WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

проницаемости пористого слоя, что можно использоВ соответствии с этим уравнением в слое пористовать для создания сенсора влажности емкостного типа.

го кремния заполены все поры с радиусом, меньшим Анализ зависимости емкости такого конденсаторного некоторого критического rk, соответствующего даннoму сенсора от относительной влажности как изотермы адотносительному давлению p/p0.

сорбции дает возможность определения количественноВ определенных условиях формирования пористого го соотношения микро- и мезопор в пористом кремнии слоя можно ожидать, что радиусы r получаемых пор и распределения последних по размерам.

будут находиться в некотором диапазоне значений. При моделировании распределения пор по размерам f (r) чаще всего используют логарифмически нормальное Результаты и их обсуждение распределение [19] Для исследований были отобраны образцы пористо1 (ln r - ln rg)го кремния электрофизические характеристики которых f (r) = exp -, (12) g 2 2ln2 g проявляли чувствительность к изменениям относительной влажности в диапазоне 0–100%.

где rg — среднее геометрическое r; ln g — стандартное Формирование пористого кремния проводилось по отклонение ln r, задающее разброс значений от среднего.

следующей технологии: пластина монокристаллическоРассмотрим, каким образом можно найти функцию го кремния марки КЭФ с концентрацией электронов распределения пор по размерам в рамках обсуждае1.3 · 1016 cm-3 ориентации (100) промывалась в димой методики емкостной порометрии, используя эксстиллированной воде, затем протравливалась в раствопериментально полученную зависимость емкости Cmax ре HF + HNO3 + CH3COOH для очистки поверхности.

от относительной влажности p/p0. Емкость Cmax (6) Электрохимическое анодирование проводили в электрозависит от относительной влажности p/p0 только через лите HF/H2O: C3H8O: H2O2 = 2 : 2 : 1 при плотности тока параметр, определяемый соотношением 15 mA/cm2 в течение 5 min. После травления образцы rk промывались в бутиловом спирте и просушивались.

Sfill Поверхность кремниевой пластины после анодирования = = f (r)r2dr. (13) Spor Spor оставалась зеркально отражающей, что свидетельствует об отсутствии пор микронного размера. Контактные Здесь rk = rk(p/p0) — критический радиус пор, рассчи- площадки площадью 2 mm2 наносили термическим напылением алюминия.

танный по уравнению Кельвина, являющийся верхней границей размеров пор, заполненных конденсатом при Электронная микрофотография поперечного скола исданной относительной влажности; f (r) — функция рас- следуемой структуры приведена на рис. 1, a. Из микропределения пор по размерам. фотографии видно, что слой por-Si имеет униформное Дифференцируя зависимость Cmax(p/p0) (6) как слож- столбчатое строение, толщина его около 10 µm, переную функцию с учетом (11), (13), имеем ходный слой на границе с монокремнием составляет примерно 10% общей толщины.

dCmax dCmax d dr Высокочастотные вольт-фарадные характеристики из= d(p/p0) d dr d(p/p0) мерялись в стационарном режиме с использованием автоматизированной установки [20] (частота 1 MHz, H O - air kr4RT 2Vm = exp f (r), (14) амплитуда тестового сигнала 20 mV). Время съемки deff 2Vm rRT C-V -кривой составляло около 5 min. Ток утечки не превышал 1 mA. Емкость соединительных проводов ( 1pF) откуда можно получить „экспоненциальную“ функцию автоматически вычиталась из результатов измерений.

распределения мезопор по размерам (для области знаИсследуемый образец помещался в герметичную измечений r > 1.2nm) рительную ячейку, для удаления паров воды из которой deff 2Vm 1 2Vm dCmax использовали силикагель марки ШСМ, а образец прогре f (r) = exp вали в течение 30 min при T = 343 K. Остаточное давлеk(H O - air) RT r4 rRT d(p/p0) (15) ние паров воды считалось соответствующим условному Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние адсорбции паров воды на вольт-фарадные характеристики гетероструктур... наблюдается на опыте: емкость при отрицательных смещениях на структуре изменяется (увеличивается) незначительно и не происходит сдвига ВФХ по оси напряжений. При положительных смещениях емкость структуры возрастает с увеличением относительной влажности, что связано с ростом эффективной диэлектрической проницаемости пористого слоя в результате адсорбции паров воды. Некоторое отличие хода C-V -кривой для 100% влажности от общей тенденции связано с ее существенной неравновесностью из-за более высокой проводимости структуры.

