1.3.2. Физические принципы создания низкоразмерного кремния

Низкоразмерный кремний, как указывалось выше, представляет собой монокристаллический кремний, пронизанный сетью каналов с размерами от единиц микрометров до единиц нанометров. Формирование таких каналов в кремнии осуществляют анодной обработкой пластины монокристаллического кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты.

При анализе анодных процессов на кремниевом электроде интерес представляют следующие аспекты:

• электрохимические реакции, протекающие в системе «кремний – электролит»;

• условия и особенности формирования наноканалов в кремнии на монокристаллах с дырочным и электронным типом проводимости;

• влияние условий анодной обработки на параметры низкоразмерного кремния.

На рис. 1.1 представлена упрощенная схема процесса анодизации. Анализ реакций, протекающих при анодной обработке кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты, показывает, что процесс образования наноканалов в матрице кремния определяется главным образом двумя факторами:

• процессом доставки ионов фтора в зону реакции и образованием и-фторида кремния (фактор, связанный с электролитом и режимом анодной обработки);

• наличием подвижных носителей заряда положительного знака в приповерхностном слое кремниевого анода (фактор, связанный с электрофизическими свойствами кремния).

В связи с этим процессы анодной обработки кремния дырочного и электронного типов проводимости из-за различий в концентрации подвижных носителей положительного заряда, представленных дырками, будут существенно отличаться.

Рис. 1.1. Упрощенная схема процесса анодизации

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

В кремнии, легированном донорными примесями, дырки являются неосновными носителями и их концентрация мала, поэтому для протекания анодной электрохимической реакции необходимы не только ионы фтора, но и внешний фактор, стимулирующий генерацию дырок.

На рис. 1.2 показано распределение зарядов на кремниевом аноде n-типа проводимости, помещенном в электролит, содержащий плавиковую кислоту. В приповерхностном слое кремния образуется обедненная область с положительным объемным зарядом, а в электролите на границе раздела – тонкий слой из отрицательно заряженных ионов. Толщина обедненного слоя в полупроводнике и соответствующий потенциальный барьер определяются степенью легирования кремния. Без дополнительной генерации или инжекции дырок анодная реакция происходить не будет. Концентрацию дырок в приповерхностном слое кремния с электронным типом проводимости можно увеличить несколькими способами: нагреванием; воздействием электромагнитного излучения; ударной ионизацией при электрическом пробое приповерхностной области пространственного заряда в кремнии.

Генерация дырок путем нагревания в допустимых пределах для кремния малоэффективна из-за широкой запрещенной зоны. По этой причине данный метод увеличения концентрации носителей нет смысла рассматривать. Концентрацию носителей увеличивают чаще всего за счет фотогенерации или ударной ионизации. Рассмотрим более подробно последний способ.

Для того чтобы оценить возможность электрического пробоя потенциального барьера в кремнии n-типа проводимости (при анодной обработке в темноте, т. е. без воздействия электромагнитного излучения), необходимо сравнить максимальное поле (Емакс), возникающее при положительном смещении кремниевого электрода и определяемое напряжением формовки (Uф), с критическим полем (Екрит), характеризующим потенциальный барьер. При этом граница «электролит – кремний» обычно представляется как контакт «металл – кремний» или как резкий p+-n-переход при обратном смещении.

На рис. 1.3 приведены расчетные теоретические зависимости Емакс и Екрит от степени легирования кремния n-типа проводимости при напряжении формовки 10 В. В расчете сделаны следующие допущения: граница «кремний – электролит» является планарной и вытянутой (ширина граница много больше толщины обедненного слоя); кремний легирован однородно, и в нем нет дефектов; система «кремний – электролит» имеет распределение зарядов, показанное на рис. 1.2, т. е. максимальное электрическое поле имеет место на границе раздела.