1

На правах рукописи

Солодовник Максим Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ

ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ ДЛЯ

ЭЛЕМЕНТОВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог -

Работа выполнена в Южном федеральном университете на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры факультета электроники и приборостроения

Научный руководитель: Агеев Олег Алексеевич, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Червяков Георгий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой РТЭ ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог Алексеев Алексей Николаевич, кандидат физико-математических наук, генеральный директор ЗАО «Научное и технологическое оборудование», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ФГУП «Ростовский-на-Дону научноисследовательский институт радиосвязи», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская,

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы Арсенид галлия совместно с другими арсенидами металлов III группы широко используется в современной электронике, занимая доминирующее положение в ряде областей благодаря особенностям кристаллической и энергетической структуры. Формирование на их основе полупроводниковых наноструктур (ППНС), обладающих уникальными структурными, оптическими, электрофизическими и транспортными характеристикам, обусловленными размерными эффектами, открывает широкие перспективы для улучшения характеристик существующих устройств микро- и наноэлектроники и созданию приборов на новых эффектах. Особенно большое внимание в связи с этим уделяется самоорганизующимся наноструктурам – нитевидным нанокристаллам (ННК) и квантовым точкам (КТ).

На существующем этапе развития приборостроения и полупроводниковой технологии актуальной задачей является управляемый синтез ННК и КТ, позволяющий формировать регулярные массивы ППНС с требуемыми параметрами. Актуальность использования комбинации методов молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ) для разработки технологических процессов формирования массивов ННК и КТ с заданными характеристиками обусловлена наличием in-situ контроля и широким набором ростовых методик в методе МЛЭ, в том числе, основанных на эффектах самоорганизации, и прецизионного контроля параметров и позиционирования наноструктур, присущих методу АСМ. Для разработки технологии управляемого формирования ННК и КТ необходимо проведение дополнительных исследований процессов автокаталитического роста ННК и режимов АСМобработки поверхности GaAs методом локального анодного окисления (ЛАО).

Цели и задачи диссертационной работы Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ формирования методом МЛЭ массивов самоорганизующихся наноструктур (ННК и КТ) на основе GaAs с использованием собственного оксида для активных элементов устройств микрои наноэлектроники.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщение и выявление основных требований к характеристикам и методам получения массивов ННК и КТ на основе GaAs для применения в приборах микро- и наноэлектроники.

2. Теоретические исследования термодинамических закономерностей межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H2O и Ga-As-ZnO при формировании наноструктур на основе GaAs.

3. Теоретические исследования процессов формирования ННК GaAs методом МЛЭ по автокаталитическому механизму.

4. Экспериментальные исследования режимов начальной стадии формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида.

5. Экспериментальные исследования режимов наноразмерного профилирования поверхности подложек GaAs методом ЛАО.

6. Разработка методик исследования параметров наноструктур GaAs на основе метода АСМ.

7. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ в системе (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

8. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления чувствительного элемента газового сенсора на основе массивов ННК GaAs с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна:

1. Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H2O и Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов МЛЭ GaAs, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК GaAs по автокаталитическому механизму.

2. Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих слоев оксида GaAs и ZnO.

3. Разработана математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

4. Установлены закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности рабочей атмосферы.

Практическая значимость работы:

1. Определены режимы формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида GaAs и наноразмерных пленок ZnO. Показано, что при температуре 580°С, скорости роста 1 МС/с и давлении мышьяка 4·10-5 Па на собственном оксиде формируются автокаталитические ННК GaAs плотностью 5·108 см-2, длиной 1-6 мкм и диаметром 60-200 нм, а на слое ZnO толщиной 3 нм – ННК GaAs плотностью 1,2·107 см-2, длиной 0,5-1 мкм и диаметром 250-500 нм.

2. Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода ЛАО. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получения регулярных массивов оксидных наноразмерных структур (ОНС) GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% – углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.

3. Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до ГПа, а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм – от 40 до 140 ГПа. Также показано, что полученные ННК GaAs имеют p-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОм·см.

