ВЛИЯНИЕ  КОНЦЕНТРАЦИИ  ДОНОРОВ  НА  ОБРАЗОВАНИЕ  И  РАЗМЕР  ПОР  В  НАНОПОРИСТОМ  КРЕМНИИ

Абрамова  Елена  Николаевна

магистр  Московского  государственного  университета  тонких  химических  технологий,  РФ,  г.  Москва

Хорт  Андрей  Михайлович

канд.  хим.  наук,  старший  научный  сотрудник  кафедры  физики  и  химии  твердого  тела  Московского  государственного  университета  тонких  химических  технологий,  РФ,  г.  Москва

Яковенко  Анатолий  Георгиевич

д-р  тех.  наук,  заведующий  кафедрой  физики  и  химии  твердого  тела,  профессор  Московского  университета  тонких  химических  технологий,  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

INFLUENCE  CONCENTRATION  OF  DONORS  FOR  FORMATION  AND  SIZE  PORES  IN  NANOPOROUS  SILICON

Abramova  Elena  Nikolaevna

master  of  Science  of  Moscow  state  university  of  fine  chemical  technologies,  Russia  Moscow

Hort  Andnrey  Michailovich

the  department  of  solid-state  physics  and  chemistry  of  Moscow  state  university  of  fine  chemical  technologies,  Doctor  Ph.,  Scientific  worker,  Russia  Moscow

Ykovenko  Anatoly  Georgievich

the  department  of  solid-state  physics  and  chemistry  of  Moscow  state  university  of  fine  chemical  technologies,  Prof.,  Head  of  department,  Russia  Moscow

АННОТАЦИЯ

Исследовано  влияние  концентрации  мелких  доноров  на  процесс  образования  слоев  нанопористого  кремния  (НК).  Установлено,  что  в  определенном  интервале  концентраций,  она  существенно  влияет  на  образование  и  размер  нанопор.

ABSTRACT

The  influence  of  the  concentration  of  the  shallow  donors  on  the  process  of  obtaining  of  nanoporous  layers  in  silicon  was  investigated.  Important  influences  of  donors  at  the  process  of  obtaining  and  size  of  pours  were  determined. 

Ключевые  слова:  нанопористый  кремний;  нанопоры;  мелкие  доноры;  концентрация;  размер.

Keywords:  nanoporous  silicon;  nanopores;  sallow  donors;  concentration;  size.

Вопрос  зарождения  пор  в  ходе  электролитического  травления  кремния  и  факторов,  влияющих  на  этот  процесс,  является  одним  из  важнейших  в  общей  проблеме  получения  НК.  Способы  решения  этой  проблемы  у  различных  авторов  существенно  отличаются  друг  от  друга  [1—7]. 

Наибольшее  распространение  получили  предпосылки,  в  соответствии  с  которыми  считается,  что  центры  зарождения  пор  возникают  случайно,  без  видимой  закономерности.  Это  относится  как  к  механизму  образования  НК  с  формированием  на  поверхности  слоя  аморфного  кремния  [7],  так  и  при  пассивации  поверхности  кремния  слоем  атомов  водорода  [5,  6].  С  другой  точки  зрения  природа  точек  зарождения  пор  связана  с  различными  поверхностными  центрами  [2,  4].  Наиболее  часто  это  связывается  с  различными  поверхностными  дефектами,  атомами  примесей  [4,  1]  и  вакансионными  центрами  [3].  Однако  работы,  систематизирующие  влияние  мелких  доноров  (фосфор,  сурьма,  мышьяк)  на  образование  НК  и  их  влияние  на  параметры  слоев,  практически  отсутствуют. 

Целью  данной  работы  являлось  исследование  влияния  мелких  доноров  на  процесс  зарождения,  формирования  и  размер  нанопор  в  ходе  электролитического  травления  кремния. 

В  работе  использовался  бездислокационный  кремний  n-типа  марок  КЭФ,  КЭС,  КЭМ  с  удельным  сопротивлением  в  интервале  (0,01  ÷  110)  Ом  см,  что  соответствует  интервалу  концентраций  примесей  (4—5).10¹⁸  см³  —  (6—7).10¹⁴  см³. 

Анодное  травление  проводилось  в  гальваностатическом  режиме.  Ток  травления  составлял  (5  ÷  50)  мА.  Время  травления  составляло  τ≤60  минут.  Травители  представляли  собой  водные  растворы  фтористоводородной  кислоты  в  соотношении  1:2.  В  качестве  катода  использовалась  платиновая  пластина.  Чтобы  исключить  возможное  влияние  различных  поверхностных  центров,  возникающих  в  процессе  подготовки  пластины,  исследуемый  кремний  первоначально  подвергался  электрополирующему  травлению.  Толщина  образующихся  при  травлении  слоев  определялась  с  помощью  оптического  микроскопа  ПОЛАМ  Р-315  с  точностью  Δl_сл.=0,1  мкм,  а  данные  о  размерах  пор  были  получены  с  помощью  растровой  электронной  микроскопии  на  электронном  микроскопе  «JEOL».  Удельное  сопротивление  кремния  контролировалось  с  помощью  стандартного  4-х  зондового  метода.     

