CC BY
140
Malyukov Serguei Pavlovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371603.
The Department of Electronic Apparatuses Design; the Department Head; Dr. of Eng. Sc., Professor; Corresponding Member RANS.
Saenko Alexandr Victorovich
E-mail: [email protected].
The Department of Electronic Apparatuses Design; Postgraduate Student.
УДК 621.35
A.M. Светличный, ОБ. Спиридонов, Л.Г. Линец, АХ. Коломийцев,
. . , . .
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СЛОЕВ ПОРИСТОГО КАРБИДА
КРЕМНИЯ
Рассматриваются вопросы технологии создания пористых слоев карбида кремния (SiC) для газочувствительных сенсоров. Цель работы - исследование технологических режимов получения пористого карбида кремния, с учетом влияния исходных характеристик материала на структуру получаемых пористых слоев карбида кремния. В работе дается обоснование выбранным режимам: плотности тока и времени анодирования. В результате исследования пористых слоев обнаружено отслаивание пористого слоя в образцах анодированных при плотности тока 20 и 40 мА/см2. Формирование пористых слоев SiC целесообразно проводить при плотности тока 10 мА/см2. При j = 40мА/см2 обнаружено существование двух пористых слоев.
Карбид кремния; пористость; электрохимическое травление; сканирующая электронная ( ).
A.M. Svetlichnyi, O.B. Spiridonov, L.G. Linets, A.S. Kolomiytsev, V.A. Smirnov,
E.Y. Volkov
STRUCTURAL INVESTIGATION OF LAYERS OF POROUS SILICON
CARBIDE
The problems of the technology of porous layers of silicon carbide (SiC) for the gas-sensitive sensors. The aim of the work is the investigation of technological conditions of porous silicon carbide fabrication paying attention on the influence of based material characteristics on the structure of obtained layers of porous silicon carbide. Chosen conditions like current density and time of anodization are explained. Peeling of porous layers which were created at a current density of 20 and 40 mA/cm2 is detected. The formation of porous SiC layers is reasonable to carry out at a current density of 10 mA/cm2. The existence of two porous layers is detected at the density of 40 mA/cm2.
Silicon carbide; porosity; electrochemical etching; scanning electron microscopy (SEM).
Эффективность работы датчика газа зависит от его адсорбционной способности, в первую очередь определяемой рабочей площадью поверхности чувствительного элемента (ЧЭ). Существенного увеличения рабочей площади, не прибегая к увеличению размеров самого сенсора, можно добиться с помощью использования пористой структуры материала. Поэтому исследование зависимости струк-
туры пористых слоев от параметров анодирования, параметров материала является одной из основных проблем при создании датчиков газа.
Целью работы являлось исследование технологических режимов получения пористого карбида кремния, с учетом влияния исходных характеристик материала на структуру получаемых пористых слоев карбида кремния.
Химические аспекты процесса электрохимического травления Б1С согласуются с поведением анодного травления Б1, где анодирование происходит при наличии двух реакций:
♦ формирования д иоксида кремния;
♦ удаления оксида в объем электролита.
Реакция оксидирования происходит в присутствии положительных зарядов -дырок. Поэтому концентрация дырок должна удовлетворять определенному значению, при котором начинается процесс порообразования. Процесс, в результате которого образуется достаточно высокая концентрация электронно-дырочных пар в обедненном слое, происходит при достижении электрическим полем значения .
Механизм пробоя зависит от множества факторов, в первую очередь от степени легирования материала полупроводника. Для полупроводников с высокой степенью легирования наиболее возможный механизм пробоя - туннельный, тогда как лавинный пробой является доминирующим в слаболегированных структурах. Туннельный эффект в имеет место, когда напряжение возникновения пробоя
и< \-EJq {Еъ - ширина запрещенной зоны) [1]. В карбиде кремния (Бг = 3,2 эВ для политипа 6Н и Бг = 3,4 эВ для политипа 4Н) [2] туннелирование - наиболее возможный механизм пробоя, при концентрации легирования, достигающей значения N = 1019 ст-2.
