Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Приосаждении InAs на подложку GaAs сначала формируетсяслой InAs. Этот слой изза различия решеток — напряженный (ячейки как бы стремятся выгнуться). По мере увеличения толщины слоя упругая энергия растет, связи между атомами слоя начинают рваться, некоторые атомычастично освобождаются. Происходит перераспределениематериала и образуются трехмерные островки (см.
рис. 8.5в).Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование трехмерных островков начинается после осаждения1,6–1,7 слоев InAs.После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовыеточки InAs (узкозонный полупроводник) в матрице GaAs(широкозонный).Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ213Формирование 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 рос та существует определенный размер островков, которыйсоответствует минимуму энергии системы.
Увеличениеили уменьшение размеров островков приводит к увеличе нию энергии. Большинство островков имеет одинаковыйразмер, который зависит от условий роста.Островки ограняются поверхностями с малой поверх ностной энергией (так называемые кристаллографическиеграни с низкими индексами Миллера). Например, на под ложке GaAs с ориентацией (100) равновесная форма ост ровков InAs — это пирамидки с квадратным основанием(рис. 8.6а).Когда расстояние между островками становится срав нимым с размерами островков, начинается их упругоевзаимодействие, обусловленное проникновением в под ложку напряжений, создаваемых островками. Взаимодей ствие островков на поверхности — всегда отталкивание.Это обеспечивает устойчивость массива островков.
На уп руго анизотропных поверхностях {100} островки образу ют квадратную сетку.На рис. 8.6б показаны пирамидальные островки PbSeна поверхности PbTe (111).Для приборных приложений массив островков долженобладать определенными качествами: отсутствие дефектов,баРис. 8.6Островки PbSe на поверхности PbTe:а — схема островка; б — схематическое изображение островков, полу ченное с помощью атомно силового микроскопа.214НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьоднородность массива по форме, взаимному расположе"нию и размерам островков, достаточная поверхностнаяплотность островков.
Например, для лазерных структурнеобходима плотность островков ~1011 см2.Регулированием условий роста можно изменять раз"меры островков и их поверхностную плотность. Напри"мер, с ростом температуры подложки увеличивается раз"мер основания L, уменьшается высота h и уменьшаетсяповерхностная плотность островков. Эти параметры за"висят также от давления паров мышьяка и других усло"вий роста.Подбор оптимальных условий получения островковпроизводится экспериментально. Существуют минималь"ный и максимальный размеры островков, когда их мож"но рассматривать как квантовые точки.
Для системыInAs–GaAs — это 4 нм и 20 нм соответственно. Минималь"ный размер определяется тем, что квантовая точка долж"на иметь хотя бы один энергетический уровень; макси"мальный размер определяется необходимостью выполне"ния условия Е2–Е1 ? кТ.Вертикальные массивы квантовых точек. Если пер"вый слой квантовых точек"островков закрыть нескольки"ми монослоями матричного материала и снова осаждатьматериал островков, то новые островки — квантовые точ"ки — будут формироваться строго над островками преды"дущего слоя. Это объясняется тем, что из"за различия ре"шеток осаждаемый материал матрицы над островкамиоказывается упруго напряженным.
Например, в матрицеGaAs над островком InAs создается максимальное растя"жение. Так как атомы индия имеют больший радиус, чематомы галлия, то при осаждении атомы индия притягива"ются к участкам поверхности GaAs с максимальным рас"тяжением, т. е. к участкам над заращенными островкамипредыдущего слоя.Так получают вертикальные массивы квантовых то"чек для приборных структур. Регулируя толщину осаж"денных слоев GaAs, можно получить туннельно"связан"ные и электронно"связанные квантовые точки в верти"кальных массивах.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ2158.2.3.ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯМАССИВОВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕКВ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУРАХПервое, и наиболее широкое, практическое примене ние массивов квантовых точек — это лазеры на кванто вых точках, выполненные на основе соединений А3В5.Экспериментально подтвердились все теоретически ожи даемые преимущества таких лазеров, в том числе низкиепороговые токи (~10 А/см2), большие коэффициенты уси ления, температурная стабильность порогового тока.Как уже отмечалось, самый востребованный на прак тике диапазон излучения лазеров соответствует длинамволн 1,3–1,5 мкм (диапазон максимальной прозрачностисветового волокна).
Такое излучение дают лазеры на ос нове InGaAsP–InP. Их недостатки — несимметричная диа грамма направленности, затрудняющая ввод световогопучка в волокно, низкая температурная стабильность исложная технология изготовления. ДГС лазеры и лазерына квантовых ямах на основе GaAs излучают на длине вол ны 0,85–0,95 мкм.На квантовых точках InAs в матрице GaAs реализова ны лазеры, излучающие на длине волны 1,3 мкм.
Они пре восходят лазеры на InP по пороговому току, обеспечиваютэффективный ввод излучения в волокно, высокую темпе ратурную стабильность и позволяют применять групповуютехнологию изготовления. Кроме того, на подложках InPнельзя получать вертикально излучающие лазеры, о пре имуществах которых говорилось выше. Лазеры с верти кальным резонатором изготавливают только на подлож ках GaAs. Поэтому вертикальный лазер на квантовых точ ках InAs в матрице GaAs является ключевым приборомдля телекоммуникаций.Разрабатывается вертикальный ультрафиолетовый ла зер на основе широкозонного материала GaN с квантовы ми точками InGaN. Такой лазер дает возможность повы сить плотность оптической записи.Германий и кремний являются непрямозонными полу проводниками.
Это ограничивает их применение в качест ве фотоприемников и излучателей. Поэтому, в частности,216НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьсовременная оптоэлектроника работает на соединенияхА3В5 и А2В6. При переходе от объемного материала к кван%товым точкам ослабляются ограничения, связанные с не%прямозонностью переходов. Исследования оптическихсвойств гетероструктур Si–Ge с квантовыми точками гер%мания показали, что они могут успешно конкурировать сгетероструктурами на соединениях А3В5, используемымив качестве фотоприемников ИК%излучения. Гетерострук%туры Si–Ge перспективны с точки зрения возможностивстраивания в кремниевые ИМС.
Упруго напряженныеквантовые точки германия удается заращивать совершен%ными по структуре слоями кремния, на которых затемможно формировать другие элементы ИМС. Например,для волоконно%оптических линий связи важно созданиена одном чипе всего набора компонентов, включая фото%приемники. Тогда все компоненты могли бы быть интег%рированы в кремниевую технологию ИМС и сформирова%ны на кремниевых подложках.В Новосибирском институте физики полупроводниковразработана технология создания фотоприемников для те%лекоммуникационного диапазона длин волн 1,3–1,5 мкмна основе кремния с массивом квантовых точек германия.Величина обнаружительной способности этих структурсравнима с достигнутой для структур на основе А3В5 сквантовыми точками.Следует отметить, что во всех разработках структур смассивами квантовых точек используется технология МЛЭ.8.3.НАНОЛИТОГРАФИЯ8.3.1.ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯЛитографией в микроэлектронике называют различ%ные методы микрогравировки диэлектрических, металли%ческих и полупроводниковых слоев, используемых приизготовлении ИМС (см.
п. 6.7). Основным методом лито%графии в технологии ИМС в настоящее время остаетсяфотолитография — фотохимический метод микрограви%ровки. Кроме оптической литографии достаточно широ%Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ217ко используются также рентгено!, электроно! и ионоли!тография. Это так называемые традиционные, лучевыеметоды литографии.
Эти методы позволили перейти к на!номасштабам в серийном производстве ИМС (см. рис. 6.4).Одновременно выявились реальные пределы возможностииспользовать отлаженные методы фотолитографии в на!ноэлектронике (см. п. 8.3.2), что привело к широкому по!иску новых решений, которые могли бы обеспечить даль!нейший прогресс в микро! и нанолитографии. С 1990!х гг.стали развиваться нелучевые методы литографии, осно!ванные на иных подходах.
Согласно прогнозам, новыеметоды позволят освоить всю нанообласть в массовом про!изводстве интегральных электронных устройств с нано!размерными элементами. Однако в настоящее время ещене ясно, какие из разрабатываемых методов литографиивыдержат конкурентную борьбу и станут основными в пол!номасштабном производстве.В данном параграфе рассматриваются возможности тра!диционных методов литографии в нанометровом диапазо!не и некоторые нелучевые методы. В следующем парагра!фе (8.4) рассмотрены зондовые методы нанолитографии.8.3.2.ОПТИЧЕСКАЯ ЛИТОГРАФИЯ(ФОТОЛИТОГРАФИЯ)Оптическая литография разделяется на контактную и проекционную.
В первом случае фотошаблон плот!но прилегает к слою фоторезиста (см. рис. 6.1в), а во вто!ром — изображение фотошаблона (маски) проектирует!ся на поверхность фоторезиста с помощью специальнойоптической системы. Простота контактного способа обес!печила методу фотолитографии широкое применение вмикроэлектронной области. Для наноэлектроники пред!почтителен проекционный вариант, так как позволяет по!лучить более высокое разрешение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
