Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Эти сверхрешетки могут затем использоваться для создания молекулярных интегральных приборов, так как их различные слои способны выполнять различные функции (усиление, оптическая обработка сигналов, электронная передача информации и др.). Несмотря на большие потенциальные возможности рассмотренных методов, в настоящее время они не нашли широкого при- Глава 2.Меиииа ми ааииаианеале нных Рис. 2.38.
Формирование пленок методом ШайФера менения из-за того, что $ В-пленки не могут пока конкурировать с хорошо отработанными современными методиками конструирования электронных приборов и технологиями их изготовления. Кроме того, остается открытым вопрос о термической устойчивости этих пленок и характере изменения их свойств со временем. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что представляет собой Ленгмюровская пленка? 2.
Что представляет собой пленка Ленгмюра — Блоджетт? Д5. Формирование и свойства наноструктурираванныхматврианов 159 3. Что такое гидрофильные, гидрофобные, амфифильные вещества? 4. Как наносят пленки Ленгмюра — Блоджетг? 5. Каковы особенности строения пленок Х-, т'- и У.-типов? 6. Как формируют пленки методом Шайфера? 2.5. ФОРМИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА НАНОСТРУК ТУРИ РОВАН НЫХ МАТЕРИАЛОВ Существует класс материалов, которые по своей природе являются наноструктурированными, т. е. содержат структурные элементы с нанометровыми размерами.
Это делает их привлекательными для использования в наноэлектронных и оптоэлектронных приборах. К таким материалам относятся, например, пористый кремний, пористый оксид алюминия, пористые окснды тугоплавких металлов, углеродные наноструктуры. Нх формирование и основные свойства рассмотрены ниже. 2.5.1. Пористый кремний Ансамбли кремниевых наноструктур, состоящие из квантовых шнуров и квантовых точек, образуются в нориставе а2)еммии (роптиз з(1(соп)4', который получают путем локального анодного электрохимического растворения монокристаллического или поликристаллического кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты (НР). Пористый кремний обладает уникальными физическими и химическими свойствами, которые определяются плотной сетью наноразмерных пор в кристаллической матрице и развитой внутренней поверхностью этих пор.
Квантовое ограничение и поверхностные эффекты в наноструктурах пористого кремния приводят к тому, что этот материал (в отличие от монокристаллического кремния) является прямозонным полупроводником, демонстрируя достаточно интенсивную фото- и электролюминесценцию, которые используются для создания светоизлучающих приборов, интегрированных с монокристаллическим кремнием. Кремний представляет собой один из немногих материалов полупроводниковой электроники, в котором возможно формирование наноразмерных пор. Поры удается создать и в других полупроводниках, а именно — в Б!С, Б!Ое, ОаАв, ОаР, ) пР. Однако в них не удалось обнаружить таких же, как в пористом кремнии наноструктурных эффектов. Впервые описан в статьях А.
Шыг, гг., Е!ес(т1унс впарта ог веппапсвт апо' я1коп, Ве!1 зуя. Тесы 3. 35(2), 333 — 347 (!956) и 2). Л. Тигпвг, Е(еспоро))вмнв я1!сов 1п Ьуогоявопс ас! с$ во1нновв, 1. Е!ее!Гаснет. 8ос. 105(7), 402 — 408 (! 958). Глава 2.
Методы мироаания наноале нных уктур ефаоьо аи ченел Рис. 2.39. Принвипиааьное устройстао олнокамерной ячейки лля злектрохимического анодироаания Простейшая ячейка для электрохимической обработки состоит из ванны, выполненной из химически инертного материала и наполненной раствором НЕ, в который помешают кремниевую пластину и платиновый электрод.
Одна из таких конструкций показана на рис. 2.39. Для инициирования электрохимического растворения на пластину подают положительный (анодный) относительно платинового электрода потенциал. Процесс электрохимической обработки проводят при определенной плотности анодного тока, что позволяет получать требуемые значения пористостиаа и толщины пористого слоя, а также обеспечивает их воспроизводимость от процесса к процессу. Если кремниевая пластина погружается в ванну на токоподводящем зажиме, остающемся над поверхностью электролита, то пористый слой образуется на обеих поверхностях и кромке пластины, контактирующих с электролитом.
При этом имеет место неравномерное распределение плотности тока по поверхности пластины. Из-за резистивного падения напряжения в объеме пластины электрический потенциал на ее более глубоко погруженной части меньше, чем на верхней. В результате по мере движения от верхней части пластины к нижней плотность анод- ного тока уменьшается, что приводит к соответствующей неоднородности свойств пористого слоя. Этот эффект наиболее сильно проявляется в слабо легированных высокоомных кремниевых пластинах. Формирование более однородного пористого слоя (и только с одной стороны) достигается в злектрохимической ячейке с плос- Поа пористостью понимают абьемную долю материала эанятого пустотами— порами.
