В низкоразмерной структуре свободное движение электрона ограничено по крайней мере в одном направлении. В данном направлении (пусть это будет направление вдоль оси х) потенциальная энергия электрона может быть представлена в виде бесконечно глубокой потенциальной ямы, как это показано на рисунке 1.2. Если ширина ямы вдоль оси х равна а, то в области 0 < х < а электрон имеет нулевую потенциальную энергию. Бесконечно высокий потенциальный барьер делает невозможным нахождение электрона за границами этой области.

Таким образом, волновая функция электрона должна обращаться в нуль на границах потенциальной ямы, т. е. при х = 0 и х = а. Такому условию отвечает лишь ограниченный набор волновых функций.

Это - стоячие волны с длиной Л, определяемой соотношением Соответствующие разрешенные значения волнового вектора дискретны и равны Рисунокі.2 - Потенциальная яма и волновые функции электронов Как следствие, энергии разрешенных энергетических состояний электрона в яме тоже оказываются дискретными. Спектр этих состояний имеет вид Целое число и является квантовым числом, обозначающим квантовое состояние. Таким Образом, электрон, помещенный в ограниченную область пространства, может занимать только дискретные энергетические уровни. Самое низкое состояние имеет энергию которая всегда больше нуля. Ненулевая минимальная энергия отличает квантово-механическую систему от классической, для которой энергия частицы, находящейся на дне потенциальной ямы, тождественно равна нулю. Кроме того, разрешенные значения энергии для электрона оказываются квантованными и пропорциональны п2.

Для того чтобы удовлетворить принципу неопределенности ДвДх > А/2 (В нашем случае Ах = а), неопределенность импульса электрона должна быть Др2Л/2а, что отвечает минимальному изменению энергии ДЕ = (Др)2 /2т' =г !Ы'аг, которое (с точностью до множителя п1 /4) соответствует приведенному выше выражению для Е,. Таким образом, принцип неопределенности также приводит нас к выводу о ненулевом значении минимальной энергии электрона в потенциальной яме.

1.4.2 Квантовые пленки, квантовые шнуры, квантовые точки виды низкоразмерных объектов Ограничение движения электронов (дырок) в низкоразмерной структуре, приводящее (вследствие их квантово-волновой природы) к ненулевому минимальному значению их энергии и к дискретности энергий разрешенных состояний, называют квантовым ограничением.

В твердых телах квантовое ограничение может быть реализовано в трех пространственных направлениях. Количество направлений, в которых эффект квантового ограничения отсутствует, используется в качестве критерия для классификации элементарных низкоразмерных структур по трем группам: квантовые пленки, квантовые шнуры и квантовые точки.

Схематически они показаны на рисунке 1.3.

Квантовые пленки (яма) представляют собой двумерные (2D) структуры, в которых квантовое ограничение действует только в одном направлении - перпендикулярно пленке (направление z на рисунке 1.3) Носители заряда в таких структурах могут свободно двигаться в плоскости ху. Их энергия складывается из квантованных значений, определяемых эффектом квантового ограничения в направлении z (в соответствии с толщиной пленки lz), и непрерывных составляющих в направлениях х и у:

В А-пространстве энергетическая диаграмма квантовой пленки перекрываясь, образуют подзоны. Минимальная энергия электрона в п-й подзоне задается соотношением (1.8). Электрон с такой энергией неподвижен в плоскости пленки.

Зависимость плотности электронных состояний от энергии в квантовой пленке имеет ступенчатый вид (вместо параболической зависимости в трехмерных структурах):

(Е-Е ) Электроны в квантовых пленках обычно называют двумерным электронным газом.

структуры. Б отличие от квантовых пленок, они имеют не один, а два манометровых размера, в направлении которых и действует эффект квантового ограничения. Носители заряда могут свободно двигаться только в одном направлении - вдоль оси шнура. Таким образом, и вклад в энергию носителя заряда даюг кинетическая составляющая вдоль одного направления и квантованные значения в двух других направлениях:

квантовый Рисунок 1.3 - Элементарные низкоразмерные структуры, их энергетические диаграммы н плотности состояний N(E) в сравнении с трехмерной структурой Для каждой пары дискретных уровней в направлениях квантового ограничения плотность электронных состояний в квантовом шнуре зависит от энергии по закону Е~'п:

Квантовые точки - это нуль-мерные (0D) структуры, в которых движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях. В квантованной в соответствии с формулой (1.5), а плотность состояний представляет собой набор острых пиков, описываемых S -функциями:

квантовых точек последние иногда называют «искусственными атомами».

