mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2018-2-112-121mateltech-281Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYКонтактные и бесконтактные методы измерения параметров пористого кремнияContact and contactless methods for measuring the parameters of porous siliconhttps://orcid.org/0000-0003-2651-0562ЛатухинаН. В.LatukhinaN. V.

Московское шоссе, д. 34, Самара, 443086

Латухина Наталья Виленовна — канд. техн. наук, доцент

34 Moskovskoye shosse, Samara 443086

Natalya V. Latukhina: Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor

natalat@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0879-7013КобелеваС. П.KobelevaS. P.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кобелева Светлана Петровна — канд. физ.–мат. наук, доцент

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Svetlana P. Kobeleva: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor

kob@misis.ruРогожинаГ. А.RogozhinaG. A.

Московское шоссе, д. 34, Самара, 443086

Рогожина Галина — ассистент

34 Moskovskoye shosse, Samara 443086

Galina A. Rogozhina: Assistant

galina_pisarenko@mail.ruШишкинИ. А.ShishkinI. A.

Московское шоссе, д. 34, Самара, 443086

Шишкин Иван — студент

34 Moskovskoye shosse, Samara 443086

Ivan A. Shishkin: Student

shishkinivan9@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9193-8106ЩемеровИ. В.SchemerovI. V.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Щемеров Иван Васильевич — канд.техн. наук, инженер

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Ivan V. Schemerov: Cand. Sci. (Eng.), Engineer

svd-i@mail.ruСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваРоссияSamara UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation201820062019212112121Copyright © Латухина Н.В., Кобелева С.П., Рогожина Г.А., Шишкин И.А., Щемеров И.В., 20192019Латухина Н.В., Кобелева С.П., Рогожина Г.А., Шишкин И.А., Щемеров И.В.Latukhina N.V., Kobeleva S.P., Rogozhina G.A., Shishkin I.A., Schemerov I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/281

Бесконтактные методы измерения параметров представляют особый интерес для наноматериалов, к которым относится и пористый кремний, так как при измерении их параметров контактными методами наноструктура может быть необратимо нарушена. Актуальным вопросом является интерпретация результатов измерений параметров наноматериалов бесконтактными методами и сопоставление их с результатами, полученные с помощью традиционных контактных методов. Контактным и бесконтактным методами проведены измерения удельного электросопротивления (УЭС) образцов монокристаллических пластин кремния с созданным на их поверхности пористым слоем различной толщины. Пористый слой создавали на поверхностях монокристаллических пластин с хорошо выраженным микрорельефом: текстурированных и шлифованных. В качестве контактного был выбран классический четырехзондовый метод с линейным расположением зондов, в качестве бесконтактного — резонаторный СВЧ-метод, основанный на явлении поглощения СВЧ-излучения свободными носителями заряда. По результатам измерений построены карты распределения УЭС по площади образцов. Показано качественное совпадение картин распределения УЭС, полученных контактным и бесконтактным методом. Для анализа картины разброса значений удельного сопротивления по площади образцов проведено моделирование распределения поля в электролите при формировании пористого слоя в ячейке с непланарным анодом. Особенности пространственного распределения УЭС для каждого типа образцов объясняются особенностями механизма порообразования, которые, в свою очередь, задаются исходным микрорельефом поверхности и картиной распределения поля в электролите в данном конкретном случае.

In this work we have used contact and contactless techniques to measure the electrical resistivity of single crystal silicon wafers with porous layers of variable thickness synthesized on the surface. The porous layers have been synthesized on the surfaces of single crystal wafers with well pronounced microroughness pattern, either textured or grinded. We have used the classic four-probe method with a linear probe arrangement as the contact measurement technique, and the resonance microwave method based on microwave absorption by free carriers as the contactless measurement technique. Electrical resistivity distribution over the specimen surface has been mapped based on the measurement results. We have demonstrated a general agreement between the electrical resistivity distribution patterns as measured using the contact and contactless measurement techniques. To analyze the electrical resistivity scatter over the specimen surface area we have simulated the field distribution in the electrolyte during porous layer formation in a non-planar anode cell. The regularities of the electrical resistivity spatial distribution in different types of specimens are accounted for by specific porosity formation mechanisms which in turn are controlled by the initial microroughness pattern and the field distribution pattern in the electrolyte for each specific case.

