Công nghệ chế tạo vật liệu xốp và cơ chế ăn mòn xốp
2.3.1.Vai trò của lỗ trống trong các cơ chế ăn mòn anốt
Vai trò của lỗ trống trong ăn mòn anốt
Hiển nhiên, ăn mòn một nguyên tử tương đương với việc nguyên tử này bị tách ra khỏi khối bán dẫn. Tuy nhiên, nguyên tử trong chất bán dẫn luôn liên kết với các nguyên tử khác ở xung quanh, do đó, để quá trình ăn mòn nguyên tử này có thể xảy ra thì trước tiên các liên kết này phải được bẻ gẫy. Đối với đa số chất bán dẫn, liên kết giữa các nguyên tử là liên kết cộng hóa trị được thực hiện bằng các cặp điện tử dùng chung. Vì vậy, việc bẻ gẫy liên kết chính là lấy đi điện tử liên kết. Nhưng việc lấy đi một điện tử liên kết lại chính là tạo ra một lỗ trống vì lỗ trống chính là vị trí liên kết mà điện tử đã bị lấy đi (như minh họa trên Hình 2.7). Như vậy, việc hủy liên kết của nguyên tử trên bề mặt khối bán dẫn trong quá trình ăn mòn chính là sự phun lỗ trống ra bề mặt khối bán dẫn.
Đối với ăn mòn anốt, sự phun lỗ trống ra bề mặt được thực hiện bằng điện thế áp đặt từ bên ngoài, như đã trình bày ở trên có thể coi lỗ trống như là một hạt mang điện tích e+, dưới tác dụng của điện trường áp đặt cho quá trình ăn mòn anốt thì lỗ trống sẽ bị cuốn tới bề mặt bán dẫn (đây chính là quá trình phun lỗ trống), tức là khi đó nó tạo ra trên bề mặt bán dẫn một vị trí thiếu điện tử liên kết. Và như nói ở trên, vị trí liên kết trống này có thể bị thay thế bằng các phần tử trong dung dịch để tiến tới việc tạo thành một hợp chất giữa bán dẫn với các phần tử này, khi chất mới được
44
tạo thành hòa tan vào trong dung dịch thì quá trình ăn mòn sẽ diễn ra. Như vậy, vai trò của lỗ trống trong quá trình ăn mòn anốt là rất quan trọng, nó là điều kiện cần đầu tiên cho quá trình ăn mòn anốt.
Hình 2.7. Minh họa sự hình thành lỗ trống (hole) khi một điện tử trong mối liên kết cộng hóa trị của bán dẫn nhóm IV bị lấy đi mất.
Các vấn đề vừa trình bày ở trên giải thích tại sao quá trình ăn mòn anốt Si và SiC loại n lại cần có sự hỗ trợ của ánh sáng. Si và SiC loại ncó hạt tải điện chủ yếu là điện tử, trong chúng hầu như không có lỗ trống, do đó để tạo ra lỗ trống cho quá trình ăn mòn cần có sự chiếu sáng. Đường đặc trưng I-V của quá trình ăn mòn anốt trên Hình 2.6b cho ta thấy rất rõ vai trò của sự chiếu sáng đối với quá trình ăn mòn Si loại n, khi không có sự chiếu sáng thì sự ăn mòn chỉ xảy ra khi điện thế áp đặt là rất lớn. Đối với SiC, do nó có độ rộng vùng cấm lớn (2,3-3,2 eV) nên năng lượng của photon kích thích cho việc tạo lỗ trống cần phải khá cao, do đó thông thường ánh sáng hay được sử dụng là ánh sáng cực tím (UV) [71, 145, 181]. Ngoài ra lỗ trống cũng có thể được tạo ra bằng cơ chế đánh thủng khi ta áp đặt một điện thế đủ lớn vào khối bán dẫn [185], điện thế này sẽ tạo ra một lực đủ lớn để bứt điện tử liên kết ra khỏi mối liên kết và kết quả là tạo ra một lỗ trống. Đối với SiC, để cơ chế đánh thủng diễn ra đòi hỏi cường độ điện trường áp đặt lên tới trên 106 V/cm [72]. Cường độ điện trường cần thiết cho sự đánh thủng phụ thuộc vào nồng độ tạp.
45
Cơ chế ăn mòn một bước và ăn mòn hai bước
Với quá trình ăn mòn anốt, sự bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử trên bề mặt phân cách giữa khối bán dẫn và dung dịch điện hóa được thực hiện bằng sự phun lỗ trống ra bề mặt khối bán dẫn dưới tác dụng của điện thế áp đặt lên hai điện cực. Khi một lỗ trống được phun tới bề mặt chất bán dẫn thì điều này tương đương với một liên kết trên giữa các nguyên tử trên bề mặt bị bẻ gẫy và khi đó liên kết này có thể được thay thế bằng một liên kết mới với các phần tử trong dung dịch điện hóa. Khi toàn bộ các liên kết của một nguyên tử trên bề mặt được thay thế bằng các liên kết với các chất trong dung dịch điện phân thì một phân tử của chất mới được hình thành. Quá trình này được gọi là quá trình ôxy hóa đế. Sau quá trình này nếu chất tạo thành tan ngay vào trong dung dịch thì quá trình ăn mòn này được gọi là quá trình ăn mòn một bước (ăn mòn trực tiếp), còn nếu chất tạo thành là ôxít và sau đó ôxít này mới hòa tan vào trong dung dịch hoặc bay hơi đi thì quá trình ăn mòn này được gọi là quá trình ăn mòn hai bước (ăn mòn gián tiếp).