Диссертация (1097499), страница 4
Текст из файла (страница 4)
ÌÅÒÎÄÛ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß ÏÎÐÈÑÒÛÕÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂ È ÄÈÝËÅÊÒÐÈÊΠÈÔÎÒÎÍÍÛÕ ÑÐÅÄ ÍÀ ÈÕ ÎÑÍÎÂÅÎäíèì èç ñïîñîáîâ ñîçäàíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ ñ çàäàííûìè ñòðóêòóðíûìè, ýëåêòðîííûìè è îïòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ÿâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèåíàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñðåä. Ïðèíöèïèàëüíóþ ðîëü äëÿ ñîçäàíèÿ íîâûõíàíîêîìïîçèòíûõ ñðåä èãðàåò íå òîëüêî ìàòåðèàë, èñïîëüçóåìûé äëÿ èõèçãîòîâëåíèÿ, íî è èõ ìèêðîñòðóêòóðà ýòèõ ñðåä. Ñâîéñòâà òàêèõ íàíîêîìïîçèòîâ îïðåäåëÿþòñÿ ðàçìåðîì, ôîðìîé è óïîðÿäî÷åííîñòüþ ñîñòàâëÿþùèõ èõ íàíî÷àñòèö, à òàêæå ôàêòîðàìè çàïîëíåíèÿ íàíî÷àñòèöàìè.Ñðåäè ðàçíîîáðàçíûõ íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ñðåä ñëåäóåò îñîáî îòìåòèòü ïîðèñòûå ïîëóïðîâîäíèêè è äèýëåêòðèêè, îáðàçîâàííûå ïóòåì óäàëåíèÿ ÷àñòè ìàòåðèàëà èç îáú¼ìà.
Âîçíèêàþùèå ïðè ýòîì ïîðû è îñòàþùèåñÿ íàíîêðèñòàëëû èìåþò ðàçìåðû îò åäèíèö äî ñîòåí íàíîìåòðîâ.Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ïîëó÷èâøèõñÿ ñòðóêòóð îòëè÷àþòñÿ îò ñâîéñòâ èñõîäíîãî ìàòåðèàëà, çà÷àñòóþ ðàäèêàëüíî. Ìîæíî âûäåëèòü òðè îñíîâíûåïðè÷èíû ìîäèôèêàöèè èõ ñâîéñòâ:1) êâàíòîâî-ðàçìåðíûå ýôôåêòû äëÿ íàíîîáúåêòîâ, ðàçìåðû êîòîðûõ íåïðåâîñõîäÿò äëèíû âîëíû äå Áðîéëÿ ýëåêòðîíà;2) ïîâåðõíîñòíûå ýôôåêòû, ñâÿçàííûå ñ ïîÿâëåíèåì íîâûõ ýëåêòðîííûõè ôîíîííûõ ñîñòîÿíèé ïîâåðõíîñòè, ïëîùàäü êîòîðîé çàìåòíî (èíîãäà íàíåñêîëüêî ïîðÿäêîâ) óâåëè÷èëàñü ïîñëå îáðàçîâàíèÿ ïîð;3) ëîêàëüíûå ïîëÿ â íàíîêîìïîçèòíîé ñðåäå, êîòîðûå îïðåäåëÿþòñÿ ðàçìåðàìè, ôîðìîé è óïîðÿäî÷åííîñòüþ íàíîîáúåêòîâ.21Òàáëèöà 1.1.
Êëàññèôèêàöèÿ ïîðèñòûõ ñðåä ïî ðàçìåðó ïîðÒèï ïîðèñòîé ñðåäûÏðåîáëàäàþùèé ðàçìåð ïîð â ïîðèñòîé ñðåäåÌèêðîïîðèñòûé≤ 2 íìÌåçîïîðèñòûé2-50 íìÌàêðîïîðèñòûé> 50 íìÏðîñòîòà ìåòîäèêè èõ ïîëó÷åíèÿ è âîçìîæíîñòü óïðàâëÿòü èõ ñâîéñòâàìè, ìåíÿÿ ðåæèì ôîðìèðîâàíèÿ, äåëàþò ïîðèñòûå ïîëóïðîâîäíèêè âåñüìàóäîáíûìè îáúåêòàìè äëÿ èçó÷åíèÿ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé â íàíîñòðóêòóðàõè ñîçäàíèÿ íîâûõ ôîòîííûõ ñðåä.  ðàìêàõ íàñòîÿùåé ðàáîòû ìû óäåëèì îñíîâíîå âíèìàíèå ïðîÿâëåíèÿì ýôôåêòîâ ëîêàëüíûõ ïîëåé è èññëåäîâàíèåì âîçìîæíîñòåé óïðàâëåíèÿ ñ èõ ïîìîùüþ ôîòîííûìè ñâîéñòâàìèïîðèñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ è äèýëåêòðèêîâ.Âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé òàêèõ ñðåä ÿâëÿåòñÿ ïîðèñòîñòü - îòíîøåíèåîáú¼ìà ïîð ê ïîëíîìó îáú¼ìó âñåé êîìïîçèòíîé ñðåäû.
