CC BY
31
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.315.592
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ОТРИМАННЯ ПОРУВАТИХ ПЛ1ВОК GAAS З ВИКОРИСТАННЯМ НЕЧ1ТКОГО КОНТРОЛЕРА
ОКСАНИЧ А.П., ЧЕБЕНКО В.М., ПРИТЧИН С.Е., КОГДАСЬ М.Г., МАЩЕНКО М.А.
Дослвджуються структури gaas:sn-gaas: si, на яких фо-рмувався поруватий шар, який отримували анодним травленням з боку структури n-gaas:si. в hf:h2o в р1зних пропорщях. управлшня травленням виконуеться за до-помогою нечеткого контролера, який враховував кон-центрацш кислоти, навколишню температуру, вихь дну напругу та струм. методом фотолюмшесценци до-слщжуеться вплив морфологи поруватого шару на спектри випром1нювання. застосування нечеткого контролера дозволяе отримувати порувап пл1вки з максимальною р1вном1ртстю поруватосп. Ключовi слова: контакт Шоттки, поруватий шар, gaas, нечеткий контролер.
Кеу words: schottky contact, porous layer, gaas,.fuzzy
controller
1. Вступ
Отримання пл1вок поруватого GaAs (por-GaAs) з високою щшьшстю розпод1лу шр е досить склад-ним завданням. Але завдяки швидкому розвитку технолог^ виготовлення, в даний час можна дося-гти високо! якост структури por-GaAs в набагато проспший спос1б та бшьш низько! соб1вартосп. Одним з можливих способ1в е використання елек-трох1м1чних метод1в травлення з вщповщним роз-чином електролгту.
Por-GaAs розр1зняють залежано вщ типу пoр i !х детально! структури або морфологи (х1м1чних) властивостей поверхш i поведшки старшня в пов> тр1. Це особливо важливо для датчиюв, конструк-щя яких заснована на por-GaAs. Таю параметри, як геометричний тип пoр (мшро, мезо, макро), основ-ний режим зростання, морфолопя (губчастий, фрактальний, сильно розгалужеш та з'еднаш м1ж собою, злегка розгалужеш i не з'еднаш м1ж собою, прям1 i цил1ндричш), а також вторинш або похвдш параметри, таю як поруватють, товщина, розподш пор за розм1рами випливають з властивостей por-GaAs. [1].
Таким чином, виробництво будь-яких пристро!в, заснованих на por-GaAs, повинно враховувати особливосп процесу травлення, який завжди буде
в основi технологи виготовлення цього матерiалу. Про процеси, що вiдбуваються в ходi пороутво-рення, можна судити як по динамщ основних па-раметрiв системи, так i по остаточно сформованiй морфологи порувато! структури. В даний час юнуе нагальна потреба подальшого дослщження системи вирощування поруватих шарiв з метою розвитку нових пiдходiв до створення загально! теори пороутворення у напiвпровiдниках [2-4].
2. Постановка задачi
Стандартнi установки вирощування поруватих плiвок не в повнш мiрi задовольняють вимогам якостi поруватого шару [5, 6]. Можливють покра-щити функцiонування таких систем полягае в до-даваннi верхнього рiвня керування, який буде фо-рмувати задаючий вплив. Але таке ршення сут-тево пiдiймае вартiсть за рахунок додаткових апа-ратних i програмних компонентiв. Альтернативою може бути реалiзацiя неч^ко! експертно! системи, яка в автоматичному режимi за допомогою додаткових сенсорiв зможе самостшно визначати ба-жанi задаючi впливи для досягнення потрiбноl якостi поруватого шару.
Складнють цього пiдходу полягае в необхщносп складання повно! бази правил нечггко! системи i недослщженому способi реалiзацil алгоритму не-чггкого логiчного висновку програмними засо-бами.
Найбшьш доцiльно ввести в систему керування ш-формацiю про склад розчину електролiту, його температуру, напругу та бажану поруватiсть плiвки. Вщповщно, значення цих показникiв будуть осно-вними вхiдними лiнгвiстичними змiнними. Результатом розрахунку алгоритму нечггкого висновку е рекомендоване значення струму анодизаци. 1снуе залежнiсть ВАХ, концентраций розчину пла-виково! кислоти та температури розчину при анодному травлеш напiвпровiдникiв, яка враховуе за-лежнiсть струму анодизаци та напругу, що дае змогу задати бажану поруватють поруватого шару [7]. При анодизаци струмом необидно контролю-вати напругу, котра дае змогу визначити заюн-чення процесу вирощення поруватого шару перед електрополiруванням.
