Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Например, при давлении азота ~10–6 мм рт. ст. ско'рость его осаждения на подложку составляет ~3 × 1014 мо'лекул/(см2 × с). Поверхность кремния содержит ~3 × 1014атомов/см2. Следовательно, для данного примера содер'жание азота в газовой среде приводит к образованию наподложке одного атомного слоя азота в секунду, что срав'нимо со скоростью эпитаксиального роста.Допустимая фоновая концентрация примеси для А3В5составляет ~1013 атомов/см3, тогда как объемная концен'трация атомов матрицы ~1022 атомов/см3, что на 9 поряд'ков больше. Следовательно, давление в газовой фазе элек'трически активных атомов примеси должно быть ~10–15 ммрт.
ст. Сейчас такой уровень вакуума недостижим (дости'гается давление 10–13 мм рт. ст.). Тем не менее, на практи'ке степень чистоты ~1013 атомов/см3 обеспечивается, таккак часть атомов примеси отражается от поверхности, ачасть реиспаряется из'за слабого взаимодействия с атома'ми кристалла.Контроль растущей поверхности. Остановимся надвух распространенных методах контроля качества рас'тущего слоя непосредственно в процессе роста.Дифракция быстрых электронов. Метод обеспечива'ет непрерывный контроль качества слоев в процессе рос'Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ207та, что дает возможность своевременно корректироватьусловия роста.Пучок электронов из электронной пушки (см. устрой'ство 5 на рис. 8.1б) с энергией 10–50 кэВ падает на иссле'дуемую поверхность под углом 1–2° (так называемый сколь'зящий угол). В этих условиях электроны проникают в глу'бину всего на несколько атомных слоев, т. е.
полученнаяинформация относится только к поверхностному слою.Падающие на поверхность электроны испытывают ди'фракционное отражение и попадают на флуоресцентныйэкран (см. устройство 1 на рис. 8.1б).По виду дифракционной картины сразу оцениваетсяструктура и качество растущего слоя.
Например, по рас'стоянию между дифракционными полосами определяет'ся расстояние между атомными рядами на поверхности.Наличие диффузного фона свидетельствует о том, что ма'териал аморфный. Если образец — монокристалл, то ди'фракционная картина представляет собой упорядоченнуюсистему световых пятен (рефлексов), если поверхность ато'марно'гладкая — систему параллельных полос.
Так, повиду электронограммы можно определять стадии и фикси'ровать завершение предэпитаксиальной подготовки под'ложки. На начальном этапе, когда поверхность покрытапленкой окисла, наблюдаются размытые рефлексы на диф'фузном фоне.С ростом температуры подложки, по мере десорбцииоксида, уменьшается диффузный фон и увеличиваетсяинтенсивность рефлексов. При последующем отжиге по'верхность сглаживается, и рефлексы вытягиваются в по'лосы — поверхность готова к эпитаксиальному наращи'ванию слоев.По виду дифракционной картины определяется на'личие границ, двойников и других особенностей поверх'ности.Осцилляции интенсивности зеркально отраженного пучка электронов.
Причина возникновения осцилля'ций (колебаний) интенсивности пучка зеркально отра'женных (не дифрагированных) электронов проиллюст'рирована на рис. 8.3а.208НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабРис. 8.3Зависимость от времениинтенсивности I пучкаэлектронов, зеркальноотраженных от растущейповерхности:а — рост посредством обра!зования и разрастания двух!мерных островков!зароды!шей (q — доля заполненияостровками монослоя); б —рост посредством движенияатомных ступеней.При росте по механизму образования 2!мерных заро!дышей (рис. 8.3а) условия на поверхности периодическиизменяются со временем и поэтому периодически изме!няется ее отражательная способность I.
Максимум отра!жательной способности соответствует полностью запол!ненному монослою (q = 0 и q = 1,0), т. е. отсутствию ост!ровков. Минимум соответствует этапу, когда островкизанимают примерно половину поверхности (q = 0,5).Период осцилляций Т равен времени наращиванияодного монослоя.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ209По картине осцилляций определяют скорость роста имоменты завершения формирования слоев. Последнееочень важно при выращивании структур с квантовымиямами. Границами ям должны быть полностью завершенные слои; число слоев в яме строго определено. Поэтомупереключение заслонок (2 — на рис. 8.1б) должно производиться точно в моменты полного завершения формирования слоев, т. е. в моменты максимумов интенсивности.По картине осцилляций можно установить ухудшениеповерхности и скорректировать ее качество посредствомпрерывания процесса роста в момент завершения формирования слоя (заслонкой 6), либо посредством поочередного направления (с помощью заслонок 2) на подложкупотоков различных атомов.Осцилляции интенсивности не наблюдаются при росте посредством движения атомных ступеней (рис.
8.3б).Этот механизм роста проявляется при увеличении температуры подложки выше некоторого порогового значения.Регулировкой температуры процесс поддерживается в нужном режиме. По характеру осцилляций можно исследоватьпроцессы, приводящие к изменению кинетики встраивания атомов в решетку: поверхностную диффузию, накопление избытка какого-либо компонента и т. д.Итак, установка МЛЭ представляет собой сложное устройство, обеспечивающее выращивание эпислоев с контролируемыми параметрами.
Поэтому работа установкиуправляется компьютером.Основные достоинства технологии МЛЭ:1. Возможность формирования атомарно-гладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.2. Получение счетного количества завершенных слоев, начиная с одного монослоя, что важно для структур сквантовыми ямами. На рис. 8.4 приведена микрофотография двух слоев AlAs толщиной ~2 нм (~6 монослоев) в матрице GaAs. Изображение иллюстрирует атомную точностьповерхностей раздела.3.
Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях.210НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность4. Возможность созданияструктур со сложным распреде#лением концентрации основ#ных и примесных элементов.5. Наличие сверхвысоко#го вакуума в рабочей камере(рис. 8.1), что исключает не#допустимо высокий уровеньзагрязнения подложки и рас#тущих слоев.6. Низкие температурыроста, что минимизирует диф#фузию в объеме, размываю#щую границы между слоями.Рис.
8.47. Возможность контро#Электронномикроскопический снимок двух слоев AlAsля и коррекции роста непо#(толщиной 6 монослоев)средственно в ходе процесса,в матрице GaAsдиагностика роста, точныйконтроль температуры подложки и ячеек, компьютер#ное управление параметрами процесса.Благодаря своим возможностям, МЛЭ в настоящее вре#мя играет главную роль в развитии технологии получе#ния полупроводниковых наногетероструктур.8.2.2.ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕКПОСРЕДСТВОМ САМООРГАНИЗАЦИИПРИ ЭПИТАКСИИУпорядоченные самоорганизованные массивы кванто#вых точек были получены при отработке лазерных струк#тур. Согласно теории (см. п.
7.3.5), квантовые точки име#ют дискретный энергетический спектр и высокую плот#ность состояний, что должно давать (при использованииквантовых точек в качестве активной среды лазеров) боль#шой коэффициент усиления, низкий пороговый ток и еготемпературную стабильность. В течение долгого временипредпринимались попытки изготовления квантовых то#чек и приборов на их основе традиционными методами,например литографией, селективным травлением струк#тур с квантовыми ямами. На этом пути отрабатывалась211Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИлитография с предельно высоким разрешением, но кван$товых точек с дискретным атомоподобным спектром по$лучить не удалось.«Настоящие» квантовые точки были получены послесмены технологии по типу «сверху вниз» на технологию«снизу вверх», когда стали использовать эффекты само$организации при эпитаксиальном наращивании гетеро$структур. При определенных условиях в эпитаксиальномслое, наращиваемом на кристаллическую подложку дру$гого вещества, образуются упорядоченные массивы кван$товых точек.
Пример такой квантовой точки германия наповерхности кремния показан на рис. 7.3б.На квантовых точках, полученных посредством само$организации, были впервые продемонстрированы физиче$ские свойства, предсказанные теоретически, в частности,специфическая дискретность их энергетического спектра.Первые лазеры на квантовых точках были созданы в1993 г. под руководством Ж. И. Алферова в Физико$тех$ническом институте им.
А. Ф. Иоффе РАН.Механизм процесса самоорганизации. Процесс само$организации при эпитаксиальном росте есть следствиестремления системы к уменьшению энергии.Экспериментально установлено, что при осажденииатомов на подложку из газовой фазы наблюдаются тритипа начальной стадии роста: механизм Франка–Ван дерМерве (слоевый рост), Фольмера–Вебера (островковыйрост) и Странского–Крастанова (промежуточный тип).1. Механизм Франка–Ван дер Мерве.
Осаждаемый ма$териал смачивает подложку, постоянные решеток прак$тически совпадают. Происходит послойный двухмерныйрост (рис. 8.5а).абвРис. 8.5Схемы трех типов начальной стадии гетероэпитаксиальногороста. Материал В осаждается на подложку А212НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность2. Механизм Фольмера–Вебера. Осаждаемый материал не смачивает подложку (это материалы, различные посвойствам, или с большим различием постоянных решеток). Происходит островковый (трехмерный) рост. Материал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки А (см.
рис. 8.5б).3. Механизм Странского–Крастанова (см. рис. 8.5в).Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеетсярассогласование постоянных решеток (порядка нескольких процентов). Именно этот механизм роста используется для получения массивов квантовых точек, напримерквантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласованиерешеток 7%) или квантовых точек германия в кремниевой матрице (рассогласование 4%). На начальном этапеидет 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 изза различия постоянных решетки материалов А и Востровок становится напряженным (используется термин«когерентно напряженный»).Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
