Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия

Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия

Представлены результаты экспериментального определения величины порогового напряжения начала порообразования для кристаллов n-InP (100) с концентрацией носителей заряда 2,3⋅10¹⁸ см⁻³. Было показано, что величина порогового напряжения начала порообразования является функцией состава электролита,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2010
1. Verfasser: Сычикова, Я.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Schriftenreihe:Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98902
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия / Я.А. Сычикова // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 259–264. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-98902
record_format dspace
spelling irk-123456789-989022016-04-20T03:02:03Z Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия Сычикова, Я.А. Представлены результаты экспериментального определения величины порогового напряжения начала порообразования для кристаллов n-InP (100) с концентрацией носителей заряда 2,3⋅10¹⁸ см⁻³. Было показано, что величина порогового напряжения начала порообразования является функцией состава электролита, в частности зависит от концентрации кислоты в растворе электролита. Запропоновано результати експериментального визначення величини граничної напруги пороутворення для кристалів n-InP (100) з концентрацією носіїв заряду 2,3⋅101¹⁸ см⁻³. Було показано, що гранична напруга початку пороутворення є функцією складу електроліту, зокрема залежить від концентрації кислоти в розчині електроліту. The results of experimental determination of the threshold voltage of the beginning of pore formation for crystals of n-InP (100) with carrier concentration 2.3⋅10¹⁸ sm⁻³ It was shown that the threshold voltage beginning of pore formation is a function of electrolyte composition, in particular, depends on the concentration of acid in the electrolyte solution. 2010 Article Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия / Я.А. Сычикова // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 259–264. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98902 539.25: 539.232 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Представлены результаты экспериментального определения величины порогового напряжения начала порообразования для кристаллов n-InP (100) с концентрацией носителей заряда 2,3⋅10¹⁸ см⁻³. Было показано, что величина порогового напряжения начала порообразования является функцией состава электролита, в частности зависит от концентрации кислоты в растворе электролита.
format Article
author Сычикова, Я.А.
spellingShingle Сычикова, Я.А.
Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
Физическая инженерия поверхности
author_facet Сычикова, Я.А.
author_sort Сычикова, Я.А.
title Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
title_short Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
title_full Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
title_fullStr Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
title_full_unstemmed Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
title_sort влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate 2010
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98902
citation_txt Влияние состава электролита на величину порогового напряжения начала порообразования фосфида индия / Я.А. Сычикова // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 259–264. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv AT syčikovaâa vliâniesostavaélektrolitanaveličinuporogovogonaprâženiânačalaporoobrazovaniâfosfidaindiâ
first_indexed 2025-07-07T07:12:42Z
last_indexed 2025-07-07T07:12:42Z
_version_ 1836971315091734528
fulltext 259 ВВЕДЕНИЕ В последнее время квантово-размерные структуры привлекают внимание исследова- телей из-за своих необычных свойств. Роль квантово-размерных эффектов была доказана на примере кремния [1]. В настоящее время предпринимаются попытки создать аналоги- чные пористые слои на полупроводниках группы А3В5 GaAs, GaP, InP [2 – 4] путем их электрохимического травления. Электрохимические методы обработки полупроводников и, в частности, фосфида индия по-прежнему рассматриваются как весьма перспективные. Это связано в первую очередь с тем, что указанные методы позво- ляют добиться равномерной по всей площади обработки поверхности полупроводниковой пластины и одновременно, при необходи- мости, проводить локальный