Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №17 (январь) 2015
Разделы: Нанотехнологии
Размещена 11.01.2015. Последняя правка: 16.01.2015.

ФОСФИД ИНДИЯ: ПРИМЕНЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ И ПОРИСТОЙ ФАЗ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Сычикова Яна Александровна

кандидат физико-математических наук

Бердянский государственный педагогический университет

доцент, заместитель декана

Аннотация:
В статье рассмотрены основные перспективы применения монокристаллического и пористого фосфида индия. Показана возможность применения InP в микроэлектронике и оптоэлектронике.


Abstract:
This article describes the main application prospects monocrystalline and porous indium phosphide. The possibility of application InP in microelectronics and optoelectronics.


Ключевые слова:
фосфид индия; пористый фосфид индия; полупроводники; микроэлектроника

Keywords:
indium phosphide; porous indium phosphide; semiconductors; microelectronics


УДК 621.315.592 

Актуальность. В последние годы значительно возрос  интерес ученых к исследованиям структур с пониженной размерностью, которые способны проявлять ряд необычных свойств, не свойственных для исходного полупроводникового кристалла [1, 2]. Простейшими возможностями создания такого материала является анодная обработка в растворах кислот, приводящая к формированию пористого слоя [3]. Подобная модификация структурных параметров поверхности приводит к значительным изменениям физических и химических свойств исходного материала. Достигнутый в последние годы прогресс в изучении свойств por-Si стимулировал аналогичные исследования для полупроводников группы А3В5 [4].

Особый интерес ученых направлен в сторону полупроводника фосфида индия (InP), поскольку энергетические параметры его монокристаллической фазы  очень близки к параметрам монокристаллического кремния, и на основе его легко изготавливать приборы интегральной оптоэлектроники совместимые с кремнием, в частности, резистивные оптопары.

Травление фосфида индия в кислых средах входит в арсенал методов современной нанотехнологии [5]. Пористый InP обладает различными физико-химическими свойствами: фото- и электролюминесценцией, адсорбционной чувствительностью, свойствами фотонных кристаллов и др.

Целью данного исследования является установление возможных областей применения фосфида индия, в частности монокристаллов InP и его пористой фазы por-InP.

Изложение основного материала. Фосфид индия является одним из важнейших полупроводников, благодаря сочетанию в себе ряда свойств [6, 7]:

  • высокая подвижность носителей заряда (подвижность электронов 5000 см2/(Вхс) при 300);
  • большая ширина запрещенной зоны (1,34 эВ);
  • благоприятные теплофизические характеристики (температурный коэффициент  линейного расширения 4,75.10-6 К-1; теплопроводность 67,2 Вт/(мхК));
  • прямой характер межзонных переходов.

Подобные свойства обуславливают различные области применения фосфида индия. В первую очередь необходимо отметить перспективность в отраслях оптоэлектроники и СВЧ-технике. На его основе изготавливают полевые транзисторы,  электронные осцилляторы, различные усилители.  

Фосфид индия перспективен для создания быстродействующих интегральных схем малой энергоемкости.

Все чаще InP применяют в качестве подложек для создания гетеропереходов на его основе. Это позволяет использовать его как материал для волоконно-оптических линий связи, а также  эффективных излучателей и приемников электромагнитного излучения для спектральной области. На основе фосфида индия уже сегодня создаются эффективные источники излучения, такие как инжекционные лазеры и светодиоды, излучающие в зеленой и голубой областях спектра, быстродействующие фотоприемники.

InP является многообещающим материалом для разработки сверхбыстрых интегральных схем. На сегодняшний день InP является наиболее вероятным материалом для производства интегральных схем.

Фосфид индия рассматривается учеными как возможная замена кремнию при создании солнечных элементов благодаря большой ширине запрещенной зоны и прямому характеру межзонных переходов.

Электрохимическая обработка монокристаллов InP позволяет формировать объекты нанометрового размера (от нульмерных до фотонных кристаллов).

Пористый InP обладает различными физико-химическими свойствами: - фото- и электролюминесценцией,

  • значительной адсорбционной чувствительностью,
  • свойствами фотонных кристаллов и др.

