Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Механизм первичной самоорганизации регулярной структуры пористого кремния й М.Е. Компан Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: kompan@solid.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 1 июля 2002 г.) Предложен механизм самоформирования регулярной системы пор в пористом кремнии. В соответствии с предложенным механизмом процесс самоформирования основан на общих законах кинетики системы носителей заряда. На основе предложенного механизма сделана оценка для среднего расстояния между порами пористого кремния, получаемого из кремния p-типа, и для плотности тока анодизации, необходимого для получения пористого кремния при анодном травлении. Полученные величины находятся в хорошем согласии с величинами, известными из эксперимента. Предсказана зависимость среднего расстояния между порами от концентрации носителей в исходном кремнии, близкая к L(n) n-1/2. Действенность предложенного механизма подтверждена результатами компьютерного моделирования.

Разработка технологий получения объектов наномет- щего кремния используется мощное лазерное облучеровых размеров и изучение их свойств в последнее деся- ние [6]. Вероятно, поэтому сформулировать универсальтилетие составили самостоятельное направление в фи- ную теорию самоформирования структуры por-Si вообзике конденсированного состояния. Обращение к по- ще невозможно. Однако даже известный электрохимидобным объектам обусловлено рядом факторов Ч по- ческий способ (анодизация), впервые опубликованный требностями в совершенствовании материальных основ в [5], понят не слишком хорошо.

информационной техники, возможностью выявить новые При анодизации кремний травят в растворах на основе полезные свойства у уже освоенных материалов. При фтористоводородной кислоты, прикладывая к кристаллу этом, как правило, объекты нанометровых размеров положительное электрическое смещение относительно не создаются прямыми технологическими приемами, раствора. В широком диапазоне параметров процесса а спонтанно формируются при определенных макро- при таком способе получается плотная система пор, скопических условиях. Целенаправленный поиск выявил в том числе и нанометровых размеров, с малым разпочти фантастические примеры возможности самофор- бросом размеров пор.

мирования сложных элементов [1,2]. Однако с явным Разными авторами сформулированы различные сообпрогрессом физики и технологии наноэлементов кон- ражения и модели, ориентированные на разные аспектрастировало то, что практически не было предложено ты и условия процесса анодизации. Например, в [7] сколь-нибудь реальных приемов целенаправленного объ- достаточно подробно аргументирована необходимость единения наноэлементов в структуры. Такое положение положительного электрического смещения исходного стимулировало интерес к изучению природных агрега- кристалла кремния относительно травящего раствора тов наноэлементов. для получения шнурования тока и сужения канала Подобным естественным агрегатом наноэлементов травления. Предполагалось, что это станет критическим из известного полупроводникового материала Ч крем- фактором для формирования системы пор. Однако на ния Ч явился заново открытый в начале 90-х годов самом деле этот механизм как раз не способен обеспористый кремний [3]. Благодаря изначальной привлека- печить появление системы пор, поскольку, как хоротельности идеи кремниевой оптоэлектроники 90-е годы шо известно, шнурование тока приводит к S-образной явились декадой интенсивного изучения пористого крем- нестабильности тока и падению напряжения, что делает ния (por-Si). Были получены многочисленные резуль- невозможным формирование следующих каналов тока таты фундаментального и прикладного характера (см., и вытравливание пор в других местах поверхности.

например, тематический выпуск [4]). Но, несмотря на Более того, в работе [5] было обнаружено, что поломасштабы активности, многие вопросы в этой области жительное смещение вовсе не необходимо для формиостались без ответов. рования пористого кремния даже в растворах HF / H2O.

Одна из нерешенных загадок Ч каков механизм само- В нашей практике мы использовали процесс с нулевым формирования пористого кремния Ч остается невыяс- напряжением смещения, упомянутый в [5], для полуненной до сих пор, хотя важность этой проблемы была чения больших количеств пористого кремния [8]. По осознана, начиная с 1990 г., после публикации рабо- нашим оценкам, скорость формирования при процессе ты [3]. В настоящее время известны самые различные с нулевым напряжением была практически такой же, как способы получения пористого кремния Ч от наиболее и при стандартном анодном процессе. Отсюда может простого и широко известного электрохимического [5] быть сделан вывод, что положительное смещение не до способа, в котором для получения люминесцирую- существенно для этого процесса. В [9] мы предложили Механизм первичной самоорганизации регулярной структуры пористого кремния качественное объяснение процесса с нулевым смещени- являются дефекты на поверхности кремния, но затем ем; была предложена концепция встроенного электри- было показано, что поры формируются независимо от ческого поля на границе между объемным кремнием положений дефектов [14]. Таким образом, приходится и распределенной системой пор (аналогичная концепции констатировать, что сегодня не предложено разумной электрохимического двойного слоя). Одно из основных идеи для объяснения механизма формирования структуположений модели Ч идея о циркуляции носителей за- ры пористого кремния.