Экспериментальные значения емкостей C0, C100 исmax max следуемой структуры в области обогащения и значение ее емкости Cmin в области инверсии (рис. 2) позволяют рассчитать по формулам (1)–(7) общую пористость P = 0.5 и эффективные параметры оксидной фазы в пористом слое: толщину deff = 0.4 µm и относительную диэлектрическую проницаемость слоя eff = 2.4. Затем с помощью формулы (8) мы находим степень связности пор k. Величина коэффициента связности пор в слое por-Si оказалась равной k = 0.06, т. е. поры в слое por-Si в основном изолированы. Оценка структурно-фазовых характеристик пористого кремния методом адсорбционно-емкостной порометрии также показала, что исследуемые образцы имели разброс параметров по поверхности кремниевой пластины: пористость 50–70%;

эффективная толщина оксидной фазы (в расчете на SiO2) 0.3–0.4 µm, что при толщине пористого слоя 10 µm составляет 3–4%.

Зависимость емкости пористого слоя, определенной Рис. 1. Электронная микрофотография поперечного скола (a) при положительном смещении на структуре (т. е. в облаи модель строения гетероструктуры Al/por-Si/c-Si (b).

сти обогащения), от относительной влажности приведена на рис. 3. Расчет распределения пор по размерам на значению нулевой относительной влажности (RH = 0).

Насыщение водяными парами (относительная влажность воздуха 100%) устанавливалась в ячейке при равновесии с открытой поверхностью дистиллированной воды.

Значения относительной влажности 30, 57, 80 и 100% задавали с помощью водно-глицеринового раствора соответствующей пропорции. Такая методика отличается простой и большeй гибкостью в сравнении с заданием давления паров воды с помощью насыщенных растворов некоторых солей [21]. Количество раствора выбиралось таким, чтобы можно было пренебречь изменением его концентрации при газообмене с объемом измерительной ячейки.

Типичный вид высокочастотной вольт-фарадной характеристики (ВФХ) структуры Al/por-Si/n-Si и ее изменение в зависимости от относительной влажности показаны на рис. 2. Вид ВФХ характерен для МДП структуры (металл–диэлектрик–полупроводник) c невысокой плотностью поверхностных состояний при отсутствии значительного встроенного заряда в диэлектрике. Физический механизм адсорбции паров воды не должен приводить к Рис. 2. Высокочастотная вольт-фарадная характеристика изменению этого заряда или эффективной концентрации структуры Al/por-Si/n-Si и ее изменение при вариации относвободных носителей в кремниевой матрице, что и сительной влажности в диапазоне 0–100%.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 88 Е.А. Тутов, Е.Н. Бормонтов, В.М. Кашкаров, М.Н. Павленко, Э.П. Домашевская адсорбция является быстрым процессом, а для капиллярной конденсации характерно наличие гистерезиса.

Оптические свойства пористого кремния дают основание полагать, что излучение различных диапазонов спектра может быть использовано для селективного возбуждения различных электронных подсистем por-Si и, таким образом, для управления откликом и релаксацией структуры [22]. Все это характеризует пористый кремний как гибкий функциональный материал, дающий большие возможности оптимизации его свойств при разработке микроэлектронных сенсоров.

Рис. 3. Экспериментальная и расчетные зависимости емкости сенсора от относительной влажности: — эксперимент, 1 — расчет для „экспериментального“ распределения (15) пор по размерам, 2 — расчет для модельного распределения (12) пор по размерам.

основе экспериментальной зависимости C(p/p0) возможен только для капиллярной конденсации в мезопорах, так как уравнение Кельвина не описывает процессы Рис. 4. Функция распределения пор по размерам: 1 —расчет адсорбции в микропорах. Поэтому необходимо вычесть по формуле (15), 2 — логарифмически нормальное модельное объем микропор (и емкость) из общего объема пор, распределение.

только потом можно рассчитать распределение мезопор по размерам и оценить долю микропор в общей пористости. Для воды минимальный радиус мезопор равен 1.2 nm, что соответствует конденсации при относительной влажности 35% [19]. Зависимость емкости структуры от влажности, рассчитанная с учетом указанного обстоятельства, показана на рис. 3 штриховой кривой.

Общий вид распределения пор по размерам, определенный по формулам (12) и (15) и учитывающий долю микропор в общей пористости, показан на рис. 4.