Пористую фазу фосфида индия по праву причисляют к метаматериалам (сверхматериалам), благодаря наличию у нее уникальных свойств, которыми не обладал исходный кристалл. Удельная площадь пористой поверхности может в тысячи раз превосходить монокристаллическую. При правильном подборе режимов электрохимической обработки пористость кристалла может достигать 80%.

Перечисленные и другие свойства пористого фосфида индия обуславливают различные области его применения (табл. 1) [4, 6].        

Таблица 1. Перспективы применения пористого фосфида индия

Создание толстых диэлектрических пленок

При термической обработке ( окисление) фосфида индия, за счет значительной пористой поверхности, молекулы кислорода проникают на всю толщину пористого слоя и приводят  к полному его окислению (получение диэлектрического оксида)

Буферные слои

Основным условием выращивания качественных слоев является близость величин постоянных решёток фосфида индия и наносимого материала (например, для получения нитридов). При использовании буферных слоев возможным становится выращивание слоев с большим рассогласованием решеток. Использование буферного слоя пористого фосфида индия позволит решить задачу выращивания качественных пленок полупроводника InN при выращивании структур на подложке полупроводника.

Выращивание наноразмерных структур

На пористом фосфиде индия возможно получать квантовые точки, квантовые нити, проволоки, элементы с различной фрактальной размерностью. Поэтому пористый фосфид индия рассматривается как один из материалов наноэлектроники. Более того, перспективным может оказаться заполнение пор другими химическими соединениями, что дает возможность формировать дополнительные низкоразмерные элементы в объеме пористого InP

Создание светоизлучающих приборов

Пористые поверхности фосфида индия способны эффективно излучать свет в видимом диапазоне (в отличие от монокристаллического аналога). Данное свойство позволит удешевить производство сверхмощных светодиодов и цветных дисплеев. Для пористого фосфида индия показатель преломления коррелирует с пористостью. Регулируя пористость материала, можно получать на его основе волноводные элементы с низким уровнем потерь.

 

Создание сенсоров высокой чувствительности

Как было сказано выше,  пористый InP обладает очень высокой удельной поверхностью, это позволяет использовать его для создания различных типов сенсоров: газовых, химических, биологических.  Принцип действия таких датчиков основан на влиянии внешних молекул на электронное состояние поверхности, что в случае пористого фосфида индия приводит к высокой чувствительности.

Материал для солнечных элементов

С увеличением пористой поверхности фосфида индия значительно увеличивается его поглощающая способность. Это свойство используется для создания солнечных элементов. Кроме того, размеры нанокристаллитов составляют доли (порядка десятой части) от длины падающей волны. Вследствие этого свет многократно рассеивается на кристаллитах внутри пор и почти полностью там захватывается. При этом увеличивается расстояние, которое преодолевают лучи света в базе солнечного элемента.

В качестве примера использования фосфида индия приведем получение на его поверхности наноразмерных структур различной модификации и морфологии поверхности.

         Для эксперимента нами были использованы монокристаллические образцы блочного InP, выращенного методом Чохральского с кристаллографической ориентацией (111), (100) и концентрацией носителей заряда 2,3х1018 см-3.

         Низкоразмерные структуры формировались методом электрохимического травления. В качестве электролита использовали растворы кислот (НF, HCl, HBr) в различных концентрациях. Плотность тока выбиралась в широком диапазоне от 30 до 270 мА/см2, время травления - от 2 до 60 мин.

         В результате эксперимента на поверхности фосфида индия были сформированы различные типы наноструктур. В зависимости от условий анодирования и выходных характеристик кристалла структуры представляли собой следующие классы: пористые слои, сверхрешетки, текстурированные поверхности, нанокластеры (островки оксидов) и нольмерные структуры (по типу квантовых точек).

Факторы, наиболее влияющие на тип структуры следующие: состав и концентрация электролита, плотность тока, время анодирования, освещения образцов и обработка магнитным полем. Кроме того, принципиальным является тип проводимости кристалла, ориентация поверхности, структурное совершенство. Различная комбинация этих условий дает многообразие низкоразмерных структур, которые могут быть сформированы на поверхности фосфида индия. Табл. 2 демонстрирует типы структур и некоторые их особенности.