ряда (дырок) из объемного кремния к ионам в растворе и затем снова в объемный кремний по квантовым нитям 1. Механизм разделения пор (стенкам между порами). В целом процесс при нулевом напряжения смещения демонстрировал нетривиальный факт Ч уже сформированная структура пористого крем- В данной работе мы намерены предложить идею механизма, который сможет обеспечить формирование плотния должна обусловливать воспроизведение такой же или подобной структуры на последующих стадиях. По- ной системы пор с межпорным расстоянием в несколько лагаем, что это основной фактор, определяющий струк- нанометров. На базе предложенного механизма сделано туру пористого кремния на поздних стадиях травления. несколько предсказаний, допускающих проверку. Новый Эти принципы самоорганизации структуры пористого механизм применим к объяснению возникновения покремния были сформулированы нами в [9]. Однако тем ристого кремния из кремния p-типа, однако исходные самым предполагалось, что именно начальная стадия идеи имеют достаточно общий характер, и модель может формирования структуры, начинающаяся от травления оказаться полезной и в других случаях.

еще плоской поверхности, определяет характер струк- Идея механизма взаимосвязана с нашим объяснением туры пор пористого кремния. Также уже для данной другого неясного явления Ч зависимости масштаба работы очень существен еще один из выводов работы [9]:

пористой структуры от концентрации носителей в исбыло показано, что даже при травлении без анодно- ходном объемном кремнии p-типа. Последняя модель го смещения начальным событием для вытравливания опубликована в электронном виде [15]. Как мы понимаем кремниевого атома должна быть локализация дырки на сейчас, обе эти модели представляют две стороны одноповерхности кремния.

го и того же явления, основанного на фундаментальных Существует лишь несколько попыток объяснить на- свойствах подсистемы подвижных носителей заряда.

чальную стадию формирования пор. Необходимо упомяМеханизм состоит в следующем. Хорошо известно нуть, к примеру, подход, базирующийся на предположе(например, из первоначальной модели механизма травнии о нестабильности плоского профиля поверхности во ления [5]), что начальной стадией травления является время анодного травления. Этот подход реализован в ралокализация дырки на одном из атомов поверхности.

боте [10]. В ней учтены несколько вкладов, влияющих на (Заметим, что кремний p-типа обладает собственной профиль поверхности кремния, Ч энергия поверхностконцентрацией дырок, и внешнее положительное сменого натяжения, транспорт дырок в кремнии и ионов щение необходимо преимущественно для преодоления в электролите. Однако вывод работы [10] негативный Ч потенциального барьера в области обеднения вблизи этот подход не позволяет объяснить самоформирование поверхности). В случае изначально гладкой поверхности плотной системы нанометровых пор в кремнии p-типа.

дырка может быть с равной вероятностью локализована Другая идея [11] относительно природы начальной на любом атоме на поверхности. Далее это инициирустадии формирования пористого кремния использует ет цепь реакций, которые в конечном итоге приведут существующие химические представления [5] о возможк удалению одного из атомов с поверхности. Появности осаждения кремниевого атома согласно реакции ление свободной позиции делает оставшиеся позиции диспропорционирования на поверхности неэквивалентными. Наиболее близкие к освободившейся позиции атомы будут иметь на одну 2Si2+ Si0 +Si4+. (1) связь в решетке меньше, так что вероятность вытравливания для этих соседних позиций возрастет. Это может Модель [11] предполагает, что нейтральные атомы привести к известному режиму травления с бегущими кремния могут быть встроены в поверхность кремния, вдоль поверхности ступеньками.