Квантовые точки состоят из сравнительно небольшого количества атомов. В этом отношении к ним близки атомные кластеры и нанокристал-литы (кристаллиты нанометровых размеров), где также имеет место эффект квантового ограничения.

практический интерес, должны располагаться на какой-либо подложке и иметь контакт с другими структурами и функциональными элементами.

Более того, приборные применения требуют комбинации нескольких элементарных структур. Но, несмотря на появление в сложных комбинированных структурах новых квантово-механических эффектов, определяющую роль в них продолжает играть квантовое ограничение.

Туннелирование означает перенос частицы через область, ограниченную потенциальным барьером, высота которой больше полной энергии данной частицы. Такой эффект невозможен с точки зрения классической механики, однако имеет место для квантовых частиц, которым присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Рассмотрим поведение частицы, встречающей на своем пути потенциальный барьер (рисунок 1.4).

движение в прежнем направлении.

Рассмотрение этого процесса с позиций квантовой механики дает иные результаты. С точки зрения квантовой механики движение частицы в одномерном потенциальном поле U(x) описывается уравнением Шредингера:

vy(x) - ее волновая функция.

потенциального барьера (Е> Uo), то в областях I и Ш, где U(x) =0, кі=2лА,=р/=(1/)\2шЕ (волновое число) имеет вид суперпозиции двух волн:

амплитуды падающей, отраженной и прошедшей барьер волн.

Первый член в (1.16) соответствует падающей на барьер волне, отраженную волну, движущуюся вдоль оси х в противоположном направлении.

Для области II (область потенциального барьера) решение уравнения Шредингера выглядит следующим образом:

где k2=(l/ftW2m(E- и 0 ), движущихся в противоположных направлениях.

При х — о волновая функция прошедшей над потенциальным барьером частицы имеет асимптотический вид:

Тогда отсутствует область III, и в барьере нет волны, движущей в обратном направлении (В2=0).

На основании условий непрерывности волновой функции и ее первой производной в точке х= можно получить отношение B|/A|=(k r k 2 )/(k|+k 2 ).

интенсивности отраженной 1от и падающей 1пад волн, интенсивности Так как k| Ф k 2, то R >0, а это значит, что даже в случае низкого барьера ( Е U0 U0), когда по законам классической физики частица должна пройти над ним, имеется вероятность ее отражения.

Коэффициент прохождения D (коэффициент прозрачности), потенциальный барьер, связан с коэффициентом отражения очевидным соотношением:

взаимодействует с прямоугольным потенциальным барьером, высота которого больше ее энергии (Е< U 0 ). Классическая частица не может пройти через такой барьер. Она будет отражаться в так называемых классических точках попорота. Точка поворота - это точка с координатой х, в которой кинетическая энергия частицы обращается в нуль, то есть ее полная энергия Е равна U(x).

Достигнув точки поворота, частица меняет направление своего движения и начинает двигаться в обратном направлении. Учитывая, как и раньше, что выполняется условие непрерывности у - функции и ее производной на границах I, II, III и что теперь кг=і к =(Ш)л/2т(Еи ц ), а также полагая В2=0 (отражением от второй границы барьера можно пренебречь при условии достаточно высокого и широкого потенциального барьера), получаем для коэффициента прозрачности в случае прямоугольного потенциального барьера:

D = jA 3 f/|A,f=16k,V/( к,2 + к2)2ехр(-2ка)= Таким образом, для высокого (Е< U0 ) потенциального барьера коэффициент прозрачности D>0, то есть имеется вероятность проникновения частицы сквозь такой барьер. Частица как бы просачивается («туннелирует») через область потенциального барьера, не изменяя свою энергию. Это явление называется туннельным эффектом.

Таким образом, для высокого (Е< U0 ) потенциального барьера коэффициент прозрачности D>0, то есть имеется вероятность проникновения частицы сквозь такой барьер. Частица как бы просачивается («туннелирует») через область потенциального барьера, не изменяя свою энергию. Это явление называется туннельным эффектом.

' элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие эксплуатационными характеристиками.