         Таблица 2

Наноструктуры на поверхности фосфида индия

Низкоразмерные структуры

Тип структуры

Размер единицы

Особенности строения

№ рис.

Источник

Пористые слои

 

поры

Диаметр пор от 7 до 300 нм

Форма зависит от ориентации поверхности: для (111) ориентированных кристаллов поры имеют треугольную форму, для (100) - близкую к квадратной

Рис.1

[8,9]

Текстурированные поверхности

Пирамидальные кластеры

Высота пирамид  от 0,7 до 1,1 мкм

Пирамиды имеют наклон (угол наклона от 65о до 85о)

Рис.2

[10]

Сверхрешетки

 

Переодические слои пористого и монокристаллического фосфида индия

 

Ширина пористих и монослоев от 20 до 35 нм

 

Сверхрешетка образуется по всей толщине образца. Монокристаллический слой тоже имеет поры, но этих отверстий немного, они расположены преимущественно на границе раздела двух слоев и имеют упорядоченный характер

Рис.3

[11]

Нанокластеры

 

Кристаллические оксиды индия

Размер кластера от 10 до 200 мкм

Цветкообразные соединения, имеющие кристаллическую структуру

Рис.4

[12]

Нольмерные структуры

 

Кластеры индия по типу квантовых точек

от 3 до 40 нм

Кластеры разделены регулярно по поверхности кристала, некоторые объединены в массивные скопления

Рис.5

[13]

http://storage2.static.itmages.ru/i/15/0116/h_1421425233_9875115_2acdc9e0e8.jpg

Рис. 1. Морфология пористого фосфида индия: а) (111) ориентированный кристалл; б) кристалл с ориентацией поверхности (100)

http://storage2.static.itmages.ru/i/15/0116/h_1421425233_8243953_7b193796ac.jpg

Рис. 2. Текстурированная поверхность фосфида индия

 

 http://storage2.static.itmages.ru/i/15/0116/h_1421425233_4919662_c241e18330.jpg

Рис. 3. Сверхрешетка por-InP/InP

 http://storage4.static.itmages.ru/i/15/0116/h_1421425235_8695623_184e520203.jpg

Рис.4. Нанокластеры оксидов на поверхности фосфида индия

 

 http://storage3.static.itmages.ru/i/15/0116/h_1421425234_2656520_e3b08348cb.jpg

Рис.5. Нольмерные структуры на поверхности фосфида индия


Выводы.
Таким образом, фосфид индия является одним из ключевых материалов современной электроники, а его пористая фаза приобретает все большую популярность среди ученых и исследователей благодаря его необычным свойствам. Следует отметить, что на данный момент не все свойства por-InP изучены, развитие этого направления раскрывает все новые перспективы его применения.

Библиографический список:

1. Лукашин А.В. Физические методы синтеза наноматериалов Методические материалы. – М.: МГУ, 2007. – 32 с.
2. Notten P.H.L., J.E.A.M. van den Meerakker, Kelly J.J. Etching of III-V Semiconductors: An Electrochemical Approach // Elsevier Advanced Technology: Oxford. – 1991. – 349 p.
3. Simkiene I. Sabataityte J., Kindurys A., Treideris M. Formation of Porous n-A3B5 Compounds // Acta Physica Polonica A. – 2008. – 113(3). – р. 1085 – 1090.
4. Сычикова Я. А., Кидалов В. В., Сукач Г. А. Формирование пористой структуры фосфида индия с заданными свойствами: монография. – Донецк: Юго-Восток, 2010. — 230 с.
5. Сичікова Я.О. Кідалов В.В., Балан О. С., Сукач Г.О. Тестурування поверхні фосфіду індію // Журнал нано- і електроної фізики. – 2010, №1. – С. 84 – 88.
6. Третяк О.В., Лозовський В.З. Основи фізики напівпровідників: підручник. – К., 2009. — 383 с.
7. Батенков В.А. Электрохимия полупроводников: учеб. пособие [2-е изд., допол.]. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2002. – 162 с. 8. Пат. 50341 Україна, МПК(2006): G01N 27/00. Спосіб отримання нанопоруватого шару фосфіду індію шляхом електрохімічного травлення у розчині плавикової кислоти / Сичікова Я.О., Кідалов В.В., Сукач Г.О.; заявник та патентовласник Сичікова Я.О. – № a200911298; заявл. 06.11.2009; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 11/2010. 9. Suchikova Y.A., Kidalov V.V., Sukach G.A. Morphology of porous n-InP (100) obtained by electrochemical etching in HCl solution // Functional Materials. – 2010. – Vol.17, №1. – P. 1 – 4. 10. Сичікова Я.О., Кідалов В.В., Балан О. С., Сукач Г.О. Тестурування поверхні фосфіду індію // Журнал нано- і електроної фізики. – 2010, №1. – С. 84 – 88. 11. Сичікова Я.О. Отримання надграток рor-InP/mono-InP шляхом електрохімічного травління // Фізична інженерія поверхні. – 2011. – т.9, №1. – С. 60 – 62. 12. Сичікова Я.О., Сукач Г.О. Дослідження оксидних кристалітів на поверхні поруватого фосфіду індію // Актуальні проблеми хімії та фізики поверхні: Всеукраїнська конференція з міжнародною участю, присвячена 25-річчю Інституту хімії поверхні ім. О.О.Чуйка НАН України, - Київ. - 11-13 травня 2011 р. – К.:тези доп. - С. 49 – 50. 13. Сычикова Я.А., Кидалов В.В. Наноструктуры на основе пористого фосфида индия // Магнитные Материалы. Новые Технологии: тезисы докладов IV Байкальской международной конференции (Россия, Иркутск, 14 – 16 июня 2010 г.). – Иркутск: Изд-во Иркутского национального педагогического университета, 2010. - С. 127 – 128.




Рецензии:

12.01.2015, 9:32 Мухуров Николай Иванович
Рецензия: Статья посвящена актуальной теме: расширению номенклатуры полупроводниковых материалов для применения в электронике наряду с кремнием и германием. Приведен краткий обзор свойств фосфида индия и его пористой модификации. Перспективы применения пористого фосфида индия для формирования различных структур электронных микроприборов сведены в таблицу. Однако не приведены результаты или собственных исследований, или ссылки на публикации с конкретными примерами. Кроме голословных утверждений в третьем столбце таблицы никаких конкретных данных об получении наноструктур фосфида индия, его характеристиках и возможностях построения конкретных устройств, приборов не приводится. Выводы. 1. Статья не может быть отнесена в раздел нанотехнологии. Возможно в раздел Электроника (материалы, технологии). 2. Для поддержания определенного уровня публикаций журнала в представленном виде без существенной доработки статья не рекомендуется для публикации. 3. В случае существенной доработки и повторного представления необходимо дополнительное рецензирование.

16.01.2015 19:19 Ответ на рецензию автора Сычикова Яна Александровна:
Уважаемый рецензент! Благодарю за оставленную рецензию на мою статью. Статья носит характер краткого обзора перспектив применения фосфида индия, поэтому результаты исследований не приводились. Для достоверности утверждений нами добавлены результаты собственных исследований получения наноструктур на поверхности InP. Результаты авторские и являются достоверными, апробированы и представлены более чем в 180 публикациях автора, защищены 16 патентами. В таблице приведены ссылки на источники, в которых более детально рассмотрены механизмы получения, изучения свойств и использования фосфида индия. статья действительно может быть отнесена в раздел электроника, а кроме того - физика, техника/технология, химия/электрохимия, материаловедение. В этом заключается мультидисциплинарность области нанотехнологий. Однако, я надеюсь, не вызывает сомнения принадлежность данной публикации и к нанотехнологиям, как как полученные низкоразмерные объекты имеют нанометровые размеры и проявляют эффекты квантования. Еще раз благодарю за рецензию. С уважением автор



Комментарии пользователей:

18.01.2015, 16:30 Мухуров Николай Иванович
Отзыв: Уважаемая Яна Александровна! В дополненном виде Ваша статья полностью соответствует разделу: нанотехнология. В таком виде она может быть рекомендована к публикации без дополнительных изменений. Н.И. Мухуров


Оставить комментарий


 
 

Вверх