3. Отримання поруватого шару СаЛ8 До^дження впливу анодного травлення було ви-конано на пiдготовлених епiтаксiйних структурах «ОаА8:8и - GaAs:Si». Як тдкладка використову-валася сторона n+-GaAs:Sn товщиною 400 мкм з концентрацiею носив заряду 1018 см-3, на шарi п-GaAs:Si товщиною 20 мкм з концентращею носив
заряду 1016 см-3. Як травник використовувався ро-зчин HF:H2O в рiзних пропорцiях. Перед формуванням поруватого шару структури знежирювали шляхом послiдовних занурень в ор-ганiчнi розчинники трихлоретилена, ацетону, метанолу, потiм промивали дiонiзiрованою водою i сушили сухим азотом протягом 10 хвилин. Поверхня пористого шару дослщжувалася за до-помогою фотолюмшесценци, яка вимiрювалася при юмнатнш температурi спектрофотометром МДР-23. Поруватiсть шару визначалася гравiмет-ричним методом на вагах AXIS ANG200C. В процеш техшчно! реатзаци системи було вико-ристано двi електричнi шафи, в яких розмiщено обладнання iз супутшми монтажними елемен-тами. Для вирощування поруватих шарiв було об-рано однокамерну комiрку. При проектуваннi було синтезовано структурну схему, яку зобра-жено на рис. 1 (a - затискачц b - шпильки затис-кача; c - фторопластова комiрка; d - електролгги-чний концентрат; e - iзолююча пiдкладка; f - пластина (зразок GaAs); g - омiчний електрод; i - штатив; j - платиновий електрод; k - цифровий сенсор температури.
6 мережевий концентратор
2 Програмованлй
логгчняй м1кроконтролер
3 модуль вводу
ЦИСррОБИХ
t.V h.'jnih
4 графина сенсорна панель
7 персональной комп'готер
5 програмований блок живлення
с
е
9 f
Рис. 1. Структурна схема нечггко1 системи керування вирощування поруватого шару
Налаштування Por_sys 1 у редактор! FIS Editor зо-бражено на рис. 2.
Дана система складаеться з чотирьох вхщних па-раметр1в:
- температура розчину кислоти - С, 0С;
- концентращя кислоти, %;
- напруга - U, B;
- бажана поруватють, %.
При налаштуванш ус1х терм1в було обрано трапе-цещальну форму функцш.
Рис. 2. Налаштування Por_sys1 у редакторi FIS Editor (алгоритм Сугено 0-го порядку)
Вихiдним сигналом OUT е струм анодизацп. Налаштування констант вказано у табл. 1. Було та-кож сформовано низку правил для неч1тко1 експе-ртно1 системи.
Таблиця 1. Встановлення констант вих1дного сигналу
Струм (мА) 0 10 20 40 60
Назва конста- нти Zero Small Mid High Max
Пюля внесення правил було отримано значення роботи системи, як наведено у табл. 2. Таблиця 2. Результати роботи системи, отримаш в пакета MatLab/Fuzzy Logic Toolbox
Показник С, Кис- U, Por, OUT
0С лота, B % mA
%
Значення 10 13 7 23 20
20 20 20 45 30
30 40 25 68 40
30 40 70 75 0,05
Пюля проведения ряду експерименпв було отримано зразки поруватих шар1в з р1зними характеристиками, що дало можливють пор1вняти отри-маш експериментальш даш з заданими параметрами неч1тко1 системи. Результати наведено у табл. 3.
