- Trường hợp mật độ dòng từ JaN3 trở lên thì không có sự tạo thành lớp xốp, thay
3.2.4.Cơ chế ảnh hưởng của Ja đến hình thái của lớp xốp
Như đã trình bày trong Chương 2, cho tới nay cơ chế cho sự hình thành các hình thái khác nhau của lớp SiC xốp khi các thông số chế tạo (ví dụ như: mật độ dòng anốt, nồng độ HF, loại bán dẫn…) thay đổi vẫn chưa được nghiên cứu rõ ràng. Từ các kết quả thực nghiệm và cơ chế ăn mòn anốt aSiC trình bày ở trên chúng tôi đưa ra cơ chế ảnh hưởng của mật độ dòng anốt lên hình thái của lớp aSiC xốp như sau:
Hình thái đám rễ cây: Trước hết ta xét trường hợp mật độ dòng điện nhỏ, có ba nguyên nhân dẫn đến sự rẽ nhánh của các lỗ xốp khi chúng ăn sâu vào lớp aSiC để tạo ra hình thái đám rễ cây:
- Thứ nhất, khi mật độ dòng anốt hóa nhỏ thì mật độ lỗ trống phun ra bề mặt ít
dẫn đến mật độ các lỗ xốp tạo thành từ bề mặt là thưa và khá nhỏ. Điều này, đến lượt mình dẫn tới việc các khí sinh ra trong phản ứng của quá trình ăn mòn khó thoát ra ngoài và tạo thành các bong bóng khí ở đáy lỗ xốp. Các bong bóng này ngăn cản dung dịch ăn mòn đi tới đáy lỗ, đồng thời ngăn cản sự phun lỗ trống đến đây, kết quả là sự ăn mòn sẽ không thể tiếp tục ở đáy lỗ. Lúc này các lỗ trống sẽ khuếch tán đến thành lỗ và quá trình ăn mòn sẽ diễn ra ở đây để tạo thành một lỗ xốp mới ăn vào thành lỗ ban đầu. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy làm cho từ lỗ xốp ban đầu nhiều nhánh lỗ xốp khác được mọc ra.
80
Và do định hướng của điện trường nên các nhánh này luôn có xu hướng ăn sâu xuống dưới (quá trình này được mô tả trên Hình 3.8).
Hình 3.8. Quá trình hình thành của hình thái đám rễ cây khi ăn mòn tạo xốp màng aSiC ở mật độ dòng anốt hóa nhỏ.
- Thứ hai, do các phản ứng ăn mòn dẫn đến nồng độ HF ở gần đáy của các lỗ
xốp giảm. Vì vậy, một tỷ lệ nào đó các lỗ trống phun ra tới đáy lỗ xốp dưới tác dụng của dòng điện có thể không tham gia vào phản ứng hóa học ở đáy của các lỗ xốp. Thay vào đó, các lỗ trống dư này có thể khuếch tán và trôi dạt đến thành lỗ xốp để tham gia vào các phản ứng ở đó, kết quả là hình thái đám rễ cây được hình thành. Hình thái của lớp aSiC xốp khi ăn mòn trong dung dịch EG của HF (sẽ trình bày trong mục 3.2) là bằng chứng thực nghiệm rõ nhất cho điều này bởi vì dung dịch này có độ nhớt cao dẫn đến độ chênh lệch nồng độ HF ở đáy lỗ so với khu vực phía trên là khá lớn.
- Thứ ba, như ta đã biết để quá trình ăn mòn xảy ra thì lỗ trống phải tới được
mặt phân cách dung dịch/bán dẫn. Lỗ trống đi được tới đây theo hai cách: (1) do điện trường cuốn đến, (2) do sự khuếch tán. Dưới tác dụng của điện trường
81
thì lỗ trống chủ yếu được cuốn đến đáy của lỗ xốp nơi có điện trường mạnh hơn hẳn, còn dưới tác dụng của sự khuếch tán thì lỗ trống đến cả các thành lỗ xốp. Ở mật độ dòng anốt hóa nhỏ thì điện trường sẽ yếu và khi đó vai trò của nó đối với việc đưa các lỗ trống đến bề mặt phân cách cũng yếu, lúc này vai trò của sự khuếch tán cho việc đưa lỗ trống đến bề mặt phân cách chiếm ưu thế và đây cũng chính là một nguyên nhân dẫn sự rẽ nhánh của các lỗ xốp khi ăn mòn sâu vào trong lớp aSiC.