4. Разработаны конструкция элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов в ячейке памяти с 6 до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

5. Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H2O, Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и их корреляция с режимами МЛЭ и ЛАО.

автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка, которая позволяет учесть влияние летучей компоненты бинарных соединений на геометрические параметры наноструктур.

3. Закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии»

ЮФУ в 2009-2012 гг.: «Исследование и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (внутр.

№13315); «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. №13013).

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ЗАО «НТ-МДТ» (г. Зеленоград), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ЮФУ.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy (Moscow – Zelenograd, 2011); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-наДону, 2011, 2012); Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010»

(г. Калуга, 2010); Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии» (пос. Дивноморское, 2010, 2012); Конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009); Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010); 14-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем ЛЭТИ-2011» (г. С.-Петербург, 2011); Russian – Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications»

(Rostov-on-Don, 2012); XV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, 2011).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г.

Таганрог, 2010). Является лауреатом конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (г. Ростов-на-Дону, 2010), победителем молодежного научноинновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получен патент РФ на изобретение №110866 (приоритет от 07.07.2011 г.) Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Объем работы составляет 163 страницы, включая 77 рисунков, 2 таблицы и 180 наименований списка использованной литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, а также приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор применения и методов получения самоорганизующихся полупроводниковых наноструктур (ППНС).

Рассмотрены особенности использования массивов наноструктур в качестве элементов транзисторных, запоминающих и газочувствительных приборных структур, а также фотоэлектрических преобразователей и приборов оптоэлектроники. Проведен анализ методов получения и позиционирования ППНС, выявлены их достоинства и недостатки. Рассмотрены влияния параметров процесса МЛЭ на характеристики массивов ННК. Выявлены основные требования к материалам каталитических центров (КЦ) для формирования ННК по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК). Рассмотрены особенности авто- и гетерокаталитического механизмов формирования ННК.

Проведен анализ существующих математических моделей, описывающих рост ННК. Выявлены основные требования к массивам ППНС и проблемы, возникающие при формировании и использовании массивов самоорганизующихся наноструктур в устройствах микро- и наноэлектроники:

необходимость управляемого синтеза массивов ППНС с максимальной однородностью, требуемой плотностью, точным контролем геометрических параметров и взаимного расположения элементов в массиве; необходимость получения ННК с однородной кристаллической структурой; недостаточная изученность процессов фазообразования и механизмов автокаталитического роста ННК. Сделан вывод о необходимости проведения исследований влияния основных технологических параметров метода МЛЭ на начальную стадию формирования ННК по автокаталитическому механизму с использованием материалов, удаляющихся в процессе роста, и метода ЛАО – на геометрические характеристики массивов ОНС GaAs и морфологию нанопрофилированной поверхности GaAs.

Результаты обзора определили цель и постановку задач работы.

Во второй главе проведен термодинамический анализ процессов фазообразования в системах GaAs-H2O, Ga-As-O и Ga-As-ZnO путем расчета с помощью программного пакета FactSage 6.3 фазовых диаграмм для указанных систем материалов, анализа возможных продуктов реакций, определения основных уравнений химических реакций, расчетов и сравнения температурных зависимостей изменения свободной энергии Гиббса G(T) с учетом технологических режимов, реализуемых в модуле МЛЭ STE нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Показано, что в системе GaAs-H2O при условиях, реализуемых в методе ЛАО, при взаимодействии между компонентами системы во всем рассматриваемом температурном диапазоне на поверхности GaAs формируется сложный оксид, состоящий преимущественно из Ga2O3 и аморфного As (рисунок 1, а).

В условиях МЛЭ анализ фазовых диаграмм в системе Ga-As-O в диапазоне температур 25-700°С показал, что в процессе нагрева образца GaAs с пленкой оксида входящие в его состав As2O5 и As2O3 не только взаимодействуют с объемным GaAs с образованием Ga2O3 (рисунок 1, б), но и начинают разлагаться с образованием летучих AsO и O2 при 310-340°С (рисунок 2, а), причем при 545°С реакции разложения будут доминировать.

Анализ процессов взаимодействия собственного оксида GaAs с ростовыми компонентами показал, что реакции As2O5, As2O3 и Ga2O3 с Ga протекают во всем диапазоне рассматриваемых температур с образованием Ga2O3, а после 520°С – газообразных Ga2O и AsO. Взаимодействие с As4 для As2O5 и As2O3, сопровождающееся образованием AsO, начинается при температурах менее 200°С, а при 400°С начинает доминировать. Для Ga2O3 реакция с As активируется при 560°С.

Рисунок 1 – Зависимости G(T) для реакций взаимодействия GaAs в процессах ЛАО (а), с компонентами собственного оксида (б) и термического разложения оксидов мышьяка (в) Рисунок 2 – Зависимости G(T) для реакций термического разложения оксидов мышьяка (а) и взаимодействия компонент оксида с ростовыми Анализ зависимостей G(T) для итоговых реакций между ростовыми компонентами и оксидом GaAs (рисунки 2(б) и 3) показал, что при температурах процесса выше 550°С протекают преимущественно реакции с образованием летучих AsO и Ga2O. Параллельно идут реакция синтеза GaAs из ростовых компонент и термической диссоциации GaAs на элементарные составляющие.

Рисунок 3 – Зависимости G(T) для реакций взаимодействия компонент Анализ диаграммы состояний для системы GaAs-ZnO показал сложный, ступенчатый характер взаимодействия в данной системе: до 250°С на гетерогранице идет преимущественное образование арсенидов цинка ZnxAsy и Ga2O3 (рисунок 4, а); при 320°С ZnxAsy разлагаются на элементарные As и Zn (рисунок 4, в), а после 560°С доминируют реакции с образованием летучих соединений.

Рисунок 4 – Зависимости G(T) для реакций между GaAs и ZnO (а) и Исследование реакций между ZnO, Ga и As4 (рисунок 5) показало, что в первом случае взаимодействие идет преимущественно с выделением Ga2O и элементарного Zn во всем диапазоне температур, во втором – начинается при 370°С с образованием летучих продуктов. При одновременной подаче ростовых компонент протекают реакции, представленные на рисунке 5(в).

Рисунок 5 – Зависимости G(T) для реакций взаимодействия ZnO с Предложена методика выбора материала инициирующего подслоя для формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму на основе предварительного термодинамического анализа процессов фазообразования в рассматриваемых системах материалов, проверенная на примере систем Ga-As-O и Ga-As-ZnO.

Разработана математическая модель формирования ННК GaAs, учитывающая давление As и его молекулярную форму. Зависимость скорости роста ННК от потока As к поверхности определяется выражением:

где – объем атома в кристаллической фазе, k – коэффициент прилипания атома (молекулы) к КЦ, Jads – поток атомов (молекул) на каплю КЦ, n – коэффициент формы КЦ, Jdes – поток десорбирующихся атомов (молекул) с поверхности КЦ, – коэффициент, учитывающий диффузию адатомов с поверхности подложки в каплю КЦ, V* – скорость адсорбции атомов на поверхности, являющаяся функцией соотношения потоков III/V. Зная скорость осаждения материала и длительность процесса, можно определить длину ННК GaAs. На рисунке представлены рассчитанные по разработанной модели зависимости длины ННК GaAs от диаметра КЦ и давления As в процессе роста.

Рисунок 6 – Теоретические зависимости длины ННК GaAs от диаметра КЦ при различных P(As4) (а) и от P(As4) при различных диаметрах КЦ (б) Таким образом, в результате проведенного термодинамического анализа процессов фазообразования в системах GaAs-H2O, Ga-As-O, Ga-As-ZnO показано, что: формируемый при ЛАО GaAs оксид состоит преимущественно из Ga2O3 и элементарного As; в системе Ga-As-O взаимодействие идет не только между оксидом, объемным GaAs и Ga, но и As4, и при температурах выше 550°С доминируют реакции с образованием летучих соединений; взаимодействие в системе Ga-As-ZnO идет как с GaAs, так и с Ga и As4 с образованием при температурах выше 550°С газообразных продуктов реакций. Предложена методика выбора материала инициирующего подслоя для формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму. Разработана математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования режимов формирования КЦ и начального этапа роста ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием в качестве инициирующего подслоя наноразмерных пленок оксида GaAs и ZnO. Показано, что в случае с оксидом GaAs предварительное осаждение Ga в диапазоне температур 450-650°С приводит к полному удалению слоя оксида без образования КЦ. В режиме с V=1,5 МС/с, P(As4)=1,0·10-5 Па в области высоких температур (550-600°С) формируются массивы КЦ Ga диаметром 250-500 нм, высотой 100-120 нм и плотностью 1·107 см-2, имеющих в основании пьедестал с латеральными размерами 1 мкм (рисунок 7). Рост в диапазоне температур 450-550°С приводил к формированию развитого рельефа без массива КЦ.

В диапазоне температур 560-600°С наблюдается формирование массива КЦ Ga плотностью 9,5·109 см-2 диаметром 50-200 нм и высотой 10-20 нм с небольшими пьедесталами в основании (рисунок 8).

Рисунок 7 – Массив КЦ Ga, полученный при T=580°С, V=1,5 МС/с, P(As4)=1,0·10-5 Па: а) РЭМ-изображение, б) АСМ фазовый контраст, в) АСМ Рисунок 8 – Массив КЦ Ga, полученный при T=590°С, V=1 МС/с, P(As4)=3,5·10-5 Па: а) РЭМ-изображение, б) АСМ рельеф, в) АСМ ток Оптимизация основных параметров ростового процесса позволила получить массивы ННК GaAs плотностью 5·108 см-2, длиной 1-6 мкм и диаметром 60- нм (рисунок 9).

Рисунок 9 – Массив ННК GaAs, полученный при T=580°С, V=1 МС/с, P(As4)=3,5·10-5 Па: а) и б) РЭМ-изображение, в) зависимость длины ННК от Убывающий характер зависимостей скорости роста и длины от диаметра ННК GaAs и превышение значений длины и скорости роста над эффективными толщиной и скоростью осаждения в 30 и 27 раз, соответственно, свидетельствуют о диффузионном характере роста ННК.

При T=450-550°С формировалась развитая поверхность без признаков КЦ.

В случае с гетероструктурами GaAs/ZnO при использовании в качестве инициирующего подслоя пленок ZnO толщиной 20 нм показано, что осаждение GaAs при V=1 МС/с, P(As4)=3,5·10-5 Па, T=500-650°С с предварительным осаждением 10-20 МС Ga приводит к образованию поликристаллической структуры, обусловленное сохранением пленки ZnO (рисунок 10).

Рисунок 10 – Поверхность ZnO/GaAs(001) после осаждения 100 нм GaAs: а) 500°С, 20 нм ZnO; б) 580°С, 20 нм ZnO; в) 600°С, 3 нм ZnO Показано, что снижение толщины подслоя до 3 нм приводит к структурным изменениям при 550°С и удалению ZnO при нагреве до 620-630°С, что коррелирует с данными термодинамического анализа. Осаждение GaAs с использованием 3 нм ZnO при V=1,5 МС/с, P(As4)=1·10-5 Па T=600-650°С приводит к образованию углублений диаметром 200-300 нм, глубиной 150- нм и плотностью 2·107 см-2 (рисунок 10, в).

В результате оптимизации режимов были получены массивы горизонтальных ННК GaAs плотностью 1,2·107 см-2, длиной 0,5-1 мкм, диаметром 250-500 нм, возвышающиеся над уровнем поверхности на 120-160 нм, при Т=580°С, V= МС/с, P(As4)=3,5·10-5 Па (рисунок 11).

