CC BY
14
Список литературы
1. ГОСТ 6689.3-92 Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые. Метод определения суммы никеля и кобальта.
2. ГОСТ 12352-81,п.3 Стали легированные и высоколегированные. Метод определения содержания никеля.
3. ГОСТ 15934.1-91 Концентраты медные. Методы определения меди.
4. ГОСТ 25581.18.Руды железные, концентраты, агломераты и окатыши. Методы определения железа общего.
5. ОСТ 41-08-212-04. Стандарт отрасли. Управление качеством аналитических работ. Нормы погрешности при определении химического состава мине-
рального сырья и классификация методик лабораторного анализа по точности результатов. М. -ВИМС - 2004.
6. ГОСТ13020.1-85 Хром металлический. Метод определения содержания хрома.
7. ГОСТ 21600.17-83 Феррохром. Методы определения хрома.
8. Иванов В.М., Фигуровская В.Н. Вест. МГУ, Сер.2, Химия,1993.т.34,№5. С..484.
9. Рудомёткина Т.Ф., Иванов В.М. Вест. МГУ, Сер.2, Химия, 2011.т. 52, №3. С.204.
10. Рудомёткина Т.Ф., Иванов В.М. Вест. МГУ, Сер.2, Химия, 2011.т. 52, №5. С.382.
11. Рудомёткина Т.Ф., Иванов В.М. Вест. МГУ, Сер.2, Химия, 2013.т. 54, №3. С.164.
ТЕРМООКСИДИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ АШВУ С НАНОРАЗМЕРНЫМ
СЛОЕМ У205 НА ПОВЕРХНОСТИ
Томина Елена Викторовна
Кандидат химических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», доцент кафедры материаловедения и индустрии наносистем, г. Воронеж
Сладкопевцев Борис Владимирович Кандидат химических наук, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», преподаватель кафедры материаловедения и индустрии наносистем, г. Воронеж
Зеленина Лидия Сергеевна
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», студент кафедры материаловедения
и индустрии наносистем, г. Воронеж
ВВЕДЕНИЕ
Оксиды d-металлов, являются эффективными хе-мостимуляторами термического оксидирования полупроводников типа AШBV [2, с. 500; 4, с. 305]. Среди них наиболее интересен V2O5, способный к хемостимулирующему воздействию на процесс оксидирования полупроводника как по транзитному, так и по каталитическому механизмам [3, с. 137; 5, с. 309]. Магнетронное напыление окси-дов-хемостимуляторов, в том числе и пентаоксида ванадия, оказывает высокоэнергетическое воздействие на поверхность полупроводниковой подложки и стимулирует взаимодействие хемостимулятора с компонентами полупроводника еще до начала термооксидирования. В связи с этим достаточно актуален вопрос о поиске более мягких методов модифицирования поверхности AIIIBV оксидом ванадия (V). Способность V2O5 к гелеобразованию позволяет в качестве такого метода использовать аэрозольное осаждение геля V2O5 на поверхность полупроводников.
В связи с этим цель данной работы - установление кинетики и механизма процессов оксидирования структур VxOy/AIIIBV, сформированных мягким методом, состава и морфологии синтезированных пленок.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Гель оксида ванадия синтезировали по следующей методике. Навеску V2O5 массой 3,8 г расплавляли в фарфоровом тигле в муфельной печи при температуре 770 оС, выдерживали при этой температуре в течение 20 минут, затем выливали в дистиллированную воду комнатной температуры и перемешивали. При этом происходило образование гелеобразного раствора красно-коричневого цвета, который отделяли от непрореагировавшего осадка. Гель V2O5 диспергировали с использованием компрессорного диспергатора, обеспечивающего получение аэрозоля с размером капель раствора порядка 4-5 мкм, и осаждали из
аэрозоля на охлаждаемые элементом Пельтье полупроводниковые пластины InP и GaAs. Время осаждения составляло 3 минуты. Образцы высушивались на воздухе. В эксперименте использовали полированные пластины монокристаллического InP марки ФИЭ-1А [100] с концентрацией основных носителей заряда при 300 К 5-1016см-3, n-типа проводимости и монокристаллического GaAs марки АГЧО [111] с концентрацией основных носителей заряда при 300 К 5-1016см-3, n-типа проводимости. Пластины перед нанесением хемостимулятора были предварительно обработаны травителем состава H2SO4 (ХЧ ГОСТ-4204-77, 92.80%): Н2О2 (ОСЧ ТУ 6-02-570-750, 56%): Н2О = 2: 1: 1 (InP) и 5: 1: 1 (GaAs) в течение 10 минут и многократно промыты в бидистиллированной воде.
