Дипломная работа: Создание низкоразмерной среды в арсениде галлия для устройств микро- и наноэлектроники

Дипломная работа: Создание низкоразмерной среды в арсениде галлия для устройств микро- и наноэлектроники

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

в форме бакалаврской работы

Создание низкоразмерной среды в арсениде галлия для устройств микро- и наноэлектроники

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Арсенид галлия как перспективный материал микро- и наноэлектроники

1.1  Свойства и применение арсенида галлия

1.2  Пористая матрица арсенида галлия и её структурные свойства

1.3  Оптические свойства пористой матрицы

2. Формирование низкоразмерной среды в арсениде галлия

2.1 Исследование электрофизических параметров исходного монокристаллического арсенида галлия

2.1.1 Определение кристаллографической ориентации подложек

2.1.2 Определение типа проводимости подложек методом термо-ЭДС

2.1.3 Определение концентрации основных носителей заряда

2.2 Формирование пористой матрицы в арсениде галлия

2.2.1 Электрохимия полупроводников

2.2.2 Технологические условия формирования пористого арсенида галлия

3. Исследование пористого арсенида галлия

3.1 Структурные свойства

3.1.1 Оптическая микроскопия

3.1.2 Электронная микроскопия

3.2 Электрические свойства

3.3 Оптические свойства

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным материалом функциональной электроники является ареснид галлия, как самый универсальный по своим электрофизическим свойствам из всех полупроводниковых материалов типа.

Физико-химические свойства пористых полупроводников достаточно давно привлекают внимание исследователей, применяющих подобные материалы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Так, пористый кремний, получаемый обычно методом электрохимического травления, широко используется в технологии «кремний на диэлектрике», для создания проводящих слоёв, а также в качестве подложек для гетероэпитаксии [6]. Интерес к пористым полупроводникам заметно возрос после обнаружения интенсивной фотолюминесценции у пористой модификации кремния – изначально полупроводника со слабой излучательной способностью [7–10]. Условия получения и свойства пористого арсенида галлия пока остаются малоизученными. В литературе встречаются лишь отрывочные данные, свидетельствующие о возможности его получения методом электрохимического травления [11–13].

Согласно литературным данным, процесс порообразования в арсениде галлия происходит по схеме порообразования кремния, но со своей спецификой: результаты исследований говорят о том, что слои пористого арсенида галлия имеют нестихиометричный состав со значительным избытком атомов мышьяка. Установлено, что скелетную основу слоёв составляют столбики-перегородки, разделённые системой пор, ориентированных вдоль кристаллографического направления [111]. Пористые слои сохраняют монокристаллическую структуру подложки, но могут иметь изменённый параметр решётки – Δа/а.

1 Арсенид галлия как перспективный материал микро- и наноэлектроники

1.1 Свойства и применение арсенида галлия

Арсенид галлия – один из перспективных полупроводниковых материалов, который благодаря своим свойствам находит широкое применение в разработке новых типов полупроводниковых приборов.

Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Носители заряда в арсениде галлия обладают более высокой подвижностью, позволяющей работать на частотах до 250 ГГц. Также приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые устройства на той же операционной частоте. Из-за более высокого напряжения пробоя в GaAs чем в Si эти приборы могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко применяемым в мобильных телефонах, твердотельных лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обуславливает его использование при наличии радиационного излучения (например, в солнечных батареях в космической технике).

Основное применение имеет:

1) Полуизолирующий (ПИ) GaAs с высоким удельным сопротивлением (107 Ом.см). Используется при изготовлении высокочастотных интегральных схем (ИС) и дискретных микроэлектронных приборов. Помимо высокого удельного сопротивления монокристаллы нелегированного GaAs, применяемые в производстве высокочастотных приборов (особенно с использованием технологий ионной имплантации), должны иметь высокие значения подвижности носителей заряда и высокую макро- и микроскопическую однородность распределения свойств как в поперечном сечении, так и по длине выращенных слитков.

2) Легированный кремнием GaAs n-типа проводимости с низкой плотностью дислокаций. Применяется при изготовлении светодиодов и лазеров. Монокристаллы сильно легированного кремнием (1017–1018 см-3) GaAs, помимо высокой проводимости, должны обладать достаточно совершенной кристаллической структурой. Они широко используется в оптоэлектронике для изготовления инжекционных лазеров, свето- и фотодиодов, фотокатодов, являются прекрасным материалом для генераторов СВЧ-колебаний, применяются для изготовления туннельных диодов, способных работать при более высоких температурах, чем кремниевые и на более высоких частотах, чем германиевые.