К настоящему времени установилась следующая классификация наноматерналов:

наноструктурированный углерод, цианиты);

- наночастицы (частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из углеродных атомов диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной - нанодисперсии (коллоиды, взвесь частиц размером от 1 до нм в органических или неорганических жидкостях);

наноструктуры толщиной в один или несколько атомов);

структуры размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов).

В нанотехнологиях применяются два принципиально разных наноструктур: технологии «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх»

(bottom-up).

(нанометровых) размеров. Наноструктура создается в объемном материале, как это принято в классических технологиях интегральных схем на основе кремния (пленарная технология с использованием фотолитографии, рентгенолитографии и др.) Процесс формирования наноструктур по принципу «сверхувниз» предусматривает обработку макромасштабного объекта или структуры и постепенное уменьшение их размеров, вплоть до получения изделий с нанометровыми параметрами, методами литографии и нанолитографии.

Технология «снизу-вверх» заключается в том, что при создании наноструктур набирают и выстраивают отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход также осуществляется с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций с участием углеродных нанотрубок, электропроводящих полимеров, биологических клеток и белковых структур.

обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении.

Нанотехнологии стали востребованы после того, как появились инструменты, позволяющие видеть, измерять и манипулировать веществом на наноскопическом уровне.

Нанотехнологии сыграли два события:

- Создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ-198ІГ.) и атомно-силового микроскопа (АСМ-1986г.). Они позволили впервые получить изображение атомов и манипулировать атомами и молекулами;

- открытие новой формы существования углерода в природе фуллеренов и углеродных нанотрубок (1990-1991гг.).

2.1 Фуллерены и углеродные нанотрубки.

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать две кристаллические структуры - алмаз и графит. Алмаз имеет пространственную тетраэдическую структуру,' в которой атомы углерода образуют между собой сильные ковалентные связи (рисунок 2.1). Структура графита слоистая, каждый атом образует сильные ковалентные связи с другими атомами, расположенными с ним в одной плоскости, в то время как ковалентные связи с ближайщими атомами соседнего слоя относительно слабые (рисунок 2.2). Из-за этого графит легко скалывается и истирается, пример грифель карандаша.

Склонность углерода к образованию поверхностных структур еще большей степени проявилась в новой форме углерода фуллеренах. В 1984 году американские ученые обнаружили объемные молекулы углерода спектроскопический, а год спустя им удалось выделить новые молекулы из продуктов лазерного испарения графитовой мишени в атмосфере гелия. Молекулы размером порядка нанометра, имеюшие 60 атомов и более назвали фуллеренами в честь американского архитектора прошлого века Ричарда Бакминстера Фуллера. Значительный прогресс в получении и исследовании нанообъектов, возникновении новых наноматериалов привело к выделению таких понятий как наноклатер, наноструктура.

Клатеры углерода относятся к категории кластеров с сильной атомной связью. Атомы углерода формируют кластеры легче, чем какой-либо элемент периодической системы, что подтверждается, например, повсеместным образованием сажи в процессах горения.

Известно, что звезды красные гиганты испускают в межзвездное пространство огромное количество углерода и, вероятно, звездная пыль состоит из углеродных кластеров. Кластеры углерода в лабораторных условиях получают лазерным или дуговым испарением и разделяют по массам с помощью масс-спектрометра. Получающий при этом масс-спектр носит бимодальный характер с числом атомов :

обнаружены в 1985 году Крото, Смоли и Керлом. Инициатором поиска был Крото, который вначале занимался изучением лазерного испарения и массспектроскопией малых углеродных кластеров, однако определенных условиях получения углеродных кластеров. При этом было замечено, как при определенных условиях синтеза в массспектре наблюдается интенсивная линия, соответствующая стабильным кластерам С6о, название которых пошло от имени сконструировавшего геодезический свод, напоминающий структуру С (jo- Таким образом, были получены структуры, содержащие 3,11,15,19,23,...,60 и более атомов углерода. Молекула, состоящая из 60 атомов углерода С 6 о, оказалась похожей на футбольный мяч. Она расположенных граней, имеющих форму, близкую к шару (рисунок 2.3).

Принципиально новые углеродные соединения - фуллерены (€60), группа специфических молекул, состоящих только из атомов нескольких шестиугольников с атомами углерода в вершинах, были открыты в 1985 году (рисунок 2.3).

