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The silicon/silica electrode

1980; Wiley; Volume: 57; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.1002/pssa.2210570229

1521-396X

Marc Madou, Karl W. Frese, S. Roy Morrison,

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design

Electron flow between silicon and an aqueous solution through a thermally grown SiO2 layer is observed after a suitable activation process. The activation is either a heat treatment in vacuum or a negative bias applied to the silicon. The duration required for the cathodic bias is consistent with the time needed to provide a high positive ion density in the SiO2. As the SiO2 becomes more electronically conducting, copious hydrogen evolution begins. If metal ions such as zinc are present, they can be reduced giving metal deposits. If sufficiently high voltage is applied, cathodic luminescence, characteristic of the ions in solution, is observed. When the electronic conductivity is obtained, the system SiSiO2 behaves like a metal electrode, in that current is passed to reducing or oxidizing agents in solution when the electrode potential reaches the Eº for the redox couple. The results are explained in terms of field-aided ion diffusion into the oxide under the cathodic bias, occurring particularly at flaws in the oxide. The potential importance of the results in MOSFET quality control, in ISFET technology, and in basic models of anodic oxidation is discussed. Elektronenfluß zwischen Silizium und einer wäßrigen Lösung über eine Schicht thermisch gewachsenem SiO2 wird nach einem geeigneten Aktivierungsprozeß beobachtet. Die Aktivierung besteht entweder in einer Wärmebehandlung im Vakuum oder einer negativen Vorspannung am Silizium. Die notwendige Dauer für die negative Vorspannung stimmt mit der Zeit überein, die notwendig ist, um eine hohe positive Ionendichte im SiO2 zu schaffen. Wenn das SiO2 elektronisch stärker leitend wird, beginnt eine starke Wasserstoffentwicklung. Wenn Metallionen, wie z. B. Zink, vorhanden sind, können sie reduziert werden und dabei Metallniederschläge ergeben. Wenn eine genügend hohe Spannung angelegt wird, wird kathodische Lumineszenz, charakteristisch für die gelösten Ionen, beobachtet. Wenn die elektronische Leitfähigkeit einsetzt, verhält sich das System SiSiO2 wie eine Metallelektrode, in der Strom für die Reduktion oder Oxidation der gelösten Agenzien fließt, wenn das Elektrodenpotential den Wert Eº für das Redoxpaar erreicht. Die Ergebnisse werden mit der feldunterstützten Ionendiffusion in das Oxid unter kathodischer Vorspannung erklärt, die besonders an Oxiddefekten auftritt. Die mögliche Bedeutung der Ergebnisse für die Qualitätskontrolle von MOSFET's, für die ISFET-Technologie und für grundlegende Modelle der anodischen Oxidation wird diskutiert.