Рисунок 11 – Массив ННК GaAs, полученный после осаждения 100 нм GaAs при T=580°С, V=1 МС/с, P(As4)=4·10-5 Па: а) РЭМ-изображение; б) Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих слоев оксида GaAs и ZnO: на первом этапе в подслое за счет взаимодействия инициирующего материала с GaAs формируются окна, на втором этапе за счет торможения реакций между компонентами системы в окнах формируются капли Ga, на третьем этапе в капле на границе жидкость/кристалл начинается кристаллизация материала и рост ННК, на четвертом, заключительном, этапе с поверхности GaAs удаляются остатки материала подслоя.

Проведены исследования и разработана методика определения механических параметров полученных ННК GaAs методом АСМ, основанная на определении по данным силовой спектроскопии (рисунок 12, а) отклонения ННК под действием внешней силы с последующим вычислением жесткости на изгиб и модуля Юнга. Проведенный с использованием разработанной методики анализ показал (рисунок 12), что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143 ГПа. Кроме того, с увеличением длины кристалла с 2 до 6 мкм модуль Юнга также возрастает с до 140 ГПа.

Рисунок 12 – Зависимости DFL(Height) (а), модуля Юнга ННК GaAs от Проведены исследования и разработана методика определения электрических параметров ННК GaAs методом АСМ, не требующая дополнительных операций фиксации ННК GaAs. Показано, что полученные ННК GaAs имеют p-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОм·см.

Проведены экспериментальные исследования влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs (рисунок 13). Для исследования глубины профилирования ОНС GaAs удалялись в модуле МЛЭ путем осаждения Ga при 500°С для инициирования реакций, рассмотренных во второй главе.

Рисунок 13 – Нанопрофилированная методом ЛАО поверхность GaAs: а – до удаления ОНС, б – после удаления ОНС, в – профилограмма Показано, что увеличение влажности рабочей атмосферы от 60 до 90% при T=25°С, U=10 В, t=1000 мс, Set Point=0,1 нА диаметр и высота ОНС GaAs изменяются от 90 до 150 нм и 2,5 до 4,2 нм, соответственно (рисунок 14).

Рисунок 14 – Зависимость высоты и диаметра ОНС GaAs от влажности Показано, что изменение амплитуды импульса напряжения с 8 до 15 В при t=500 мс, Set Point=2 нА и влажности 90% приводит к увеличению высоты ОНС с 2,9 до 5,1 нм, а глубины профилирования с 2,6 до 4,5. Увеличение длительности импульса с 100 до 800 мс приводит к изменению высоты ОНС с 1, до 3,8 нм и глубины с 1,7 до 4,1 нм при 10 В и с 3,8 до 6,3 нм и с 3,4 до 4,9 нм при 15 В. Зависимость параметров от Set Point имеют убывающий характер с насыщением в области 1-2 нА (рисунок 15).

Рисунок 15 – Зависимость высоты ОНС GaAs и глубины профилирования от амплитуды (а), длительности (б) импульса напряжения и Set Point (в) Зависимости диаметра ОНС GaAs и глубины профилирования поверхности GaAs представлены на рисунке 16 и имеют аналогичный характер:

возрастающий – при росте значений U и t, и убывающий – при увеличении Set Point.

Рисунок 16 – Зависимость диаметра ОНС GaAs и углублений от амплитуды (а), длительности (б) импульса напряжения и Set Point (в) Шероховатость поверхности GaAs между углублениями составила 0,8±0, нм, что на порядок меньше глубины профилирования и позволяет использовать разработанную методику структурирования поверхности в качестве метода позиционирования самоорганизующихся ППНС.

Таким образом, проведены экспериментальные исследования начальной стадии формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием пленок оксида GaAs и ZnO, определены оптимальные режимы синтеза и получены массивы ННК GaAs, установлены условия термического удаления ZnO с поверхности GaAs, установлены закономерности начальной стадии формирования ННК GaAs с использованием разрушающихся в процессе роста материалов подслоя, разработаны методики определения механических и электрических свойств ННК GaAs, проведены экспериментальные исследования и установлены закономерности влияния параметров ЛАО на морфологию поверхности GaAs в процессе наноразмерного профилирования.

В четвертой главе предложена конструкция газочувствительного элемента резистивного типа на основе неупорядоченного массива ННК GaAs (рисунок 17, а), интегрированного со схемой обработки сигнала, позволяющего, согласно оценкам, отказаться от нагревательного элемента и осуществлять дегазацию активной части структуры на основе эффекта саморазогрева полупроводника при напряжения 10 В. В качестве активной части структуры выступают массивы ориентированных ННК GaAs, длиной порядка 2 мкм.

Рисунок 17 – Схема газочувствительного (а) и запоминающего (б) элемента Разработана конструкция элемента памяти оперативного запоминающего устройства (рисунок 17, б) с использованием упорядоченных массивов (In,Ga)As/(In,Ga,Al)As КТ, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации. Для достижения эффекта в подзатворной области Al(In,Ga)As/(In,Ga)As/Al(In,Ga)As HEMT-структуры формируется структура, содержащая несколько слоев с упорядоченными в латеральном и вертикальном направлениях массивами КТ с заданной плотностью и размерами и выступающая в роли структурно- и функционально-интегрированной емкостной ячейки. Операции записи, считывания и стирания осуществляются путем изменения величины напряжения затвор-сток.

Для проверки технических решений методом МЛЭ были выращены AlGaAs/InGaAs/GaAs PHEMT-структуры, с концентрацией носителей в слое двумерного электронного газа 1,831012 см-3 и подвижностью 7395 см2/В·с. На основе полученных гетероструктур изготовлены PHEMT-транзисторы, выходные ВАХ которых приведены на рисунке 18(а). Проведено моделирование ВАХ этих транзисторов с учетом упругих напряжений в канале, что позволяет улучшить корреляцию расчетной и реальной ВАХ. Оценки, проведенные с использованием параметров изготовленного AlGaAs/InGaAs/GaAs PHEMT, показали, что введение в подзатворную область массива КТ InAs плотностью 21010 см- снижает ток Id с 27 до 20 мА при Vg=2 В и Vds=1 В (рисунок 18, в). Увеличение плотности КТ в массиве до 41010 см-2 либо использование 2 массивов КТ с плотностью 21010 см-2 снижает Id до 15 мА.

Рисунок 18 – Экспериментальная (а) и расчетные без КТ (б) и с КТ (в) ВАХ На основе проведенных исследований предложены маршруты изготовления интегрированного газочувствительного элемента на основе массива ННК GaAs и запоминающего элемента с упорядоченными массивами (In,Ga)As/(In,Ga,Al)As КТ с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Теоретически исследованы термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H2O и Ga-AsZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов МЛЭ GaAs, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК GaAs по автокаталитическому механизму.

2. Разработана математическая модель формирования автокаталитических ННК GaAs с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

3. Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием оксида GaAs и ZnO.

4. Определены режимы формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием наноразмерных пленок оксида GaAs и ZnO.

5. Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода ЛАО. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получения регулярных массивов ОНС GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% – углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.

6. Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до ГПа, а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм – от 40 до 140 ГПа. Показано, что полученные ННК GaAs имеют p-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОм·см.

7. Разработаны конструкция элемента памяти с упорядоченными массивами КТ (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов с 6 до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

8. Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

В приложении фазовые диаграммы взаимодействия, акты внедрения результатов работы на предприятиях и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

Работы, опубликованные в перечне периодических научных изданий, рекомендованных ВАК РФ:

1. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Рубашкина М.В., Рукомойкин А.В., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование влияния геометрических параметров на модуль Юнга ориентированных нитевидных нанокристаллов GaAs методом атомно-силовой микроскопии // Российские нанотехнологии. – 2013. – №1-2, Т.8.

– С. 20-25.

2. Агеев О.А., Авилов В.И., Рукомойкин А.В., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. – 2012. – № 2(94) – С. 43-50.

3. Агеев О.А., Варзарев Ю.Н., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С.

Получение и исследование HEMT-структур на основе GaAs для СВЧ-полевых транзисторов на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 13-21.

4. Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Формирование и исследование арсенид-галлиевых наноструктур на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 237-238.

5. Агеев О.А., Авилов В.И., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 8-13.

6. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Михайличенко А.В., Смирнов В.А., Пташник В.В., Солодовник М.С., Федотов А.А., Замбург Е.Г., Климин В.С., Ильин О.И., Громов А.Л., Рукомойкин А.В. Получение наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – №1. – С. 109-116.

Публикации в других изданиях:

7. Авилов В.И., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Зондовая нанолитография оксидных наноразмерных структур на поверхности арсенида галлия // Тезисы докладов 14й научной молодежной школы «Физика и технология микро- и наносистем ЛЭТИ-2011». – Санкт-Петербург, 2011. – С. 57-58.

8. Ageev O.A., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Solodovnik M.S.

Determination of Young’s Modulus of Gallium Arsenide Whiskers by Atomic Force Microscopy // Russian – Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications». – Rostov-on-Don, 2012. – P. 3.

9. Ageev O.A., Rukomoikin A.V., Solodovnik M.S. Autocatalytic Growth of Whiskers on GaAs(100) by MBE // Russian – Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications». – Rostov-on-Don, 2012. – P. 2.

10. Агеев О.А., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Формирование наноструктур GaAs методом МЛЭ и их исследование на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Тезисы докладов VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. – Ростов-наДону, 2011.

11. Рубашкина М.В., Солодовник М.С. Исследование ориентированных нитевидных кристаллов GaAs методом атомно-силовой микроскопии // Тезисы докладов VIII ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. – Таганрог, 2012. – С. 203-204.

12. Агеев О.А., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Разработка технологии изготовления наногетероструктур GaAs/InGaAs/AlGaAs методом МЛЭ на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Сборник работ лауреатов конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники». – Ростов-на-Дону, 2010. – С. 64Агеев О.А., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Формирование гетероструктур на основе арсенида галлия методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ЮФО «Студенческая научная весна – 2009». – Новочеркасск, 2009. – С. 248-249.

14. Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Выращивание структур на основе GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Сборник тезисов докладов победителей студенческих научных конференций, проходящий в рамках «Недели науки». – Ростов-на-Дону, 2008. – Т. 2. – С. 179-182.

15. Агеев О.А., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Получение и исследование AlGaAs/GaAs HEMT-структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Труды международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии – 2010». – Дивноморское, 2010.

– Ч.2. – С. 60-62.

16. Агеев О.А., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Формирование AlGaAs/GaAs HEMT-структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Х всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «КРЭС-2010». – Таганрог, 2010. – С. 19.

17. Агеев О.А., Авилов В.И., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Труды международной научно-технической конференции и молодежной школысеминара «Нанотехнологии-2010». – Дивноморское, 2010. – Ч. 2. – С. 37-39.

18. Агеев О.А., Рубашкина М.В., Солодовник М.С. Исследование механических свойств ориентированных нитевидных кристаллов арсенида галлия методом атомно-силовой спектроскопии // Труды международной научно-технической конференции «Нанотехнологии – 2012». – 2012. – С. 86-87.

Патенты:

19. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Элемент памяти динамического оперативного запоминающего устройства // Патент РФ на полезную модель. – 2011. – № 110866.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1, 2, 14, 15] – подготовка образцов, обработка результатов экспериментов; [7, 16, 18, 19] – изготовления экспериментальных образцов; [3 – 5, 8 – 13, 17] – проведение экспериментальных исследований влияния режимов, анализ экспериментальных зависимостей; [19] – написание и согласование заявки на патент.

Тип. ЮФУ Заказ № тир. Экз. Издательство Южного федерального университета в г. Таганроге Типография Южного федерального университета в г. Таганроге