Создание низкоразмерной среды в арсениде галлия для устройств микро- и наноэлектроники (стр. 1 из 5)
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 свойствакремния. Носители заряда в арсениде галлия обладают более высокой подвижностью, позволяющей работать на частотах до 250 ГГц. Также приборы на основе GaAs генерируют меньшешума, чемкремниевыеустройства 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.