Таблиця 3. Результати порiвияния задано1 поруватостi з отриманою
Показ- С, H U, P, % P, % OUT
ник 0С F, B (зада (отри- ,
% -на) мана) mA
Значення 10 13 7 23 24 20
20 20 20 45 43 30
30 40 25 68 70 40
30 40 70 78 75 0,05
40 35 2 70 71 15
Визначення поруватосп отриманих шар1в прово-дилося грав1метричним методом. У роботах [8, 9]
наведено опис гравшетричного методу стосовно поруватосп кремшю i запропоновано такий вираз: (т1 - Ш2)
Р(%) = ■
(1)
(Ш1 - Ш3) '
де т1 - маса структури до анодування; ш2 - маса структури тсля анодування; ш3 - маса структури стравленого поруватого слою. Вщносна похибка мiж заданою та вимiряною по-руватiстю не перевищуе ±3,8% Для аналiзу морфологи шарiв por-GaAs в роботi вивчалися спектри фотолюмшесценци вщпо-вiдно до [10]. Фотолюмшесценщя (ФЛ) збурюва-лася лазером з довжиною хвилi 405 нм. Спектри ФЛ вимiрювалися при юмнатнш температурi. При збуреннi ФЛ отриманих шарiв було виявлено яскраве випромшювання в зелено-жовтому дiапа-зонi хвиль.
600 700 800 900 1000
а
1
0,9 0.8 0.7 0.6
0.5 0.4 0,3 0.2 0,1 о
500 600 700 800 900 1000
ь
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 ОД 0,1 о
/
1
300 400 500 600 700 800 900 1000
с1
0,9 0,8 0.7 0,6 0.5 0,4 0.3 0,2 0.1 О
1
300 400 500 600 700 800 900 1000
е
Рис. 3. Фотолюмшесценщя зразюв поруватого ОаА8: а - <1 - зразки, анодоваш удосконаленим методом; е - зразок, анодований постшним струмом
Спектри фотолюмшесценци зразюв, отриманих у разi анодування як запропонованим методом, так i постшним струмом, без врахування зовшшшх факторiв наведет на рис. 3. Спектр фотолюмшесценци зразка (див. рис. 3, d) характеризувався одшею гострою шковою смугою в област фундаментального поглинання GaAs (ширина заборонено! зони Eg = 1,424 еВ), з максимальною довжиною хвил^ центровано! на 864 нм, шякого ш-шого випромiнювання не спостерiгаеться. Це пов'язано з процесом мiжзонно! рекомбшаци в> льних носi!в у прямш забороненiй зонi c-GaAs. У робот [11] йдеться про те, що нанокристали GaAs випромiнюють видимий шк люмiнесценцi! з енергiями вище заборонено! зони непоруватого GaAs. На рис. 3 наведет спектри п-ОаА8 (див. рис. 3, d) i поруватого зразка, вирощеного при постiйному струмi анодування (див. рис. 3, е). Спектр зразка (див. рис. 3, е) можна роздшити на двi смуги: смуга за 1,424 еВ (X = 864 нм) у ближ-ньому 1Ч-дiапазонi i смуга за 2,28 еВ (X = 530 нм), «зелена» смуга. Положення шку смуги X = 864 нм було таким, як i зразок непоруватого GaAs, але з меншою iнтенсивнiстю.
с
6
Р&!, 2019, №2
Дотепер походження зелено! смуги вивчено не-достатньо. Найрозумшшим припущенням походження зелено! смуги [12] е те, що зелене свiтло випромiнюeться нанокристалгами GaAs. Осю-льки край поглинання GaAs дорiвнюе 1,424 еВ, найлопчшшим поясненням спостережуваних спектральних ефектiв е квантове обмеження у кристалiтах GaAs нанометрового розмiру. У при-сутноста оксидiв цей ефект квантового утримання посилюеться [13], тому що оксиди не можуть бути безпосередньо вщповщальш за люмшесцен-цiю внаслiдок того, що кра! поглинання Ga2Oз i А820з становлять 4,77 i 2,92 еВ при юмнатнш те-мпературi вiдповiдно, отже, е оптично прозорими у дiапазонi 1,5-2,5 еВ [14].
Це припущення може бути обгрунтоване за допо-могою аналiзу спекав ФЛ-зразкiв n-GaAs, ано-дованих струмом з використанням неч^кого регулятора (зразки на рис. 3, а - 3, с). Спектр ФЛ-зразка (рис. 3, а) можна подшити на чотири смуги; слабка 1Ч-смуга, на 890 нм, що злегка зм> щена у червону сторону порiвняно iз непорува-тим GaAs, iнтенсивна зелена смуга, розмщена на 540 нм, слабка синя смуга, розташована на 426 нм, УФ-смуга, розташована на 362 нм. Неве-лике червоне змщення пов'язане з екстремаль-ними коливаннями провщноста i валентно! зони, викликаними дефектами i нерiвностями поверхнi в поруватому шарь Таю флуктуаци спричиненi проникненням зарядiв у заборонену зону, вщпо-вiдно до термодинамiчно! функцi! стану, i мають змiнюватися пiд час виготовлення рiзних порува-тих птвок. Слабкi смуги на 426 i 362 нм пов'язанi з емюею, яка визначаеться оксидом Ga або As. Вiдноснi iнтенсивностi як зелено!, так i 1Ч-смуги фотолюмiнесценцi! суттево залежать вiд пiдготовки зразка. Зазвичай, iз посиленням ш-тенсивностi зелено! ФЛ штенсившсть 1Ч-ФЛ сла-бшае, й 1Ч-смуга завжди слабкiша, шж у непору-ватого GaAs.
