ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ ПОРИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ АЗВ5 ГРУППЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРО- АДГЕЗИОННЫХ КОНТАКТОВ

STUDY OF PRODUCINGSENSORS BASED ON POROUS SEMICONDUCTORS A3B5 GROUPS WITH THE USE OF ELECTRO ADHESION CONTACTS

Ключевые слова: полупроводники, сенсоры, датчики, травление, пористые полупроводники, транспорт, электроадгезионный контакт.

Keywords: semiconductors , sensors, transducers , etching , porous semiconductors, transport, electroadhesion contact.

В статье изложены методика получения пористых слоёв в полупроводниках АЗВ5 группы и описана технологическая возможность создания на основе данных пористых слоёв сенсоров различного назначения с применение электроадгезионного контакта.

The article describes the procedure for the preparation of porous layers in semiconductors A3B5 group and described the technological ability to create on the basis of these porous layers of sensors for various purposes with the use of electroadhesion contact.

Введение. Последние несколько лет внимание исследователей привлекают наряду с пористым кремнием и другие пористые полупроводники, в особенности соединения АЗВ5 (GaP, GaAs, GaN, InP и т.д.). Пористые подложки на основе полупроводниковых соединений АЗВ5, являются перспективным материалом для получения гомо- и гетероэпитаксиальных слоев повышенного структурного совершенства. Так же большие перспективы пористых полупроводников АЗВ5 имеют для создания датчиков влажности, газовых, химических [1-5].

Развитие направления микроэлектроники позволяет разрабатывать и выпускать дешёвые датчики и приборы на основе полупроводников АЗ В 5 для контроля параметров окружающей среды. Но такой интерес обусловлен развитием не только микроэлектроники, но и других отраслей промышленности, например металлургии, прецизионной химии и т.д.

Сама рабочая часть сенсора представляет собой пористый полупроводник АЗВ5 группы полученный методом электрохимического травления в водном растворе плавиковой кислоты. На тыльную часть пластины (непротравленную) осаждается диэлектрическая плёнка. Для соединения полупроводниковой пластины и диэлектрической подложки применяется неуправляемый адгезионный контакт, основанный на эффекте Джонсона - Рабека.

Получение пористых слоёв в полупроводниковых пластинах. Как уже отмечалось выше, рабочая часть сенсора представляет собой пластину из пористого полупроводника АЗВ5 группы. Пористые слои были получены методом электрохимического травления на основе водных растворов плавиковой кислоты с использованием методики сухого контакта к нерабочей стороне пластины. Принцип данного метода заключается в электрохимическом травлении полу- проводникаАЗВ5 группы в однокамерной электролитической ячейке вертикального типа, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.

Принципиальная схема однокамерной вертикальной электролитической ячейки

Рисунок 1 - Принципиальная схема однокамерной вертикальной электролитической ячейки:

1- фторопластовая ванна; 2- герметичное кольцо; 3- раствор электролита; 4- электрод-катод (платинородиевый); 5- полупроводниковая пластина; 6- электрод-анод (алюминиевый)

Для обеспечения омического контакта на границе анод/подложка перед процедурой травления необходимо определенным образом подготовить катодную сторону подложки. Обычно диффузией проводят дополнительное легирование приповерхностного слоя либо предварительно наносят слой алюминия толщиной около 1 мкм и проводят операцию вжигания в инертной среде с целью создания омического контакта. Ячейка состоит из двух электродов - анода и катода - и ванны с электролитом. Все конструктивные части ячейки выполнены из фторопласта. Контактная площадка для размещения монокристаллической пластины материала в качестве подложки представляет собой латунный диск, вмонтированный во фторопластовый пьедестал. Пластина помещается в электролитическую ячейку так, чтобы возникал контакт алюминиевой пленки на нерабочей стороне пластины с нижним металлическим электродом. Сверху пластина прижимается герметичным кольцом, которое не позволяет электролиту проникать под полупроводниковую пластину. Ячейка заполняется электролитом. На верхний электрод подают отрицательный потенциал, а на нижний - положительный. При протекании тока на анодной стороне полупроводниковой пластины протекают многоступенчатые реакции растворения и восстановления. Верхним электродом (катодом) обычно служит платиновая пластина. На поверхности полупроводниковой подложки, которая оказывается не закрытой кольцом, при реализации условий порообразования начинается процесс формирования слоя пористого полупроводника АЗВ5 группы, толщина которого определяется временем анодирования [6].