пористый кремнийудельное электросопротивлениебесконтактный методчетырехзондовый методэлектрохимическое травлениеporous siliconelectrical resistivitycontactless methodfour-probe methodelectrochemical etchingReferencesЗимин С. П. Классификация электрических свойств пористого кремния // ФТП. 2000. Т. 34, Вып. 3. С. 359—363. Zimin S. P. Classification of electrical properties of porous silicon. Semiconductors, 2000, vol. 34, no. 3, pp. 353—357. DOI: 10.1134/1.1187985Bisi S., Ossicini S., Pavesi L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surf. Sci. Rep. 2000. V. 38, N 1–3. P. l—126. DOI: 10.1016/S0167-5729(99)00012-6 Bisi S., Ossicini S., Pavesi L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics. Surf. Sci. Rep., 2000, vol. 38, no. 1–3, pp. l—126. DOI: 10.1016/S0167-5729(99)00012-6Зимин С. П. Прыжковая проводимость в мезапористом кремнии с малой пористостью, сформированном на р+-Si‹B› // ФТП. 2006. Т. 40, Вып. 11. С. 1385—13871. Zimin S. P. Hopping conductivity in low-porosity mesoporous silicon formed on p+-Si:B. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 11, pp. 1350—1352. DOI: 10.1134/S1063782606110170Сакун Е. А., Полюшкевич А. В., Харлашин П. А., Семенова О. В., Корец А. Я. Разработка пористых структур на кремнии // J. Siberian Federal University. Engineering&Technologies. 2010. Т. 4, № 3. С. 430—443. Sakun E. A., Polyushkevich A. V., Harlashin P. A., Semenova O. V., Korets A. Ya. Development of porous structures on silicon. J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2010, vol. 4, no. 3, pp. 430—443. (In Russ.)Тыныштыкбаев К. Б., Рябикин Ю. А., Токмолдин С. Ж., Айтмукан Т., Ракыметов Б. А., Верменичев Р. Б. Морфология пористого кремния при длительном анодном травлении в электролите с внутренним источником тока // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, Вып. 11. С. 104—110. Tynyshtykbaev K. B., Ryabikin Yu. A., Tokmoldin S. Zh., Aitmukan T., Rakymetov B. A., Vermenichev R. B. Morfologiya of porous silicon at long anode etching in electrolyte with an internal source of current. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 2010, vol. 36, no. 11, pp. 104—110. (In Russ.)Горячев Д. Н., Беляков Л. В, Сресели О. М. О механизме образования пористого кремния // ФТП. 2000. Т. 34, Вып. 9. C. 1130—1134. Goryachev D. N., Belyakov L. V., Sreseli O. M. On the mechanism of porous silicon formation. Semiconductors, 2000, vol. 34, no. 9, pp. 1090—1093. DOI: 10.1134/1.1309429Бучин Э. Ю., Проказников А. В. Характер динамики системы электролит кремний n-типа при анодировании в растворах плавиковой кислоты // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, № 5. С. 1—7. Buchin E. Yu., Prokaznikov A. V. Character of n-type electrolyte system dynamics when anodized in hydrofluoric acid solutions. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 1997, vol. 23, no. 5, pp. 1—7. (In Russ.)Можаев А. В., Проказников А. В. Тимофеев В. В. Динамическая дискретная трехмерная модель порообразования в кремнии // Исследовано в России. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/069 Mozhaev A. V., Prokaznikov A. V., Timofeev V. V. Dynamic discrete three-dimensional model of pore formation in silicon. Issledovano v Rossii = Investigated in Russia. (In Russ.). URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/069Xiaoge Gregory Zhang. Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. N. Y.; Boston; Dordrecht; London; Moscow: Kluwer Academic Publishers, 2004, 510 p. Xiaoge Gregory Zhang. Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. N. Y.; Boston; Dordrecht; London; Moscow: Kluwer Academic Publishers, 2004, 510 p.Allongue P., Kieling V., Gerischer H. Etching mechanism and atomic structure of H-Si(111) surfaces prepared in NH4F // Electrochim. Acta. 1995. V. 40, N 10. P. 1353—1360. DOI: 10.1016/0013-4686(95)00071-L Allongue P., Kieling V., Gerischer H. Etching mechanism and atomic structure of H-Si(111) surfaces prepared in NH4F. Electrochimica Acta, 1995, vol. 40, no. 10, pp. 1353—1360. DOI: 10.1016/0013-4686(95)00071-LТрегулов В. В. Пористый кремний: технология, свойства, применение. Рязань: РГУ им. С. А. Есенина, 2011. C. 24. Tregulov V. V. Poristyi kremnii: tekhnologiya, svoistva, primenenie [Porous Silicon: Technology, Properties, Application]. Ryazan: RGU im. S. A. Esenina, 2011, p. 24. (In Russ.)Улин В. П., Улин Н. В., Солдатенков Ф. Ю. Анодные процессы в условиях химического и электрохимического травления кристаллов кремния в кислых фторидных растворах. Механизм порообразования // ФТП. 2017. Т. 51, Вып. 4. С. 481—496. DOI: 10.21883/FTP.2017.04.44340.8393 Ulin V. P., Ulin N. V., Soldatenkov F. Y.Anodic processes in the chemical and electrochemical etching of Si crystals in acid-fluoride solutions: Pore formation mechanism. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 4, pp. 458—472. DOI: 10.1134/S1063782617040212Улин В. П., Конников С. Г. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах AIIIBV // ФТП. 2007. Т. 41, Вып. 7. С. 854—866. Ulin V. P., Konnikov S. G. The nature of electrochemical pore-formation in AIIIBV crystals (Pt I). Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Semiconductors, 2007, vol. 41, no. 7, pp. 854—866. (In Russ.)Кунакбаев Т. Ж., Тукубаев Э. Э. Моделирование получения пористого кремния на атомном уровне / Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперемент. Междун. научно-практ. конференция. 2015. № 1. С. 171—176. URL: http://portal.kazntu.kz/files/publicate/2015-10-26-elbib_11.pdf Kunakbaev T. Zh., Tukubaev E. E. Modelirovanie polucheniya poristogo kremniya na atomnom urovne [Simulation of porous silicon production at the atomic level].Khaos i struktury v nelineinykh sistemakh. Teoriya i eksperement. Mezhdun. nauchno-prakt. konferentsiya = Chaos and structures in nonlinear systems. Theory and experiment. International scientific and practical the conference. 2015, no. 1, pp. 171—176. (In Russ.). URL: http://portal.kazntu.kz/files/publicate/2015-10-26-elbib_11.pdfПискажова Т. В., Савенкова Н. П., Анпилов С. В., Калмыков А. В., Зайцев Ф. С., Аникеев Ф. А. Трехмерное математическое моделирование динамики границы раздела сред алюминия, электролита и зоны обратного окисления металла в зависимости от распределения потенциала // J. Siberian Federal University. Engineering&Technologies. 2017. Т. 10, № 1. С. 59—73. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-1-59-73 Piskazhova T. V., Savenkova N. P., Anpilov S. V., Kalmykov A. V., Zaitsev F. S., Anikeev F. A. Three-dimensional mathematical modeling of dynamics interfaces between aluminum, electrolytes and reverse zone of oxidized metal depending on the potencial distribution. J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, vol. 10, no. 1, pp. 59—73. (In Russ.). DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-1-59-73Городецкий А. Е., Тарасова И. Л. Компьютерное моделирование процесса формирования пористого кремния // Матем. моделирование. 2008. Т. 20, № 2. С. 105—112. Gorodetsky A. E., Tarasova I. L. Simulation of porous silicon structure formation. Math. Models Comput. Simul. 2009, vol. 1, no. 1, pp. 124—130. DOI: 10.1134/S207004820901013XЛатухина Н. В., Дереглазова Т. С., Ивков С. В., Волков А. В., Деева В. А. Фотоэлектрические свойства структур с микро- и нано-пористым кремнием // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11, № 3. С. 66—70. URL: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2009/2009_3_66_70.pdf Latukhina N. V., Dereglazova T. S., Ivkov S. V., Volkov A. V., Deeva V. A. Photoelectrical properties of structure with micro- and nano-porous silicon. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2009, vol. 11, no. 3, pp. 66—70. URL: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2009/2009_3_66_70.pdfАнфимов И. М., Кобелева С. П., Щемеров И. В. Установка для измерения удельного электросопротивления бесконтактным СВЧ методом // Материалы I международной конф. «Актуальные проблемы прикладной физики 2012». Севастополь, 2012. С. 82—83. Anfimov I. M., Kobeleva S. P., Shchemerov I. V. Ustanovka dlya izmereniya udel’nogo elektrosoprotivleniya beskontaktnym SVCh metodom [Installation for measuring the electrical resistivity by a contactless microwave method]. Materialy I mezhdunarodnoi konf. «Aktual’nye problemy prikladnoi fiziki 2012» = Materials of the I International Conf. «Actual problems of applied physics 2012». Sevastopol, 2012, pp. 82—83.Lizunkova D., Latukhina N., Chepurnov V., Paranin V. Nanocrystalline silicon and silicon carbide optical properties // Proc. International conference Information Technology and Nanotechnology. Session Computer Optics and Nanophotonics. Samara (Russia), 2017. V. 1900. P. 84—89. DOI: 10.18287/1613-0073-2017-1900-84-89 Lizunkova D., Latukhina N., Chepurnov V., Paranin V. Nanocrystalline silicon and silicon carbide optical properties. Proc. International conference Information Technology and Nanotechnology. Session Computer Optics and Nanophotonics. Samara (Russia), 2017, vol. 1900, pp. 84—89. DOI: 10.18287/1613-0073-2017-1900-84-89

The authors declare that there are no conflicts of interest present.