Ïîðèñòîñòü ÷àñòîèçìåðÿåòñÿ ãðàâèìåòðè÷åñêè (ïóòåì âçâåøèâàíèÿ îáðàçöà äî è ïîñëå ôîðìèðîâàíèÿ ïîð, à èíîãäà è ïîñëå óäàëåíèÿ ïîðèñòîãî ñëîÿ) è îïðåäåëÿåòñÿñëåäóþùèì îáðàçîì:ρ,(1.1)ρ0ãäå p - ïîðèñòîñòü, à ρ è ρ0 ïëîòíîñòè ïîðèñòîãî ñëîÿ è èñõîäíîãî ìàòåðèàëàp=1−ñîîòâåòñòâåííî.Ïîìèìî ïîðèñòîñòè, âåñüìà âàæíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ïîðèñòûõ ñëîåâ, ñóùåñòâåííûì îáðàçîì îïðåäåëÿþùèìè èõ ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà, ÿâëÿþòñÿ ðàçìåð ïîð è îñòàâøèõñÿ íàíîêðèñòàëëîâ, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè,à òàêæå èõ ìîðôîëîãèÿ. Ñîãëàñíî êëàññèôèêàöèè Ìåæäóíàðîäíîãî ñîþçà ÷èñòîé è ïðèêëàäíîé õèìèè (IUPAC) [1] ïîðèñòûå ìàòåðèàëû ïðèíÿòîðàçäåëÿòü íà ìèêðî-, ìåçî- è ìàêðîïîðèñòûå (ñì. òàáë.
1.1).Ýëåêòðîõèìè÷åñêîå òðàâëåíèå òâåðäûõ òåë, ïðèâîäÿùåå ê ðîñòó ïîð íàíîìåòðè÷åñêîãî ðàçìåðà è ôîðìèðîâàíèþ íàíîêðèñòàëëîâ, ñòàëî îäíèìèç ñïîñîáîâ ñîçäàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñðåä ñ íîâûìè ñâîéñòâàìè. Ê22÷èñëó ïðåèìóùåñòâ äàííîé ìåòîäèêè ïîëó÷åíèÿ íàíîñòðóêòóð ñëåäóåò îòíåñòè áûñòðîòó è êîíòðîëèðóåìîñòü ïðîöåññà ôîðìèðîâàíèÿ, à òàêæå åãîíåâûñîêóþ ñòîèìîñòü. Ïîðèñòûå ñòðóêòóðû òàêæå ìîæíî ôîðìèðîâàòü ñïîìîùüþ ëèòîãðàôè÷åñêèõ ìåòîäîâ. äàííîé ãëàâå ìû ðàññìîòðèì ñïîñîáû ôîðìèðîâàíèÿ ïîðèñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ è äèýëåêòðèêîâ: ïîðèñòîãî êðåìíèÿ, îêèñëåííîãî ïîðèñòîãîêðåìíèÿ, ïîðèñòîãî îêñèäà àëþìèíèÿ, à òàêæå ôîòîííûõ ñðåä, îáðàçîâàííûõ ñëîÿìè ïîðèñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, íàïðèìåð îäíîìåðíûõ ôîòîííûõêðèñòàëëîâ.1.1.
Ýëåêòðîõèìè÷åñêîå òðàâëåíèåÔîðìèðîâàíèå ïîð ïðîèñõîäèò ïðè îïðåäåëåííûõ ðåæèìàõ ýëåêòðîõèìè÷åñêîé îáðàáîòêè (òðàâëåíèÿ) ïîëóïðîâîäíèêîâ. Òèïè÷íàÿ ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îáðàçöîâ ïîðèñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ ïðåäñòàâëåíàíà ðèñ. 1.1. Ïðè àíîäíîì òðàâëåíèè íà ïëàñòèíó ïîëóïðîâîäíèêà ïîäàåòñÿïîëîæèòåëüíûé ïîòåíöèàë, â ýëåêòðîëèò æå ïîìåùàåòñÿ ïðîâîëîêà, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ êàòîäîì.
