CC BY
6Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского Серия «Физико-математические науки». Том 23 (62). 2010 г. № 3. С. 187-192
УДК 621.315.592 (PACS 621.315.592)
ОТРИМАННЯ ТА ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПОРУВАТОГО ШАРУ GaP Яценко Ю.1.1, Шдалов В.В.1, Сукач Г. О.2
1 Бердянський державный педагог1чний утверситет, Бердянськ, Украта
2 Национальный утверситет 6юресурс1в i прыродокорыстування Украгны, Кыгв-041, Украта
E-mail: shadow jura@mail.ru
У робота розглянуто метод отримання пористого слою на монокристал1чнш поверхт фосфвду галш за допомогою методу електрохiмiчного травлення у розчиш HF:C2H5OH. Доанджено морфолопю та хiмiчний склад отримано! поверхнi. У результатi експерименту було встановлено, що утворилася макропориста поверхня, ii хiмiчний склад показав, що поруватий шар достатньо стшкий до окислення. Km4aei слова: фосфвд галш, електрохiмiчне травлення, метод EDAX, поруватий шар.
ВСТУП
Нанокристатчш матер1али — нанокомпозити (НК) привертають увагу дослщниюв дякуючи яюсно новим властивостям, яю вщсутш в тих же речовинах в чисто аморфнш або кристатчнш фазах [1,2]. Ц властивосп обумовлеш як дуже великою питомою поверхнею меж роздшу м1ж нанокристалами, так i проявом кваитово-розм1риих ефекпв в окремих нанокристалах. Характерним прикладом матерiалiв цього класу може служити пористий кремнш, властивостi якого штенсивно вивчаються останнiм часом [3-5]. Разом з детальшшим дослiдженням структури пористого кремшю i спробами однозначно штерпретувати природу його iнтенсивноl фотолюмiнесценцil (ФЛ) робляться спроби одержати подiбнi наноструктуроваш (пористi) НК на основi шших напiвпровiдникiв. По-перше, порiвняння i аналiз властивостей цих НК можуть допомогти виявити мехашзми фотолюмiнесценцil i, по-друге, новi НК представляють iнтерес самi по собi як новi матерiали на основi вiдомих сполук.
Велика кшьюсть робiт, присвячених отриманню i дослiдженню властивостей пористого кремнiю, шщшована знайденою можливiстю трансформацil фiзико-хiмiчних властивостей початкового матерiалу (кремнiю) за допомогою достатньо простого способу дп, а саме — анодного травлення. Представлясться вельми перспективним розширення обласп застосування цього способу на iншi напiвпровiдниковi матерiали, зокрема на фосфщ галiю, що е одним з перспективних матерiалiв напiвпровiдниковоl електронiки. У разi позитивного результату це дозволить розширити спектральний дiапазон люмiнесцентноl електрошки, а також створити новi типи свггло дiодiв i лазерiв. Крiм того, використовуючи пористий фосфiд галда (por-GaP) як промiжний шар, можна одержати новi типи гетеропереходiв. Спроби, зроблеш в цьому напрямi, показали, що ця проблема може бути устшно розв'язана. Особливий штерес може викликати зютавлення властивостей пористих структур, виготовлених з таких рiзних по сво!х фiзико-хiмiчних властивостях матерiалiв, як кремнiй i фосфiд галда.
У попередшх роботах нами вже були зроблеш успiшнi спроби отримати поруватий шар на монокристалiчному фосфад галiю. У роботi [6] було отримано пористий GaP та дослщжено його випромiнювальну рекомбiнацiю. У робот [7] було зроблено вдалу спробу осадження нанорозмiрних частинок CdSe на розвинену поверхню пористого GaP. У данш роботi було отримано порувату структуру фосфщу галiю за допомогою вдосконалено!, у порiвняннi з шшими спробами, методикою електрохiмiчного травлення монокристатчно! пiдкладки. Та було вперше проведено рентгеноструктурний аналiз та дослiджено морфолопю отриманих за даною методикою зразюв.
1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ
Для експерименту нами були використаш зразки монокристатчного фосфiду галiю з дзеркально гладкою поверхнею (111), легованi телуром до концентрацп n = 1-1017 см-. Усi зразки мають гладку поверхню навiть на атомному рiвнi та не мають домiшкiв iнших хiмiчних елементiв адсорбованих до поверхш монокристалiчного GaP. Останнш факт пiдтверджуeться тим, що фосфщ галiю е дуже стiйким вщносно впливу навколишнього середовища [8].
