Porøst silicium

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. maj 2015; checks kræver 6 redigeringer .

Porøst silicium ( por -Si eller PC) er silicium plettet med porer, det vil sige med en porøs struktur.

Historie

Porøst silicium blev først opnået af A. Uhlir i 1956 i forbindelse med forskning i processen med elektrokemisk polering af siliciumoverfladen i vandige HF-opløsninger. I lang tid blev porøse siliciumfilm kun betragtet som en laboratoriekuriositet og blev ikke undersøgt i detaljer. Ikke desto mindre tiltrak dette materiale forskernes opmærksomhed, da mekanismen for dets dannelse var fuldstændig uforståelig.

Forskernes ekstraordinære interesse for porøst silicium var forårsaget af emission af lys fra porøst silicium ved stuetemperatur i det synlige område af spektret (rød-orange region), der blev opdaget i 1990 af L. Kenham (L. Canham), da det blev bestrålet med en laser. Interessen for luminescensen af siliciumbaserede materialer skyldes, at hele halvlederindustrien er baseret på silicium, og enkeltkrystalsilicium kan ikke bruges til at skabe lysemitterende enheder, da dets emissivitet er ubetydelig (mindre end 0,001 %) .

Under visse forhold, i nærvær af et oxidationsmiddel, har porøst silicium tendens til at antændes og detonere under mekaniske, elektriske og termiske virkninger. Denne effekt blev først bemærket i 1992 af McCord, Yau og Bard (P. McCord S.-L. Yau og AJBard, Science 257 (1992) 68-69). Detonationsenergien af porøst nanostruktureret silicium er cirka fire gange højere end detonationsenergien af TNT . For nylig er det blevet foreslået at bruge detonation af porøst silicium til at igangsætte airbags i biler, i kassettejetmotorer af mikrosatellitter.

Klassifikation

Porøst silicium er klassificeret efter porestørrelse:

Mikroporøst silicium — D < 2 nm.
Mesoporøst silicium — 2 nm < D < 50 nm.
Makroporøst silicium — D > 50 nm.

Henter

Den traditionelle metode til fremstilling af porøst silicium er den elektrokemiske ætsning af enkeltkrystal silicium ( c - Si) wafers i en ethanolopløsning af flussyre HF. Ved et positivt potentiale på siliciumelektroden (anode) fortsætter flertrinsreaktioner af siliciumopløsning og reduktion. Den anden elektrode (katode) er normalt en platinplade. Med et passende valg af elektrisk strømtæthed dannes et porøst lag på c -Si-overfladen.

Det er blevet fastslået, at tykkelsen af den porøse siliciumfilm afhænger næsten lineært af ætsetiden og kan variere fra fraktioner til hundredvis af mikrometer. Strukturen af det porøse lag bestemmes af strømtætheden , koncentrationen af HF i elektrolytten og arten af dopingen af siliciumsubstratet .

I porøst silicium er arrangementet af atomer nedarvet fra substratet hovedsageligt bevaret. Umiddelbart efter produktionen dækkes overfladen af siliciumskelettet af porøse siliciumprøver med brint adsorberet i forskellige former . Udsættelse for luft, især ledsaget af belysning, fører til betydelig oxidation af materialet.

Mekanisme for poredannelse

Modelideer om mekanismen for poredannelse begyndte at dannes fra midten af 1960'erne, men et enkelt synspunkt er endnu ikke udviklet ( 2004 ).

Sammenfattende de forskellige modeller kan følgende bemærkes. Si-overfladen ved kontakt med vandige opløsninger af HF bliver mættet med hydrogen og bliver kemisk inert i forhold til elektrolytten . Hvis der påføres en potentialforskel på elektroderne, begynder hullerne i siliciumwaferen at migrere til silicium-elektrolyt-grænsefladen. I dette tilfælde bliver Si-atomerne befriet fra det blokerende brint, begynder at interagere med ionerne og elektrolytmolekylerne og passerer ind i opløsningen. Hvis elektrolysen udføres ved en høj strømtæthed, kommer et stort antal huller ind i elektrodeoverfladen. De bevæger sig mod grænsefladen som en kontinuerlig front og giver reaktivitet til næsten alle Si-atomer. Da mikrofremspringene har en større overflade end flade områder, opløses de hurtigere. Således udjævnes overfladen af siliciumanoden gradvist. Dette er metoden til elektrokemisk polering.

Hvis elektrolysen udføres ved en lav strømtæthed, er antallet af huller ikke nok til at organisere en kontinuerlig front, og derfor forekommer lokal opløsning af silicium på overfladen. Ifølge forskellige modeller kan kernedannelsen af porer begynde ved mikrohuller, strukturelle defekter, mekanisk belastede områder eller lokale forstyrrelser af overfladepotentialefeltet. Over tid fortsætter de fremkomne porer med at vokse dybt ind i elektroden på grund af hullernes drift til spidserne af porerne, hvor den elektriske feltstyrke er højere.

