Сычикова Я.А., Кидалов В.В., Балан А.С., Коноваленко А.А.

Бердянский государственный университет

Метод определение кристаллографической ориентации фосфида индия

Метод определения кристаллографической ориентации кристалла заключается в травлении образца с последующим наблюдением фигур травления на растровом электронном микроскопе. Известно, что процесс травления происходит с разной скоростью по разным кристаллографическим плоскостям. Форма пор зависит от ориентации поверхности. Формирование глубоких отверстий заданной формы на монокристаллическом фосфиде индия часто необходимо при изготовлении микромеханических датчиков на его основе.

Целью данной работы является оптимизирование процесса анодирования, детально исследуя зависимость формы фигур травления от ориентации поверхности кристалла. Представлена качественная сторона процесса формирования пор заданной формы, что является важной технологической задачей, решение которой необходимо для дальнейшего использования пористых структур фосфида индия.

Массивы пор, имеющих треугольную форму, были сформированы на кристаллах n-InP с ориентацией поверхности (111) в водно-фторидном растворе (рис. 1).

Рис.1. Треугольная форма пор, образовавшихся при травлении InP n-типа с ориентацией поверхности (111), j=50мА/см², t=10мин, 20% раствор HF

Размер пор составляет от 0,05 до 1 мкм, что обозначает формирование макропористого слоя фосфида индия. В некоторых местах наблюдается более плотное скопление пор. Это может быть связано с локализацией поверхностных дефектов и выходом дислокаций на поверхность кристалла. Таким образом, поры для своего роста выбирают льготные направления. Приповерхностный слой (толщиной до 5 нм) имеет нерегулярную структуру. Своим образованием он обязан поверхностному состоянию исходного кристалла. Известно, что поверхность может иметь шероховатости, неровности, дефекты и оборванные связи, что оказывает значительное влияние на формирование начального слоя пористой структуры. Дальше идет слой пор, которые прорастают под определенным углом к поверхности кристалла, которые с продолжением процесса травления выравниваются, образуя тонкие длинные каналы пор.

В кристаллах с ориентацией поверхности (100) ямки травления имеют форму, близкую к квадратной (рис.2). Некоторые поры в данном случае демонстрируют круглое поперечное сечение. Это связано с тем, что процесс травления был прерван раньше, чем произошло бы утончение стенок пор до образования квадратных фигур травления. К тому же, поры образуются и в местах выхода дефектов на поверхность кристалла. В данном случае форма ямок травления не коррелирует с кристаллографической ориентацией испытуемого образца. На рисунке можно видеть упорядоченный ансамбль пор, который образовался на подложке из монокристаллического фосфида индия. Поры проросли по всей поверхности слитка. Размер пор составляет в среднем 40нм, что свидетельствует о том, что данная структура является наноразмерной. Вообще говоря, получение пор нанометрового размера представляет собой важную задачу, поскольку, как известно, на подложке монокристаллического InP, как правило, образуются мезопоры. Размер стенок между порами находится в пределах 5-10нм. Подобный результат является технологически важным, так как качество пористых пленок определяется размерами наноструктур, степенью пористости и равномерностью распределения пор по поверхности образца. Чем меньше размер пор и чем больше процент пористости, тем качественней является пористая структура.

Рис.2. Поры, имеющие форму, близкую к правильным четырехугольникам. Были сформированы на n-InP (100) в 5% растворе соляной кислоты, j=50мА/см², t=10мин

Исследуя изображение скола пористого образца n-InP (100), можно заметить, что приповерхностный нерегулярный слой значительно тоньше, чем в случае пористого n-InP (111). Он составляет 0,5 – 1 нм. К тому же, поры выравниваются, пропуская этап ветвления под поверхностью вдоль кристаллографических направлений (111)А и (111)В.

На рис.3 представлена схема образования ямок травления, имеющих форму, заданную ориентацией поверхности кристалла InP. Следует отметить, что эти наблюдения справедливы для любых полупроводников с кубической элементарной ячейкой.

Рис.3. Схематическое изображение фигур травления кристаллов с ориентацией поверхности (100) и (111).

В данной работе продемонстрировано зависимость формы ямок травления фосфида индия от ориентации поверхности полупроводника. Предложен механизм формирования пор заданной формы, который подтверждается исследованиями образцов на растровом электронном микроскопе. Для образцов, полученных на подложках с кристаллографической ориентацией (111), система пор имеет сложный характер, так как состоит из двух типов пор – направленных вдоль кристаллографических направлений и по линиям тока. Поры при этом получаются крупные (до 1 мкм в диаметре), неравномерно разбросанные по поверхности и имеют треугольную форму. В случае кристаллографической ориентации подложки (100) структура пор имеет более регулярный характер, поры мелкие (до 40 нм) и плотно упакованные, прорастающие вглубь подложки длинными взаимопараллельными каналами. Такие поры имеют преимущественно форму, близкую к квадратной. Они не ветвятся и имеют наименьшую толщину верхнего нарушенного нерегулярного слоя (до 1 нм). Такой результат является более благоприятным, чем в случае травления фосфида индия с кристаллографической ориентацией поверхности (111), что позволяет использовать данные структуры в различных приложениях оптики, электроники и других отраслях науки и техники.