Hình thái cột xốp nhỏ sâu: Tiếp theo, ta xét đến trường hợp mật độ dòng anốt hóa tăng lên đủ lớn (JaN1 ≤ Ja< JaN2) để hình thành hình thái cột xốp nhỏ. Đây là hình
thái được quan tâm nhất đối với cả Si xốp và SiC vì nó là hình thái có khả năng ứng dụng nhiều nhất [50, 71, 72, 129]. Hình 3.9 mô tả quá trình hình thành lớp aSiC có cấu trúc cột xốp nhỏ. Theo ý kiến của chúng tôi, sự hình thành hình thái cột xốp nhỏ sâu của lớp aSiC trong các thí nghiệm của chúng tôi khi mật độ dòng đủ lớn là do các nguyên nhân sau đây: sự mở rộng của các lỗ xốp và sự gia tăng của cường độ điện trường.
Hình 3.9. Hình ảnh mô tả quá trình hình thành lớp aSiC có cấu trúc cột xốp nhỏ sâu.
Nếu xét về sự mở rộng của các lỗ xốp khi mật độ dòng anốt hóa tăng thì nói chung có ba nguyên nhân dẫn đến điều này:
- Thứ nhất, như đã trình bày ở trên, khi mật độ dòng anốt hóa càng cao thì mật
82
tăng lên của mật độ lỗ xốp, và do sự gia tăng này các lỗ xốp chồng lấn lên nhau tạo ra sự mở rộng của lỗ xốp.
- Thứ hai, khi mật độ dòng anốt hóa tăng thì cơ chế ăn mòn thông qua hai bước
chiếm ưu thế, trong cơ chế ăn mòn này sự hình thành lớp ôxít trong quá trình ăn mòn ở đáy lỗ xốp sẽ làm các lỗ trống đi tới thành lỗ gần đáy của lỗ xốp và kết quả là sự ăn mòn diễn ra cả ở xung quanh thành lỗ gần đáy của hố xốp dẫn tới sự mở rộng của lỗ xốp.
- Thứ ba, các lỗ xốp có thể còn mở rộng khi mật độ dòng tăng do sự chênh lệch
nồng độ HF ở đáy so với ở cạnh bên trong các lỗ xốp. Như chúng tôi đã thảo luận ở trên, quá trình ăn mòn anốt SiC trong HF đòi hỏi một nguồn cung cấp các lỗ trống từ chất bán dẫn. Ở mật độ dòng anốt hóa không đổi, tốc độ mà lỗ trống được cung cấp cho điện cực SiC là cố định. Khi các lỗ xốp mọc sâu xuống lớp SiC thì nồng độ HF ở gần đáy của các lỗ xốp giảm. Do đó, một tỷ lệ nào đó các lỗ trống phun ra tới đáy lỗ dưới tác dụng của dòng điện có thể không tham gia vào phản ứng hóa học đáy của các lỗ xốp. Thay vào đó, các lỗ trống dư này có thể khuếch tán và trôi dạt đến thành lỗ xốp để tham gia vào các phản ứng đó, kết quả là lỗ xốp được mở rộng. Khi mật độ dòng càng cao thì tốc độ phản ứng càng mạnh dẫn đến sự chênh lệch nồng độ HF càng lớn. Nếu xét về nguyên nhân của sự ăn thẳng xuống, vuông góc với bề mặt của các lỗ xốp khi mật độ dòng anốt hóa tăng lên thì ta có hai lý do sau đây:
- Thứ nhất, khi kích thước các lỗ xốp tăng lên, khí được tạo thành trong quá
trình ăn mòn dễ thoát ra khỏi lỗ xốp hơn, do đó hạn chế hình thành các bong bóng khí ở đáy lỗ xốp, với kết quả là quá trình ăn mòn sẽ tiếp diễn ở đáy lỗ xốp làm cho lỗ xốp có xu hướng ăn thẳng xuống.
- Thứ hai, khi mật độ dòng anốt hóa tăng lên thì cường độ điện trường cũng sẽ mạnh hơn. Nhưng như chúng ta đã biết, điện trường ở đáy các lỗ xốp bao giờ cũng mạnh hơn so với ở các khu vực xung quanh thành lỗ xốp. Sự gia tăng của cường độ diện trường làm cho điện trường cục bộ ở đáy các lỗ xốp trở nên rất mạnh, nó cuốn gần như toàn bộ các lỗ trống tới khu vực này và đồng thời ngăn
83
cản sự khuếch tán của các lỗ trống. Do đó quá trình ăn mòn chỉ diễn ra xung quanh khu vực đáy lỗ xốp và như vậy lỗ xốp sẽ ăn sâu thẳng xuống. Kết quả là hình thái có dạng cột xốp song song với điện trường và vuông góc với bề mặt màng mỏng aSiC ban đầu được tạo ra.