Karakteristika

Grad af porøsitet

Den vigtigste egenskab ved porøst silicium, som bestemmer de fleste af dets fysiske parametre, er graden af porøsitet eller porøsitet ( P ).

Det er defineret ved udtrykket:

P =

{\displaystyle {\rho _{Si}-\rho _{por)) \over \rho _{Si))

hvor ρ Si og ρ por -Si er tæthederne af henholdsvis enkeltkrystal og porøst silicium.

I øjeblikket ( 2005 ) kan porøsitetsværdier variere fra 5 til 95%.

Graden af prøveporøsitet bestemmes normalt ved den gravimetriske metode (vejning). Bestemmelsen af porøsitet ved denne metode udføres i tre trin:

Vejning enkelt krystal silicium wafer;
Ætsning af et porøst lag på det og vejning af den resulterende prøve;
Fjernelse af det porøse lag ved at ætse det fra siliciumsubstratet og genveje prøven.

Fejlen i den gravimetriske metode ved små tykkelser (op til 10 µm) af det porøse lag og store porøsiteter (mere end 70%) kan nå 15-20%. Desuden fører brugen af en sådan kontrol af graden af porøsitet til ødelæggelse af prøven, da det porøse lag fjernes fra det under målinger.

Egenskaber

Specifikt overfladeareal

Et karakteristisk træk ved porøst silicium er det store samlede areal af dens indre overflade. Afhængigt af porøsiteten og poregeometrien kan den variere fra 10 til 100 m²/cm³ for makroporøst silicium, fra 100 til 300 m²/cm³ for mesoporøst silicium og fra 300 til 800 m²/cm³ for nanoporøst silicium.

Resistivitet

Porøst silicium har, afhængigt af ætsningsforholdene, en bred vifte af resistivitetsværdier 10–2–10 11 Ω cm.

Termisk ledningsevne

Den termiske ledningsevne af meget porøst silicium er mere end en størrelsesorden lavere end for enkeltkrystal silicium (~10 W/mK ved 300 K).

Optiske egenskaber

De optiske egenskaber af porøst silicium adskiller sig også væsentligt fra bulkmaterialets. Især er kanten af absorptionsspektret af det porøse lag adskilt fra substratet, afhængigt af porøsiteten, forskudt mod stor hν med hensyn til E g0 med 100-500 meV.

Fotoluminescens

Den mest overraskende egenskab ved porøst silicium er dets evne til effektivt at luminescere i det synlige område af spektret.

Allerede i de første forsøg blev det klart, at prøver af porøst silicium, hvor porøsiteten overstiger 50%, effektivt lyser. Effektiviteten af fotoluminescens kan nå titusinder af procent. Strålingsbølgelængden kan styres ved at ændre anodiseringsforholdene . Det viste sig at være muligt at opnå de røde, grønne og blå farver, der er nødvendige for fremstilling af farvedisplays.

Elektroluminescens

Elektroluminescens i porøst silicium er blevet undersøgt i mindre grad end fotoluminescens . Samtidig er de mest attraktive udsigter for den praktiske brug af porøst silicium som materiale til at skabe lysemitterende enheder ( LED'er , flade farveskærme) forbundet med elektroluminescens. Det antages, at porøse silicium-LED'er vil være meget billigere end dem, der i øjeblikket produceres på basis af halvlederforbindelser.

De vigtigste vanskeligheder er:

Lav effektivitet af elektroluminescens;
Hurtig nedbrydning af strukturer.

Effektiviteten af de første elektroluminescerende enheder var lav ( 10-5 %), men på nuværende tidspunkt har det været muligt at belyse årsagerne til ældningen af lysemitterende porøst silicium og skitsere måder at skabe tidsstabile strukturer på. Fænomenet fotoluminescens opretholdes effektivt ved at indføre kulstof- eller jernatomer i volumenet , og moderne elektroluminescerende enheder har en levetid på flere år med en kvanteeffektivitet på omkring 10-1 %.

Ansøgning

Oprettelse af tykke dielektriske film

For at skabe siliciumenheder, der arbejder ved høje spændinger, er der behov for tykke dielektriske lag med en tykkelse på mere end 10 mikron. SiO 2 dielektriske film opnået ved at oxidere konventionelt silicium kan imidlertid ikke være tykkere end nogle få mikrometer. Det viste sig, at porøst silicium er velegnet til at løse dette problem. Hvis dette materiale udsættes for termisk oxidation, er oxygenmolekyler på grund af det udviklede system af porer i stand til at trænge ind i hele tykkelsen af porøst silicium og føre til dets fuldstændige oxidation.

