Научная статья на тему 'Методология исследований физико-химических свойств поверхности алмазоподобных полупроводников и основные направления практических разработок'

Методология исследований физико-химических свойств поверхности алмазоподобных полупроводников и основные направления практических разработок Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
93
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Кировская Ираида Алексеевна

Раскрывается методология исследований реальной поверхности алмазоподобных полупроводников, которая включает расширение арсенала объектов исследований; приготовление их с различным габитусом и разработку соответствующих технологий; комплексное исследование поверхностных физико-химических свойств; регулирование таковых путем различных воздействий; получение и использование твердых растворов. Возможности использования сформированной методологии демонстрируются на примере одного из направлений практических разработок технологии получения полупроводниковых пленочных материалов для микроэлектроники.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Кировская Ираида Алексеевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The research procedure of physical - chemical properties of the diamond - like semi - conductors and the main trends of practical developments

The methodology of researches of the real surface of diamond like semiconductors is presented, which includes widening one dilating arsenal of the objects of researches; preparing them with various habitus and developing correspondent technologies; complex research of the surface physico chemical properties; regulation of them by different effects; obtaining and usage of solid solutions. Opportunities of using formed methodology are demonstrated on the example of one of the directions of practical developments the technology of obtaining semiconducting film stuffs for microelectronics.

Текст научной работы на тему «Методология исследований физико-химических свойств поверхности алмазоподобных полупроводников и основные направления практических разработок»

ХИМИЯ И ФИЗИКА МАТЕРИАЛОВ

И. А. КИРОВСКАЯ

Омский государственный технический университет

УДК 537.311.33+541.128+541.183

методология исследований

Физико-химических свойств

поверхности алмазоподоб-ных полупроводников и основные направления практических разработок

РАСКРЫВАЕТСЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АЛМА30П0Д0БНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, КОТОРАЯ ВКЛЮЧАЕТ РАСШИРЕНИЕ АРСЕНАЛА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ; ПРИГОТОВЛЕНИЕ ИХ С РАЗЛИЧНЫМ ГАБИТУСОМ И РАЗРАБОТКУ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ; КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ; РЕГУЛИРОВАНИЕ ТАКОВЫХ ПУТЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ; ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ.

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СФОРМИРОВАННОЙ МЕТОДОЛОГИИ ДЕМОНСТРИРУЮТСЯ НА ПРИМЕРЕ ОДНОГО ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ ПРАКТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК - ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ.

На протяжении многих лет коллективом кафедры Физической химии ведутся фундаментальные исследования реальной поверхности бинарных и более сложных алмазоподобных полупроводников, как перспективных материалов новой техники и потенциальных катализаторов[1-7].

Методология таких исследований, которая формировалась с учетом диктуемых задач, в настоящее время определяется следующими составляющими:

- расширение арсенала объектов исследований, т.е. включение в него новых, неизученных систем;

- приготовление объектов исследований с различным габитусом (в форме порошков, пленок, монокристаллов) и разработка соответствующих технологий;

- комплексное исследование физико-химических свойств реальной поверхности (структуры, примесного и фазового состава, адсорбционных, каталитических, физических);

- регулирование поверхностных свойств бинарных полупроводгников путем различных воздействий (термической обработки, ИК-, у-облучений, легирования и др.);

- получение и исследование твердых растворов.

Основные методы экспериментальных исследований:

методы получения пленок, твердых растворов, микроскопический и электронномикроскопический, рентгенографический, масс-спеюгрометрический (обзорный и элементного анализа), ИК-спектроскопические (поглощения и МНПВО), ЭПР, РФЭС, адсорбционные (волюмометрический

и пьезокварцевого взвешивания), термодесорбционный, измерения рН-изоэлектрического состояния, поверхностной проводимости и др.