процесс со строго контролируемой скоростью. Кроме того, в процессе электрохимической обработ- ки значительно легче обеспечить заданный уровень селективности, чем при обычном химическом травлении. Поэтому актуальной остается задача дальнейшего исследования электрохимических процессов на поверх- ности InP с целью дальнейшего их исполь- зования. Достаточно важной технологической за- дачей является получение высококачествен- ных пористых пленок, среди характеристик которых можно отметить размер пор, степень пористости, глубина прорастания пор. В работе [5] указывается, что условия порообразования всегда ограничены более или менее узким диапазоном напряжений поляризации. Наиболее резкой, четко опре- деляемой границей такого диапазона оказы- вается минимальная, пороговая величина на- пряжения, необходимого для начала зарож- дения пор, т.н. напряжение начала порооб- разования – Uп. Пороговое напряжение порообразования может служить количественной характерис- тикой процесса порообразования, протекаю- щего в конкретной системе “полупроводник УДК 539.25: 539.232 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЭЛЕКТРОЛИТА НА ВЕЛИЧИНУ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАЧАЛА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ФОСФИДА ИНДИЯ Я.А. Сычикова Бердянский государственный педагогический университет Украина Поступила в редакцию 22.09.2010 Представлены результаты экспериментального определения величины порогового напряже- ния начала порообразования для кристаллов n-InP (100) с концентрацией носителей заряда 2,3⋅1018 см–3. Было показано, что величина порогового напряжения начала порообразования является функцией состава электролита, в частности зависит от концентрации кислоты в рас- творе электролита. Ключевые слова: пористый InP, напряжение начала порообразования, электролит, электро- химическое травление. Запропоновано результати експериментального визначення величини граничної напруги пороутворення для кристалів n-InP (100) з концентрацією носіїв заряду 2,3⋅1018 см–3. Було пока- зано, що гранична напруга початку пороутворення є функцією складу електроліту, зокрема за- лежить від концентрації кислоти в розчині електроліту. Ключові слова: поруватий InP, напруга початку пороутворення, електроліт, електрохімічне травлення. The results of experimental determination of the threshold voltage of the beginning of pore formation for crystals of n-InP (100) with carrier concentration 2.3⋅1018 sm–3. It was shown that the threshold voltage beginning of pore formation is a function of electrolyte composition, in particular, depends on the concentration of acid in the electrolyte solution. Keywords: porous InP, tension of beginning of poroseducation, electrolyte, electroetching.  Я.А. Сычикова, 2010 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3260 -электролит”. Uп зависит от состава электро- лита и исходной поверхности кристалла, по- этому определяется для каждого случая ин- дивидуально. Настоящая работа посвящена исследова- нию влияния состава электролита на величи- ну порогового напряжения начала порообра- зования por-InP, что является актуальным с точки зрения управления диаметром пор, степенью пористости и толщиной пористого слоя. ЭКСПЕРИМЕНТ Монокристаллы фосфида индия были изго- товлены в лаборатории компании “Molecular Technology GmbH” (Берлин). Толщина образ- цов 1 мм. Пластины были вырезаны перпен- дикулярно оси роста и отполированы с обеих сторон. Для эксперимента использовали образцы n-InP (100), легированные серой до концен- трации носителей заряда 2,3⋅1018см–3. Электрохимическое травление происхо- дило на стандартной установке в электроли- тической ячейке с платиной на катоде. На об- ратную сторону образца в качестве контакта напыляли индий. В качестве электролита были апробиро- ваны растворы плавиковой и соляной кислот: 1) 2,5% HCl; 2) 5% HCl; 3) 7% HCl; 4) HF: H2O=1:1; 5) HF: H2O: C2H5OH=1:1:2. Эксперимент проводился при комнатной температуре. Также был апробирован режим травления при перемешивании электролита. Напряжение повышалось со временем со скоростью 1 В/мин до обнаружения величины порогового напряжения порообразования, ко- торое для каждого случая травления подби- ралось индивидуально. После этого был выб- ран режим фиксированного напряжения, при котором образцы травились еще 2 мин. После эксперимента образцы очищались в ацетоне, изопропаноле, промывались в дистиллированной воде и высушивались в потоке особо чистого водорода, после чего подвергались естественному старению в течение трех дней. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Следует отметить, что пороговое напряжение начала порообразования зависит от ряда фак- торов: уровня легирования и ориентации по- лупроводника, состава и температуры элект- ролита, концентрации дефектов на поверх- ности кристалла и др. Поэтому эта величина имеет различные значения для каждого от- дельно взятого случая. Однако наиболее существенное влияние на величину Uп оказывает именно состав тра- вителя, что объясняется различными характе- ристиками кислот, используемых в качестве электролита. Известно, что пороговое напря- жение начала порообразования растет с повышением pH среды. При равных услови- ях (идентичные кристаллы, одинаковый за- ряд и концентрация анионов в растворе) по- роговое напряжение зависит от типа участ- вующего в реакции аниона. Электролиты по способности диссоциировать на ионы при растворении делятся на сильные и слабые. Их поведение при растворении различно. Часть молекул слабых электролитов под действием растворителя распадается на ионы. Процесс их диссоциации обратим, так как при столк- новениях ионы легко ассоциируются, поэто- му в растворах слабых электролитов устанав- ливается динамическое равновесие между ионами и недиссоциированными молеку- лами. При растворении сильных электро- литов диссоциация происходит практически полностью, ионные кристаллы или молекулы распадаются с образованием гидратирован- ных (сольватированных) ионов. Из важней- ших кислот к сильным электролитам отно- сятся HNO3, H2SO4, HClO4, HCl, HBr. К сла- бым электролитам относят большинство не- органических соединений H2CO3, H2S, HCN, HF. Электролит на основе HCl. Соляная (хло- роводородная) кислота-раствор хлороводо- рода в воде; сильная одноосновная кислота. Максимальная концентрация при 20 °С рав- на 38% по массе, плотность такого раствора 1,19 г/см3. HCl наиболее часто используется при электрохимическом травлении кристал- лов, что объясняется способностью данной кислоты легко диссоциировать на ионы. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЭЛЕКТРОЛИТА НА ВЕЛИЧИНУ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАЧАЛА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ФОСФИДА ИНДИЯ. 261 Для начала был опробован 5% раствор соляной кислоты. Напряжение начала поро- образования определялось следующим обра- зом. Скорость изменения напряжения состав- ляла 1 В/мин. При этом плотность тока (до критического значения напряжения) оста- валась в пределах 20 мА/см2. Начиная с Uп= 3,5 В плотность тока быстро нарастала со временем – до 250 мА/см2 в течение 1 мин. (рис. 1). Резкое возрастание плотности тока во вре- мени можно объяснить постепенным увели- чением числа входных отверстий пор и их ветвлением под поверхностью. Спустя какое- то время ток переставал нарастать (рис. 2). Таким образом, пороговое напряжение нача- ла порообразования для (100) InP n-типа с концентрацией примеси 2,3⋅1018 см–3 в 5% растворе HCl составило 3,5 В. При использовании 7% раствора соляной кислоты эксперимент показал, что значение порогового напряжения начала порообразо- вания находится в пределе 2,8В, а при 2,5% HCl – 3,7 В. Анализ данных результатов позволяет сде- лать вывод, что при увеличении концентра- ции кислоты в растворе, величина Uп умень- шается, то есть скорость реакции растет, и процесс порообразования начинается раньше (рис. 3). Электролит на основе HF. Малый размер атома фтора существенно влияет на свойства фторидов. Атом фтора в химических соеди- нениях практически всегда заряжен отрица- тельно. Фтор является самым активным окис- лителем среди простых веществ, он реагиру- ет практически со всеми веществами. Ключе- вой особенностью химии фтора является наличие прочных водородных связей H-F. Средняя степень ассоциации молекул HF в жидком состоянии близка к 6. Плавиковая Рис. 1. Зависимость плотности тока от напряжения в процессе анодизации. Раствор 5% HCl. Рис. 2. Изменение плотности тока во времени в про- цессе электролитического травления. Раствор 5% HCl. Рис. 3. График зависимости времени достижения по- рогового напряжения от концентрации соляной кис- лоты в электролите. Я.