Ïðîöåññ àíîäíîãî òðàâëåíèÿ çàâèñèò îò îáìåíàíîñèòåëÿìè çàðÿäà ìåæäó ïîëóïðîâîäíèêîì è ýëåêòðîëèòîì è, ÷òî ÷ðåçâû÷àéíî âàæíî, íóæäàåòñÿ ïî êðàéíåé ìåðå â îäíîé äûðêå äëÿ íà÷àëàïðîöåññà ðàçðûâà õèìè÷åñêîé ñâÿçè. Ïðè àíîäíîì òðàâëåíèè ïîëóïðîâîäíèê ÿâëÿåòñÿ ïîëîæèòåëüíûì ýëåêòðîäîì, è äûðêè, ïðèñóòñòâóþùèå â ïîëóïðîâîäíèêå, íàïðàâëÿþòñÿ ê åãî ïîâåðõíîñòè ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì. Èñòðà÷åííûå äûðêè êîìïåíñèðóþòñÿ èç âíåøíåé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Åñëèèñòî÷íèê òîêà ñíàáæàåò íåîáõîäèìûì ÷èñëîì äûðîê, òî íàáëþäàåòñÿ ïîëíîå ðàñòâîðåíèå ýëåêòðîäà.
Îáðàçîâàíèå äûðîê íåîäíîðîäíî íà ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìîíîêðèñòàëëà, ÷òî âûçûâàåò ôîðìèðîâàíèå ñåòèïîð, ðàñòóùèõ âãëóáü êðèñòàëëà. Òàêèì îáðàçîì, íà èçíà÷àëüíî îäíîðîäíîé ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êðèñòàëëà ïðîèñõîäèò ðàñïàä ôðîíòàýëåêòðîõèìè÷åñêîé ðåàêöèè íà ìíîæåñòâî èçîëèðîâàííûõ ìèêðîñêîïè÷åñêèõ îáëàñòåé, óñòîé÷èâî ñîõðàíÿþùèõñÿ íà áîëüøîé ãëóáèíå.23Ðèñ.
1.1. Ñõåìàòè÷åñêèé ðèñóíîê ÿ÷åéêè äëÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî ôîðìèðîâàíèÿ ïîðèñòûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.Ýôôåêòû îáðàçîâàíèÿ ïîð áûëè âûÿâëåíû äëÿ Si è Ge ñ ðàçëè÷íûìèòèïàìè ïðîâîäèìîñòè, òîãäà êàê â GaAs, InP, GaP, CdSe òîëüêî c ïðîâîäèìîñòüþ n -òèïà, à äëÿ CdTe è ZnTe òîëüêî p -òèïà [2]. Îáðàçîâàíèå ïîð íåíàáëþäàëîñü â áîëåå óçêîçîííûõ áèíàðíûõ ñîåäèíåíèÿõ ÀIII ÂV : InAs, InSbè GaSb.Îòìåòèì, ÷òî äî ñèõ ïîð íå ñóùåñòâóåò ðàçâèòûõ ìîäåëüíûõ ïðåäñòàâëåíèé, àäåêâàòíî îïèñûâàþùèõ êîíêðåòíûå ýëåêòðîôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ìåõàíèçìû ôîðìèðîâàíèÿ ïîðèñòûõ ñòðóêòóð â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êðèñòàëëàõ, íåäîñòàòî÷íî ÿñíû ïðè÷èíû çàðîæäåíèÿ ïîð è ïðèâÿçêè íàïðàâëåíèé èõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ê ðàçëè÷íûì êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèìîñÿì â ðåø¼òêàõ ïîëóïðîâîäíèêîâ, íå îáúÿñíÿåòñÿ ñòàáèëüíîñòü ðàçìåðîâè ôîðì âûòðàâëèâàåìûõ êàíàëîâ ñ íàíîìåòðîâûìè ñå÷åíèÿìè íà ïðîòÿæ¼ííûõ (äåñÿòêè è äàæå ñîòíè ìèêðîìåòðîâ) ó÷àñòêàõ èõ ïðîðàñòàíèÿ âîáúåì êðèñòàëëîâ.24Íåîáõîäèìûì óñëîâèåì íà÷àëà ïîðîîáðàçîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïðåâûøåíèåîïðåäåëåííîé â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå ïîðîãîâîé âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ (Uc ), ïîäàâàåìîãî íà ýëåêòðîõèìè÷åñêóþ ÿ÷åéêó.
