3.11.1. Пористый кремний

Ансамбли кремниевых наноструктур, состоящих из квантовых шнуров и квантовых точек, образуются в пористом кремнии, получаемом локальным анодным электрохимическим растворением монокристаллического кремния в электролитах на основе плавиковой кислоты (HF). Пористый кремний обладает уникальными физическими и химическими свойствами, которые определяются плотной сетью наноразмерных пор в кристаллической матрице и развитой внутренней поверхностью этих пор.

Квантовое ограничение и поверхностные эффекты в наноструктурах пористого кремния приводят к тому, что этот материал, в отличие от монокристаллического кремния, ведет себя как прямозонный полупроводник, демонстрируя достаточно интенсивную фото- и электролюминесценцию. Это используется при создании светоизлучающих приборов, интегрированных с монокристаллическим кремнием. Кремний является одним из немногих материалов полупроводниковой электроники, в котором возможно формирование наноразмерных пор. Поры удается создать и в других полупроводниках, а именно в SiC, SiGe, GaAs, GaP, InP. Однако проявления в них таких же, как в пористом кремнии, наноструктурных эффектов обнаружить не удалось.

Простейшая ячейка для проведения электрохимической обработки состоит из химически инертной ванны, наполненной раствором HF, в который помещают кремниевую пластину и платиновый электрод. Для инициирования электрохимического растворения на пластину кремния подают положительный (анодный) относительно платинового электрода потенциал. Процесс электрохимической обработки проводят при определенной плотности анодного тока, что позволяет получать требуемую пористость, толщину пористого слоя и обеспечить их воспроизводимость от процесса к процессу.

Если кремниевая пластина просто погружается в ванну на токоподводящем зажиме, остающемся над поверхностью электролита, то пористый слой образуется на обеих поверхностях и кромке пластины, контактирующих с электролитом. При этом происходит неравномерное распределение плотности тока по поверхности пластины. Ее более глубоко погруженная часть находится под меньшим потенциалом, чем верхняя из-за резистивного падения напряжения в объеме самой пластины. В результате наблюдается понижение плотности анодного тока от верхней части пластины к нижней, что приводит к соответствующей неравномерности свойств пористого слоя. Этот эффект наиболее сильно проявляется в слаболегированных высокоомных кремниевых пластинах.

Рис. 3.27. Принципиальное устройство однокамерной ячейки для электрохимического анодирования

Формирование пористого слоя с лучшей однородностью и только с одной стороны достигается в электрохимической ячейке с плоским электрическим контактом по всей поверхности кремниевой пластины (рис. 3.27). В ней с электролитом соприкасается только одна сторона кремниевой пластины, а металлический или графитовый токоподводящий контакт прижимается к ее обратной стороне. Для низкоомного кремния (сопротивление ниже нескольких миллиом на сантиметр) достаточно хорошая однородность пористого слоя по анодируемой поверхности обеспечивается без специальной подготовки токоподводящей поверхности пластины. Для высокоомного кремния на токоподводящую поверхность осаждают пленку металла или подлегируют ее с целью улучшения электрического контакта и обеспечения равномерного протекания тока. Перемешивание электролита в процессе анодирования, удаляющее с поверхности пузырьки газообразных продуктов реакции, также улучшает однородность формируемого пористого слоя.

Химические превращения, ответственные за локальное электрохимическое растворение кремния в электролитах на основе HF, предполагают участие в них дырочно-электронного (h+е)  обмена, протекающего по следующей схеме:

Si + 2HF + lh+ → SiF2 + 2H+ + (2 – l)e;

(3.10)

SiF2 + 2HF → SiF4 + H2 ↑;

(3.11)

SiF4 + 2HF →
HF + SiH2F6,

(3.12)

где l – количество элементарных зарядов, участвующих в обмене на каждой ступени.

Растворение кремния требует наличия в зоне реакции молекул HF (со стороны электролита) и дырок (в кремнии). Для создания достаточного количества электронов и дырок в кремнии его поверхность в процессе анодирования часто облучают светом. Это особенно актуально для кремния n-типа проводимости и слаболегированного (ниже 10 см2) р-типа. Газообразный водород и растворимое соединение SiH2F6 являются основными продуктами реакции. При анодировании в чистых водных растворах HF пузырьки водорода прилипают к поверхности кремния, что приводит к неоднородности пористого слоя по глубине в различных местах поверхности пластины. Эффективному удалению пузырьков способствует введение в электролит смачивающих поверхностно-активных веществ. Такими свойствами обладает абсолютный этанол, который добавляют до концентрации не более 15 %. Другой подходящей добавкой является уксусная кислота, нескольких процентов которой достаточно для эффективного удаления пузырьков с поверхности анодируемой пластины кремния и регулирования pH электролита.

Рис. 3.28. Типичная морфология слоев пористого кремния

Свойства пористого слоя, такие, как пористость (доля пустот в слое), толщина, размер и структура пор, зависят от свойств кремния и условий анодирования. Наиболее значимыми факторами являются: тип проводимости, удельное сопротивление и кристаллографическая ориентация кремния, также как и концентрация HF в электролите, pH электролита и наличие в нем других соединений, температура, плотность анодного тока, освещенность анодируемой поверхности, перемешивание электролита и продолжительность анодной обработки. Оптимальное управление процессом формирования пористого слоя и воспроизводимость характеристик от процесса к процессу требуют тщательного контроля за этими факторами.

Слой пористого кремния может иметь структуру одного из двух принципиальных типов (рис. 3.28). В структуре одного типа каналы пор имеют более – менее упорядоченную деревообразную структуру, прорастающую от поверхности в объем. Такие поры обычно формируются в монокристаллическом кремнии с проводимостью n-типа.

Структура другого типа пористого слоя характеризуется хаотическим расположением пересекающихся пор, что типично для пористых слоев в монокристаллического кремния с проводимостью р-типа. Кроме того, в сильнолегированном кремнии (удельное сопротивление материала ниже 0,05Ом∙см) проводимости обоих типов поры представляют собой каналы диаметром порядка 10нм, идущие практически перпендикулярно поверхности (см. рис. 3.28, а). В них пористость может достигать 60 %. В слаболегированном кремнии ситуация несколько иная. Пористый слой, сформированный в р-кремнии и в n-кремнии при подсветке, состоит из сети хаотично расположенных пор диаметром 2…4нм (см. рис. 3.28, б). Достижимая пористость в этом случае выше. Поры в n-кремнии, проанодированном в темноте, выглядят как параллельно расположенные цилиндры. Пористость таких слоев обычно ниже 10 %.

Влияние кристаллографической ориентации проявляется только в монокристаллическом кремнии с проводимостью n-типа, в котором поры растут вдоль главных кристаллографических направлений. В других же случаях пористые слои, сформированные в аморфном, поликристаллическом и монокристаллическом кремнии с проводимости одного и того же типа и одинаковой концентрацией основных носителей заряда, имеют одинаковые свойства, хотя их поведение при анодировании различно. Пористость увеличивается при увеличении плотности тока от 10 до 200 мА/см2. Повышение концентрации HF в электролите снижает пористость. Толщина пористого слоя (от десятков нанометров до десятков микрометров) линейно зависит от продол

жительности анодной обработки. Тонкопленочные маски из Si3N4 или других устойчивых к HF материалов используют для локального формирования областей пористого кремния в монокристаллической подложке по требуемому рисунку.

Кремний в промежутках между порами сохраняет свою исходную кристаллическую структуру. Так, поры сами по себе и их пересечения создают различные наноструктуры в виде нанокристаллических кластеров и шнуров. Они произвольно распределе