Optimale til disse formål er lag med en porøsitet på ca. 50%. Det er vigtigt at bemærke, at processen med dannelse af dielektriske film ved hjælp af porøse lag forekommer ved temperaturer lavere end ved den traditionelle termiske oxidation af silicium.

Isolerende base til silicium-på-isolator-strukturer

I midten af 1970'erne var tætheden af elementer i integrerede kredsløb steget så meget, at det var nødvendigt at finde en måde at eliminere lækstrømme mellem dem gennem siliciumsubstratet. Til dette blev en silicium-på-isolator (SOI) struktur foreslået. SOI-strukturen er en base lavet af et dielektrisk materiale med et vokset enkeltkrystal siliciumlag. I dette tilfælde dannes elementerne i integrerede kredsløb i lagets volumen, hvorefter driften af lokal oxidation udføres langs deres omkreds, og hvert element bliver isoleret fra dets naboer. Oxideret porøst silicium viste sig at være en isolerende base for SOI-strukturer allerede i de første forsøg.

Bufferlag

Silicium med lav porøsitet (P < 30%) viste sig at være et effektivt bufferlag i epitaksen af enkeltkrystalfilm af andre halvledere på silicium. Hovedbetingelsen for dyrkning af højkvalitetslag er nærheden af gitterkonstanterne for silicium og det påførte materiale. Det er dog muligt at dyrke lag med en stor gittermismatch, hvis der anvendes mellemliggende (buffer) lag. Brugen af et bufferlag af porøst silicium gjorde det muligt at løse problemet med dyrkning af højkvalitets GaAs , PbS , PbTe og andre halvlederfilm ved dyrkning af strukturer på et siliciumsubstrat.

Voksende strukturer i nanoskala

I porøst silicium er det under elektrokemisk ætsning muligt at opnå kvanteprikker , kvantetråde , elementer med forskellige fraktale dimensioner. Derfor bør porøst silicium med P > 50% betragtes som et af materialerne til nanoelektronik . Desuden kan det være lovende at fylde porerne med andre kemiske forbindelser, som vil gøre det muligt at danne yderligere lavdimensionelle grundstoffer i volumenet af porøst silicium.

Oprettelse af lysemitterende enheder

Som allerede nævnt skyldes hovedinteressen for porøst silicium dets evne til effektivt at udsende lys i det synlige område, i modsætning til enkeltkrystal silicium. Dette kan bruges til at skabe meget billigere lysemitterende enheder ( LED'er , flade farveskærme).

Oprettelse af lysguider

I forbindelse med integreret optik anvendes plane lysledere , som er en filmstruktur, hvor lys udbreder sig i et lag med et højt brydningsindeks, afgrænset på begge sider af lag med et lavere brydningsindeks (effekten af total intern refleksion) . For porøst silicium afhænger dette indeks af porøsitet (jo større porøsitet, jo lavere brydningsindeks), og derfor gør dannelsen af flerlagsstrukturer med forskellig porøsitet det muligt at opnå bølgelederelementer med lavt tab på basis af disse. Absorptionstab kan reduceres yderligere ved at oxidere lagene af porøst silicium. Lignende lysledere kan også laves på basis af porøst glas .

Oprettelse af forskellige sensorer

Da porøst silicium har et meget højt specifikt overfladeareal, kan det bruges til at skabe fugtsensorer, gas-, kemiske og biologiske sensorer. Princippet om drift af sådanne sensorer er baseret på indflydelsen af eksterne molekyler på overfladens elektroniske tilstand, hvilket fører til høj følsomhed i tilfælde af porøst silicium. Typisk detekterer sådanne sensorer ændringer i de kapacitive, ledende og luminescerende egenskaber af porøst silicium i nærværelse af specificerede molekyler i et kontrolleret miljø. Begrænsninger i dette materiales kontakt- og overfladeegenskaber, såvel som høj kemisk aktivitet i et oxiderende miljø, forbundet med dets grundlæggende egenskaber, tillader ikke kun at skabe sensorer, der er modstandsdygtige over for ydre påvirkninger (ikke nedbrydende selv ved N.O.) sensorer, men kræver også periodisk, kompleks kalibrering afhængigt af deres driftsbetingelser.

Brug i fotodynamisk terapi

Det har vist sig, at fotoexciteret porøst silicium kan generere singlet oxygen . Da silicium i sig selv ikke er giftigt for kroppen, er dets anvendelse på dette område meget lovende. Silicium oxiderer hurtigt for at blive kemisk inert siliciumoxid, hvilket ikke er tilfældet med nuværende lægemidler, der anvendes i fotodynamisk terapi . En anden fordel er de lave omkostninger ved porøst silicium.

Se også

kvantetråd

Litteratur

Feng ZC, Tsu R., red. (1994). Porøst silicium. Singapore: World Scientific. ISBN 981-02-1634-3 .