WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 11 03;05;06 Влияние адсорбции паров воды на вольт-фарадные характеристики гетероструктур с пористым кремнием © Е.А. Тутов, Е.Н. Бормонтов, В.М. Кашкаров, М.Н. Павленко, Э.П. Домашевская Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия e-mail: phssd2@main.vsu.ru (Поступило в Редакцию 11 февраля 2003 г.) Пористый кремния (por-Si) получен электрохимическим травлением монокристаллического кремния n-типа проводимости в водно-спиртовом растворе плавиковой кислоты в присутствии пероксида водорода в качестве окислителя. Исследована зависимость высокочастотных вольт-фарадных характеристик гетероструктур Al/por-Si/Si от относительной влажности. Предложены модель конденсаторной структуры и методика анализа зависимости ее емкости от парциального давления паров воды как изотермы адсорбции, в рамках которых определены пористость, эффективная доля фазы диоксида кремния в por-Si, степень связности пор, отношение объемов микро- и мезопор и распределение последних по размерам. Пористый кремний с определенными в работе параметрами может быть использован в качестве чувствительного слоя в сенсорах влажности емкостного типа.

Введение числе паров воды, на электрофизические характеристики por-Si и возможности использования этих эффектов в Разработка микроэлектронных (интегральных) сен- сенсорах резистивного, диодного и емкостного типов соров является перспективным научно-техническим посвящен ряд работ [4–8].

направлением в создании элементарной базы для В настоящей работе наряду с изучением реакции измерительно-информационных и управляющих систем. сенсора емкостного типа на изменение относительной Возрастающий интерес к этому направлению объяс- влажности рассмотрена возможность решения обратной задачи, а именно: определение некоторых струкняется тем, что эффективность современных систем автоматического управления ограничивается не столь- турно-фазовых параметров пористого кремния (количества оксидной фазы, пористости и распределения пор ко аппаратно-программными возможностями обработки по размерам) по изменению емкости гетероструктуры данных, сколько качеством устройств сбора и первичноAl/por-Si/c-Si при вариации давления паров воды.

го преобразования информации.

Среди первичных преобразователей различного типа важное место занимают сенсоры влажности. Измерение Методика адсорбционно-емкостной влажности в газовых смесях, в частности в воздухе, явпорометрии ляется актуальной задачей для большого числа научных, промышленных и медицинских областей применения [1].

Особенности пористых систем как объектов струкБесспорные достижения кремниевой технологии растурно-фазового исследования, современное состояние ширяют возможности и для создания интегральных теоретических представлений о строении реальных посенсорных устройств. Кремний не всегда является наиристых тел и развитие методов их получения позволяют лучшим материалом для чувствительных элементов датвыделить порометрию в самостоятельную область струкчиков, однако возможность интеграции с элементами турного анализа. Известно около шестидесяти методов электроники в едином устройстве предоставляет сущеисследования пористой структуры твердых тел [9], отственные преимущества по сравнению с традиционными личающихся информативностью, границами применимоподходами.

сти и чувствительностью [10]: пикнометрические, ртутПористый кремний (por-Si) привлекает интерес исно-порометрические, адсорбционно-структурные, микроследователей главным образом в связи с его люмископические, калориметрические и др. Все они ориеннесцентными свойствами [2]. Наряду с этим широкое тированы на макроскопические количества анализируеизучение различных свойств por-Si открыло перспективы мого вещества и получение интегральной информации его многочисленных альтернативных применений в тао пoристости. При этом для исследования материалов ких областях, как солнечные элементы, биотехнология, с развитой пористой структурой и большой долей мисенсоры [3].

кропор наиболее пригоден адсорбционно-структурный Разработанные методы электрохимического травления метод, первоисточником данных для которого является кремния позволяют уравлять параметрами пористого изотерма адсорбции.

слоя в целях оптимизации его адсорбционных свойств. В последнее время актуально исследование пористых Изучению влияния адсорбции различных газов, в том пленок анодных оксидов металлов (Al2O3 [11]) или полу6 84 Е.А. Тутов, Е.Н. Бормонтов, В.М. Кашкаров, М.Н. Павленко, Э.П. Домашевская проводников, например пористого кремния (por-Si [3]), длины, пронизывающих кремниевую матрицу. Отметим, представляющих значительный практический и теоре- что для цилиндрического характера пор определения тический интерес. Специфика этих пленок как объекта поверхностной и объемной пористости совпадают.

исследования не позволяет широко применять объемные Известно, что в пористом кремнии, полученном аноили весовые варианты адсорбционных методов, однако дированием, наряду с неокисленным кремнием присутв ней заложена естественная возможность использова- ствует также кремний в степенях окисления Si2+ и Si4+, ния высокой чувствительности электрофизических па- т. е. оксиды SiO и SiO2 [16,17], причем доля оксидной раметров гетероструктуры с пористым анодным слоем фазы уменьшается по мере удаления от поверхности металла или полупроводника к внешним факторам, в в глубь слоя. При нанесении металлического элекчастности к адсорбции паров воды. трода (например, алюминия) на поверхность пористоВыбор паров воды обусловлен не столько малыми го кремния получается конденсаторная гетероструктура значениями кинетического диаметра (d = 0.264 nm [9]) Al/por-SiOx /por-Si/c-Si.

и площади посадочной площадки (S = 0.125 nm2 [12]) При относительной влажности RH = 0 значение емкомолекулы воды, сколько аномально высокой величиной сти C0 этой структуры в режиме обогащения асимптоmax диэлектрической проницаемости воды ( = 81). Послед- тически стремится к геометрической емкости пористого нее обстоятельство должно приводить к существенному диэлектрического слоя с эффективной диэлектрической изменению эффективной диэлектрической проницаемо- проницаемостью eff и складывается из двух слагаемых:

сти пористого слоя при адсорбции водяного пара. емкости остова с диэлектрической проницаемостью SiO x В случае с пористым кремнием гетероструктура и емкости пор, заполненных воздухом с диэлектричеc-Si/por-Si естественно формируется в процессе обра- ской проницаемостью air. Таким образом, эффективная зования пористого слоя и для получения конденсатора диэлектрическая проницаемость пористого диэлектричеостается только нанести металлический контакт извест- ского слоя определяется соотношением (в приближении ной площади. В то же время наличие у молекулы SiO = SiO ) x воды большого дипольного момента, увеличивающего eff = SiO (1 - P) +airP, (1) суммарную энергию взаимодействия с por-Si, позволяет пренебречь адсорбцией молекул N2, CO2 и O2, входящих где P = Spor/S — параметр, характеризующий порив состав воздуха.

стость слоя; S — площадь затворного электрода; Spor — Измерение емкости конденсаторной структуры меплощадь пор на поверхности por-Si под электродом.

талл–анодный оксид–металл, а для структуры полупроГеометрическая емкость конденсатора C0 определяmax водник–анодный оксид–металл еще и высокочастотной ется эффективной толщиной deff и эффективной дивольт-фарадной характеристики (ВЧ ВФХ) при вариации электрической проницаемостью eff его подзатворного давления паров воды можно использовать не только для диэлектрического слоя определения характеристик пористой анодной пленки, effS но и для обеспечения невозможной в других методах C0 =. (2) max deff локальности анализа.

Факт зависимости различных свойств полупроводниВ режиме обеднения полная высокочастотная (ВЧ) ков от состава окружающей атмосферы отмечался во емкость структуры уменьшается, так как к геометримногих работах. Основной смысл исследований заключеской емкости диэлектрического слоя последовательно чался в изучении возможных изменений собственных подключается емкость области пространственного засвойств полупроводников, обусловленных их взаиморяда в кремнии, и при наступлении сильной инверсии действием с окружающей средой. Идея, в некотором достигает своего минимального значения Cmin смысле обратная указанной, заключается в возможности 1 1 контроля состава окружающей полупроводник газовой = +, (3) Cmin C0 CSC атмосферы, исходя из анализа изменений его электро- max min физических характеристик [13]. Предлагаемая методика где решает третий аспект проблемы — изучение характери- Si(1 - P)S CSC = (4) min стик самого полупроводникового адсорбента на основе Wm анализа его отклика на изменение окружающей атмо— минимальная ВЧ емкость области пространственного сферы. Обсудим эту методику, которую можно назвать заряда (ОПЗ) кремния; Wm — максимальная ширина методикой адсорбционно-емкостной порометрии.

ОПЗ кремния при данной концентрации примеси N, Для определенных условий анодирования, согласно определяемая выражением [18] модельным представлениям о структурообразовании пористого кремния [14] и экспериментальным данным 4SikT ln(N/ni) Wm =, (5) о морфологии слоев por-Si [15], строение пористого q2N слоя с некоторыми непринципиальными упрощениями можно представить в виде нерегулярной структуры где q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, цилиндрических пор различного диаметра и одинаковой T — абсолютная температура, Si — абсолютная диэлекЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние адсорбции паров воды на вольт-фарадные характеристики гетероструктур... трическая проницаемость кремния, ni — собственная Степень заполнения пор конденсатом можно опредеконцентрация. лить по формуле (6), которую с учетом (8) и (2) можно Из уравнений (3)–(5) с использованием эксперимен- представить следующим образом:

тальных значений C0 и Cmin и значения концентрации max примеси в кремнии N находим коэффициент пористоCmax = C0 +(C100 - C0 ) max max max сти P. Подставляя найденную величину P в формулу (1), (H o - air)S получим эффективную диэлектрическую проницаемость = C0 + Pk. (9) max диэлектрического слоя eff и, наконец, подставив ее deff в выражение (2), определим эффективную толщину Таким образом, измерение высокочастотной емкодиэлектрика deff.