В ходе работы была отработана технология получения пористого фосфида галлия (рог - GaP) на основе источников [7-17].

Слои пористого GaP:Te (100) были получены методом электрохимического травления в водно-спиртовом (изопропанол) растворе плавиковой кислоты. В ходе эксперимента были получены 3 образца при различных условиях травления. Образец 1 был получении при плотности тока 5 мА/см2, t = 30 мин. Образец 2 был получении при плотности тока 25 мА/см2 , t = 10 мин. Образец 3 был получении при плотности тока 50 мА/см2, t = 10 мин. Технологические параметры получения сведены в таблицу 1.

На рисунке 2 приведены характерные данные растрово-элеткронной микроскопии полученных образцов.

снимок РЭМ для образца 2

Рисунок 2 - снимок РЭМ для образца 2

Таблица 1 - Технологические параметры получения

Номер образца

Плотность тока

Время травления

Размер пор

1

5 мА/см2

30 мин

0,1 мкм

2

25 мА/см2

10 мин

0,2 мкм

3

50 мА/см2

10 мин

0,1 мкм

Данные РЭМ показали, что полученные в работе пористые полупроводниковые структуры GaP:Te относится к макропористым. Так же по другим полученным сникам РЭМ можно утверждать, что толщина пористого слоя составляет 28 мкм.

Методика создания диэлектрической плёнки на тыльной части пористой полупроводниковой пластины

После получения пористого полупроводника АЗВ5 группы планируется осаждения на нерабочую часть диэлектрической плёнки для реализации элек- троадгезионного соединения и последующего создания контактов на сенсоре.

Для осаждения диэлектрических плёнок на тыльную сторону полупроводниковой пластины планируется использовать метод химического осаждения из газовой фазы с использованием плазменной активации.

Метод химического осаждения из газовой фазы (ГФЭ/CVD) является одним из наиболее распространенных методов формирования тонких пленок и покрытий, применяемых в микроэлектронике. При использовании в данной технологии плазменной активации осаждаемых веществ (PECVD), увеличивается эффективность и скорость процесса за счет значительного снижения температур (80-350С). Образование покрытий при осаждении проходит в несколько стадий: образование в плазме радикалов и ионов, адсорбция на поверхности и перегруппировка адсорбированных атомов. Плазмохимия, как метод создания пленок, обеспечивает высокую адгезию и химическую чистоту продукта, осаждаемого из газовой фазы, позволяет наносить однородные по составу и толщине покрытия на детали сложной конфигурации [18].

В настоящее время широко используется химическое осаждение в плазме высокой плотности (HDPCVD), для которого, в частности, в качестве источника используется ВЧ-источник с индуктивной связью (ИСП/1СР). Индуктивносвязанная плазма представляет собой вид плазмы, возбуждаемой переменным магнитным полем при помощи индукционной катушки. Осаждение с источником индуктивно-связанной плазмы дает возможность существенно понизить температуру процесса по сравнению с PECVD технологией позволяет получать слои высококачественных диэлектриков при температуре подложки вплоть до комнатной, что позволит избежать повреждения пластины пористого полупроводника, на которую будет наносить слой диэлектрика [19].

Механизм реализации электроадгезионного контакта на границе полупро-

водник/диэлектрик

Контакт между полупроводником и диэлектриком будет осуществляться за счёт электроадгезии.

Между двумя твёрдыми телами, имеющими различные электрические потенциалы, возникают электростатические (пондеромоторные) силы. На проявление этих сил основан эффект Джонсона - Рабека, заключающийся в том, что между двумя твёрдыми телами с различными электрическими потенциалами, при приложении постоянного электрического напряжения, (рис 2) возникает аномально большая адгезионная сила [20 - 22].