нанометра. Были получены нанотрубки разной геометрии - как однослойные (одностенные), так и многослойные (многостенные) (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Углеродные нанотрубки с различными хиральными векторами, определяемыми значениями п и m (1кресельная структура, 2~ зигзагообразная структура, 3хиральная структура) В 2004 году появился еще один принципиально новый класс наноматериалов - свободный слой графита толщиной в один атом графеиы ( полые цилиндрические структуры - длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра).

Графен - слой атомов углерода, соединенных в шестигранную кристаллическую решетку и представляющих собой графеновую пленку толщиной всего в один атом углерода, который получил название углеродных нанострубок (УНТ). УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить три основных способа их получения:

- электродуговое распыление графита;

- абляция графита с помощью лазерного облучения;

- каталитическое разложение углеводородов.

Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными.

Однослойные углеродные нанотрубки - только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная будет базироваться на графене.

Идеальная однослойная нанотрубка образуется путем сворачивания плоскости графита, состоящей из правильных шестиугольников, в цилиндрическую поверхность. Способы организации нанотрубок или их структура зависят от хиральности и угла сворачивания. Отсюда вытекают свойства однослойных нанотрубок, которые могут обладать металлической проводимостью и полупроводниковыми свойствами.

Уникальные свойства нанотрубок позволяют использовать их как основные элементы наноустройств в электронных и световых устройствах, такие как диоды, полевые транзисторы, холодные катоды и дисплеи.

Карборан (НВ)ю(СН) Richard Buckminster Fuller (1895-1983) Углеродные нанотрубки получают лазерным испарением в углеродной дуге и химическим осаждением паров. Нанотрубки можно представить как лист графита, свернутый в цилиндр. Обычно нанотрубки бывают закрытыми с обоих концов фуллереноподобными структурами[6]. Известны вложенные или многослойный нанотрубки, в которых одна трубка находится внутри другой. Однослойная нанотрубка может иметь очень маленький диаметр 2 нм и длину 1 ООмкм. (рисунок 2.7) Рисунок 2.7 - Однослойные и многослойные нанотрубки 2.2 Атомарная структура поверхности углеродных нанотрубок.

продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности.

Хиральность - вектор свертывания, характеризуется двумя целыми числами (ш, п), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Вектор хиральности определяется как где п и т - действительные числа, а,, а2 - единичные векторы в графитовой плоскости.

Сказанное иллюстрирует рисунок 2.8, где показана часть гексагональной графитовой сетки, свертывание которой в цилиндр приводит к образованию однослойных нанотрубок с различной хиральностью.

Рисунок 2.8 - Диаметр трубки и угол свёртывания характеризуются вектором свёртывания С = n aj + m а2 s (n, т ).

определена углом а, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Имеется очень много вариантов свертывания нанотрубок, но среди них выделяются те, в результате реализации которых не происходит иск Е(1).

усовершенствование технологии выращивания структур дало возможность реализовать непрерывный режим лазерной генерации при комнатной температуре и создать полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре. При этом инверсная населенность для получения стимулированного излучения достигнута инжекционным способом. Инжекцией называют процесс введения неравновесных носителей заряда. Образование неравновесных носителей заряда в зоне проводимости возможно, например в результате облучения фотонами или частицами с энергией большей E(g). Концентрация носителей заряда, вызванная термическим возбуждением называют равновесной.

Рисунок.3.6. Энергетическая зонная диаграмма двойной Е(с) и E(v) - края зоны проводимости и валентной зоны.

Е(е) и E(h) - уровни размерного квантования для электронов и дырок.

Е(1) и Е(2) - энергия испускаемого фотона при рекомбинации электрона и дырки.

3.6 Физические основы формирования наноструктур электропроводности твердых тел, между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона энергий E(g). У одних полупроводников она может быть шире, а у других - более узкой.

Граница таких полупроводников называется гетероструктурой.

полупроводниковые структуры, изготовленные из двух или более различных материалов таким образом, что переходный слой, или граница раздела двух материалов играет важную роль в любом протекающем в приборе процессе.

Материалы, из которых делаются гетероструктуры, относятся к центральной части Периодической системы элементов. В середине находится кремний - основа современной электроники. Под кремнием находится германий. Хотя сам германий используют редко, сплавы Ge - Si разного состава играют все возрастающую роль в современной технологии гетероструктур. Результаты проводимых в течении последнего десятилетия исследований структур Si-Ge с квантовыми точками, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксией, существенно изменили представления о возможности использования кремния в фотоэлектронике.