Зависимость напряжения пробоя в Б1С от степени легирования может быть рассчитана с помощью формулы [1]
где е, е0 - диэлектрические постоянные; q - заряд электрона, N - степень легирования материала, Ем - максимальное значение напряженности поля.
Исследование влияния режимов анодирования и характеристик материала на процесс порообразования карбида кремния изложено в ряде работ [3-5, 7]. Было , -вает увеличение количества пор в материале, но не приводит к укрупнению самих пор [3]. В данной работе исследовались пластины 6Н-Б1С при постоянной плотности тока и фиксированном времени анодирования, при этом наблюдалось увеличение толщины пористого слоя на образцах, полученных при большей плотности тока.
2 20 ,
наблюдается возрастание количества пор и их слияние, по причине уменьшения расстояния между порами и перекрытия границ соседних пор.
В работе [3] исследовалось влияние состава электролита на морфологию поверхности. При добавлении в стандартный раствор для электрохимического травления Б1С воды в соотношении НБ:С2Н5ОН:Н2О = (1:1:1) происходит изменение : , -
.
Исследование зависимости плотности пор от плотности тока в диапазоне (10-60) мА-см"2 проводилось на подложках 4Н-81С [4]. Наименьшая величина плотности пор (2-107 см-2) наблюдалась при анодировании пластин Б1С с плотно-10 - -2. 20 - -2 -
личению плотности пор до (9-107) см"2, а при плотности 40 мА-см"2 формировалась сеть пор с плотностью (1,4-108) см"2. Дальнейшее увеличение плотности тока приводило к незначительному увеличению плотности пор в подложке.
Изменение толщины пористого слоя от времени анодирования при фиксированной плотности тока было исследовано в работе [5]. Образцы карбида кремния были приготовлены при постоянной плотности тока j = 7 мА/см2 и времени анодирования, изменявшемся в пределах от 3 до 18 минут. Зависимость толщины пористого слоя от времени анодирования оказалась примерно линейной и представлена на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость толщины пористого слоя 81С от времени анодирования
В работе [4] также исследовалось влияние изменения напряжения на морфо. (12
1 40 / 2) -
ние размера пор до 1 мкм с перекрытием границ, а характеристический размер кристаллитов стенок пор варьируется в пределах 0,2-0,3 мкм.
В работе [3] исследовалась структура пор по всей глубине пористого слоя.
, 20 , каналов, направленных под небольшими углами к поверхности пленки. На глубине от 0 до 1 мкм поры формировали густую разориентированную сеть каналов. Между подложкой и пористым слоем существовала четкая граница, что позволило довольно точно определить толщину пористого слоя.
Степень легирования также оказывает влияние на морфологию и количественные характеристики пористых слоев карбида кремния [3]. Проводилось исследование пластин 4И-81С п-типа проводимости, легированных азотом. Электрохимическое травление образцов осуществлялось в растворе ИБ:С2И5ОИ = 1:1 в течение 2-60 минут, плотность тока менялась в пределах 10-80 мА/см2. Перед исследованием полученных образцов проводилась ультразвуковая очистка в растворе метанола в течение 10-20 минут. Высоколегированные образцы были анодированы при токе 10 мА и напряжении 7 В. Для среднелегированных и слаболегированных образцов действующее значение напряжения при неизменной величине тока
48 125 .
времени, в течение которого ток достигал действующего значения 10 мА, длился 10 , -симости тока от времени. Вскрытие пор в высоколегированном образце показало наличие зернообразного рельефа в образце. Размер зерен, определенный с помощью программного обеспечения атомно-силового микроскопа Nanoscope III, со-60 , .
бН-БіС анодировались в течение 5 минут. Анализ изображений показал, что с глубиной диаметр пор возрастает и может достичь размеров нескольких микрометров. Плотность пор намного ниже, чем у высоколегированных образцов.