Полную емкость Cmax рассматриваемой гетерострук- сти структуры Al/por-Si/c-Si в режиме обогащения при туры в области обогащения приповерхностной ОПЗ значениях относительной влажности RH = 0, 100% и кремния в присутствии паров воды можно представить 0 < RH < 100% (C0, C100, Cmax), а также в режиме max max в виде суммы трех слагаемых, соответствующих ем- инверсии (Cmin) позволяет рассчитать общую порикости остова с диэлектрической проницаемостью SiO, стость P, степень связности пор k, эффективные параемкости пор, заполненных воздухом с диэлектриче- метры оксидной фазы в пористом слое eff, deff.

ской проницаемостью air, и емкости пор, заполненных Перейдем к анализу распределения пор по размерам.

конденсатом с диэлектрической проницаемостью H O Твердотельные адсорбенты в зависимости от их при(с учетом частичного проникновения паров воды под роды и технологии получения могут содержaть поры металлический электрод), различных размеров и морфологии. Во многих случаях особый интерес представляет поперечный размер пор.

S Cmax = SiO (1 - P) Классификация пор по размерам, в настоящее время deff официально принятая Международным союзом по те оретической и прикладной химии (IUPAC), основана + air Pk(1 - ) +P(1 - k) + H OPk. (6) на принципе соответствия каждого интервала размеров пор характерному адсорбционному механизму [19]. ПоЗдесь = Sfill/Spor — степень заполнения пор конденристый кремний, согласно этой классификации, можно сатом; Sfill — площадь пор на поверхности por-Si под разделить на микропористый (диаметр пор D < 2nm), электродом, заполняемых конденсатом при данном давдля которого характерна моно- и полимолекулярная лении паров; k — отношение площади пор, доступных адсорбция, мезопористый кремний (2 < D < 50 nm), для для паров воды, к общей площади пор под электродом которого характерным механизмом адсорбции является (коэффициент доступности пор для паров воды).

капиллярная конденсация, и макропористый кремний Емкость структуры при влажности 100% возрастает (D > 50 nm), по адсорбционным свойствам мало отлиза счет капиллярной конденсации паров воды в микрочающийся от непористого материала. Технология позвои мезопорах вдоль границы алюминиевого электрода.

ляет формировать слои por-Si с различным распределеВыражение (6) при RH = 100% ( = 1) принимает вид нием пор по размерам, что приводит к чувствительности S сенсора в различных диапазонах влажности [6].

C100 = SiO (1 - P) +airP +(H O - air)Pk max 2 deff Количество воды, адсорбированной в микропорах, может быть оценено с помощью уравнения БЭТ (Брунауэр, S = eff +(H O - air)Pk. (7) 2 Эммет, Теллер) [19] deff Связь между величина максимальной емкости струк- n 1 = -. (10) туры при RH = 0 (C0 ) и RH = 100% (C100 ), определяnm 1 - p/p0 1 +(p/p0)(Q - 1) max max емая соотношением Здесь n — абсолютное количество адсорбата, выраженH O - air ное в молях; nm — количество адсорбата в монослое C100 = C0 1 + Pk, (8) max max eff (в молях); Q exp((q - qL)/RT ), где q — теплота адсорбции, qL — теплота конденсации, т. е. q - qL — дает возможность определить коэффициент k чистая теплота адсорбции, R — универсальная газовая (0 < k < 1), который зависит от отношения площади постоянная, T — температура, q — давление, p0 — электрода к его периметру, величины общей пористости, давление насыщенного пара. Уравнение (10) описывает степени связности пор и, возможно, от относительной процесс полимолекулярной адсорбции и показывает, влажности. Этот коэффициент является верхней сколько монослоев, адсорбировалось при данном давоценкой степени связности пор, так как для системы лении.

связанных пор в процессе адсорбции заполнялся бы весь объем под электродом, т. е. k = 1 независимо от Для мезопор характерным механизмом адсорбции геометрии конденсатора. является капиллярная конденсация, описываемая уравЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. 86 Е.А. Тутов, Е.Н. Бормонтов, В.М. Кашкаров, М.Н. Павленко, Э.П. Домашевская нением Кельвина [19] путем графического дифференцирования экспериментально снятой зависимости Cmax(p/p0).

2Vm Нахождение оставшейся части функции f (r) (для p = p0 exp, (11) rRT микропор) производится с помощью модельного распределения (12), нормированного на общую пористость, и где p0 — давление насыщенных паров при темперауравнения БЭТ (10).

туре T; — коэффициент поверхностного натяжения Таким образом, физическая адсорбция паров воды жидкой фазы (воды); Vm — молярный объем жидкой в микропорах и капиллярная конденсация в мезопофазы; r — радиус капилляра, отрицательный в случае рах вызывают эффективное увеличение диэлектрической смачивающей жидкости.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.