Изучение механизма образования квантово- размерных структур в системе Si-Ge при нанесении атомов Ge на поверхность Siподложки из молекулярного пучка включает в себя в первую очередь переход от послойного роста пленки к образованию трехмерных (3D) островков.

• Наноструктурирование кремния - формирование нанокристаллов (квантовых точек) в широкозонных Рисунок 3.7 - Зонная структура и схематическое изображение квантовых точек кремния в широкозонной матрице Si02.

следующим образом (рисунок 3.7). Поскольку структуры обладают ртипом проводимости и островки являются потенциальными ямами для положительно. В результате кулоновского отталкивания дырки внутри фотоэлектронов в кремнии вблизи гетероперехода. В этом случае межзонные оптические переходы оказываются прямыми в импульсном пространстве, однако в координатном пространстве переходы являются непрямыми, так как электроны и дырки локализованы по разные стороны гетерограниц.

гетероструктуры в современной электронике и оптоэлектронике, связи, компьютерной технике. За создание полупроводниковых гетероструктур Ж. И. Алферову совместно с Г. Кремером и Дж. Килби (США) была присуждена в 2000 г. Нобелевская премия. Наиболее широко гетероструктуры используются в оптоэлектронике, например для создания гетеролазеров, фотоприемников, светодиодов, тепловизионных систем. На рисунке 3.8 представлены структура (а).

энергетические диаграммы: классического лазеры на двойных гетероструктурах (ДГС-лазера) (в) и ДГС-лазера с квантовой ямой (г).

На энергетической диаграмме показаны зависимость от х энергии краев валентной зоны (Ev) и зоны проводимости (Ес) для случая микронной (сі|=(1-1.5)мкм) и наноразмерной (ё2=(5-10)нм) толщины слоя GaAs. Диаграммы соответствуют прямому смещению на широкозонный.

n-AIGaAs p-GaAs p-AIGaAs Рисунок 3.8 - Геометрические и энергетические диаграммы полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре При прямом смещении в активный слой (GaAs) инжектируются электроны из n-AlGaAs и дырки из p-AIGaAs (двойная инжекция), что показано искривленными стрелками. Электроны и дырки не могут покинуть активный слой, так как: он ограничен потенциальными барьерами, и все процессы рекомбинации идут в активном слое. На рисунке 3.8 в штриховкой показаны энергетические области, занятые инжектированными зарядами. При рекомбинации испускается квант электромагнитной волны hv = AEg. Показатель преломления у GaAs больше, чем у AIGaAs (рисунок 3.8 б). Поэтому свет идет по активному слою, как по волновод)', за счет эффекта полного внутреннего отражения значительной части индуцированных фотонов пространственное электронов) в слое GaAs; увеличивается также вероятность их рекомбинации и интенсивность рекомбинационного излучения.

Волноводный эффект обеспечивает направленность лазерного луча.

Если активный слой (GaAs) представляет собой квантовую яму (рисунок 3.8 г), то инжектированные прямым током электроны и дырки располагаются на размерных энергетических уровнях.

Рекомбинационные переходы, показанные вертикальной стрелкой, дают излучение Одно из преимуществ лазеров на квантовых ямах - возможность перестройки частоты излучения изменением толщины активного слоя d. С уменьшением величины d увеличиваются расстояния от краев зон до первых размерных уровней, увеличивается и частота излучения.

Другое преимущество - снижение порогового тока. Пороговый ток это ток, при котором начинается лазерная генерация. Генерация начинается при такой степени инверсии населенности верхних и нижних уровней, когда усиление излучения при взаимодействии с активным слоем превосходит потери энергии, обусловленные выходом излучения наружу и поглощением в гетероструктуре.

У лазеров на квантовых ямах есть и другие преимущества, связанные с размерным квантованием, например, более слабая дифференциальное усиление.

Структура полупроводникового лазера, представленная на рисуноке 3.8 г, относится к двухмерным системам. В двухмерных системах условия для создания инверсной населенности более благоприятны, чем в трехмерных.

Глава IV Методы формирования наноэлектронных структур микроэлектронных технологий, так и нанотехнологий.

атомов, молекул с размерами от единиц до сотен нанометров.

позволяющих формировать наноструктуры. Это - технологии, реализующие принцип «сверху - вниз». И технологии, построенные на принципе «снизу-вверх». Принцип «сверху - вниз» предполагает создание структур с требуемыми размерами и конфигурацией путем избирательного удаления материала, заранее нанесенного на подложку. Принцип «снизу - вверх» предполагает формирование требуемых структур путем селективного осаждения атомов и молекул на заданные участки поверхности подложки.

Два метода осаждения пленок, первоначально разработанных для технологии микроэлектроники, нашли широкое применение при создании наноэлектронных приборов и интегральных схем на их основе. Это - химическое осаждение из газовой фазы и молекулярнолучевая эпитаксия.

Эпитаксия (от греч. Ері - на, над, при й taxis-рэсположение, вещества на подложку (кристалл), при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Эпитаксия позволяет получать такие тонкие ( нм-10 мкм) однородные монокристаллические слои - так называемые э п и т а к с и а л ь н ы е с л о и (ЭС) - любого типа проводимости и любого удельного электрического сопротивления, какие невозможно создать иным способом. Различают г е г е р о э п и т а к с и ю, когда вещества подложки и наращиваемого слоя различны по хим. Составу и кристаллической структуре, и г о го м о э п и т а к с и ю, когда подложка и наращиваемый слой одинаковы по химическому составу или отличаются только примесным составом. Эпитаксия используется в технологии производства широкого класса электронных приборов и устройств для получения (в виде плёнок и многослойных структур) эпитаксиальных слоев элементарных полупроводников, соединений типа A1" BV, A11 BVI, A,V B vi и др. материалов. Эпитаксия возможна из любой фазы: газовой (газофазная Э.- ГФЭ), жидкой (жидкостная, или жидкофазная, Э,- ЖФЭ) и твёрдой (твердофазная Э.- ТФЭ).

Преимуществ. Развитие получили ГФЭ и ЖФЭ. Методы ГФЭ делятся на химические и физические.

ориентированной монокристаллической пленки на подходящей для этих целей монокристаллической подложке. Материал пленки при этом поступает из газовой фазы. Газовая среда может содержать как пары кристаллизующегося материала, так газообразные реагенты, способные в процессе химической реакций на подложке образовать необходимый для эпитаксиального роста материал. Химический состав, давление газа и температура подложки являются главными параметрами, контролирующими процесс осаждения пленок и их свойства.

Использование металлорганических соединений (химические связи металл-углерод, мегалл-кислород-углерод) в качестве исходных газообразных реагентов дает наилучший результат при создании совершенных сверхрешеток с резкой границей раздела и толщиной до одного монослоя, В качестве примера рассмотрим химическое осаждение GaAs гетероструктур GaAlAs. Триметилгаллий ((CH3)3Ga) и триметилалюминий ((СН3)3А1) служат источниками металла третьей группы. Элементы пятой группы обычно вводятся в форме гидридов, таких как AsH3. В качестве газо-носителя чаще всего используют водород. Химическое превращение, происходящее на нагретой поверхности подложки, схематический можно представить следующей реакцией:

Химическое осаждение из газообразных металлорганических соединений обеспечивает осаждение практически всех бинарных, тройных и четверных полупроводниковых соединений АЫВУ с высокой степенью их стехиометричности.

К физическим методам относят методы термического осаждения из молекулярных пучков в вакууме, мгновенного испарения, «горячей стенки», а также методы катодного распыления и осаждения. По методу термического. Осаждения из молекулярных пучков испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры (выше или ниже температуры плавления испаряемого вещества в зависимости от упругости пара в точке плавления) в сверхвысоком вакууме (•: I'. ЛП соединений, возможно управление профилем легирования.

Легирующая примесь может быть как р-, так и n-типа. Возможны два способа легирования.

„4* После.испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, Н, В) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления. В результате чаще прибегают к употреблению Sb, Ga или А1.

имплантация. В этом случае применяются слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под кристаллическую решетку. Этот способ позволяет использовать такие примеси как В, Р и As.

Литографией называют совокупность фото- и физикохимических процессов, используемых для послойного формирования топологического рисунка интегральных схем и наноструктур.

Конечная цель литографического процесса - получение контактной изготовляемой структуры. Литография основана на использовании способностью изменять свои свойства под действием определенного вида излучения. Применительно к области нанотехнологий под литографией чаще всего понимают технологию микроэлектроники, включающую в себя набор нескольких этапов:

(фоторезиста) на кремневую пластину;

пленочного покрытия пластины с определенным рисунком через соответствующую маску;

специальном растворе;

4. Формирование на подложке физической структуры элементов электронной схемы.

