Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

Наибольший успех в настоящее время достигнут в области применения макропористого кремния. Макропористый кремний получают электрохимическим травлением монокристаллических подложек обоих типов проводимости, на поверхности которых методами литографии и анизотропного травления в щелочах сформированы зародыши пор в виде инверсных пирамид. При этом формирование пор происходит только в местах, заданных маской. Схема получения макропористого кремния представлена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема формирования структур макропористого кремния (а) и типовая конструкция ячейки для его изготовления (б)

На рис. 7.7 приведено изображение скола слоя макропористого кремния и данные о его структуре фотонной запрещенной зоны. Как следует из результатов теоретических и экспериментальных исследований, положением фотонной запрещенной зоны можно управлять посредством варьирования отношения радиуса поры к периоду расположения пор. Такое варьирование достигается посредством задания плотности тока анодного травления.

На основе макропористого кремния созданы волноводные структуры и структуры с высоким аспектным отношением, используемые в микросистемах (рис. 7.8).

100

Известны и другие пористые полупроводники GaP, GaAs, InP и другие, представляющие интерес в различных областях микро-, нано- и оптоэлектроники.

Рис. 7.7. РЭМ – изображение скола слоя макропористого кремния (а) и структура его фотонной запрещенной зоны (б)

Рис. 7.8. Интегральные оптические устройства, создаваемые на основе макропористого кремния: а) световодный разветвитель; трехмерные интегральные структуры трехмерные интегральные структуры

Пористый фосфид индия получают в водных растворах соляной кислоты, при этом при высоких плотностях тока поры диаметром 100-200 нм образуются перпендикулярно плоскости подложки, а при низких плотностях тока происходит формирование пор вдоль кристаллографических направлений семейства<111> (рис. 7.9).

101

Рис. 7.9. Морфология пор, формирующихся InP при высоких (а) и низких (б) плотностях тока

Формирование пористого арсенида галлия происходит аналогично фосфиду индия.

Пористый фосфид галлия формируется в водных растворах ряда минеральных кислот. Установлено, что нанопористые слои образуются в растворах на основе серной кислоты, а мезопористые – в растворах плавиковой кислоты (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Структура пористого GaP, сформированного в растворах серной (а) и плавиковой (б) кислот

Благодаря наблюдаемой эффективной генерации второй гармоники такие структуры представляют интерес для создания эффективных преобразователей частоты и инфракрасных

102

детекторов. Кроме того, нанопористый фосфид галлия обладает эффективной автоэмиссией электронов при пороговых напряженностях электрического, соизмеримых с наблюдаемыми для синтетического алмаза, который широко применяется в устройствах вакуумной электроники.

Как следует из приведенных данных о пористых полупроводниках, эти материалы, обладая рядом уникальных электронных и оптических свойств, имеют ограниченный спектр областей применения. Так, нанопористые материалы, проявляющие квантово-размерные эффекты, являются нестабильными при термических и химических воздействиях. Мезопористые слои являются неупорядоченными, что не позволяет создавать на их основе двумерных периодических структур. А периодичность макропористых структур, задаваемая литографическими методами, затрудняет их использование в интегральных оптических устройствах видимого диапазона. В этой связи весьма перспективным материалом для создания поверхностных периодических структур является пористый анодный оксид алюминия.

7.2.3. Упорядоченный пористый анодный оксид алюминия. Получение и применение в нанотехнологии

Анодные оксидные пленки нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Их применяют для коррозионной зашиты в качестве декоративных покрытий, для создания конденсаторных структур и т.д. Анодное окисление используют в технологии создания электронных приборов на основе соединений А3В5 и при изготовлении различного вида датчиков. Низкие температуры проведения процесса и возможность контроля толщины оксида с нанометровой точностью позволяют применять анодирование и для формирования наноструктур.

Анодные оксидные пленки образуются на поверхности большинства металлов и полупроводников. В основе процесса лежит реакция взаимодействия ионов окисляемого материала с

103

молекулами воды. В зависимости от характера взаимодействия образующегося оксида с компонентами электролита имеется возможность управления структурой оксида. Так, при отсутствии растворения оксида на поверхности электрода образуются беспористые барьерные пленки. При частичном растворении оксида электролитом имеет место рост пористых пленок. Среди последних наибольшее практическое значение имеют пористые анодные оксидные пленки алюминия.

Пористый анодный оксид алюминия (ПАОА) характеризуется рядом свойств, которые делают его перспективным материалом для создания наноструктур. А именно:

– регулярная, близкая к идеально упорядоченной структу-

ра;

–простота управления размерами пор посредством выбора режимов формирования оксида;

–широкий диапазон размеров пор (от 10 нм до 1 мкм);

–слабая чувствительность свойств оксида к кристаллической структуре исходного Аl;

–высокая однородность пленок, получаемых на большой площади;

–хорошая воспроизводимость процесса;

–совместимость процесса анодного окисления со стандартными операциями технологии микроэлектроники.

ПАОА представляет собой массив плотноулакованных гексагональных оксидных ячеек, в центре каждой из которых имеется вертикальный полый канал (рис. 7.11).

Строение ПАОА можно охарактеризовать следующими геометрическими параметрами, которые определяют области применения и свойства оксида:

- размер оксидной ячейки (период пористой структуры), который представляет собой диаметр окружности вписанной в шестиугольную проекцию ячейки; - диаметр поры; - толщина барьерного слоя;

- толщина пористого слоя;

104