3) Монокристаллы арсенида галлия, легированные хромом, используют в инфракрасной оптике.

4) Монокристаллы GaAs, легированные цинком или теллуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов.

1.2 Пористая матрица арсенида галлия и её структурные свойства

Пористый арсенид галлия получают путём электрохимического анодирования монокристаллического GaAs. В качестве электролита наиболее часто используются водные растворы фторводородной кислоты (HF), а также её смеси с соляной (HCl) и азотной (HNO3) кислотами.

Электрохимическое анодирование пластин может проводиться в гальваностатическом и потенциостатическом режимах. В первом случае через пластину GaAs пропускается ток постоянной на всём протяжении эксперимента амплитуды, в то время как при потенциостатическом режиме постоянным остаётся напряжение. Однако в силу причины низкой эффективности потенциостатического метода, в подавляющем большинстве экспериментов используется гальваностатический метод.

В результате реакции электрохимического травления на поверхности GaAs могут образовываться химические соединения типа , имеющие алмазоподобную форму кристаллиты , а при травлении в хлорсодержащем растворе ещё и .

В связи с тем, что процесс порообразования проходит при непосредственном участии дырок, а их концентрация в GaAs n-типа весьма мала, возникает необходимость создания дополнительных условий для их генерации. Чаще всего для этой цели применяют импульсный источник освещения, светом которого в процессе травления подсвечивается образец.

Пористому арсениду галлия, как и пористому кремнию, свойственно значительное увеличение площади поверхности – до 600 м2/см3.

В GaAs поры растут вдоль кристаллографического направления [111] (рисунок 1). Следовательно, в пластинах с ориентацией (111) поры растут перпендикулярно поверхности, а в пластинах с ориентацией (100) под углом ~35°.

Рисунок 1 – Перпендикулярный поверхности рост пор на пластине ориентации (111)

В зависимости от многих факторов (плотность тока, протекающего через образец, кристаллографическая ориентация пластины, тип проводимости, уровень легирования, состав и температура травителя, наличие или отсутствие подсветки, состояние поверхности), пористые слои могут весьма сильно различаться по своим структурным свойствам[14, 15].

В том случае, когда диаметр пор больше 50 нм, говорят о наличии макропористой структуры; при диаметре пор от 50 нм до 5 нм говорят о мезапористом слое, и в случае диаметра пор меньше 5 нм говорят о микропористой структуре слоя.

Для образцов p-типа, как показывают авторы работы [15], формирование на поверхности пор кристаллитов  не наблюдается, как это было в случае некоторых образцов пористого n-GaAs. В то же время суммарное количество атомов кислорода, участвующих в формировании оксидных связей на поверхности нанокристаллов оказалось почти равным. Стоит отметить, что интенсивность фотолюминесценции в образцах пористого p-GaAs существенно ниже, чем в образцах пористого n-GaAs, а положение самого пика фотолюминесценции сдвинуто в красную область спектра. Структура пористого слоя p-GaAs менее однородная, размеры нанокристаллов колеблются в пределах от десятков до сотен нанометров. В случае n-GaAs размеры нанокристаллов и дисперсия значений среднего диаметра существенно меньше, чем в образцах p-GaAs.

Как указано в работе [13], при электролитическом травлении n-GaAs () в растворах HCl, начиная с плотности тока около  на поверхности образцов образуется тёмная плотная плёнка, прочно сцепленная с подложкой. При плотности тока большей  образуется толстый слой, легко отделяющийся от подложки. При ещё больших плотностях тока этот слой рассыпается в мелкий порошок уже в процессе электролиза. Замена растворителя (воды) на водно-этаноловую смесь (1:1) снижает порог «рассыпания» примерно в 2 раза.

Электролит, содержащий в своём составе  образует на поверхности GaAs тонкую тёмную плёнку уже через несколько секунд после погружения в него образца без пропускания тока, то есть действует как химический травитель. Дальнейший электролиз в таком электролите приводит к образованию толстых слоёв пористого арсенида галлия, так же как и при химическом травлении в растворах HCl.

В результате же чисто химического травления образуются тонкие однородные чёрные слои, толщина которых практически не зависит от времени травления.

1.3 Оптические свойства

Говоря об оптических свойствах пористого арсенида галлия, в первую очередь стоит упомянуть его фотолюминесценцию (ФЛ). Как утверждают авторы работы [13], все слои характеризуются наличием ФЛ в инфракрасной(ИК) области спектра, близкой к полосе излучения подложки. Такая же полоса ИК излучения наблюдается в спектрах свободных (отделенных от подложки) плёнок и в порошкообразном пористом арсениде галлия. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что получаемые в результате электролитического травления слои представляют собой губчатые образования. Для всех слоёв, выращенных на подложках с  наблюдается сдвиг ИК максимума в длинноволонвую область спектра и расширение полосы ФЛ (рисунок 2, а). Такой же сдвиг максимума, но без уширения полосы наблюдается у образцов с (рисунок 2, б).

Пунктирная линия – спектр исходного арсенида галлия, сплошная – его пористого слоя

а – подложка с , б –  

Рисунок 2 – Сравнение ФЛ образцов исходного арсенида галлия и его пористых слоёв

Все образцы пористого GaAs обладают ФЛ в видимой области спектра. Интенсивность и форма полосы зависят от условий формирования слоёв. Наибольшей интенсивностью, несмотря на малую толщину, обладают «химические» слои. У этих слоёв преобладает ФЛ в красной области спектра, в то время как для «электрохимических» слоёв характерна двугорбая кривая с более выраженным коротковолновым максимумом.

Сдвиг основной фазы фотолюминесценции образцов пористого GaAs, полученных анодным травлением, по сравнению с кристаллическим GaAs может быть объяснён, если предположить, что имеет место размерное квантование энергии носителей тока в результате образования нанообъектов. Производя оценочные расчёты, определяют приблизительный размер нанокристаллов, излучение которых определяет максимальную энергию спектра излучения фотолюминесценции для пористого слоя. Например, в тех пористых образцах n-типа, в которых максимум фотолюминесценции располагается при энергиях 1,85–2,52 эВ, расчёт даёт размеры нанокристаллов от 5 до 8 нм.

2 Формирование низкоразмерной среды в арсениде галлия

2.1 Исследование электрофизических параметров исходного монокристаллического арсенида галлия

2.1.1 Определение кристаллографической ориентации подложек

В первую очередь стоит отметить экспресс-метод определения кристаллографической ориентации пластин – по характеру скола. Пластины ориентации (100) при расколе образуют прямой угол, в то время как пластины ориентации (111) образуют угол, равный 60 градусам.

Слева – пластина ориентации (111), справа – ориентации (100)

Рисунок 3 – Определение кристаллографической ориентации пластин по характеру раскола

С другой стороны, в отличие от аморфных тел почти все свойства кристаллических веществ по разным направлениям различны. В частности, при химическом взаимодействии кристаллов с травителями растворение их граней по разным кристаллографическим направлениям, как правило, происходит с различными скоростями.

При травлении в слабом травителе в течение продолжительного времени в локальной области кристалла, на его гранях образуются правильные фигуры, наблюдаемые под микроскопом, которые получили название фигур травления. Установлено, что фигуры травления на различных кристаллографических плоскостях различны. Так, на пластинах с кристаллографической ориентацией (100) фигуры травления стремятся принять вид квадратов, в то время как на пластинах (111) – треугольников [5].

Рисунок 4 – Фигуры травления пластин арсенида галлия ориентации: а – (100); б – (111)

Рисунок 5 – Ямки травления пластин арсенида галлия ориентации: а – (100);  б – (111)

По геометрии фигур травления можно судить об ориентации кристалла, а также о его монокристалличности. Если образец не представляет собой монокристалла, в различных местах одной и той же грани фигуры травления будут различными [5].

В таблице 1 приведены наиболее распространённые составы селективных травителей для арсенида галлия.

Таблица 1 – Селективные травители для арсенида галлия

2.1.2 Определение типа проводимости подложек методом термо-ЭДС

Метод термо-ЭДС заключается в том, что с анализируемым полупроводником вводится в соприкосновение разогретый до 50–70°С зонд и относительно холодной части образца определяется знак термо-ЭДС. При определении типа проводимости данным методом возникает вопрос о концентрациях легирующей примеси, при которых возможно достоверное определение величины и знака термо-ЭДС. При этом можно рассмотреть два предельных случая: концентрация легирующей примеси очень мала, что примерно соответствует собственному полупроводнику, и концентрация легирующей примеси очень велика, что примерно соответствует металлам.

Рассмотрим механизм возникновения термо-ЭДС. При прикосновении горячего зонда к полупроводнику в последнем возникает градиент температуры. Вследствие этого в образце появляется градиент средней энергии и градиент концентрации носителей заряда. Это приводит к возникновению диффузионного потока носителей заряда, то есть к возникновению тока. В результате разделения носителей заряда, внутри образца образуется электрическое поле, которое порождает компенсирующий поток носителей заряда. Между горячим зондом и холодной частью образца возникает разность потенциалов. Согласно формуле (1) термо-ЭДС полупроводника определяется двумя слагаемыми, каждое из которых соответствует вкладу, вносимому электронами и дырками, причем эти слагаемые имеют противоположные знаки.