Зависимость размера диаметра пор от степени легирования подложки представлена на рис. 2 [4].
Рис. 2. Зависимость диаметра пор в 8ЇС от степени легирования
О влиянии степени дефектности подложек на размеры пор, пористость и толщину пористого слоя указывалось в [6]. В подложках 6И-Б1С фирмы СКЕБ, с плотностью дислокаций около 104 см -2, был получен диаметр пор 20 нм, а в более дефектных подложках, с плотностью дислокаций около 106 см -2, диаметр пор составлял около 120 нм.
В данной работе использовались стандартные пластины И-6И-81С, легированные азотом в пределах концентрации 11019 см-3. Формирование пористого слоя осуществлялось в результате анодного травления в спиртовом растворе плавиковой кислоты ИБ:С2И5ОИ = 1:1 при изменении плотности тока анодирования от 10 до 40 мА/см2 и фиксированном времени. Для проведения анодного травления пластин карбида кремния была использована электрохимическая ячейка, вид которой представлен на рис. 3, где 1 - фторопластовая ячейка,
2 - уплотнительные кольца, 3 - платиновый электрод, 4 - пластина Б1С, 5 - источник питания (и = 0-100 В, I = 0,15 А), 6 - амперметр, 7 - вольтметр.
Рис. 3. Электрохимическая ячейка
Структура пористых слоев карбида кремния исследовалась при помощи сканирующего электронного микроскопа Nova NanoLab 600 и атомно-силового микроскопа Solver P47 Pro.
В результате анализа SEM-изображения слоев, полученных при j = 10 мА/см2, было обнаружено, что форма и структура расположения пор в образце не имеют строгой ориентации: часть пор расположена перпендикулярно поверхности пла-, .
На рис. 4 хорошо видна структура «елочки», форма пор близка к треугольной, что совпадает с результатами, описанными в работах [7, 8]. Характерный объем диаметра пор незначительно отличался от образцов, полученных при плотности
20 40 / 2.
(j = 10 мА/см2) процесс анодирования являлся хорошо контролируемым из-за возможности изменения времени травления материала в широком диапазоне. Кроме ,
.
Рис. 4. ББЫ-шображение скола пластины 81С с пористым слоем (] = 20 мА/см2)
,
j = 40 мА/см2, все поры имеют четкую ориентацию по глубине травления, по расположению каналов травления можно определить пути протекания анодного тока.
При исследовании образцов, полученных при плотности тока j = 20 и 40 / 2, .
. , . 5,
характерна более развитая пористая поверхность с порами большего диаметра. Травление материала кристалла происходит послойно. При этом увеличение размера пор происходит не вглубь кристалла, а в стороны. Таким образом, можно , -ваются, образуются поры большего диаметра, в результате чего происходит отслаивание пористого слоя [7].
При исследовании образца, полученного при j = 40 мА/см2, обнаружено существование двух пористых слоев, между которыми находится монокристалличе-ский слой Б1С, соответствующий исходному материалу.
Толщина отслоившегося приповерхностного пористого слоя составляет около 260 нм, второй пористый слой имеет толщину около 875 нм. При этом структура пор во втором слое наиболее близка к образцу, полученному при плотности
10б
тока j = 10 мА/см2. Размеры пор в образцах, полученных при меньших плотностях тока находятся в диапазоне 30-100 нм, а в образце, полученном при плотности тока 40 мА/см2, - около 30-150 нм.
Рис. 5. SEM-изображение структуры отслоившегося пористого слоя SiC, (j = 40 мА/см2)
Рис. 6. SEM-изображение скола пластины SiC (j = 40 мА/см2)
Обобщая результаты исследований, нужно отметить, что наиболее привлекательным является использование сильнолегированного материала (более 1018 см"3), поскольку лучшее соотношение объема пор к их количеству наблюдается в образцах с высокой степенью концентрации примеси. Установлено, что отслаивание пористого слоя в образцах наблюдается в режиме анодирования с плотностью тока 20 40 / 2, .