Результаты таких исследований и вытекающие из них научные положения легли в основу практических разработок по:

- оптимальным условиям роста, хранения и стабилизации поверхности полупроводниковых кристаллов, пленок с заданными поверхностными характеристиками и пленочных структур;

- созданию высокочувствительных и селективных полупроводниковых сенсоров-датчиков, в том числе экологического назначения (на микропримеси СО, NH3, ацетона и др.), и на их основе - нового метода оперативной диагностики и контроля технологических и окружающей сред;

- созданию неразрушающих методов контроля работы полупроводниковых приборов;

- созданию новых катализаторов.

Коснемся одного из направлений практических разработок - технологии получения полупроводниковых пленочных материалов для микроэлектроники. Работа по этому направлению включала совершенствование технологии получения пленок полупроводников типа A"BW, A'"BV, исследование и регулирование химического состояния поверхности, ее адсорбционных и электрофизических свойств; создание и испытание опытных образцов первичных преобразователей и соответствующих сенсоров-датчиков.

В таком плане с использованием различных методов (вакуумного термического и электроннолучевого напыления, электролитического осаждения, дискретного испарения), различных подложек (стеклянных, пьезокварцевых, полупроводниковых), режимов (Тисп , Т подл., наличие или отсутствие отжига) получены пленки легированных и нелегированных полупроводников A"BVI, A'"BV. Разработана технология, базирующаяся на методах вакуумного термического напыления с последующим отжигом в парах сырьевого материала (применительно к п/п A"BVI) и дискретного испарения (применительно к п/п AIMBV ). Полученные таким путем (при наименьших затратах) пленки поликристапличны, но сплошные, гладкие, состава, близкого к составу исходных порошков (соотношение А и В не менялось).

Согласно ИК- масс-, РФЭ-спектроскопическим исследованиям, «нетренированная» (экспонированная в атмосферных условиях) поверхность пленок содержит адсорбированные Н,0, ОН-группы, СО, С02, адсорбированный и связанный (в оксиды) кислород, СО, С02, следы углерода и его водородных соединений. Исследовано изменение ее состояния при обработке инертным газом, водородом, травителями, у-облучении, легировании. Термическая обработка в потоке инертного газа ('Г=573-673 К приводит к удалению основных примесей. На поверхности остается связанный кислород. При последующем вакуумировании (Т=573-673 К; р s 1.33-10 4 Па) поверхность практически полностью освобождается от адсорбированных примесей и в значительной мере от оксидных фаз. Аналогичная ситуация наблюдается при обработке сернокислотным травителем, горячей НС1, водородной и аргоновой бомбардировках. Определены условия «тренировки» полупроводников и стабилизации их поверхности.

На основе спектров РФЭС и ЭПР удалось также заключить о составе оксидных фаз и стехиометрии поверхности.

При y-облучении на поверхности полупроводников создаются дополнительные, достаточно стабильные структурные дефекты, которые выступают либо непосредственными центрами адсорбции, либо донорами и акцепторами электронов, участвующих в адсорбционной связи. В результате повышается адсорбционная активность поверхности, облегчается диссоциация адсорбированной воды и соответственно дегидратация

поверхности. Повышением адсорбционной активности сопровождается и легирование полупроводников.

Прямыми и косвенными методами изучены адсорбционные (по отношению к Н2, 02, Н20, СО и др.) и электрофизические (изменение поверхностной проводимости Дas) свойства полупроводниковых соединений А"В^, A'"BV. Объектами исследований служили, наряду с пленками, порошки и монокристаллы. Характер опытных зависимостей (равновесные и кинетические изотермы адсорбции и поверхностной проводимости, изобары адсорбции), результаты термодинамического и кинетического анализов, ИК-спектры позволили выделить области преимущественно физической и химической адсорбции, установить природу активных центров, поверхностных соединений, механизм адсорбции. Проведены количественные оценки адсорбции и обусловленного ею изменения поверхностной проводимости.