На  рисунке  1  представлена  типичная  зависимость  толщины  слоя  НК  от  удельного  сопротивления.  Из  рисунка  видно,  что  при  изменении  удельного  сопротивления  кремния  от  0,01  до  5  Ом  см,  наблюдается  рост  толщины  слоя  НК,  достигающий  максимума  250—270  мкм  в  области  ~5  Ом  см.  Далее  следует  ее  уменьшение  в  1,5—2  раза  (100—125  мкм),  и  сохранение  этих  значений  толщины  слоя  практически  до  значений  удельного  сопротивления  беспримесного  кремния.  Тип  примеси  —  (фосфор,  мышьяк  или  сурьма),  ток  и  время  травления  не  оказывали  влияние  на  характер  получаемых  зависимостей. 

Рисунок  1.  Изменение  толщины  слоя  НК  в  зависимости  от  удельного  сопротивления  кремния  типа  КЭФ.  Ток  травления  —  50  мА,  время  травления  60  минут

  Структуры  слоев  НК  (рисунок  2),  полученных  на  материалах  с  удельным  сопротивлением  (0,01—5)  Ом  см,  представляют  собой  отдельные  четко  обозначенные  нанопоры  (рисунок  2а),  а  для  более  высокоомных  образцов  пористые  слои  представляли  собой  аморфную  массу  (рисунок  2б).

а                                                 б

Рисунок  2.  Структура  поверхности  слоев  НК,  полученных  на  кремнии  КЭФ  5  Ом  см  (а)  (×4000)  и  КЭФ  110  Ом  см  (б)  (×3500).  Ток  травления  I=25  мА,  время  травления  τ=25  минут

Размер  пор,  полученных  на  материале  с  сопротивлением  (0,01—5)  Ом  см,  увеличивается  по  мере  уменьшения  содержания  примеси  (рисунок  3). 

Рисунок  3.  Зависимость  размера  пор  от  удельного  сопротивления  исходного  кремния  n-типа  (КЭФ).  Ток  травления  —  25  мА,  время  травления  30  минут

Результаты  проведенных  экспериментов  свидетельствуют,  что  пористый  слой  с  размером  пор  более  10  нм  активно  формируется  на  кремнии  n-типа  проводимости  с  удельным  сопротивлением  (0,01  ÷  5)  Ом  см  в  процессе  электролитического  травления.  При  этом  мелкая  донорная  примесь  активно  влияет  на  этот  процесс.  С  увеличением  удельного  сопротивления  в  интервале  (0,01—5)  Ом  см  размер  пор  и  толщина  слоев  увеличиваются.  При  этом  структура  слоев  НК  практически  во  всем  выбранном  интервале  сопротивлений  представляет  собой  отдельные,  четко  обозначенные  нанопоры.  Тип  легирующей  примеси  не  оказывает  влияния  на  процесс  зарождения  и  размер  пор. 

Полученные  результаты  свидетельствуют,  что  содержание  мелкой  донорной  примеси  в  кремнии  с  удельным  сопротивлением  (0,01  ÷  5)  Ом  см  является  одним  из  факторов,  существенно  влияющих  на  формирование  слоя  НК.  Поэтому,  изменение  концентрации  мелких  доноров  может  служить  одним  из  способов  формирования  слоев  НК  с  заданными  значениями  толщины  слоя  и  размерами  пор  и  таким  образом  способствовать  получению  НК  с  заданными  физико-химическими  свойствами.

Список  литература:

1.Бондаренко  В.П.,  Ворозов  Н.Н.,  Некрасов  Б.М.  Кинетика  роста  и  плотность  пористых  слоев,  полученных  при  анодной  обработке  монокристаллического  кремния  в  HF//  Тез.  док.  Н.-т.  конференции:  Пути  технического  совершенства  и  интенсификации  разработки,  производства  и  эксплуатации  средств  радиотехники,  электроники  и  связи.  Минск,  1979.  —  с.  76—77.

2.Горячев  Д.Н.,  Л.В.  Беляков,  О.М.  Среселли.  Формирование  толстых  слоев  пористого  кремния  при  недостаточной  концентрации  неосновных  носителей,  ФТП,  —  2004,  —  38(6),  —  с.  735—739.

3.Залкинд  Я.Г.  Физико-механические  свойства  кремниевых  наноструктур  как  технологического  материала  микросистемной  техники:  Диссертация  к.т.н.,  М.,  2006  г.,  —  с.  131. 

4.Николаев  К.П.,  Немировский  Л.Н.,  Новицкий  В.М.  и  др.  Особенности  формирования  пористого  кремния  на  слаболегированных  подложках  из  кремния  электронного  типа  проводимости//  Электронная  техника.  —  1985,  —  вып.  3(176),  —с.  81—85.

5.Bisi  O.,  Ossicini  S.,  Pavesi  L.  Porous  silicon:  a  quantum  stronge  structure  for  silicon  based  optoelectronics//  Surface  Science  Report,  —  2000,  —  V.  38,  —  p.  1—126.

6.Lehman  V.,  Stengl  R.,  Luigart  A.  On  the  morphology  and  the  electrochemical  formation  mechanism  of  mesoporous  silicon//  Materials  Science  and  Engineering.  —  2000,  —  B  69—70,  —  p.  11—22.

7.Memming  R.,  Sckwandt  G.  Anodi  dissolution  of  silicon  in  hydrofluoric  acid  solution  //  Surface  Scien.  —  1966.  —  Vol.  4,  —  №  2,  —  p.  109—124.