Nói tóm lại, khi mật độ dòng anốt hóa tăng lên thì dần dần hình thái lỗ xốp theo kiểu đám rễ cây sẽ được thay thế bằng hình thái cột xốp nhỏ sâu do sự mở rộng của lỗ xốp và sự gia tăng của cường độ điện trường. Mật độ dòng càng cao thì các lỗ xốp càng ăn thẳng xuống vuông góc bề mặt và thành lỗ càng mịn. Các kết quả thực nghiệm thể hiện trên Hình 3.4 c và d cho ta thấy rõ điều này.
Hình thái cột xốp lớn nông: Khi dòng điện anốt hóa tăng lên đến một giá trị nào đó (giá trị này phụ thuộc vào nồng độ HF trong dung dịch) thì kích thước các cột xốp tăng lên đáng kể, đồng thời chiều sâu của cột xốp giảm đi, chúng tôi gọi hình thái này là cột xốp lớn nông. Có hai nguyên nhân làm gia tăng độ rộng của lỗ xốp cũng như làm cho các lỗ xốp trở nên nông hơn khi mật độ dòng anốt hóa tăng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nguyên nhân thứ nhất là khi mật độ dòng anốt hóa tăng, mật độ lỗ xốp sẽ tăng lên (nguyên nhân của điều này đã được trình bày ở trên) làm cho các lỗ xốp trở nên có thể chồng lấn lên nhau. Khi các lỗ xốp chồng lên nhau thì kích thước lỗ xốp hiển nhiên sẽ mở rộng ra.
- Nguyên nhân thứ hai là mật độ dòng anốt hóa tăng lên có thể dẫn đến sự hình thành một lớp ôxít silic ở đáy lỗ xốp. Cụ thể hơn, khi mật độ dòng anốt hóa tăng cao thì tốc độ phun lỗ trống đến đáy lỗ xốp sẽ rất mạnh dẫn đến tốc độ ôxy hóa SiC cũng diễn ra rất mạnh, khi tốc độ ôxy hóa nhanh hơn tốc độ hoà tan ôxít thì sẽ còn lại một lớp ôxít dư ở đáy lỗ xốp. Khi đủ dày, lớp ôxít này một mặt sẽ ngăn cản sự ăn mòn sâu xuống, làm cho các lỗ xốp trở nên nông hơn trước. Nhưng mặt khác, bởi vì hầu như không có ôxit silic tồn tại trên thành của các lỗ xốp nên các lỗ trống sẽ khuếch tán và/hoặc bị cuốn đến đây, do đó sự ăn mòn sẽ diễn ra ở thành của lỗ xốp, kết quả là các lỗ xốp sẽ có khả năng mở rộng ra. Kết quả này tương tự như khi ăn mòn anốt silic [37, 185]. Hình 3.10 mô tả quá trình hình thành lớp aSiC xốp có hình thái cột xốp lớn và nông.
84
Hình 3.10. Quá trình hình thành lớp aSiC xốp có cấu trúc cột xốp lớn nông.
Có một điểm đáng chú ý là khi các mẫu aSiC xốp của chúng tôi nằm dưới dạng cột xốp lớn nông thì thường ở dưới lớp cột xốp lớn sẽ hình thành một lớp xốp có dạng đám rễ cây. Nguyên nhân của kết quả này là do lớp ôxít hình thành khi ăn mòn điện hóa SiC là khá xốp [71], [72], [165], điều này làm cho dung dịch ăn mòn có thể thấm qua lớp ôxít đi xuống phía dưới và kết quả là sự ăn mòn anốt lại xảy ra. Tuy nhiên do sự cản trở của lớp ôxít ở đáy lỗ xốp dẫn đến sự khó khăn trong việc vận chuyển các chất ăn mòn và sản phẩm phản ứng ra ngoài dung dịch (như đã trình bày ở phần trên) nên hình thái của lớp xốp lúc này có dạng dễ cây tương tự như khi mật độ dòng anốt hóa nhỏ.