Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии” МТ11

Реферат по теме

«Островковые наноструктуры»

Выполнил: Товмаченко Д.К.

Группа МТ 11-81

Проверил: Сидорова С.В.

Москва 2015

Введение

Хорошо известно, что свойства тонкой пленки отличаются от свойств массивного материала, особенно если толщина пленки очень мала. Эта «особенность» определяется спецификой структуры пленки, которая в свою очередь, обусловлена процессами образования тонкой пленки. Существует большое количество методов и процессов получения тонких пленок (от прокатки до осаждения материала на подложку атом за атомом). Чаще всего тонкие пленки получают методами осаждения. Образование тонких пленок в вакууме происходит в несколько этапов. Укрупнённо можно выделить следующие этапы образования пленки:

- образование зародышей;

- рост зародышей, образование островков;

- коалесценция островков;

- образование каналов;

- рост сплошной пленки.

Для современной науки (разделы электроники: микро - и наноэлектроника) и техники большой интерес представляют островковые пленки, то есть пленки, формирование которых завершили на этапе образования островков. Уникальные свойства (электронные, оптоэлектронные и др.) островковых пленок связаны с тем, что их размеры во всех трёх измерениях лежат в нанометровом диапазоне. Этот факт обусловливает эффект размерного квантования энергетических уровней электрона, находящегося внутри островковой наноструктуры (островка). Поведение электрона внутри наноразмерного островка подобно его поведению внутри трёхмерной потенциальной ямы. По этой причине островковые пленки или островковые наноструктуры (ОНС) диаметром от 2 до 10 нм получили название «квантовые точки».

Для создания квантово размерных наноструктур известны два подхода в технологии: «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Технология «сверху-вниз» подразумевает организацию квантовых наноструктур при обработке макромасштабного объекта с постепенным уменьшением его размеров. Противоположный подход «снизу-вверх» состоит в том, чтобы набрать, соединить, выстроить отдельные атомы и молеклы в упорядоченную структуру.

Формирование квантовых точек посредством самоорганизации при эпитаксии

Упорядоченные самоорганизованные массивы квантовых точек были получены при отработке лазерных структур. Согласно теории, квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр и высокую плотность состояний, что должно давать (при использовании квантовых точек в качестве активной среды лазеров) большой коэффициент усиления, низкий пороговый ток и его температурную стабильность. В течение долгого времени предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе традиционными методами, например литографией, селективным травлением структур с квантовыми ямами. На этом пути отрабатывалась литография с предельно высоким разрешением, но квантовых точек с дискретным атомоподобным спектром получить не удалось.

«Настоящие» квантовые точки были получены после смены технологии по типу «сверху вниз» на технологию «снизу-вверх», когда стали использовать эффекты самоорганизации при эпитаксиальном наращивании гетероструктур. При определенных условиях в эпитаксиальном слое, наращиваемом на кристаллическую подложку другого вещества, образуются упорядоченные массивы квантовых точек.

На квантовых точках, полученных посредством самоорганизации, были впервые продемонстрированы физические свойства, предсказанные теоретически, в частности, специфическая дискретность их энергетического спектра. Первые лазеры на квантовых точках были созданы в 1993 г. под руководством Ж. И. Алферова в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.

Механизм процесса самоорганизации. Процесс самоорганизации при эпитаксиальном росте есть следствие стремления системы к уменьшению энергии.

Экспериментально установлено, что при осаждении атомов на подложку из газовой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста: механизм Франка–Ван дер Мерве (слоевый рост), Фольмера–Вебера (островковый рост) и Странского–Крастанова (промежуточный тип).

Рисунок 1 – Механизмы роста островковых наноструктур

1. Механизм Франка–Ван дер Мерве. Осаждаемый материал смачивает подложку, постоянные решеток практически совпадают. Происходит послойный двухмерный рост.

2. Механизм Фольмера–Вебера. Осаждаемый материал не смачивает подложку (это материалы, различные по свойствам, или с большим различием постоянных решеток). Происходит островковый (трехмерный) рост. Материал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки А.

3. Механизм Странского–Крастанова. Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется рассогласование постоянных решеток (порядка нескольких процентов). Именно этот механизм роста используется для получения массивов квантовых точек, например квантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласование решеток 7%) или квантовых точек германия в кремниевой матрице (рассогласование 4%). На начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя, а затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой подложке. Каждая вертикальная атомная плоскость подложки продолжается в объеме островка, но из-за различия постоянных решетки материалов А и В островок становится напряженным (используется термин «когерентно напряженный»).

Если

γ2+ γ12> γ1

сумма поверхностной энергии эпитаксиального слоя и энергии границы раздела больше, чем энергия поверхности подложки, то осаждаемый материал не смачивает подложку, и имеется тенденция к росту по механизму Фольмера-Вебера.

В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассогласования по постоянной решетки между осаждаемым материалом и подложкой может происходить изменение величиныγ2 +γ12 по мере увеличения толщины осаждаемого материала вследствие накопления упругой энергии.

Это означает, что может иметь место переход от режима Франка - ван дер Мерве к режиму Фольмера-Вебера, т.е. первоначально имеет место послойный рост, который по достижении некоторой критической толщины осажденного материала переходит к островковому росту. Так возникает рост по механизму Странского-Крастанова. Остаточный двумерный слой носит название смачивающего слоя.

Более толстый слой имеет большую упругую энергию, и возникает тенденция уменьшить упругую энергию путем образования изолированных островков. В этих островках происходит релаксация упругих напряжений на вершинах пирамид и соответственное уменьшение упругой энергии.