При попередшх дослщженнях динамiки пороутворення на поверхш монокристатчного GaP, нами було визначено, що ядра нових пор зароджуються при постшнш напрузi пороутворення U . Також нами було визначено, що для
монокристалу з такими параметрами напруга пороутворення складае 16-17 В. За допомогою растрового електронного мшроскопу було показано, що найефектившше для утворення пористого шару використовувати кисле середовище HF:C2H5OH у сшввщношенш 1:1. Спираючись на щ данш попередшх дослщжень ми встановили, що оптимальш параметри системи катод(платина)-електролгг-анод(зразок GaP) будуть наступнi: електролгг - кисле середовище HF:C2H5OH; напруга пороутворення 16-17 В; щшьнють струму створення порувато! структури j = 80мА / см2.
На першому еташ експерименту монокристатчний зразок фосфiду галiю пiддавався електрохiмiчному травленню на протязi 10 хв. при напрузi пороутворення. Це привело к зародженню нових ядер пор на поверхш монокристалу, густина яких склала приблизно 80% вщ загально! площi монокристалу. На другому еташ було збшьшено щiльнiсть струму до 80 мА/см2. Зразок травився при таких умовах ще 10 хв. Пюля створення пористого шару зразок шддавався старiнню на протязi тижня.
Результати дослщження хiмiчного складу на растровому електронному мшроскот показали що на поверхш вщсоткова доля домшок складае близько 1%, а часткова доля кисню 0,43%. Завдяки цьому можна стверджувати, що пориста поверхня е вщносно чистою.
2. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ГХ ОБГОВОРЕННЯ
Пiд час старiння на протязi тижня зразки проявили досить високу стшюсть до впливу зовшшнього середовища. За допомогою методу енерго-дисперсшного аналiзу рентгенiвських променей (EDAX) було дослщжено хiмiчний склад поверхнi зразка. Результати хiмiчного аналiзу представленi на спектрограмi рис. 1, а кшьюсна доля кожного з елементiв у процентному сшввщношенш представленi у таблиц 1.
Рис. 1. Спектрограма хiмiчного складу порувато! поверхнi отримана методом EDAX.
Таблиця 1
Кiлькiсний вмют хiмiчних елементiв на поверхнi зразка
Хiмiчний елемент О F Р Ga Пiдсумок
Вмют хiмiчного елементу, % 0.51 0.04 30.28 69.17 100.00
За результатами хiмiчного аналiзу можна зробити висновок, що поруватий фосфщ галiю досить стiйкiй до впливу зовшшнього середовища, та досить слабко окислюсться. Крiм того, речовини, як приймають учать у процесi травлення, майже не впливають на склад поверхш.
На рис. 2. приведено фотографш морфологи поруватого шару фосфщу галiю отриману на растровому електронному мшроскош. Дiаметр пор складае вщ 0,5 до
1,5 мкм. Як ми можемо судити з фотографil, пори розташоваш у хаотичному порядку. Дослщивши скол поруватого шару на растровому електронному мжроскош ми визначили, що вш мае товщину 10 мкм, та складну ветвисту структуру.
гщ !>;%,
JT^ % Ш__
Рис. 2. Зображення пористого слою фосфiду галш.
Травлення монокристалiчного зразку за використаною у данiй роботi методикою призводить до появлення основних ядер пор, при напрузi поро виникнення, як розмщеш на мiсцях виходу на поверхню дислокацiй, або iншого роду дефек^в поверхнi. Коли щiльнiсть струму при травленш зразку досягае максимального значення, це е свщченням того, що щшьнють пор на поверхш досягла максимального значення i далi розпочинаеться збiльшення пор углиб монокристалу. Шд час збiльшення пор вглиб зразку з'являються додатковi пори як розмiщенi радiально до основно!' пори та перпендикулярно до напрямку íi росту. Ц додатковi пори iнодi утворюються на стiльки близько одна до одно!', що стшки мiж сусiднiми порами стають досить тонкими, i руйнуються пiт дiею внутршнього тиску, який виникае в середиш пор пiд час травлення. Цим можна пояснити своерщш розтрави яю ми можемо спостерiгати на рис. 2 навколо основних ядер пор.
На рис. 3. приведено результати рентгеноструктурного аналiзу пористо!' поверхш. Фазовий аналiз закристалiзованих областей визначали за допомогою рентгешвсько!' установки ДРОН-3 (Си-Ка- випромiнювaння). По результатам зйомки виконувався яюсний фазовий aнaлiз, який давав можливють провести iдентифiкaцiю кристaлiчних фаз. На рентгеногрaмi присутнi, крiм основних пЫв, невеликi додaтковi пiки. Появу цих пЫв можна пояснити паразитичним впливом Си-Кр опромiнення.
Рис. 3. Рентгенограма порувато! поверхнi фосфiду галiю.
На отриманих експериментально графшах ми також бачимо, що присутнi тiльки полоси, якi вщповщають матерiалу GaP. Якщо на поверхш, або в об'eмi кристалу були присутш iншi елементи, або матерiал був би полiкристалiчним, то на рентгенограмi були б присутнi й полоси, яю не вiдповiдають фосфщу галiю. Це свiдчить про те, що як об'емний зразок, так i пористий шар мають монокристатчну структуру, не мають оксидiв та шших елементiв. Або !х вщсоткова доля на стiльки мала, що ними можна знехтувати.