Термический отжиг слоев геля V2O5 на поверхности полупроводников AIIIBV вели в проточном кварцевом реакторе горизонтальной печи резистивного нагрева (МТП-2М-50-500) с точностью регулировки температуры ± 1 оС (ОВЕН ТРМ-10) при 300°С в течение 120 минут. Сформированные гетероструктуры VxOy/AIIIBV оксидировали в кислороде (30 л/ч) в интервалах температур 480-580 оС (VxOy/InP ) и 480-550 оС (VxOy/GaAs ) в течение 60 минут в этой же печи с контролем прироста толщины пленок через каждые 10 минут методом лазерной эллипсометрии (ЛЭФ-754, X = 632.8 нм, абсолютная погрешность ±1 нм). Этим же методом определяли и толщину осажденных ок-сиднованадиевых слоев. Морфологию поверхности образцов исследовали методами атомно-силовой микроскопии (АСМ, сканирующий зондовый микроскоп Solver P47 Pro корпорации NT-MDT с кантилевером HA_NC Etalon, полуконтактный режим) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ, комплекс нанотехнологического оборудования «УМКА»). Фазовый состав полученных плёнок определяли методом рентгеновского фазового анализа (РФА) на дифрактометре ARL X'TRA (Cu Ka1 с X = 1.540562 Â).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ После отжига сформированных гетероструктур УхОу/АшВу на дифрактограммах помимо пиков, соответствующих полупроводниковым подложкам, присутствуют пики, отвечающие оксидам ванадия V2O5 и VO2 [6, с. 210]. Хотя для синтеза геля использовался кристаллический V2O5 (т.е. соединение, в котором катионы ванадия имеют степень окисления только + 5), появление катионов У+4 связывают с протеканием золь-гель процесса, в котором катионы являются необходимым фактором стадии гелеобразования [1, с. 5995].
В результате обработки кинетических данных процесса оксидирования гетероструктур VxOy/ АШВУ с ис-
пользованием уравнения d=(kт)n установлено, что эффективная энергия активации (ЭЭА) для гетероструктур УхОу/1пР составляет 210 кДж/моль, а для гетероструктур УхОу/ОаАБ - 77 кДж/моль (табл. 1), что несколько меньше ЭЭА собственного оксидирования полупроводников (фосфид индия - 273 кДж/моль, арсенид галлия - 110 кДж/моль). Незначительное снижение значений ЭЭА в случае обоих полупроводников позволяет сделать вывод о транзитном характере механизма процессов оксидирования. Лимитирующей стадией оксидирования УхОу/1пР является твердофазная диффузия (пср<0,5), тогда как для VxOy/GaAs термооксидирование лимитируется диффузией галлия из подложки в пленку (0,5<Пср<1).
Кинетические параметры процессов оксидирования гетероструктур VxOv/ A'"B
Таблица 1
Структура T,0C Пср, нм1/п мин-1 ЭЭА, кДж/моль Относительное увеличение толщины плёнки по сравнению с собственным оксидированием,%
VxOy/InP, 480-580 0,29±0,02 210 15-20
VxOy/GaAs 480-550 0,60±0,01 77 50-60
Транзитная природа действия геля У^5, выступающего в качестве хемостимулятора оксидирования АШВУ, подтверждается и данными рентгенофазового анализа (РФА). В пленке, отвечающей оксидированному в режиме 530 оС, 60 минут образцу VxOy/InP, ванадий присутствует в виде оксида ванадия (IV) и ванадата индия, представляющего продукт вторичного взаимодействия In2O3 и V2O5.
