通過電位學(xué)和電位步測量，研究了氫氧化鉀溶液中（100）和（111）電極的電化學(xué)氧化和鈍化過程。在不同的表面之間觀察到顯著的差異，對n型和p型電極的結(jié)果進(jìn)行比較，得出堿性溶液中硅的電化學(xué)氧化必須由化學(xué)反應(yīng)觸發(fā)，溫度對（111）表面電流勢和電流時間結(jié)果的強(qiáng)烈影響支持了化學(xué)活化的重要性，在n型（111）電極上進(jìn)行的光電流實(shí)驗(yàn)表明，氧化物成核對無源層的生長具有重要意義，提出了一種結(jié)合表面化學(xué)和電化學(xué)的機(jī)理來解釋陽極氧化過程中明顯的各向異性。

我們實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)是一個4英寸的實(shí)驗(yàn)，通過在表面形成對齊的掩模圖案，并通過掩模的窗口在5.0M氫氧化鉀內(nèi)各向異性蝕刻硅，形成明確的（111）面，由于硅的（111）面的化學(xué)蝕刻率遠(yuǎn)低于其他面，因此形成了1、2個v形溝槽，露出了（111）的側(cè)壁（見圖1）。

圖2的a和b部分分別顯示了p型和n型硅的恒定正電位掃描速率下測量的結(jié)果,在這兩種情況下，各向異性蝕刻前的初始掃描都顯示了一個具有較低電位的單峰，這是（100）表面的特征,7、21、22陽極電流是由于硅的氧化；在峰值電位以下，半導(dǎo)體溶解，而鈍化發(fā)生在較高的電位下。隨后，在各向異性蝕刻過程中，定期測量伏安圖,在這兩種情況下，隨著（111）側(cè)壁的暴露,（100）峰都會減小，第二個峰會以更多的正電位發(fā)展。

最后，當(dāng)凹槽完全形成時，只剩下與（111）表面對應(yīng)的峰,我們所看到的是從（100）到（111）表面的逐漸過渡。隨著v形槽的完全形成，（100）峰值電流趨于零，（111）峰值水平下降。圖中為測量電流而非電流密度，溝槽形成過程中各晶面的表面積不斷變化。從我們的結(jié)果可以清楚地看出，在這些條件下，硅的陽極氧化的開始發(fā)生在（111）電極的一個更正的電位處。這也適用于鈍化，即電流的突然下降超過最大值。

對于p型硅Up傾向于以更高的掃描速率趨平化，而對于n型硅Up繼續(xù)增加到最高的掃描速率,（在0.1-75mV/s范圍內(nèi)，可觀察到超過3V的位移?。﹏型和p型Si（111）電極的伏安圖具有較強(qiáng)的掃描速率依賴性，這表明動力學(xué)效應(yīng)限制了陽極電流。應(yīng)該通過測量從開路值(Uoc)到無源范圍內(nèi)的電位的電位步驟所產(chǎn)生的電流來揭示電極的緩慢激活,在不同溫度下的測量中，電流密度是電位從開路突變到0.00V后隨時間的函數(shù)，所有瞬變均逐漸增加到最大值，隨后下降；后者是由于電極鈍化，盡管有很強(qiáng)的正電勢，但初始電流在所有溫度下的初始值都很低，這種緩慢的電流激活受到溫度的強(qiáng)烈影響，達(dá)到最大電流的時間從40°C時的近80秒減少到70°C時的8秒。

由光產(chǎn)生的電子-孔對，由電極的空間電荷層分開，到達(dá)表面的孔穴會導(dǎo)致半導(dǎo)體的氧化，脈沖過程中光電流的減少是由于鈍化所致，當(dāng)燈關(guān)閉時，電流突然下降，然后緩慢放松到穩(wěn)定狀態(tài)水平。當(dāng)我們考慮到溫度對電勢步測量中觀察到的感應(yīng)時間的影響時，在圖中看到的強(qiáng)溫度依賴性可能并不令人驚訝。這兩個結(jié)果都表明了電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)活化的重要作用。

在Si（100）和Si（111）電極的陽極氧化動力學(xué)上存在顯著差異，在5.0M氫氧化鉀溶液中，n型和p型Si（100）的伏安圖僅略微依賴于高達(dá)100mV/s的潛在掃描速率，另一方面，Si-（111）對掃描速率有明顯的依賴性，而對n型材料的影響更強(qiáng)。結(jié)論表明，負(fù)責(zé)氧化的陽極電流是由電子注入導(dǎo)帶引起的。

因此，在（111）電極上的電化學(xué)反應(yīng)的緩慢動力學(xué)歸因于（111）表面的化學(xué)穩(wěn)定性，從n型Si（111）的電流瞬態(tài)測量中可以清楚地看出，表面的化學(xué)激活是電流流動的先決條件，不同溫度下的電位動力學(xué)測量和電勢步長測量和光電流測量證實(shí)了這一假設(shè)，一個涉及耦合化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)的示意圖模型可以解釋硅陽極氧化過程中的這種各向異性，該模型還可以解釋為什么鈍化（111）電極需要相當(dāng)少的電荷。

　　審核編輯：湯梓紅