А. СЫЧИКОВА ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3262 кислота считается кислотой средней силы (константа диссоциации составляет 6,8·10–4). Электроотрицательность ионов F– в ряду F–, Cl–, Br– наибольшая – 4 по шкале Полинга. Определение порогового напряжения по- рообразования при использовании электро- литов на основе плавиковой кислоты осу- ществлялось по такой же методике, как и в случае с HCl. На рис. 4 представлен график зависимости плотности тока от Uп при использовании вод- ного раствора HF. Пороговое напряжение в этом случае составило 2 В. При этом время достижения напряжения до величины Uп составило 2 мин. Это говорит о том, что тра- вители на основе HF являются более хими- чески активными по порообразованию в мо- нокристаллах интерметаллических соедине- ний А3В5 по сравнению с HCl. Этиловый спирт является органическим разбавителем электролита. При добавлении его в водный раствор плавиковой кислоты (отношение компонентов HF:H2O:C2H5OH = 1:1:2) величина порогового напряжения по- вышается до значения 2,5 В. При этом уве- личивается и время достижения напряжения, необходимого для начала порообразования. Так, в данном случая потребовалось время в пределе 2,5 мин. Влияние перемешивания электролита на Uп. Известно, что с течением электрохимиче- ского процесса травления электролит объе- диняется. К поверхности полупроводника поступает меньше анионов (F– или Cl– в за- висимости от состава электролита). В связи с этим скорость образования пор замедляется. Для частичного устранения этого эффекта применяют перемешивание травителя, что может существенно повлиять на скорость электрохимического травления полпровод- ника. При использовании режима перемеши- вания электролита, удалось установить, что величина порогового напряжения начала порообразования от этого не изменилась, то есть перемешивание не вносит вклад в на- чальный этап образования пор. Данный ре- зультат можно объяснить тем, что для дос- тижения величины Uп требовались неболь- шие промежутки времени (до нескольких минут). За это время электролит не успевает существенно изменить свой состав, тем более что скорость замедления реакции может на- блюдаться уже после достижения величины напряжения поляризации. Морфология. Анализ морфологии испы- туемых образцов, полученный при помощи сканирующей електронной микроскопии (SЕМ), показал, что во всех случаях наблю- далось активное порообразование. В усло- виях, когда порообразование оказывается до- минирующим электрохимическим процес- сом, протекающем при заданной величине поляризующего напряжения на монокристал- лическом полупроводниковом аноде, стацио- нарная конфигурация поверхности пористого слоя формируется к моменту достижения максимальной плотности тока. Морфология пористых образцов, полученных при исполь- зовании плавиковой кислоты, демонстри- рует сетку мезо- или макропор. Образование таких пор часто связывают с выходом дефек- тов и дислокаций на поверхность кристалла. Глубина пористого слоя при этом составляет 20 – 40 мкм. Травители на основе HCl по- зволяют получить слой, состоящий в основ- ном из нанопор. Рис. 5 демонстрирует упорядоченный ан- самбль пор, который образовался на подлож- ке из монокристаллического фосфида индия. Рис. 4. Зависимость плотности тока от величины поро- гового напряжения начала порообразования при испо- льзовании в качестве электролита раствора HF:H2O = 1:1. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЭЛЕКТРОЛИТА НА ВЕЛИЧИНУ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАЧАЛА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ФОСФИДА ИНДИЯ. 263 Поры проросли по всей поверхности слит- ка. Размер пор составляет в среднем 40 нм, что свидетельствует о том, что данная струк- тура является наноразмерной. Размер сте- нок между порами находится в пределах 5 – 10 нм. Подобный результат является техноло- гически важным, так как качество пористых пленок определяется размерами нанострук- тур, степенью пористости и равномерностью распределения пор по поверхности образца. Чем меньше размер пор и чем больше про- цент пористости, тем качественней является пористая структура. Степень пористости сос- тавляет приблизительно 45% от общей пло- щади образца. Вообще говоря, наиболее подходящим тра- вителем для получения качественных порис- тых пленок фосфида индия является 5% раст- твор соляной кислоты. Как было продемонст- рировано выше, при данных условиях воз- можно получение нанопористого слоя, что яв- ляется желаемым результатом в изготовлении наноструктурируемых поверхностей. При меньшей концентрации соляной кислоты процесс порообразования является менее активным и в этом случае тяжелее получить упорядоченный ансамбль пор. Если концент- рацию соляной кислоты увеличить до 7% и выше, наблюдается значительное растравли- ванние поверхности, что может быть связано с объединением нанопор в более массивные отверстия. Значительное