С целью выяснения возможностей регулирования поверхностных свойств указанного типа полупроводников изученные свойства их новых представителей проанализированы как при индивидуальном, так и сравнительном рассмотрении в рядах; ZnSe, CdSe, CdS; ZnSe (Zn), ZnSe (GaAs); InSb, InAs, InP, GaAs (ZnSe). В результате были выявлены общие особенности и определенные закономерности.

К общим особенностям следует отнести слабую кислотность, в основном одинаковый примесный и фазовый состав поверхности, природу активных центров, в роли которых преимущественно выступают вакансионные дефекты и координационно-ненасыщенные атомы, внешний вид опытных зависимостей, механизм адсорбции газов (недиссоциативная химическая адсорбция СО, диссоциативная химическая адсорбция Н,0, Нг, 02).

Из закономерностей заслуживают внимания наметившиеся тенденции изменения адсорбционной и зарядовой (по изменению поверхностной проводимости) активности поверхности с составом. Так, адсорбционная и зарядовая активность растут в последовательностях: по отношению к СО - CdS—>CdSe-»ZnSe, по отношению к H20-ZnSe->ZnSe(Zn)->ZnSe (GaAs); InSb -> InAs InP, по отношению к Нг - InSb -»InAs -»InP, по отношению к 02 - InP -»InAs - > InSb.

При сопоставлении адсорбционной активности пленок и порошков обнаружена повышенная активность пленок. При этом основные закономерности, кинетические и термодинамические характеристики практически одинаковы, т.е. подтверждается сделанный ранее [1] вывод о сохранении при изменении габитуса образцов алмазоподобных полупроводников локальных активных центров, ответственных за адсорбционные процессы.

Количественные оценки адсорбции (порядка 10° ммоль/ мг) и обусловленного ею изменения поверхностной проводимости показали достаточно высокую избирательную чувствительность поверхности полученных пленок по отношению либо к СО, либо к парам Н20, либо к 02 уже при комнатной температуре.

В итоге предложены новые материалы в качестве первичных преобразователей и сенсоры-датчики на микропримеси Н20 (на основе GaAs, ZnSe, нелегированного и легированного Zn, GaAs), СО (на основе ZnSe CdSe CdS) и других газовых компонентов [8-15].

Так, датчик влажности газов состоит из полуизолирующей подложки, нанесенной на нее авоэпитаксиальной пленки арсенида галлия и металлических электродов. Пленка GaAs легируется теллуром, что приводит к появлению дополнительных адсорбционных центров, по сравнению с пленкой, покрытой естественным оксидом, к повышению активности, степени заряжения поверхности и, как следствие, к повышению ее чувствительности к молекулам воды. Причем, легирование обеспечивает большую чувствительность датчика, по сравнению с нанесением фторированного оксида.

Аналогичными по устройству и принципу действия, являются датчики влажности газов на основе селенида цинка, нелегированного и легированного цинком, либо арсенидом галлия. Последний отличается наибольшей чувствительностью, технологичностью и сроком службы.

Использование таких сенсоров-датчиков позволяет, в частности, избежать дополнительных трудностей при изготовлении интегральных схем и соответствующих устройств, связанных с влиянием воды на поверхностные характеристики полупроводниковых пленок, их границ раздела, а также при эксплуатации катализаторов.

Датчики на микропримеси оксида углерода состоят из непроводящей подложки, поликристаллической пленки либо ЕпБе, либо Сс)5е, либо Сс^Б и металлических электро-дов. Как показал анализ кривых температурной зависи-мости адсорбции, изотерм поверхностной проводимости, описанные датчики позволяют определять содержание микропримесей оксида углерода в газах уже при комнатной температуре при повышенной (- в 2,5-3 раза) чувствительности, необходимой избирательности и технологичности изготовления.