Ïðè íàïðÿæåíèÿõ,íåìíîãèì ïðåâîñõîäÿùèõ Uc , ïðîèñõîäèò ìåäëåííîå óâåëè÷åíèå êîëè÷åñòâàâõîäíûõ îòâåðñòèé ïîð íà ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëîâ. Âíîâü âîçíèêàþùèåïîðû ìîãóò ãðóïïèðîâàòüñÿ âîêðóã îòäåëüíûõ, îáû÷íî áîëåå êðóïíûõ, èñõîäíûõ ïîð, ñâÿçàííûõ ñ âûõîäàìè íà ïîâåðõíîñòü ïðîòÿæ¼ííûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ äåôåêòîâ äèñëîêàöèé è ìèêðîòðåùèí. Ðàñøèðÿþùèåñÿ íà ïîâåðõíîñòè ó÷àñòêè, çàíÿòûå ïîðàìè, ÷àñòî ïðèîáðåòàþò ãåîìåòðè÷åñêóþôîðìó, îòðàæàþùóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ñèììåòðèþ ýòîé ïîâåðõíîñòè. Ïðèïðèëîæåííûõ íàïðÿæåíèÿõ ñìåùåíèÿ, â íåñêîëüêî ðàç ïðåâûøàþùèõ Uc ,ïëîòíîñòü âõîäíûõ îòâåðñòèé ïîð, ïîÿâèâøèõñÿ â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè, íå ìåíÿåòñÿ â õîäå äàëüíåéøåãî ïðîöåññà, ïðîòåêàþùåãî èñêëþ÷èòåëüíî â îáúåìå êðèñòàëëà.
Áîëåå ïîäðîáíî îñîáåííîñòè îáðàçîâàíèÿ ïîðïðè ýëåêòðîõèìè÷åñêîì òðàâëåíèè îïèñàíû íèæå.1.1.1. Ïîðèñòûé êðåìíèéÊðåìíèé ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ìàòåðèàëîì ñîâðåìåííîé ýëåêòðîíèêè. Ïîýòîìó èññëåäîâàíèå ôîòîííûõ ñðåä íà åãî îñíîâå èìååò áîëüøîå ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, âûçûâàåò ïðèñòàëüíîå âíèìàíèå êíèì ñî ñòîðîíû èññëåäîâàòåëåé âî âñåì ìèðå. Íàèáîëåå àêòèâíî ïðîèñõîäèò èçó÷åíèå ôîòîííûõ ñðåä, ñôîðìèðîâàííûõ íà îñíîâå íàíîñòðóêòóðïîðèñòîãî êðåìíèÿ (ÏÊ).Âïåðâûå ÏÊ áûë ïîëó÷åí àìåðèêàíñêèì èññëåäîâàòåëåì À. Óëèðîì åùåâ 1956 ã. [3].
Îäíàêî â òå÷åíèå äîñòàòî÷íî äîëãîãî âðåìåíè èññëåäîâàíèÿôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ÏÊ àêòèâíî íå ïðîâîäèëèñü, äàæå íåñìîòðÿ íà îáíàðóæåííóþ â íåì ôîòîëþìèíåñöåíöèþ. Èíòåðåñ èññëåäîâàòåëåé áûë ñîñðåäîòî÷åí ãëàâíûì îáðàçîì íà èçîëèðóþùèõ ñâîéñòâàõ ÏÊ è îêèñëåííîãîÏÊ [4, 5]. Îïòè÷åñêèå æå ñâîéñòâà ÏÊ èíòåðåñîâàëè òîëüêî â ïëàíå ïðèìåíåíèÿ ÏÊ â êà÷åñòâå àíòèîòðàæàþùåãî ïîêðûòèÿ [6]. Îäíàêî, íà÷èíàÿ25ñ 1990 ã., êîãäà àíãëèéñêèé èññëåäîâàòåëü Ë. Êýíåì ñâÿçàë ôîòîëþìèíåñöåíöèþ ÏÊ ñ êâàíòîâî-ðàçìåðíûì ýôôåêòîì â êðåìíèåâûõ íàíîêðèñòàëëàõ [7], ñèòóàöèÿ ñóùåñòâåííûì îáðàçîì èçìåíèëàñü. ÏÊ è åãî îïòè÷åñêèåñâîéñòâà ñòàëè îáúåêòîì ìíîãî÷èñëåííûõ èññëåäîâàíèé (ñì., íàïðèìåð, îáçîð [8]).Ñëîè ÏÊ ôîðìèðóþòñÿ ïðè àíîäíîì ýëåêòðîõèìè÷åñêîì òðàâëåíèè ïëàñòèíû ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî êðåìíèÿ (c-Si). Êàê ïðàâèëî, äëÿ òðàâëåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ ýëåêòðîëèòû, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé êîíöåíòðèðîâàííóþ ïëàâèêîâóþ êèñëîòó (HF) èëè åå âîäíî-ñïèðòîâûå ñìåñè [3, 510].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