Отсутствие в сформированной оксидной пленке V2O5 свидетельствует о его расходовании в процессе передачи кислорода компонентам полупроводниковой подложки и превращении в т. Образование 1пУ04 в процессе оксидирования связывает хемостимулятор V2O5, блокируя тем самым цикл регенерации ^ V44, являющийся необходимым атрибутом катализа, и обусловливая реализацию транзитного механизма термооксидирования.
« d„ Тал hhl
1 3 26 VOj 110 002
2 2 90 InO 20C1
3 2 25 »VO, 22-
< 1 9 т 5 I 4в ki'/Q, inp 222 UC
6 142 Ю, да-
s^MrViA/Чл,
»».град
Рисунок 1. Дифрактограммы образца VxOy/InP после оксидирования в режиме 530 оС, 60 минут
По данным АСМ в результате термооксидирования гетероструктуры VxOv/GaAs в режиме 530 °С, 60 мин (рис. 2) высота рельефа поверхности изменяется незначительно, плёнка остаётся гладкой, а зёренная структура ста-
новится менее выраженной по сравнение с неоксидиро-ванной гетероструктурой. Шероховатость при этом снижается с 1,60 нм до 0,78 нм (для площади сканирования 3х3 мкм2).
-1 • ' i " Л " • '. rr .,'k, I
LfK • , " »
а б в
Рисунок 2. АСМ-изображение (а), фазовый контраст (б) и профиль (в) поверхности гетероструктуры VxOy/GaAs после термооксидирования в режиме 530 оС, 60 мин (2х2 мкм)
По данным СТМ высота рельефа поверхности гете-роструктуры ^ОуЛпР, синтезированной и оксидированной в аналогичных условиях, не превышает 50 нм (рис. 3), но данное значение больше такого для гетероструктуры на основе GaAs. В случае с фосфидом индия в исследуемых
температурных интервалах интенсивность взаимодействия компонентов подложки и плёнки несколько выше по сравнению с арсенидом галлия. Этим возможно и объясняется более развитый рельеф поверхности результирующих плёнок.
Рисунок 3. СТМ-изображение и профиль поверхности гетероструктуры VxOy/InP после термооксидирования
в режиме 530 оС, 60 мин (3х3 мкм)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Метод осаждения геля пентаоксида ванадия из 2. аэрозоля на поверхность полупроводников AIIIBV с последующим термическим отжигом позволяет формировать пленки со сглаженным поверхностным рельефом в отсутствие взаимодействия пленка-подложка до начала термо- 3. оксидирования гетероструктуры. Отсутствие в оксидных пленках V2O5 (данные РФА) свидетельствует о расходовании хемостимулятора в процессе оксидирования, что является характерной особенностью транзитного механизма 4. хемостимулированного оксидирования полупроводников. Образование InVO4 в результате взаимодействия полупроводниковой подложки с нанесенным хемостимулятором препятствует легкому переходу V+5 ^ V+4, необходимому 5. для осуществления катализа.
Список литературы: 6.
1. Giorgetti M., Berrettoni M., Smyrl W. H. Doped V2O5-based cathode materials: Where does the doping metal Go? An X-ray absorption spectroscopy study // Chemistry of Materials. 2007. V. 19. №24. P. 5991-
6000.
Каталитический эффект нанослоя композита ^205 + РЬО) в процессе термооксидирования кристалла 1пР // Доклады Академии наук. 2007. Т. 417. № 4. С. 497-501.
Каталитическое действие ванадия и его оксида (V) в процессах оксидирования полупроводников AПГBV // Наносистемы: физика, химия, математика. 2012. Т. 3. № 2. С. 116-138.
Термическое окисление арсенида галлия с поверхностью, модифицированной оксидами переходных металлов // Физика и химия стекла. 2010. Т. 36. № 2. С. 297-306.
Термическое окисление полупроводников АПГ^ с наноразмерными слоями ^05 на поверхности // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 2. С. 304-309. Формирование пленок оксидов ванадия на поверхности 1пР в мягких условиях и термооксидирование полученных структур // Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 2. С. 205-212.
