Untersuchung und Modellierung des elektrochemischen Porenwachstums in InP mit In-situ-FFT-Impedanzspektroskopie und Monte-Carlo-Simulation

Leisner, Malte

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Wachstumsmechanismen von sogenannten Stromlinien-orientierten Poren (Currentline-Poren) und kristallographischen Poren (Crysto-Poren). Diese Arten von Poren lassen sich elektrochemisch in verschiedenen Halbleitermaterialien ätzen und stellen Extremformen des Porenwachstums dar. Dieses paradigmatische Wachstumsverhalten tritt in III-V-Halbleitern, insbesondere in InP, in Reinform auf. Daher beschäftigt sich diese Arbeit hauptsächlich mit Currentline- und Crysto-Poren in InP. Die in-situ Untersuchung des elektrochemischen Porenwachstums ist generell nahezu unmöglich, da Porenwachstum hauptsächlich an den Porenspitzen stattfindet. Diese sind für klassische Messmethodik in aller Regel unzugänglich, da sie sich weit unterhalb der üblicherweise untersuchten ursprünglichen Grenzfläche der Halbleiterprobe zum Elektrolyten befinden. Neben klassischen elektrochemischen Experimenten, stellt daher die Untersuchung des Porenwachstums mittels der in-situ Meßmethode Fast-Fourier-Transform Impedanzspektroskopie (FFT IS) einen essentiellen Teil dieser Arbeit dar. Für beide Porensorten konnten erfolgreich Messungen durchgeführt und mathematische Fitmodelle entwickelt werden. Die Interpretation beider Modelle lieferte direkte Einsicht in die dem jeweiligen Porenwachstumsmodus zugrundeliegenden physiko-chemischen Prozesse und zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Wachstumsmoden auf. Für das Wachstum der Crysto-Poren wurde zudem ein Wachstumsmodell entwickelt, welches das Verzweigen dieser Poren als Wahrscheinlichkeitsprozess beschreibt. Die stochastische Natur dieses Modells erlaubte die Implementation des Modells in eine drei-dimensionale Monte-Carlo-Simulation des Crysto-Poren-Wachstums. Die Simulation konnte das Crysto-Poren-Wachstum in InP verschiedener Dotierung quantitativ sehr gut reproduzieren, ebenfalls konnte sie Crysto-Poren-Domänen, eine spezielle oberflächennahe Struktur, in GaAs simulieren. Der Unterschied im Wachstumsmodus beider Porensorten konnte letztendlich in einem geschlossenen Modell erklärt werden, welches maßgeblich auf dem Grad der Passivierung der Halbleiter-Elektrolyt-Grenzfläche an den Porenspitzen basiert. Im Kontext dieses Modells war es ebenfalls möglich, den Umschlag zwischen den Wachstumsmoden, welcher extern induziert oder selbstinduziert auftreten kann, zu verstehen. Dieser Umschlag stellte bisher eines der großen Mysterien des elektrochemischen Porenätzens dar.

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Leisner, Malte: Untersuchung und Modellierung des elektrochemischen Porenwachstums in InP mit In-situ-FFT-Impedanzspektroskopie und Monte-Carlo-Simulation.

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