что приведет к появлению разветвленных структур. Однако в работе [12] было обнаружено, что por-Si преиму- Однако следует учесть также то, что уход атома с пощественно сохраняет структуру исходного кристалла, верхности приводит и к некоторым изменениям в элекпоэтому будущие доказательства механизма [11] должны тронной подсистеме кремния. Одновременно с уходом включать и новую модель перекристаллизации. атома с поверхности из электронной подсистемы криБыли предложены и другие идеи. В частности, пред- сталла должна уйти первоначально локализованная на полагалось, что структура пористого кремния отражает атоме дырка. Поскольку дырки необходимы для иниобразование пузырьков водорода при электрохимиче- циации травления, это окажет обратное действие на ском процессе [13], хотя известно, что можно получать вероятность вытравливания атомов с позиций, находяпористый кремний в реакциях без выделения водоро- щихся вблизи только что освободившейся. Вероятность да. Было также предположение, что зародышами пор быть вытравленным на некоторый период времени будет Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 904 М.Е. Компан меньше для атомов в окрестности только что освободив- Локальная область с уменьшенной вероятностью травшейся позиции. ления будет существовать лишь ограниченное время Другими словами, вытравливание атома одновремен- после ухода атома. Если, к примеру, ток при травлении но является уходом локализованной дырки, и это в свою достаточно мал и травление не интенсивно, интервал очередь является возмущением для подсистемы подвиж- между последующими актами травления в заданной ных носителей заряда. Пространственный и временной окрестности может быть достаточно велик; он может масштаб существования этой временной области без оказаться больше, чем характерное время M. Коррелядырочных носителей определяются теми же законами, ция между актами травления в таких условиях исчезает, которые определяют поведение любого возмущения рассматриваемый механизм будет неэффективным, и, в подсистеме подвижных зарядов. Размер и время су- даже наоборот, интенсивность травления может увеществования области Дбез дыркиУ будут соответственно личиться, так как неоднородность на поверхности мохорошо известные дебаевский радиус (RD) и максвел- жет привести к локальному увеличению электрического ловское время (M), которые в свою очередь могут быть поля.

выражены через параметры материала [16] Оценим значение тока анодизации, при превышении которого начинает работать предложенный нами меха(RD)2 = kT (e2n)-1, (2) низм. Отметим еще раз, что подобная оценка имеет M =, (3) смысл лишь для самых начальных стадий травления.

На более поздних стадиях, согласно наблюдениям Тергде n Ч концентрация подвижных носителей, kT Ч нера [5], нашей модели и практике получения материатемпература в энергетических единицах, e Ч заряд ла [8,9], величина тока непосредственно не определяет электрона, и Ч диэлектрическая проницаемость скорость травления. Для начальной стадии тем не менее и удельное сопротивление материала. Следует учитыможно принять, что число вытравливаемых атомов раввать также, что точные значения параметров вблизи поно числу дырок, инжектированных в кремний из положиверхности могут отличаться от их значения для объемтельного электрода. Исходя из такого предположения, ного кремния. Применительно к процессу травления это можно записать соотношение для величины плотности означает, что вытравливание кремниевого атома вносит тока анодизации ( ja), при котором запускается механизм возмущение в подсистему подвижных носителей Ч в обпространственного разделения пор ласти с размерами порядка RD некоторое время будет отсутствовать дырка. До тех пор пока в эту область ja e/(RD)2M. (4) не продиффундирует другая дырка, локальная память об удалении дырки будет приводить к уменьшению Формула (4) дает оценку величины плотности тока, вероятности травления атомов в окрестности только что при котором за максвелловское время в среднем одна вытравленного.

дырка проходит через участок поверхности с линейСущественно, что травление носит стохастический ными размерами порядка радиуса Дебая. Как следует характер. Следующий акт травления может произойти из смысла выражения (4), это и есть плотность тока, при в любом месте поверхности; в окрестности с размерами котором должна установиться корреляция между актами порядка RD вокруг только что вытравленного атома травления.

следующее травление имеет лишь меньшую вероятПриняв для типичного случая оценочную велиность. Существенная деталь - предлагаемый механизм, чину M 10-11 s, мы получим для ja значение по-видимому, не сможет обеспечить строгую перио3 10-4 a/ cm-2, что соответствует тому, что известно дичность пор. Он лишь обеспечит тенденцию к их по многим работам. Отметим еще раз, что предложенразделению.

ный механизм имеет вероятностный характер, и поВоспользуемся параметрами объемного кремния лученная в оценке величина, по всей видимости, не и оценим масштаб этого разделения. В соответствии должна соответствовать некоторому резкому порогу.

со смыслом предложенного механизма корреляционная Можно лишь утверждать, что при плотностях тока, длина между порами будет порядка радиуса Дебая меньших указанной величины, корреляция между актами (L RD) и в соответствии с (2) она должна зависеть вытравливания атомов станет слабее и предложенный от концентрации носителей как n-1/2. Для концентрации нами механизм должен перестать работать.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам