Диссертация (1090147), страница 29
Текст из файла (страница 29)
параграфы 5.2-5.4).Повышение теплопроводности изотопически чистого кремния-28 посравнению с природным свидетельствует о различии физических свойствкремния в зависимости от степени обогащения, которое зависит оттехнологии разделения изотопов.Технологический процесс разделения изотопов кремния состоит изследующих этапов (рис. 6.15):1) получение технического кремния;2) синтез и очистка летучего химического соединения тетрофторидакремния;3) разделение изотопов с помощью газовой центрифуги;4) операция по переводу тетрофторида кремния в нелетучие химическиеформы, не содержащие фтора (включает очистку от фтора ивосстановление элементарного кремния, например, в виде);5) выращивание монокристаллов из поликристаллического кремния.Рисунок 6.15. Схема получения моноизотопического кремния [119]Вещество тетрофторид кремния имеет преимущества: необходимуюлетучесть, наличие у фтора только одного стабильного изотопа, что немешает разделению изотопов основного элемента кремния.
Естьнедостатки: высокая химическая активность фторсодержащего вещества,необходимостьспециализированныхтехнологийдлясинтеза198тетрофторида кремния и выделения изотопов кремния, а также проблемычистоты получаемого материала по остаточному фтору.В радиоэлектронной промышленности существует спрос на все тривида изотопа кремния (рис. 6.16).Рисунок 6.16. Монокристаллы изотопов кремния: а) Si-28 (99,99%); б) Si-29(99,92%); в) Si-30 (99,97%); удельное электросопротивление (300К) 100200Ом см [119]Приведенныенарис.6.16значенияэлектросопротивлениясвидетельствуют о зависимости его величины от веса изотопа. Суменьшениемвесаизотопаповышаетсяподвижностьэлектронов.Увеличение подвижности должно отразиться на быстродействии оптическихмодуляторов, а также на повышении чувствительности фотоприемников (см.параграфы 5.3-5.4.).Разница в массе изотопов кремния обуславливает изотопическийэффект,наличиекоторогодлякремнияподтверждаетсяспектрамикомбинационного рассеяния (рис.
6.17), а именно, разницей в расположенииоптической продольной моды (рис.6.18) в зависимости от номера изотопа.199Рисунок 6.17. Комбинационные спектры естественного кремния и кремния 28 [119]Рисунок 6.18. Зависимость положения максимума оптической моды от видаизотопа кремния[119]Представленные на рис. 6.17 и 6.18 характеристики рамановскогоспектра свидетельствуют об изменениях энергии оптических продольных200фононов,которыесказываютсянатеплопроводностииэлектросопротивлении изотопов кремния.Важной характеристикой для создания оптоэлектронных устройствявляется разница в ширине запрещенной зоны у разных изотопов кремния(рис.6.19).Рисунок 6.19. Зависимость ширины запрещенной зоны от номера изотопакремния [119]Как видно из рис.6.19, с повышением массы изотопа (аргумент М−12уменьшается) ширина запрещенной зоны ( Е g ) увеличивается. Такуюзависимость можно получить с помощью фотоэмиссионной спектроскопии(фотолюминесценции).Приведенныедоказательствомграфикиимеющихнарис.место6.13-6.14,различий6.17-6.19вявляютсяэлектрон-фононномвзаимодействии для разных изотопов кремния.
Это может быть использованодлясоздания«гетеропереходов»изотопических сверхрешеток.иквантовыхструктур,например,201Такимобразом,оптоэлектронныеприборынаизотопическихсверхрешетках из изотопов кремния помимо отлаженных технологийизготовления будут обладать высокими показателями по подвижностиэлектронов из-за чистоты материала, значительному уменьшению каналоврассеяния и идентичности кристаллической решетки.
Степень повышенияподвижности электронов в изотопически обогащенных образцах из кремния28 по сравнению с естественным кремнием можно оценить по снижениюудельногоэлектросопротивления(величинеобратнойудельнойэлектропроводности). Так, для естественного кремния этот параметр равен241,5Ом см, для изотопа кремния-28 почти в 2,5 раза меньше (рис. 6.16). Этахарактеристика сильно влияет на качественные показатели оптическогомодулятора, фотоприемника (глава 5), на канальную скорость и, в конечномитоге, пропускную способность ВОСП.6.4 Особенности производства модифицированных наноструктуриз кремния для ВОСПКак известно, сверхрешетка – это твердотельная периодическаяструктура, в которой на носители заряда (электроны), помимо обычногопотенциала кристаллической решетки действует дополнительный, какправило, одномерный, потенциал с периодом меньшим длины свободногопробега электрона, но значительно большим периода основной решетки [11].Такое определение указывает на тот факт, что современные сверхрешетки –это наноструктуры с периодом меньшим 100нм для кремния, требующиеиспользования нанотехнологий.
