де спостерігається наявність дефектів. Далі починається ріст пор вглибину підкладки. Саме на цьому етапі кінетику утворення пор буде визначати кристалографічна орієнтація зразку.

Розглянемо процес утворення пор на n-InP (111). Процес росту пор вглибину кристалу уповільнюється тим, що напрям <111>, перпендикулярний поверхні підкладки, відповідає найменшій швидкості реакції. Тому утворені пори обирають напрям під кутом до поверхні кристалу. Відбувається утворення так званих «сrysto» пор. Пори, що ростуть вздовж напрямків <111>В, утворюють між собою кут 109^о. Цей факт можна пояснити, якщо обчислити кут між векторами за відомою формулою скалярного добутку векторів.

Фронт травлення в даному випадку напрямлено вглиб кристалу. При цьому значна частина енергії процесу пороутворення уходить на розтравлювання міжпорових простінків, що призводить до їх подрібненню та збільшення їх кількості. Цей ефект спостерігається як при збільшенні щільності струму, так і часу травлення.

При високій щільності струму «crysto» пори можуть розвиватися у два типи: пори, що мають випадковий характер розповсюдженняя вздовж напрямків <111> та ланцюги тетраедних пор.

Таким чином, пороутворення напівпровідників, зокрема фосфіду індію, не можна розглядати як одностадійний неперервний процес, це ряд складних електрохімічних реакцій, кожна з яких характеризується певним механізмом.