Основная часть пор при выбранном режиме анодирования кремния имеет диаметр в узком интервале значений 1–4 nm, доля микропор составляет до 40% их общего объема. Макропоры, если таковые имеются, не будут давать заметного вклада в статику процесса адсорбции и десорбции водяного пара, но их транспортная роль важна для кинетических параметров сенсора влажности [6]. Результат моделирования поверхности por-Si („вид сверху“) для полученного распределения пор по размерам при значении величины пористости P = 0.показан на рис. 5.

Отметим, что изучение кинетических характеристик Рис. 5. Модель поверхности пористого кремния, имеющего емкостного сенсора влажности выходит за рамки дан- пористость 50% и распределение пор по размерам, как на ной работы. Вместе с тем известно, что физическая рис. 4 (1). Поры показаны чертым цветом.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние адсорбции паров воды на вольт-фарадные характеристики гетероструктур... Заключение [18] Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. Пер.

с англ. / Под ред. Р.А. Суриса. М.: Мир, 1984. 456 с.

[19] Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пориЭлектрохимическое травление монокристаллического стость. М.: Мир, 1984. 304 с.

кремния n-типа ориентации (100) в водно-спиртовом [20] Бормонтов Е.Н., Головин С.В. // Изв. вузов. Электроника.

растворе плавиковой кислоты с добавлением окислителя 1998. № 4. C. 95–100.

позволяет сформировать слой пористого кремния с [21] Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989. 196 с.

микро- и мезопорами с общим объемом до 70%. Доля [22] Тутов Е.А., Андрюков А.Ю., Рябцев С.В. // Письма в ЖТФ.

оксидной фазы в por-Si составляет 3–4%. Физическая 2000. Т. 26. Вып. 17. С. 53–58.

адсорбция паров воды в микропорах и капиллярная конденсация в мезопорах вызывают эффективное увеличение диэлектрической проницаемости пористого слоя, что может быть использовано для создания сенсора влажности емкостного типа, чувствительного в диапазоне 0–100%. Анализ зависимости емкости такого конденсатора от относительной влажности как изотермы адсорбции дает возможность определения структурно-фазовых характеристик пористого кремния, в том числе и имеющего более сложную морфологию.

Список литературы [1] Подлепецкий Б.И., Симаков А.В. // ЗЭТ. 1987. № 2.

C. 64–97.

[2] Jung K.H., Shih S., Kwong D.L. // J. Electrochem. Soc. 1993.

Vol. 140. N 10. P. 3046–3064.

[3] Properties of porous silicon / Ed. L. Canham // IEE, London.

EMIS Datareviews series. 1997. N 18. 400 p.

[4] Демидович В.М., Демидович Г.Б., Добренкова Е.И., Козлов С.Н. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 14. С. 57–59.

[5] Демидович В.М., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Лунга С.П., Петров А.А. // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия.

1996. № 4. C. 99–102.

[6] Ковалевский А.А., Баранов И.Л. // Микроэлектроника.

1996. Т. 25. Вып. 4. С. 298–302.

[7] Anderson R.C., Muller R.S., Tobias C.W. // Sensors and Actuators A. 1990. Vol. 23. N 1–3. P. 835–839.

[8] Taliercio T., Dilhan M., Massau E., Gue A.M., Foucaran A. // Sensors and Actuators A. 1995. Vol. 46. N 1–3. P. 43–46.

[9] Плаченов Т.Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. Химия. Л., 1988. 174 с.

[10] Черемской П.Г. Методы исследования пористости твердых тел. М.: Энергоатомиздат, 1985. 260 с.

[11] Петрова В.В. Микропористость анодных оксидных пленок алюминия. Петрозаводск: Изд-во ун-та, 1992.

[12] McClellan A.L., Harnsberger H.E. // J. Colloid. Interface Sci.

1967. Vol. 23. P. 577.

[13] Mясников И.А., Сухарев В.Я., Куприянов Л.Ю., Завьялов С.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях. М.: Наука, 1991. 327 с.

[14] Александров Л.Н., Новиков П.Л. // Письма в ЖЭТФ. 1997.

Т. 65. Вып. 9. С. 685–690.

[15] Бучин Э.Ю., Постников А.В., Проказников А.В., Световой В.Б., Чурилов А.Б. // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21.

Вып. 1. С. 60–65.

[16] Domashevskaya E.P., Kashkarov V.M., Manukovskii E.Yu., Schukarev A.V., Terekhov V.A. // J. Electron. Spectroscopy and Related Phen. 1998. Vol. 88–91. P. 958–962.

[17] Беляков Л.В., Макарова Т.Л., Сахаров В.И. // ФТП. 1998.

Т. 32. № 9. C. 1122–1124.

Pages:     | 1 ||



© 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.