растравливание по- верхности наблюдалось также при использо- вании 50% водного раствора плавиковой кис- лоты. При добавлении в этот раствор этило- вого спирта величина порогового напряжения увеличивалась, при этом пористый слой имел более качественную структуру, что выража- лось в уменьшении размера пор. Таким образом, Uп является функцией сос- тава электролита. На рис. 6 представлена связь величины п- орогового напряжения начала порообразо- вания в n-InP (100) с типом участвующего в реакции галогенидного аниона при разной его концентрации в растворе. В ряду галоге- нид-ионов минимальное значение напряже- ния всегда соответствует аниону фтора. Хлор в этом отношении является менее активным, однако, при увеличении его концентрации в растворе можно добиться значительного сни- жения значения величины порогового напря- жения начала порообразования. ВЫВОДЫ В настоящей работе была представлена мето- дика определения величины порогового на- пряжения начала порообразования для крис- таллов n-InP (100) с концентрацией носи- телей заряда 2,3⋅1018 см–3. Были апробированы различные составы электролитов на основе Рис. 5. Морфология InP n-типа с концентрацией при- меси 2,3⋅1018см–3 в 5% растворе HCl: а) – поверхность; б) – скол. Рис. 6. Связь величины порогового напряжения начала порообразования в n-InP (100) с типом участвующего в реакции галогенидного аниона при разной его кон- центрации в растворе. Я.А. СЫЧИКОВА ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3264 плавиковой и соляной кислот. Установлено, что данная величина имеет наименьшее зна- чение для случая, когда в качестве электро- лита используется раствор плавиковой кис- лоты с водой в отношении 1:1. В данном слу- чае эта величина составила 2 В. При добав- лении в раствор этилового спирта Uп повы- шается до значения 2,5 В. Это свидетельст- вует о том, что этиловый спирт является ор- ганическим разбавителем раствора электро- лита, понижая при этом скорость электрохи- мической реакции. Соляная кислота является менее активной по порообразованию. При концентрации 2,5%, 5%, 7% HCl в раство- ре травителя величина Uп составляет 2,8 В; 3,5 В; 3,7 В соответственно. Это доказывает, что величина порогового напряжения начала порообразования является функцией состава электролита, в частности зависит от концент- рации кислоты в растворе электролита. При использовании соляной кислоты для достижения порогового напряжения необхо- димо большее время, однако пористые об- разцы в этом случае являются более качест- венными. Наиболее подходящим травителем для получения качественных пористых пле- нок фосфида индия является 5% раствор со- ляной кислоты. При данных условиях воз- можно получение нанопористого слоя, сос- тоящего из пор диаметром 20 – 40 мкм, рас- стояние между порами 5 – 10 нм, пористость при этом составляет 45%. В случае исполь- зования плавиковой кислоты, поры образу- ются, как правило, мезо- и макрометрового размера. В ряду галогенид-ионов минималь- ное значение напряжения всегда соответст- вует аниону фтора. Изменяя состав травителя и его концентрацию, можно контролировать скорость химической реакции, происходящей на границе раздела “полупроводник-электро- лит”, что, в свою очередь, позволяет управ- лять диаметром пор, степенью пористости и толщиной пористого слоя. ЛИТЕРАТУРА 1. Langa S., Carstensen J., Christophersen M., Steen K., Frey S., Tiginyanu I., Foll H. Uniform and Nonuniform Nucleation of Pores during the Anodization of Si, Ge, and III-V Semiconduc- tors//J. Electrochem. Soc. – 2005. – Vol. 152 (8). – Р. C525-C531. 2. Simkiene I., Sabataityte J., Kindurys A., Treide- ris M. Formation of Porous n-A3B5 Compounds //Acta Physica Polonica A.– 2008.– Vol. 113 (3). – Р. 1085-1090. 3. Hasegawa H., Sato T. Electrochemical processes for formation, processing and gate control of III – V semiconductor nanostructures//Electrochim. Acta. – 2005. – Vol. 50 (15). – Р. 3015-3027. 4. Langa S., Tiginyanu I., Carstensen J., Christo- phersen M., Foll H. Formation of porous layers with different morphologies during anodic et- ching of n-InP//Electrochem. Solid-State Lett. – 2000. – Vol. 3 (11). – Р. 514-516. 5. Улин В.П., Конников С.Г. Природа процессов электрохимического порообразования в кри- сталлах A IIIB V// Физика и техника полупро- водников. – 2007. – Т. 41 (7). – С. 854-877. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЭЛЕКТРОЛИТА НА ВЕЛИЧИНУ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАЧАЛА ПОРООБРАЗОВАНИЯ ФОСФИДА ИНДИЯ.

Ähnliche Einträge