Схема эффекта Джонсона -Рабека

Рисунок 2 - Схема эффекта Джонсона -Рабека:

1-полупроводниковая плёнка; 2 -воздушный зазор; 3 - диэлектрическая плёнка

Объяснение эффекта Джонсона - Рабека заключается в том, что сопротивление диэлектрической подложки значительно меньше, чем сопротивление воздушного зазора на контакте проводник - диэлектрик, возникающего вследствие естественной шероховатости и волнистости контактирующих поверхностей. Таким образом практически все напряжение оказывается приложенным к тонкому воздушному зазору вследствие чего возникает большое электрическое поле и силы (пондеромоторные) закрепления. Тянущем полем, таким образом, является электрическое поле в воздушном зазоре между проводником и диэлектриком, в точках же фактического контакта это поле мало из-за сравнительно большой толщины диэлектрической подложки [20]

При наличии благоприятствующих условий (например, повышенной температуры) можно ожидать образования прочного электроадгезионного соединения, сохраняющегося (благодаря взаимной диффузии) и после отключения напряжения. Такое соединение называется неуправляемым электроадгезион- ным контактом (НЭАК) [20].

Для получения больших тянущих усилий в точках фактического контакта можно использовать миграционную поляризацию, наблюдаемую в ионных диэлектриках. Тогда в точках фактического контакта приложенное напряжение будет падать не на всю толщу диэлектрика, а на узкий прианодный слой. Тем самым будет обеспечено большая электростатическая сила не только в воздушном зазоре, но и в точках фактического контакта. При одновременном воздействии повышенной температуры при этом происходит электроадгезионное соединение (“склейка” за счёт электростатических сил) данной пары материалов, т.е формируется НЭАК [21].

Рассматриваемая технология имеет ряд достоинств: Скрепляемые материалы могут быть соединены в твёрдом состоянии при температуре существенно ниже температуры плавления без промежуточных слоёв (клеев, припоев и т.д.), тянущее электрическое поле воздействует на детали “изнутри” соединительного шва (что позволяет соединять хрупкие детали), для реализации способа не требуется специальное дорогостоящее оборудование [21].

Сенсоры, полученные данным методом, можно использовать на различных предприятиях, транспортных средствах, для контроля параметров окружающей среды и т.д. Данные сенсоры (в качестве датчиков влажности, газовых, химических) позволят улавливать опасные газы, влагу которая может повредить оборудование (например в самолётах) и химические реактивы опасные как для человека так и для окружающей среды. Сама технология получения сенсоров проста и реализации способа не требуется специальное дорогостоящее оборудование.

Работа выполнялась в рамках проектной части госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К по теме «Получение и исследование пористых систем, функционализированных наноматериалами, применений в фотонике, сенсорике и медицине».

