Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Лазеры на подложках InP, излучающие надлинах волн вблизи 1,3 и 1,5 мкм (диапазон максималь#ной прозрачности оптоволокна), обеспечивают 70% ком#муникаций Интернета. Лазеры на основе GaAs, излу#чающие на длине волны 0,85–0,95 мкм, работают на ко#ротких волоконно#оптических линиях связи (ВОЛС) ииспользуются для оптической записи. Быстро растет ры#нок лазеров на основе GaAs с вертикальным резонаторомна квантовых ямах и точках со специальными многослой#ными интерференционными отражающими зеркалами.Такие лазеры имеют малые габариты (до микронных раз#меров), низкий пороговый ток и хорошую диаграмму на#правленности, что обеспечивает более эффективный вводизлучения в волокно.
Количество слоев в лазерных струк#турах может составлять несколько сотен и даже превы#шать 1000, при этом требуется высокая точность заданиятолщины этих слоев (~1%). В последние годы освоено про#изводство ярких светодиодов видимого диапазона на ос#нове гетероструктур нитрида, фосфида и арсенида галлия202НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьдля экранов, табло, сигнальных устройств, бытовой и ав$томобильной светотехники, мобильных телефонов, фото$и видеокамер.
Преимуществом светодиодов по сравнениюс лампами накаливания является уменьшение энергопо$требления в 5–7 раз, высокая длительность работы (додесятков тысяч часов), управление световым потоком ицветом.Гетероструктурные полевые транзисторы используют$ся в цифровом ТВ, в электронике современных систем свя$зи, включая спутниковую и сотовую. На основе резонанс$но$туннельных диодов разрабатывается элементная базасверхбыстродействующих вычислительных систем.Приведенные примеры далеко не исчерпывают всехприменений гетеропереходов. Но и на этих примерах мож$но видеть, сколь велико значение технологии наращива$ния нанослоев для современной электронной индустрии.Наногетероструктуры обеспечивают наивысшие ско$рости пролета электронов в приборных элементах, мини$мальные потери энергии, возможность управления шири$ной запрещенной зоны.Для наногетероструктурных приборов необходимыатомарная гладкость границ слоев и достаточная резкостьизменения состава на границах.
Технология МЛЭ дает воз$можность получать слои с такими свойствами. Поэтомуполупроводниковые наноструктуры производятся в основ$ном по технологии МЛЭ. В настоящее время МЛЭ исполь$зуется для получения не только плоских слоев, но и упо$рядоченных массивов квантовых точек в системах на ос$нове А3В5 и SiGe. Лазеры на массивах квантовых точек всистемах типа А3В5 уже производятся в промышленности.Разрабатываются ИК$фотоприемники на квантовых точ$ках в соединении SiGe; прогнозируется их широкое при$менение.На ближайшее время технология МЛЭ является наи$более перспективной. В Физико$техническом институтеим. А.
Ф. Иоффе (Санкт$Петербург) продолжаются разра$ботки лазерных структур на массивах квантовых точек сиспользованием соединений А3В5 и ведутся разработки ра$ботающих в УФ$диапазоне лазеров на квантовых точкахЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ203на основе широкозонного материала GaN.
Эти лазеры да дут возможность увеличить плотность оптической записи.В Институте физики полупроводников Сибирского от деления РАН (Новосибирск) методом МЛЭ выращивают ся сверхрешетки на основе соединений CdHgTe для фото приемников в среднем (3–5 мкм), дальнем (8–14 мкм) исверхдальнем ИК диапазоне. В последнем случае особенновысоки требования к точности состава и толщины слоев.В этом же институте получают многослойные структурыс квантовыми ямами для широкоформатных матричныхтепловизионных систем в диапазоне 8–20 мкм на основеGaAs. Разрабатывается технология получения структурс квантовыми точками германия в матрице кремния дляИК фотоприемников с параметрами выше, чем достигну тые на системах А3В5, и для полевых нанотранзисторов.Получены СВЧ полевые транзисторы на основе гетероэпи таксиальных структур AlGaN–GaN.Для телекоммуникаций особенно важны фотоприем ники и излучатели, работающие в диапазоне «окон прозрачности» атмосферы — 3–5 мкм и 8–12 мкм.
В СШАполучены ИК лазеры на сверхрешетках, которые могутработать в диапазоне 3–12 мкм. Это каскадные лазеры,работающие на внутризонных и на межзонных перехо дах (см. п. 7.5.5). При изготовлении ИК лазеров особен но жесткие требования предъявляются к толщине сло ев, которая должна выдерживаться с атомарной точно стью. В настоящее время они могут получаться толькометодом МЛЭ.Основные особенности МЛЭ.
В методе МЛЭ пучки ато мов, являющихся компонентами растущего соединения(или элементарного полупроводника), направляются всверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где и про исходит синтез соединения и рост эпитаксиального слоя.Источники пучков атомов — испарительные ячейки, вкаждой из которых содержится свой материал. Испари тельные ячейки называются также эффузионными ячей ками Кнудсена (эффузия — медленное истечение газа че рез малое отверстие). Основные элементы ростовой каме ры схематически показаны на рис.
8.1.204аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбРис. 8.1Схема эпитаксиального наращивания (а)и общая схема ростовой камеры (б)Схема на рис. 8.1а поясняет принцип эпитаксиально"го наращивания. Здесь 1 — источник нагрева подложки 2;4 — испарительные ячейки для компонентов наращивае"мого соединения (Ga, In, As, P и т. д.); 5 — ячейки дляиспарения легирующих элементов, определяющих типпроводимости и величину электропроводности. I — зонагенерации атомных пучков, II — зона смешивания пуч"ков, III — зона эпитаксиального роста.Испарительных ячеек в камере должно быть столь"ко, сколько необходимо для получения слоев 2", 3", 4" и5"компонентных соединений (например, GaAs, AlGaAs,InGaAsP, InGaAsSbBi) с различными легирующими эле"ментами.
Концентрации элементов в растущем слое опре"деляются интенсивностью пучков, а интенсивность пуч"ков задается температурой в испарительных ячейках.Управляя температурами ячеек и подложки, можно по"лучать слои заданного состава. Состав можно менять по"сле завершения формирования любого слоя на подложке.Ячейки обладают малой тепловой инерцией и быстро реа"гируют на регулирование температуры, поэтому можносоздавать резкое изменение концентрации компонентови уровня легирования в гетеропереходе.
С помощью за"слонок 3 (рис. 8.1) можно в любой момент включать и вы"ключать любой из атомарных потоков, направленных наподложку, что позволяет получать еще более резкий про"филь изменения состава в гетеропереходе.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ205На рис. 8.1б дана общая схема ростовой камеры. Ка!мера выполнена из нержавеющей стали, при работе в нейподдерживается давление 10–10–10–12 мм рт. ст. (~10–8–10–10 Па).
Каждая ячейка 3 окружена криоэкранами 4, ох!лаждаемыми жидким азотом (77К), вторая криопанель 4расположена по периферии камеры. Эти криоэкраны дей!ствуют как дополнительная откачка. Имеются заслонкиотдельных ячеек 2 и основная (общая) заслонка 6, подлож!ка на вращающемся держателе 7, несущем подложку иустройство для ее подогрева. Повышение однородностирастущего слоя достигается вращением подложки; оно пе!редается от специального двигателя через ось 11. Контрольвакуума осуществляется измерителем 8. В камере имеют!ся смотровые окна 10, вакуумный шлюз для смены образ!цов 9, электронная пушка 5 и флуоресцирующий экран 1,которые используются для контроля скорости роста, каче!ства поверхности, ориентации поверхности и постояннойрешетки (непосредственно при эпитаксии).
Скорость рос!та — примерно один монослой в секунду, т. е. ~1 мкм/ч.На рис. 8.2 изображена установка для МЛЭ «Катунь»,разработанная в Институте физики полупроводников Си!бирского отделения РАН.На растущей поверхности происходят следующие про!цессы:1. Адсорбция падающих на подложку атомов. 2. По!верхностная диффузия адсорбированных атомов. (Преждечем встроиться в решетку, атом совершает 105–106 прыж!ков по поверхности.) 3.
Встраивание в кристаллическуюРис. 8.2Общий видустановкидля МЛЭ206НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьрешетку адсорбированных атомов основного вещества.4. Десорбция — испарение атомов, не встроившихся в ре'шетку.Температура подложки определяет соотношение меж'ду потоками адсорбции и десорбции атомов, а также ско'рость поверхностной диффузии перед встраиванием атомовв решетку. С ростом температуры увеличивается скоростьповерхностной диффузии, но вместе с тем увеличиваетсяскорость десорбции и уменьшается доля атомов ростовоговещества, попадающего в растущий слой (коэффициентприлипания). Поэтому важен выбор оптимальной темпе'ратуры роста и ее поддержание.Растущая поверхность должна находиться в условияхсверхвысокого вакуума, так как неконтролируемое встраи'вание примесей из газовой фазы (фоновые примеси) можетпривести к ухудшению электрофизических параметровслоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