Поэтому технология изготовления ИСВРзаключаетсявмногократномэпитаксиальномосажденииразличныхполупроводников с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии МЛЭ (рис.3.10). При молекулярно-лучевой эпитаксии реагенты вводятся в рабочуюкамеру в виде молекулярных или атомных потоков, которые формируютсяпутем испарения материала внутри эффузионной ячейки (количество ячеек202соответствует числу реагентов). Этот метод может быть использован и дляпромышленного изготовления изотопических сверхрешеток ИСВР.Технологический процесс получения изотопических сверхрешетокТак, для ИСВР из кремния технологический процесс может состоять изследующих операций, широко используемых в промышленности:1) получение технического кремния;2) разделение изотопов кремния;3) химического осаждения пленок из требуемого изотопа кремния всверхвысоком вакууме методом МЛЭ.ВместоМЛЭможноиспользоватьболеепроизводительныйметодхимического осаждения металлорганических соединений из газовой фазы.Однако по степени дефектности, концентрации неконтролируемых примесейи резкости межфазных границ этот метод уступает молекулярно-лучевойэпитаксии.
Точность изготовления геометрических размеров сверхрешеток(отклонение от номинального значения) зависит от оперативного контроля иуправления процессом осаждения, для чего используют эффект дифракцииотраженныхвысокоэнергетическихэлектроновсэнергией10-15кэВ.Точность измерений и изготовления отдельных слоев СВР определяетсядлиной волны электронов (чем меньше длина волны облучения, тем вышеточность)и составляет для метода МЛЭ не более 10нм. Качествоизготовления ИСВР можно повысить с помощью метода облучениязаготовки из кремния тепловыми нейтронами с энергией 0,01эВ и длинойволны 0,2 нм [21]. Эта технологическая операция, как отмечалось выше,называетсянейтроннымтрансмутационнымлегированием,широкоиспользуемым для производства материнских плат ПК.
Основные параметрыоблучения рассчитаны в [96] и представлены в параграфе 3.4.Технологическийпроцессизготовленияизотопическихсверхрешеток с помощью НТЛ будет состоять из следующих операций(рис. 6.20):1) получение технического кремния;2032) разделение изотопов кремния;3) получение монокристаллов кремния Si 28 ;4) облучение кристалла кремния;5) термический или лазерный отжиг заготовки для устранения дефектовкристаллической решетки;6) дезактивация продукции (хранение на складе для устранениярадиоактивного излучения).ПолучениетехническогокремнияРазделениеизотоповкремнияПолучениемонокристаллическогокремнияОблучениекристаллакремнияОтжигзаготовкиДезактивацияРисунок 6.20.
Схема получения изотопических сверхрешеток из кремнияКаждыйизперечисленныхэтаповизготовленияИСВРпоотдельности – это отработанные технологические операции, которыеможно реализовать на специализированных заводах РФ. Заключительныйэтап (нейтронного облучения) можно осуществить на исследовательскихреакторах РФ. Это свидетельствует о промышленной применимостипредложенной технологической схемы изготовления ИСВР.Представленные технологии получения изотопических сверхрешетокявляютсяважнейшимипроизводственнымипримененияминаучно-методических и физико-технологических принципов, сформированных вработе.Реализациянаучно-методическихифизико-технологическихпринципов создания изотопических сверхрешеток и базовых элементовВОСП на их основе изображена на рис.6.21.
На этом рисунке представленыэтапы производства конечной продукции в виде оптоэлектронных устройств(базовых элементов ВОСП), а именно:1) получение исходного материала (изотопа кремния-28);2042)получениефункциональногобазовогоматериала(изотопическихсверхрешеток);3) комплексное моделирование и проектирование функционального элементаоптоэлектронных устройств;4) опытное и промышленное производство оптоэлектронных устройств.Рисунок 6.21. Технологический маршрут производства оптоэлектронныхустройств на модифицированных наноструктурах205Преимущества и недостатки сверхрешетокНовые материала на базе сверхрешеток могут стать основой дляэлементной базы электроники и оптоэлектроники,энергосберегающихтехнологий (специальных светодиодов, солнечных батарей, фотодиодовдлинноволнового инфракрасного диапазона), приборов ночного видения итепловизеров. Исследования свойств новых материалов на базе сверхрешетокспособствуеттакжесовершенствованиюметодикпроектированияитехнологий производства наноструктур.Модель сверхрешетки (рис.1.6), благодаря нанометровой ширине слоеви определенной периодичности их, позволяет проектировать новыеполупроводниковые материалы с заранее заданными оптоэлектроннымихарактеристиками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
