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

, (8)

. (9)

2.2 Формирование пористой матрицы в арсениде галлия

2.2.1 Электрохимия полупроводников

В отличие от элементных полупроводников электрохимия полупроводниковых соединений усложняется из-за наличия двух или более видов атомов, полярности связей, анизотропии кристалла, отклонений от стехиометрии и т.п. Так, например, кристаллы соединений (соединения алюминия, галлия, индия с фосфором, мышьяком и сурьмой) имеют кубическую решетку цинковой обманки (сфалерита). В них атом одного вида, например, элемента А, лежащий в плоскости (111), в одном направлении имеет три связи с тремя атомами элемента В, в противоположном направлении – одну связь с одним атомом элемента В. После резки и травления пластинки такого полупроводника, большие поверхности которой параллельны плоскости (111), на ней в основном остаются атомы, более прочно связанные тремя связями с объемом. В случае, например, арсенида галлия на стороне А такой пластины будут оставаться атомы галлия (плоскость (111)А, галлиевая сторона), а на противоположной стороне В пластины – атомы мышьяка (плоскость (111)В, мышьяковая сторона). Очевидно, что физические, физико-химические и, следовательно, электрохимические свойства этих противоположных поверхностей должны быть различными.

Экспериментальные факты позволяют представить следующий вариант механизма анодного растворения арсенида галлия ориентации (111)А в щёлочной среде, когда процесс контролируется электрохимической стадией:

≡Ga + OH– + e+ → =Ga–OH + OH– + e+ → –Ga=(OH)2 + OH– + e+ → Ga(OH)3.

Здесь –, = и ≡ – одинарная, двойная и тройная ковалентная связь, соответственно.

Стадия 1. Очень быстрое взаимодействие ОН-иона или в растворах, где рН < 7, с поверхностным атомом галлия, имеющим три объёмные ковалентные связи с тремя атомами мышьяка. При этом одна связь разрывается: один из её электронов уходит в объём полупроводника, что эквивалентно подводу пазона (дырки); другой электрон вместе с электроном ОН-иона образует полярную связь с одновалентным .

Cтадия 2. Аналогичная электрохимическая реакция, но протекающая с наибольшими затруднениями, так как в отличие от стадии 1, атом галлия уже частично окислен и экранирован ОН-группой. Поэтому отторжение внутреннего электрона одной из двух ковалентных связей в объём полупроводника, т. е. подвод пазона (дырки), отрицательным полем ОН-иона, который теперь не может подойти непосредственно к атому галлия, весьма затруднен. Эта стадия контролирует процесс анодного растворения арсенида галлия.

Стадия 3. Также электрохимическая реакция. Её протекание облегчено, во-первых, из-за наличия у атома галлия уже двух ОН-групп, создающих отрицательное поле, способствующее генерации пазонов в последней связи; во-вторых, оставшаяся одинокая ковалентная связь ослаблена из-за отклонений от конфигурации кристаллической решетки, и дополнительная адсорбция частиц раствора приводит к быстрому разрыву последней связи и переходу Ga (III) в раствор.

Стадия 4 – стадия растворения продуктов анодного окисления GaAs, (в приведенной схеме она не показана). Эта стадия может ограничивать процесс анодного растворения лишь при высокой плотности анодного тока, выше 1–30из-за оксидирования его поверхности: проявляются пассивационные явления, потенциал растёт до 50–100 В.

Атомы мышьяка, появившиеся на поверхности анода из GaAs ориентации (111)A, реагируют, как и атомы галлия, но с меньшими затруднениями, так как они имеют лишь одну ковалентную связь с объёмом полупроводника, остальные связи уже нарушены.

Анодное растворение арсенида галлия n-типа исследовалось многими авторами в кислых и щелочных растворах, без, и в присутствии окислителей, в водных и органических средах, на свету и в темноте, для образцов с разной ориентацией поверхности и разной концентрацией донорной примеси и т.п.

В кратком виде результаты многих исследований следующие.

1. В отличие от p-GaAs анодное поведение n-GaAs существенно зависит от его полупроводниковых свойств, от концентрации в нём донорной примеси.

2. У невырожденного GaAs n-типа () в темноте быстрое возрастание анодного перенапряжения начинается при плотности анодного тока . В отличие от n-Ge, но также как и у n-Si, скорость возрастания перенапряжения при анодной поляризации n-GaAs растёт с уменьшением концентрации донорной примеси и, наоборот, уменьшается с её ростом.

3. Рассматриваемое торможение анодного процесса не зависит от интенсивности перемешивания раствора или скорости вращения дискового анода из n-GaAs, лишь улучшается воспроизводимость и несколько возрастает ток для стороны (111)A. Это свидетельствует, что затруднения обусловлены процессами в твёрдой фазе анода.

4. Кристаллографическая ориентация поверхности анода из n-GaAs не влияет заметным образом на характер торможения и на вид анодных кривых, хотя анодный ток растворения стороны (111)B обычно больше, чем для стороны (111)A.

5. Напряжение пробоя, при котором начинается новый рост анодного тока, зависит от концентрации электронов (донорной примеси), а также от состава раствора, т. е. от его способности растворять продукты окисления арсенида галлия, которые пассивируют локальные места пробоя. Так, в 1 моль/л растворе напряжение пробоя выше, чем в 1 моль/л растворе , и для n-GaAs ориентации (111)В его зависимость от концентрации носителей, больше , описывается эмпирической формулой: [3].

2.2.2 Технологические условия формирования пористого арсенида галлия

Пористый арсенид галлия получали путём электрохимической обработки монокристаллического арсенида галлия, являющегося анодом. В качествеэлектролитаиспользовали водный раствор плавиковой кислоты [4]. Для экспериментов были использованы образцы арсенида галлия n- и p-типов проводимости с полированной поверхностью, кристаллографической ориентацией (100) и концентрацией основных носителей заряда порядка . Перед получением пористого слоя образцы предварительно подвергали химическому полированию в растворе в течение 1 минуты с последующей промывкой в дистиллированной воде.

При травлении образца n-типа необходима подсветка. В нашей работе применялась зеркальная лампа, мощностью порядка 20 .

В качестве электролита применялся 25 % раствор HF. Плотность тока лежала в пределах 70–80 . Время травления – 15 минут.

Само травление осуществлялось в электрохимической ячейке (рисунок 7).

1 – Платиновый катод; 2 – электролит; 3 – прокладка из вакуумированной резины; 4 – полупроводниковая пластина; 5 – омический контакт к полупроводнику; 6 – основание ячейки.

Рисунок 7 – Конструкция электрохимической ячейки

Глава 3. Методы исследования пористого арсенида галлия