Спектри ФЛ-зразюв (рис. 3, Ь i рис. 3, с), отриманi за рiзними поруватостями 70 i 43% вщповщно, за-галом схож!, i демонструють iнтенсивну зелену смугу довжиною 540 нм, синю смугу i УФ-смугу у тих же положеннях пЫв. Зникнення 1Ч-смуги можна пояснити формуванням однорщного по-руватого шару. Вщносно висока iнтенсивнiсть при юмнатнш температурi зелено! смуги у нано-кристалах GaAs-зразкiв (рис. 3, а - 3, с) порiвняно з с-GaAs показуе, що кристал^и нанометрового розмiру переважають у випромшюванш свiтла. У
зразку (рис. 3, е) 1Ч-смуга домiнуe у випромшюванш разом зi слабкою зеленою смугою. Слабка зелена смуга пояснюеться неналежним створенням поруватого шару. Докладне вивчення зелених смуг, пов'язаних iз нанокристалiтами, для усiх зразкiв виявляе рiзнi довжини хвиль за шково! iнтенсивностi: 543,6 нм (зразок на рис. 3, a), 551,0 нм (рис. 3, b), 543,6 нм (рис. 3, с), 536,2 нм (рис. 3, d), i 528,7 нм (рис. 3, е). Аналiз результат за розмiрами кристалiтiв вказуе на тенденщю зменшення випромшювано! енерги iз зменшенням розмiру кристалiтiв, що наведено на рис. 3. Це суперечить тому, що вияв-лено у нанокристалах Si, де зменшення розмiру кристалтв спричиняе збiльшення випромшюва-но! енерги. Проте обчислення псевдопотенщалу у нано-кристалiчному GaAs, що наведет в робота [15], вказують на можливе зменшення енерги для дiаметра кристалла, меншого за 2 нм, внаслщок зменшення ширини заборонено! зони, що ру-хаеться вiд точки Г до точки L зони Бршлюена. Тому ми вважаемо, що нашi результати збта-ються з результатами роботи [15], оскшьки ми спостер^али цей ефект у наших зразках з роз-мiром кристалтв у дiапазонi вiд 3,8 до 2,4 нм. 4. Висновки
Удосконалено метод отримання поруватого шару на тдкладках n-GaAs, який вирiзняеться застосу-ванням неч^ко! експертно! системи. Визначено параметри системи, що дозволяють отримувати порувата плiвки з максимальною рiвномiрнiстю поруватостi.
Установлено, що спектри ФЛ-зразюв, отриманi за рiзними поруватостями, загалом схож!, i демонструють штенсивну зелену смугу довжиною 540 нм, синю смугу i УФ-смугу у тих же положеннях пшв. Зникнення 1Ч-смуги можна пояснити формуванням однорщного поруватого шару. Вщносно висока iнтенсивнiсть при кiмнатнiй температурi зелено! смуги у нанокристалах GaAs-зразюв пор!вняно з GaAs показуе, що кри-сталiти нанометрового розм!ру переважають у випромшюванш св^ла. Слабка зелена смуга по-яснюеться поганим створенням поруватого шару. Лггература:
1. Parkhutik V. Porous silicon-mechanisms of growth and applications // Sol. St. El. 1999. Vol. 43. P. 1121-1141.
2. Mimura H., Matsumoto T., Kanemitsu Y. PL properties of porous Si anodized with various light illuminations // Appl. Surf. Sci. 1996. V. 92. P. 396-399.
3. Andrianov A.V., Polisski G., Morgan J. et al. Inelastic light scattering and X-ray diffraction from thick free-standing porous silicon films // J. of Luminesc. 1999. Vol.80. Р.193-198.