Библиографический список

  • 1. Александрова О.А., Алешин А.Н., Белорус А.О., Бобков А.А., Гузь А.В., Кальнин А.А., Кононова И.Е., Левицкий В.С., Мазинг Д.С., Мараева Е.В., Матюшкин Л.Б., Москвин П.П., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Налимова С.С., Пономарева А.А., Пронин И.А., Спивак Ю.М. Новые материалы. Синтез. Диагностика. Моделирование: лабораторный практикум. Санкт-Петербург, 2015.
  • 2. Волков В.П., Кривошапов С.И. Расчёт выбросов вредных веществ на транспорте //Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2015. Т. 2. № 1. С. 165-169.
  • 3. Кошевой В.Л., Белорус А.О., Левицкий В.С. Исследование кристалличности для плёнок mc-Si, полученных методом PECVD, с помощью рамановской спектроскопии // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 19 (183). С. 118-123.
  • 4. Белорус А.О., Кошевой В.Л., Спивак Ю.М., Левицкий В.С., Мошников В.А “Исследование фотолюминесценции пористого кремния, полученного методом фотоэлектрического травления” Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. №23 (187). С. 126-132.
  • 5. Koshevoi V.L., Belorus А.О., Levitskiy V.S., Pshchelko N.S. “ The study of the phase composition of polymorphous silicon film by Raman spectroscopy” IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) 2016, P. 62-64.
  • 6. Мошников В.А., Спивак Ю.М., Глава 5. «Электрохимические методы получения пористых материалов для топливных элементов» Основы водородной энергетики / Под ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 288с.
  • 7. Заварицкая Т.Н., Караванский В.А., Квит А.В., Мельник Н.Н. “Исследования структуры пористого фосфида галлия” Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 2, С. 235 - 240.
  • 8. Зотеев А.В., Кашкаров П.К., Образцов А.Н., Тимошенко В.Ю. “Электрохимическое формирование и отпические свойства пористого фосфида галлия” Физика и техника полупроводников Т.30, № 8, С. 1473 - 1478.
  • 9. Кашкаров П.К., Головань Л.А., Заботнов С.В. и др. “Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий в наноструктурированных полупроводниках” Физика твердого тела, 2005, том 47, № 1, С. 153 - 159.
  • 10. Белогорохов А.И., Караванский В.А., Образцов А.Н., Тимошенко В.Ю. “Интенсивная фотолюминесценция в пористом фосфиде галлия” Письма в ЖЭТФ, Т.60, № 4, С. 262 - 266.
  • 11. Белогорохов А.И., Белогорохова Л.И. “ Оптические фононы в цилиндрических нитях пористого GaP” Физика твердого тела, 2001, том 43, № 9, С. 1693 - 1697.
  • 12. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. “Оптические свойства наноком- пазитов на основе пористых систем” Успехи физических наук, обзоры актуальных проблем, 2007, Т. 117, №6, С. 619-638.
  • 13. Stevens-Kalceff М.А., Langa S., Tiginyanu I.M., Carstensen J. and others. “ Comparative SEM and Cathodoluminescence Microanalysis of Porous GaP Structures”.
  • 14. Tjerkstra R. W. “Electrochemical Formation of Porous GaP in Aqueous HNO3” // Electrochemical and Solid-State Letters 2006, 9 (5), P. 81- 84.
  • 15. Бачериков Ю.Ю. % Охрименко О.Б., Оптасюк C.B., Яценко Ю.И. и др. “Фотолюминесценция наночастиц CdSe в пористом GaP” Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, № И, С. 1473- 1476.
  • 16. Дяденчук А.Ф., Кидалов В.В. “ Использование пористых соединений АЗВ5 для обкладок суперконденсатора” Журнал нано - и электронной физики Т. 7, № 1,01021(4сс) (2015)
  • 17. Заварицкая Т.Н., Караванский В.А., Квит А.В., Мельник Н.Н. “Исследования структуры пористого фосфида галлия” физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 2
  • 18. Плазмохимическое осаждение (PECVD) [Электронный ресурс]// Intech - Режим доступа: http://www.plasmasystem.ru/technology/pecvd
  • 19. Афанасьев В. П., Теруков Е. И., Шерченков А. А. “Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния” 2-е изд.СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 168 с.
  • 20. Грачева И. Е., Карпова С.С, Мошников В.А., Пщелко Н.С. “Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадгезионными контактами “ Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ”. -2010.-№ 8.-С. 27-32.
  • 21. Жабрев В.А., Мошников В.А., Пщелко Н.С., Томаев В.В. “Адгезионное упрочнение покрытий металл - стекло” Температуроустойчивые функциональные покрытия: Труды 18-го совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям. Тула, 2001. 4.1. С. 182-187
  • 22. Пщелко Н. С. “Электрофизические методы неразрушающего контроля и формирования металлодиэлектрических структур” автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Санкт-Петербург 2011.

© Кошевой В.Л., Белорус А.О., Пщелко Н.С. 2016

УДК (678.86+620.3) : 629 Куценко М.А.

студент 3 курса автомобильного факультета Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова, РФ

Kutsenko М.А.

3 year student of the Automotive Faculty, Voronezh State Forestry Engineering University named after G.F. Morozov, Russian Federation

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >