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

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