У подальшому плануеться провести дослiдження поруватого шару за методом ковзаючого опромiнення. Це дозволить проаналiзувати поруватий шар, виключаючи вплив об'емного зразка на результати експерименту, та бшьш детально провести дослщження поруватого шару.
ВИСНОВКИ
У данш роботi нами був отриманий пористий шар на поверхш монокристатчного фосфщу галлiю п-типу. Зразки монокристатчного GaP пiддавалися електрохiмiчному травленню в розчиш HF:C2H5OH в процентному сшввщношенш 1:1.
За допомогою дослiдження пористого шару на растровому електронному мшроскот ми визначили морфолопю поруватого шару, дiаметр пор, щiльнiсть поруватого шару та товщину поруватого шару. Методом EDAX було визначено хiмiчний склад поверхш поруватого шару.
Проаналiзувавши рентгенограму було зроблено висновок, що як об'емний зразок, так i пористий шар мають монокристалiчну структуру, не мають оксидiв та шших елеменив. Або 1х вщсоткова доля на стiльки мала, що ними можна знехтувати.
Планусться подальше дослщження зразюв, для бiльш детальнiшого дослщження структурних змiнень.
Список лiтератури
1. Characterization of porous GaP by photoacoustic spectroscopy: The relation between band-gap widening and visible photoluminescence / Kuriyama K., Ushiyama K., Ohbora K., Miyamoto Y., Kaked S. // Phys. Rev. B. - 1998. - V. 58. - P. 1103-1105.
2. Интенсивная фотолюминесценция в пористом фосфиде галлия / Белогорохов А.И., Караванский В.А., Образцов А.Н., Тимошенко В.Ю. // Письма в ЖЭТФ. - 1994. - Т. 60. - Вып. 4. -С. 262-266.
3. Campbell I.H. The effects of microcrystal size and shape on the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors / Campbell I.H., Fauchet P.M. // Solid State Commun. - 1986. - V. 58. - P. 739.
4. Cullis G. The structural and luminescence properties of porous silicon / Cullis G., Canham L.T., Calcott P. D. J. // J. Appl. Phys. - 1997. - V. 82. - P. 909.
5. Kashkarov P.K. Photonic bandgap materials and birefringent layers based on anisotropically nanostructured silicon / Kashkarov P.K., Goovan L.A., Fedotov A.B. // J. Op. Soc. Am. B. - 2002. - V. 19. - P. 2273.
6. Процеси випромгнювально! рекомбшаци в поруватих структурах n-GaP, отриманих методом електролггичного травлення в кислотних розчинах на основ! HF та H2SO4 / Сукач Г.О., Юдалов В.В., Богословська А.Б., Яценко Ю.1. // Ф1зика i ым1я твердого тша. - 2009. - Т. 10. - № 2. - С. 476-481.
7. Фотолюминесценция наночастиц CdSe в пористом GaP / Бачериков Ю.Ю., Охименко О.Б., Оптасюк С.В., Яценко Ю.И., Кидалов В.В., Коломинская Е.В., Ваксман Ю.Ф. // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. - № 11. - С. 1473-1476.
8. Исследования структуры пористого фосфида галлия / Заварицкая Т.Н., Караванский В.А., Квит А.В., Мельник Н.Н. // ФТП. - 1998. - Т. 32. - вып. 7. - С. 235-240.
Яценко Ю.И. Получение и исследование пористого слоя GaP / Яценко Ю.И., Кидалов В.В., Сукач Г.О. // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия: Физико-математические науки. - 2010. - Т. 23(62), №3. - С. 187-192.
В работе рассмотрен метод получения пористого слоя на монокристаллической поверхности фосфида галлия с помощью метода электрохимического травления в растворе HF: C2H5OH. Исследованы морфология и химический состав полученной поверхности. В результате эксперимента было установлено, что образовалась макропористая поверхность, ее химический состав показал, что пористый слой достаточно устойчив к окислению.
Ключевые слова: фосфид галлия, электрохимическое травление, метод EDAX, пористый слой.
Yatsenko Y.I. Preparation and investigation of the porous layer GAP / Yatsenko Y.I., Kidalov V.V., Sukach G.O. // Scientific Notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. - Series: Physics and Mathematics Sciences. - 2010. - Vol. 23(62), No.3. - P. 187-192.
The paper presents a method of obtaining a porous layer on a monocrystalline surface of gallium phosphide by the method of electrochemical etching in a solution of HF: C2H5OH. The morphology and chemical composition of the surface. The experiment was established that was formed macroporous surface, its chemical composition showed that the porous layer is sufficiently stable to oxidation. Keywords: gallium phosphide, electrochemical etching, the method of EDAX, porous layer.
Поступила в редакцию 11.11.2010 г.