Оригинален сенсор-датчик на основе антимонида индия, представляющий собой пьезокварцевый резонатор АТ-среза с нанесенной сорбирующей пленкой (пЭЬ. По изменению частоты колебания с помощью хроматограммы производится обнаружение, идентификация и количественная оценка компонентов газовой смеси. Такое устройство, как следует из анализа хроматограмм, позволяет, благодаря повышению чувствительности, определять содержание более широкого спектра газовых компонентов (включая водород) в токе газа-носителя и с более высокой точностью, по сравнению с датчиком, содержащим палладиевую пленку [16 ].

В настоящее время испытываются и другие аналогичные сенсоры-датчики.

На эти разработки поступили заказы от ряда организаций г. Омска: «Омскнефтехимавтоматика», «Электроточ-прибор», ОНИИ П и др.

Обобщая результаты одного из затронутых направлений практических разработок, следует отметить, что арсенал полупроводниковых сенсоров-датчиков в последние годы продолжает интенсивно пополняться. При этом определенную роль сыграло получение и использование новых материалов на основе алмазоподобных полупроводников с регулируемыми поверхностными характеристиками. Это делает возможным создание метода оперативной диагностики и контроля, включающего в себя систему полупроводниковых сенсоров-датчиков. Как основные элементы метода, они характеризуются, среди многих других преимуществ, высокой избирательной чувствительностью (не хуже 10"" См/Па), высокой температурной и временной стабильностью (постоянная по времени до 2-Ю"' с), очень малым весом (0,02-0,03 г), простотой конструкции, компактностью, простотой технологии изготовления.

Таким образом, формируется эффективное средство для разрешения наболевших экологических проблем.

Литература

1. Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Адсорбция газов. Иркутск: ИГУ, 1984.-186 с.

2. Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Твердые растворы. Томск: ТГУ, 1984.-160 с.

3. Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Химический состав поверхности. Катализ. Иркутск: ИГУ, 1988.-220 с.

4. Кировская И.А. Адсорбционные процессы. Иркутск: ТГУ, 1995.-300 с.

5. Кировская И.А. Возможные пути управления свойствами поверхности алмазоподобных полупроводников и некоторые аспекты их практической реализации // Изв. РАН. Неорганические материалы, 1994. Т. 30, № 2. С. 147152.

6. Кировская И.А. Физико-химические свойства поверхности соединений lnBv// Изв. РАН. Неорган, материалы, 1999. Т. 35, №4. С. 1-6.

7. Кировская И.А., Ложникова Т.В., Азарова О.П., Скворцова Н.Г., Липин В.В. Получение, структура, химический состав и адсорбционные свойства (по отношению к СО) поверхности пленок соединений A"BVI// Деп в ВИНИТИ, 1999. - № 1025-В99,- 13 с.

8. Патент № 1798672. Датчик влажности газов / И.А. Кировская, A.B. Юрьева, Е.Д. Скутин, В.Г. Штабнов. -1993.

9. Патент № 4829. Электрический детектор для колоночной хроматографии / И.А. Кировская, O.A. Старцева, A.B. Юрьева. -1995.

10. Патент №5652. Полупроводниковый анализатор/ И.А. Кировская, O.A. Старцева,- 1998.

11. Патент № 2125260. Датчик влажности газов / И.А. Кировская. -1999.

12. Патент № 2141639. Пьезорезонансный датчик влажности газов / И.А. Кировская, O.A. Федяева. - 1999.

13. Патент № 2161794. Полупроводниковый датчик влажности газов / И.А. Кировская. - 2001.

14. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2000110044128 от 12.04.2000. Газовый датчик / И.А. Кировская, О.П. Азарова.

15. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2000121327128 от 28.08.2000 г. Датчик угарного газа / И.А. Кировская, О.П. Азарова, Н.Г. Скворцова.

16. KingW.H., Jr. Using guartz crystal as sorption detectors // Res. Develop, 1969. Vol, 20, N 2. P. 28-34; N 5. P. 29-33.

Кировская Ираида Алексеевна - Омский государственный технический университет, заведующая кафедрой физической химии, доктор химических наук, профессор.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.