В случае электронного полупроводника в разогретой области образца возникает положительный объемный заряд, в дырочном полупроводнике наоборот.

 (1)

где а – удельная термо-ЭДС;

Nc, Nv – эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне;

k – постоянная Больцмана;

п, р – концентрации электронов и дырок;

μn, μр – подвижности электронов и дырок;

е – элементарный заряд.

Для собственного полупроводника величина термо-ЭДС определяется лишь шириной запрещенной зоны и соотношением подвижности электронов и дырок. При определении типа проводимости слаболегированного образца может возникнуть проблема, связанная со следующей причиной. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок, то знак термо-ЭДС собственного полупроводника будет соответствовать знаку термо-ЭДС электронного полупроводника. Поэтому при определении типа проводимости слаболегированного полупроводника может возникнуть ошибка.

Согласно формуле (1) величина термо-ЭДС зависит не только от концентрации носителей, но и от их подвижности. А поскольку подвижность электронов больше подвижности дырок, при некоторой температуре это приводит к инверсии знака удельной термо-ЭДС. Причем особенно заметно это у полупроводников с более низкой степенью легирования.

Следовательно, в таких случаях невозможно определить тип полупроводника по знаку термо-ЭДС [1].

2.1.3 Определение концентрации основных носителей заряда

Как известно, именно основные носители заряда вносят основной вклад в электропроводность полупроводника. Таким образом, возникает возможность определить концентрацию основных носителей заряда косвенным методом через измерение удельного сопротивления пластины полупроводника [1].

Сопротивление пластины определяется четырёхзондовым методом – этот метод измерения электрического сопротивления является самым распространённым. Кроме высоких метрологических показателей преимущество четырёхзондового метода состоит в том, что для его применения не требуется омических контактов к образцу, возможно измерение удельного сопротивления объемных образцов самой разнообразной формы и размеров, а также удельного сопротивления слоев полупроводниковых структур. Условием для его применения с точки зрения формы образца является наличие плоской поверхности, линейные размеры которой превосходят линейные размеры системы зондов.

Метод заключается в том, что к плоской поверхности образца вдоль прямой линии прижимают четыре металлических контакта (зонда), отстоящих друг от друга на расстояние S (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема определения удельного поверхностного сопротивления четырёхзондовым методом

К крайним зондам прикладывают напряжение от источника Е1 за счет чего создается ток I14. Ток входит в пленку через один контакт, растекается по пленке и выходит через другой контакт. За счет прохождения тока по пленке между точками касания средних зондов происходит падение напряжения U23, которое может быть измерено. Измерив U23, зная I14 и размеры образца (пленки), можно определить величину удельного сопротивления.

, (2)

где f – поправочная функция, учитывающая соотношение размеров образца пленки и расстояние между зондами S.

Измерение напряжения между зондами производят компенсационным методом, используя высокоомный потенциометр. Суть метода компенсации заключается в том, что встречно с источником неизвестного напряжения U23 включают источник калиброванного регулируемого напряжения Ux – потенциометр. В замкнутый контур включен гальванометр. Если Ux ≠U23, в цепи гальванометра идет ток. Если же установить Ux таким, чтобы Uх = U23, тока в цепи гальванометра не будет. Это и есть компенсация неизвестного напряжения известным. Важнейшей особенностью компенсационного метода является то, что при измерении, когда Uх = U23, ток не ответвляется в цепь зондов 2 и 3 и потому не происходит нарушения растекания тока, идущего через зонды 1 и 4. Так как при Uх = U23 тока в цепи средних зондов нет, можно не принимать во внимание качество контакта (величину сопротивления) в точках касания зондов 2 и 3 в пленке.

Объёмное сопротивление определяется по формуле

,                                                 (3)

где d – толщина пластины.

Проводимость пластин:

,                                                      (4)

Она же:

,                                           (5)

где q – заряд электрона,

n, p – концентрация носителей заряда,

 – подвижность электронов,

 – подвижность дырок.

Для пластин n-типа проводимости:

.                                                  (6)

Для пластин p-типа проводимости:

.                                                 (7)

Объединяя формулы, получаем расчётные формулы для определения концентрации основных носителей заряда в полупроводнике дырочного и электронного типа проводимости соответственно:

Страницы: 1, 2