я5. Фо ми ание и свойства наноструктурированнмнмате иолов 1о1 (2.5.1) (2.5.2) Я+2НР+й' -6ЯР1 +2Н'+(2-!)е, ЯР, +2НР-+51Р, +Н11, ЯР„+2НР— У Б1Н1Р„ (2.5.3) где 1 — число элементарных зарядов, участвующих в обмене на каждой стадии процесса. Растворение кремния требует наличия в зоне реакции молекул НР (со стороны электролита) и дырок (в кремнии). Для создания в кремнии достаточного количества электронов и дырок его поверхность в процессе анодирования часто облучают светом.
Это особенно актуально для кремния с и-типом проводимости и слабо легированного (концентрация примесей меньше 1016 см ') кремния с р-типом. Газообразный водород и растворимое соединение ЯН1Р6 являются основными продуктами реакции. При анодировании в чистых водных растворах НР пузырьки водорода прилипают к поверхности кремния, что приводит к неоднородности пористого слоя в различных местах поверхности пластины по его толщине. Эффективному удалению пузырьков способствует введение в электролит смачивающих поверхностно-активных веществ. Такими свойствами обладает, например, абсолютный этанол, который добавляют до концентрации не более 15%.
Другой подходящей добавкой является уксусная кислота, нескольких процентов которой достаточно для эффективного удале- 6 — 1620 ким электрическим контактом по всей поверхности кремниевой пластины. В ней с электролитом соприкасается только одна сторона кремниевой пластины, а металлический или графитовый токоподводяший контакт прижимается к ее обратной стороне.
Для низкоомного кремния (удельное сопротивление ниже нескольких мОм см) достаточно хорошая однородность пористого слоя вдоль анодируемой поверхности обеспечивается даже без специальной подготовки токоподводящей поверхности пластины. Для высокоомного кремния на токоподводяшую поверхность осаждают пленку металла или легируют ее с целью улучшения электрического контакта и обеспечения равномерного протекания тока. Принудительное перемешивание электролита с продуктами реакции на аноде, которое приводит к удалению с поверхности пузырьков газообразных продуктов реакции, также улучшает однородность пористого слоя.
Химические превращения, ответственные за локальное электрохимическое растворение кремния в электролитах на основе Н Р, предполагают участие в них дырочно-электронного (Ь вЂ” в ) обмена, протекающего по следующей схеме: 162 Гл а в а 2. Методы формирования наноэлехтронных етр ния пузырьков с поверхности анодируемой пластины кремния и регулировки рН электролита. Свойства пористого слоя (его пористость, толщина, размер и структура пор) зависят как от характеристик собственно кремния, так и от условий анодирования.
Наиболее важными факторами при этом являются: тип проводимости, удельное сопротивление и кристаллографическая ориентация кремния, а также концентрация НГ в электролите, рН электролита, наличие в нем других соединений, температура, плотность анодного тока, освешенность анодируемой поверхности, перемешивание электролита и продолжительность анодной обработки. Оптимальное управление процессом формирования пористого слоя и воспроизводимость его характеристик требуют тщательного контроля за всеми этими факторами. Пористость и толщину пористого слоя обычно определяют взвешиванием образца перед анодной обработкой (масса М,), после анодной обработки (масса М,) и после удаления пористого слоя травлением в 3%-м растворе КОН (масса Мэ). Тогда пористость определяется выражением Р = (М, — М,)/(М, — Мэ), а толщина д = (М, — М,)/рЯ, где р — объемная плотность монокристаллического кремния; о — плошадь протравленной поверхности.
В зависимости от перечисленных факторов пористый слой может иметь один из трех типов структуры, которые показаны на рис. 2.40: а) структура с упорядоченными несвязанными цилиндроподобными каналами пор (су1(пт(ег-Исе зггисгиге); б) древовидная структура с квазиупорядоченными ветвистыми канапами пор (ггее-йсе злттсгшт); в) губкообразная структура с сеткой хаотически расположенных пор (зроще-/тле зписгиге). Цилиндроподобная структура, как правило, формируется на слабо легированном монокристаллическом кремнии с и- и р-типом проводимости путем анодного травления в темноте (без освешения).
Она характеризуется малой степенью ветвления, соответствующей пористости менее 10%. Древовидная структура, состояшая из расположенных перпендикулярно поверхности длинных отверстий диаметром около 10 нм, формируется на сильно легированном кремнии (удельное сопротивление менее 0,05 Ом см) независимо от типа его проводимости с пористостью вплоть до 60%. Для слабо легированного кремния ситуация несколько иная. Пористый слой, сформированный при освещении на слабо легированных подложках с р- и и-типом проводимости, состоит предположительно из очень маленьких хаотически расположенных отверстий размером примерно 2 — 4 нм. В этом случае максимальная пористость выше. 25.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
