Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Самоорганізація росту пор напівпровідників

Ідея про самоорганізацію з’явилася як варіант пояснення виникнення впорядкованих структур в невпорядкованих середовищах. Виникнення когерентності у вихідному хаотичному середовищі вважається головним атрибутом самоорганізації. Система називається само організованою, якщо вона без специфічного впливу ззовні, тобто спонтанно набуває якусь просторову, часову або функціональну структуру [1]. В результаті самоорганізації система набуває нових колективних властивостей, якими не володіли її елементи. Ці властивості проявляються у вигляді кореляцій, тобто створюються та підтримуються взаємовідносини між видаленими частинами системи.

Загальновідомо, що під час анодної обробки кристалів в розчинах кислот відбувається утворення вузьких каналів травлення, що уходять вглиб зразка. Під час дальнішого травлення не тільки збільшується довжина цих пор, але й самі пори поступово розширюються до тих пір, поки тонкі стінки не будуть частково зруйновані [2]. В результаті на поверхні зразка залишається множина залишків цих стінок у вигляді нитей, розташованих переважно перпендикулярно поверхні або по напряму кристалографічних осей. Товщина цих ниток у переважній більшості не перевищує одиниць нанометрів, що обумовлює виникнення у них ряду квантово-розмірних ефектів, зокрема, збільшення ширини забороненої зони і, як наслідок, можливість збудження фотолюмінісценції у видимій частині спектру.

В основі більшості сучасних теорій лежить ідея про витравлюванні в напівпровідниках нитеподібних пор. При більш детальному вивченні цього процесу виникли, як мінімум, дві глобальні проблеми. По-перше, потрібно було зрозуміти причини утворення на однорідній поверхні монокристалу ділянок більш інтенсивного травлення, що обумовлюють зародження пор. По-друге, вимагалося пояснити переважне розчинення зразка в глибину підкладки, а не в сторони.

Травлення пор на велику глибину, як правило, обмежено процесом виснаження електроліту по глибині каналу, що проявляється як порушення пасивації стінок. Це призводить до розтравлювання пор в сторони. Максимальна глибина макропоруватого шару залежить від режиму травлення та може досягати 500 мкм. Для отримання пор великої глибини та високої якості потрібні спеціальні міри: однорідний вихідний матеріал з високим часом життя неосновних носіїв заряду (дірок), програмована зміна щільності струму, невисока температура електроліту, при якій травлення відбувається з низькою швидкістю. На практиці обирається компромісний варіант травлення при постійній щільності струму з порівняно невисоким часом життя дірок.

Ефекти, пов’язані з неоднорідністю різниці потенціалів напівпровідник-електроліт по площі пластини при формуванні макропоруватих шарів, проявляються наступним чином. Макропори у центральній частині мають суттєво меншу глибину, ніж у країв протравленої області [3]. Фронт травлення набуває куполоподібну форму. Встановлено, що ефект нерівномірної швидкості травлення по площі пластини обумовлено різним зсувом кристал-електроліт. Оскільки стінки між макропорами збіднені вільними носіями заряду, то сам поруватий шар в процесі травлення залишається високоомним. Реакція розчинення за участю інжектованих світлом дірок відбувається на дні макропор, отже, електричний струм протікає від периферійного металевого контакту в область реакції переважно через непротравлену нижню частину підкладки. Чим далі від краю зразка, тим нижча напруга між напівпровідником та електролітом і нижча локальна щільність струму.

На початку анодування поки підкладка товста настільки, що радіальне падіння напруги не надто велике, фронт травлення плоский. Коли глибина пор наближається до товщини пластини, фронт спотворюється. Експерименти показали, що підвищуючи зовнішню напругу, можна усунути неоднорідність фронту або збільшити глибину пор, до якої ця неоднорідність не порушується.

Однак, збільшення напруги – небажаний спосіб вирішення проблеми, так як може призводити до пробою шару об’ємного заряду, порушенню пасивації стінок та появі додаткових горизонтальних пор всередині стінок. Найкращі результати дає легування зворотного боку пластини. Однак, часто достатньо просто використовувати більш товсті зразки. В цьому випадку можна отримати глибокий поруватий шар, зберігаючи при цьому відносно непротравлену підкладку. Недоліком є необхідність використовувати матеріал з високим часом життя неосновних носіїв заряду, щоб дірки змогли дійти до дна пор в потрібній кількості.

Таким чином, встановлено, що причиною появи куполоподібного фронту травлення в тонких зразках є радіальне падіння напруги в підкладці. Максимальна глибина поруватого шару з плоским фронтом при рівних умовах збільшується зі зменшенням питомого опору кристалу та діаметру електричного контакту на пластині. Викривлення фронту травлення з часом травлення, що викликано зростаючим опором підкладки. Збільшення зовнішньої напруги або збільшення товщини зразка призводять зо зменшення ефекту, а створення низькоомного шару на зворотному боці пластини дозволяє його практично усунути.

Література:

1. Астрова Е.В. Электрохимическое травление макропор в кремнии с щелевыми затравками / Е.В. Астрова, А.А. Нечитайлов // Физика и техника полупроводников. – 2008 . – т. 42 (6). – С. 762 – 767.

2. Горячев Д.Н. О механизме образования пористого кремния / Д.Н. Горячев, Л.В. Беляков, О.М. Сресели // Физика и техника полупроводников. – 2000. – т. 34 (9). – С. 1130 – 1134.

3. Вихров С.П. Процессы роста неупорядоченных полупроводников с позиций теории самоорганизации / С.П. Вихров, Н.В. Бодягин, Т.Г. Ларина, С.М. Мурсалов // Физика и техника полупроводников. – 2005. – т. 39 (8). – С. 953 – 959.