Рисунок 2 − Распределение упругого напряжения в островке InAs на подложке GaAs

Механизмы роста Фольмера-Вебера и Странски-Крастанова дают принципиальную возможность сформировать массив трехмерных островков в матрице более широкозонного материала. Это массив при определенных условиях, прежде всего достаточно малых размерах островков, может рассматриваться как ансамбль квантовых точек.

Основные преимущества этого подхода к формированию массива КТ заключаются в его относительной простоте, принципиальной возможности избежать загрязнений и повреждений полупроводниковой матрицы, связанных с пост-ростовой обработкой, а также в формировании всей приборной структуры в едином эпитаксиальном процессе.

Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется слой InAs. Этот слой из-за различия решеток — напряженный (ячейки как бы стремятся выгнуться). По мере увеличения толщины слоя упругая энергия растет, связи между атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала и образуются трехмерные островки. Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование трехмерных островков начинается после осаждения 1,6–1,7 слоев InAs.

После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые точки InAs (узкозонный полупроводник) в матрице GaAs (широкозонный).

Формирование массивов островков наблюдается так­ же в системах Si–Ge, InAs–InP, AlInAs–AlGaAs, PbSe– PbTe и в ряде других.

Размер и форма островков. Для заданных условий рос­та существует определенный размер островков, который соответствует минимуму энергии системы. Увеличение или уменьшение размеров островков приводит к увеличе­нию энергии. Большинство островков имеет одинаковый размер, который зависит от условий роста.

Островки ограняются поверхностями с малой поверх­ностной энергией (так называемые кристаллографические грани с низкими индексами Миллера). Например, на под­ ложке GaAs с ориентацией (100) равновесная форма ост­ровков InAs — это пирамидки с квадратным основанием.

Когда расстояние между островками становится срав­нимым с размерами островков, начинается их упругое взаимодействие, обусловленное проникновением в под­ложку напряжений, создаваемых островками. Взаимодей­ствие островков на поверхности — всегда отталкивание. Это обеспечивает устойчивость массива островков. На уп­руго­анизотропных поверхностях {100} островки образу­ ют квадратную сетку.

На рисунке показаны пирамидальные островки PbSe на поверхности PbTe (111).

Рисунок 3 − Островки PbSe на поверхности PbTe: а — схема островка; б — схематическое изображение островков, полу­ченное с помощью атомно­-силового микроскопа

Для приборных приложений массив островков должен обладать определенными качествами: отсутствие дефектов, однородность массива по форме, взаимному расположению и размерам островков, достаточная поверхностная плотность островков. Например, для лазерных структур необходима плотность островков 1011 см2.

Регулированием условий роста можно изменять размеры островков и их поверхностную плотность. Например, с ростом температуры подложки увеличивается размер основания L, уменьшается высота h и уменьшается поверхностная плотность островков. Эти параметры зависят также от давления паров мышьяка и других условий роста.

Подбор оптимальных условий получения островков производится экспериментально. Существуют минимальный и максимальный размеры островков, когда их можно рассматривать как квантовые точки. Для системы InAs–GaAs — это 4 нм и 20 нм соответственно. Минимальный размер определяется тем, что квантовая точка должна иметь хотя бы один энергетический уровень; максимальный размер определяется необходимостью выполнения условия Е2–Е1>> кТ.

Вертикальные массивы квантовых точек. Если первый слой квантовых точек островков закрыть несколькими монослоями матричного материала и снова осаждать материал островков, то новые островки — квантовые точки — будут формироваться строго над островками предыдущего слоя. Это объясняется тем, что из-за различия решеток осаждаемый материал матрицы над островками оказывается упруго напряженным. Например, в матрице GaAs над островком InAs создается максимальное растяжение. Так как атомы индия имеют больший радиус, чем атомы галлия, то при осаждении атомы индия притягиваются к участкам поверхности GaAs с максимальным растяжением, т. е. к участкам над заращенными островками предыдущего слоя.

Так получают вертикальные массивы квантовых точек для приборных структур. Регулируя толщину осажденных слоев GaAs, можно получить туннельно-связанные и электронно-связанные квантовые точки в вертикальных массивах.

Вакуумные методы формирования островковых наноструктур

Атомистическая теория роста пленок, авторами которой являются Уолтер и Родин, описывает процесс зародышеобразования с помощью методов статической физики и позволяет представить этот процесс с помощью зародышей малого размера, состоящих из небольшого числа отдельных атомов. Стабильные зародыши называются зародышами закритического размера, а нестабильные – докритического размера.

После образования зародышей закритического размера на подложке начинается рост пленки, в результате которого адсорбируемые атомы и зародыши докритического размера мигрируют на поверхности, захватываясь закритическими зародышами (островками).

Островки разрастаются, просвет между ними уменьшается. В этот момент пленка представляет собой совокупность островков закритического размера, пока не связанных между собой гальванически. Такую пленку называют островковой, состоящей из островков или квантовых точек. В зависимости от расстояния между островками преобладают различные механизмы электропроводимости. При сравнительно больших расстояниях (10 нм) – термоэлектронный механизм, а при малых зазорах (2,5 нм) – туннельный эффект переноса носителей.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – один из современных и перспективных технологических методов выращивания монокристаллических слоев и полупроводниковых структур на их основе. МЛЭ представляет собой процесс эпитаксиального роста тонких слоев различных соединений за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомными пучками соответствующих компонентов и поверхностью подложки, находящейся в сверхвысоком вакууме при повышенной температуре.