4. Boehringer M., Artmann H., and Witt K. Porous silicon in a semiconductor manufacturing environment // J. Mi-croelectromech. Syst. 2012. V. 21(6). P. 1375-1381.
5. Smith A. Pyrosol deposition of ZnO and SnO2 based thin films: the interplay between solution chemistry, growth rate and film morphology // Thin Solid Films. 2000. V. 300. P. 47-55.
6. Erlebacher J., Sieradzki K. and Searson P.C. Computer-Simulations of Pore Growth in Silicon // I Appl. Phys. 1994. V.76, №1. P.182-187.
7. Aukkaravittaypun S., Thanachayanont C., Theapsiri T., Veerasai W., Sawada Y., Kondo T., Tokiwa S., Nishide T. Temperature programmed desorption of F-doped SnO2 films deposited by inverted pyrosol technique // J. of Thermal Analysis and Calorimetry. 2006. V.85. №3. P.811 -815.
8. Halimaoui A. Porous silicon formation by anodization in Properties of Porous Silicon // Institution of Engineering and Technology, London. 1997. P. 12-22.
9. M. du Plessis. Properties of porous silicon nano-explosive devices // Sensors and Actuators A: Physical. 2007. V. 135, Issue 2, P. 666-674.
10. Dmitruk N., Kutovyi S., Dmitruk I., Simkiene I., Saba-taityte J., Berezovska N. Morphology, Raman scattering and photoluminescence of porous GaAs layers // Sensor Actuat B-Chem. 2007. V. 126, 294. P. 293-300.
11. Newman N., P. van Schilfgaarde et al. Electrical study of Schottky barriers on atomically clean GaAs(110) surfaces // Phys. Rev. B. 1986. V. 8. P. 1146-1159.
12. Altunta§ H., Altindal §., Zgelik S., Shtrikman H. Electrical characteristics of Au/n-GaAs Schottky barrier diodes with and without SiO2 insulator layer at room temperature // Journal of Applied Physics. 2009. V.83, iss.7. P. 10601065.
13. Chen D., Xiuxun H., Xin G. et al. Electrical characterization of Cu Schottky contacts to n-type GaAs grown on (311) A/B GaAs substrates // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 84. P. 325-329.
14. Heng-Yong N., Yasuo N. Pd-on-GaAs Schottky Contact: Its Barrier Height and Response to Hydrogen // Jpn. J. Appl. Phys. 1991. V. 38. P. 906-913.
15. Li S. S. Metal - Semiconductor Contacts // Semiconductor Physical Electronics. Boston, MA: Springer US. 1993. PP. 247-286.
Надшшла до редколегл 25.05.2019 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кривуля Г.Ф. Оксанич Анатолш Петрович, д-р техн. наук, профе-сор, директор НД1 технологи нашвпроввднишв i ш-формацшно-управляючих систем КрНУ iм. М. Остро-градського, заввдуючий кафедрою автоматизацп та ш-формацшних систем. Науковi штереси: методи i апа-ратура контролю структурно-досконалих нашвпровщ-никових монокристалiв, порувап нашвпровщники. Адреса: Укра!на, 39600, Кременчук, вул. Першотрав-нева, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected]
Притчин Сергш Емшьевич, д-р техн. наук, доцент, проф. кафедри автоматизацп та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi штереси: автоматизация процеав управлшня виробництвом натвп-роввдникових матерiалiв. Адреса: Укра!на, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. Email: [email protected]
Чебенко Валерш Миколайович, д-р техн. наук, про-фесор кафедри "Безпека життедшльностГ КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi штереси: сенсори газiв на основi нашвпровщникових матерiалiв. Адреса: Ук-ра!на, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157.
Когдась Максим Григорьевич, канд. техн. наук, доц. кафедри автоматизацп та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi штереси: автоматизация процеав управлшня виробництвом натвп-роввдникових матерiалiв. Адреса: Укра!на, 39600, Кре-менчуу, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366)30157. Email: [email protected]
Мащенко Михайло Анатолieвич, астрант кафедри автоматизацп та шформацшних систем КрНУ iм. М. Остроградського. Науковi штереси: автоматизация процеав управлшня виробництвом нашвпровщнико-вих матерiалiв. Адреса: Укра!на, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157