формирования пористых слоев карбида кремния для газочувствительных сенсоров высокотемпературных устройств наноэлектроники целесообразно проводить анодирование SiC при плотности тока 10 мА/см2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Fenstra Randall M., Wood Colin E.C. Porous silicon carbide and gallium nitride: epitaxy, catalysis and biotechnology applications. - John Wiley & Sons Ltd. England, 2008. - P. 324.
2. Feng Z.C., Zhao J.H. Silicon carbide: materials, processing and devices. - Taylor & Francis, New York, 2004. - P. 402.
3. Soloviev S., Das T., Sudarshan T. Structural and electrical characterization porous silicon carbide formed in n-6H-SiC substrates // Electrochemistry Solid State of Letters. - 2003. - № 6.
- P. 22-24.
4. Soloviev S., Sudarshan T. Processing porous SiC: diffusion, oxidation, contact formation // JWBK. - 2007. - № 104. - P. 31-54.
5. Saddow S., Mynbaeva M., Smith M. C. D., Smirnov A. N., Dimitriev V. Growth of SiC Epitaxial Layers on Porous Surfaces of Varying Porosity // Applied Surface Science. - 2001. - № 184.
- P. 72-78.
6. Savkina N.S., Sorokin L.M., Hutchinson J.L. et al. Role of the defects under porous silicon carbide formation // Applied Surface Science. - 2001. - № 184. - P. 252-256.
7. . ., . ., . .
структуру пористого карбида кремния // Физика и техника полупроводников. - 2001.
- Т. 35' - Вып. 2. - С. 159-163.
8. . ., . .
// . - 2002. - . 28. - . 21. - . 48-50.
. .- . ., . . .
Светличный Александр Михайлович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; доцент; профессор.
Спиридонов Олег Борисович
E-mail: [email protected].
Тел. 88634312018.
Кафедра безопасности информационных технологий; доцент.
Линец Людмила Геннадьевна E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Коломийцев Алексей Сергеевич E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Смирнов Владимир Александрович
E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; доцент.
Волков Евгений Юрьевич
E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Svetlichnyi Alexandr Mikhailovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Professor.
Spiridonov Oleg Borisovich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634312018.
The Department of Security in Data Processing Technologies; Associate Professor.
Linets Lyudmila Gennad’evna
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
Kolomiytsev Alexey Sergeevich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
Smirnov Vladimir Alexandrovich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Associate Professor.
Volkov Evgeniy Yurievich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
УДК 537.533.2
A.H. Дмитриев, ПТ. Музыков, Таигали Сударшаи, Д.И. Чередниченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АВТОЭМИССИИ
ГРАФИТИЗИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ КАРБИДА
КРЕМНИЯ
Токи автоэлектронной эмиссии с графитизированной поверхности карбида кремния, полученной высокотемпературной диссоциацией материала в вакууме, на пять порядков превышают токи с поверхности металлов. Эффективность работы графитизированной поверхности карбид кремниевого автокатода исследована на основе триодной структуры
. -лило рассчитать распределение электрического поля и токи автоэмиссии без использования форм-фактора.
Карбид кремния; автоэмиссия; конформное отображение.
A.N. Dmitriev, P.G. Muzy’kov, Tangali Sudarshan, D.I. Cherednichenko
FIELD EMISSION FROM THE GRAPHITIZED SURFACE OF SILICON
CARBIDE
Field emission currents from the graphitized surface of silicon carbide obtained by dissociation of the material in high vacuum are five orders of magnitude higher than the currents from the surface of metals. The effectiveness of the graphitized surface of silicon carbide cathode has been investigated on the basis of an electronic micro device triode structure. Application of the confor-mal mapping method allowed calculating the density distribution of the field emission current without the use of the shape factor.
Silicon carbide; field emission; conformal mapping.