В последнее десятилетие термин "литография" используется в более широком значении - как метод формирования на поверхности подложки не только электронных схем, но и наноструктур (или рисунков с нанометровым разрешением) путем переноса их изображения с помощью маски или штампа, или же непосредственным воздействием на поверхность образца (литография с помощью СТМ или АСМ).

В зависимости от длины волны используемого излучения электронно-лучевую и ионно-лучевую литографию. Суть литографии можно уяснить на примере фотолитографии, простейшего вида фотохимической микрогравировки металлических, диэлектрических п полупроводниковых слоев.

ЖНННЖН

нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно диоксида кремния Si0 2 (рисунок 5.1 а);

нанесение на слой диэлектрика фоточувствительного слоя фоторезиста (рисунок 5.1 б);

случаефотошаблон представляет собой непрозрачную пластину с местоположение будущих эмиттеров (рисунок 5.1 в);

- экспонирование фоторезиста (в простейшем варианте видимым или ультрафиолетовым светом); экспонирование изменяет специальном травителе (на рисунке 5.1 в экспонирование отображено системой стрелок);

- удаление фотошаблона;

- проявление (травление) фоторезиста; участки, подвергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя окисла (рисунок - вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезисте (1 и 2 на рисунке 5.1 д);

- удаление фоторезиста (рисунок 5.1 е).

формирования соответствующих элементов на пластине, например эмиттеров всех транзисторов.

Оптическая литография технология микроэлектроники, включающий перенос изображения элементов электронной схемы с маски (шаблона) на полупроводниковую подложку с пленочным покрытием из фоторезиста (материала, чувствительного к облучению светом) с последующим травлением покрытия и легированием подложки через окна в слое фоторезиста. Обычный материал подложки - кремниевые пластины с окисленной поверхностью.

Тонкая поверхностная пленка Si0 2 защищает кремний от дальнейшего окисления, служит непроницаемым барьером для большинства примесей и является хорошим диэлектриком. Достоинством системы Si-Si02 является возможность селективного травления при использовании травителей, действующих только на один из этих двух материалов.

Фотолитографический процесс включает химическую очистку поверхности подложки от следов различных (органических, ионных, металлических) примесей, окисление очищенной поверхности подложки с созданием защитного слоя Si0 2, нанесение на окисленную (фоторезиста), экспонирование (облучение) фоторезиста через маску и удаление (травление) негативного фоторезиста с необлученных участков или позитивного фоторезиста с облученных участков.

Наиболее часто используют позитивные фоторезисты, позволяющие точнее передавать очень мелкие геометрические детали изображения.

одновременно. Пластина кремния с нанесенным рисунком помещается в среду, из которой в кремний через окна в слое фоторезиста вводятся фотолитографии и легирования позволяет селективно вводить атомы легирующих примесей р- и n-типа в очень малые по размеру области на поверхности кристалла. Наименьшие размеры элементов, которые фотолитографии, принципиально ограничены длиной волны света.

Фотолитография с помощью света с длиной волны -400 нм позволяет серийно изготовлять интегральные схемы с минимальным размером 2мкм, содержащие до 105 транзисторов.

использованием электронного пучка. Электронный пучок сканирует поверхность электронного резиста, повторяя шаблон, заложенный в управляющий компьютер, и позволяя достигать разрешения 1 нм благодаря более короткой длине волны электронов по сравнению со светом. Электронная литография используется для создания масок для фотолитографии, производстве штучных компонентов, где требуется деятельности., исследований обычно используют электронный микроскоп.

получать изображение объектов с максимальным увеличением до способность электронного микроскопа в 1000+10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.

Фотолитография - метод получения рисунка на тонкой плёнке материала, широко используется в микроэлектронике и в полиграфии.

Один из основных приёмов плаяарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Для получения рисунка используется свет определённой длины волны. Минимальный размер деталей рисунка - половина длины волны (определяется дифракционным пределом).

Процесс фотолитографии происходит следующим образом:

1. На толстую подложку (в микроэлектронике часто используют кремний) наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист.

2. Производится экспонирование через фотошаблон (контактным или проекционным методом).

3. Облучённые участки фоторезиста изменяют свою растворимость и их можно удалить химическим способом (процесс травления).

Освобождённые от фоторезиста участки тоже удаляются.

4. Заключительная стадия - удаление остатков фоторезиста.

засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется негативным. Иначе - позитивным.

Фоторезист - специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом.

Фотошаблон - пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем.

Рентгеновская литография - метод микроэлектронной технологии, заключающийся в формировании с субмикронным разрешением зашитной маски заданного профиля на поверхности подложки;

осуществляется при помощи рентг. излучения длиной волны L ~ (0,4нм. Маска изготовляется из стойкого к технологическим воздействиям материала - полимерного резиста; необходимый рисунок формируется с помощью рентгеношаблона. Поток рентгеновского излучения направляют на рентгеношаблон (рисунок 5.2), который этот поток пространственно модулирует.

Рисунок 5.2 - Схема рентгеновской литографии Излучение рентгеновского источника 1 с размером излучающей области d попадает на рентгеношаблон, расположенный на расстоянии L от него и состоящий из прозрачной для излучения мембраны 2 и сильнопоглощающего покрытия 3, в н-ром сформирован рисунок.

Пройдя через свободные от маскирующего покрытия участки шаблона, излучение экспонирует плёнку резисга 4, покрывающую подложкой. Резист поглощает попавшее на него излучение, и таким образом в нём формируется скрытое изображение рентгеношаблона:

под действием излучения в резисте образуются высокоэнергетичные фото- и оже-электроны, которые вызывают сшивание молекул резиста.

В зависимости от того, какой из процессов преобладает, при необлучённые участки, т. е. получается негативное или позитивное изображение рисунка шаблона. Соответственно резисты делятся на рентгеновского излучения методы рентгеновской литографии Рентгеновская литография отличается большой глубиной резкости и разрешающую способность. Благодаря большой проникающей способности рентгеновского излучения, малости эффектов рассеяния и высокого контраста при экспонировании рентгеновская литография позволяет формировать в резистах субмикронные структуры с большим отношением высоты к ширине, а также формировать в однослойных резистах структуры со сложным профилем края.

применяется для экспонирования резистов толщиной до 20 нм. В ионно-лучевой литографии для экспонирования полимерных резистов Использование более тяжелых ионов позволяет легировать подложку или создавать на ней тонкие слои новых химических соединений.

Различия между электронной и ионной литографией обусловлены большей массой иона по сравнению с массой электрона и тем, что ион является многоэлектронной системой. Тонкий пучок ионов имеет более слабое угловое рассеяние в мишени, чем пучок электронов, разрешением, чем электронно-лучевая. Потери энергии ионного пучка в полимерных резистах примерно в 100 раз выше, чем потери энергии электронного пучка, поэтому чувствительность резистов к ионному пучку тоже выше. Это означает, что экспонирование резиста тонким ионным пучком происходит быстрее, чем электронным лучом.

Образование ионным пучком дефектов типа френкелевских пар «вакансия - межузельный атом» меняет скорость растворимости диэлектриков и металлов в некоторых растворителях примерно в пять раз. Это позволяет отказаться от полимерного резиста, так как слои материалов сами ведут себя как неорганические резисты. Ионнолучевые системы литографии обеспечивают разрешение до 10 нм.

микроэлектроники создаются главным образом методом оптической литографии. Создание структур с меньшими размерами является технологической задачей, имеющей как практическое значение, так и представляющей фундаментальный интерес, поскольку создание структур с размерами в области порядка 10 нм образует мост между классическим и квантовым миром. Существует несколько подходов в реализации наноструктур с размерами в несколько десятков нанометров, каждый из которых обладает как достоинствами так и недостатками.

литография - потенциально важна для микро и нанофабрикации материальных структур. В атомной литографии внутренние и внешние нанометровой точностью внешними электромагнитными полями и нанообъект "собирается" из индивидуальных атомов, молекул, биологических клеток и т.п.

Поскольку этот метод использует нейтральные атомы, то он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами.

фундаментальный предел пространственного - разрешения, накладываемый дифракцией, поскольку атомы имеют относительно большие массы и, соответственно, малые де-Бройлевские длины волн.

Кроме того, поскольку используются нейтральные атомы, то манипулирование атомами может быть реализовано параллельно, что позволяет одновременную обработку относительно больших поверхностей.

А. Атомная наноперьевая нанолитография произвольных структур на поверхности, в точности аналогичный написанию на бумаге чернильной линии с помощью перьевой ручки.

Чтобы сделать такие линии в наномасштабе, необходимо создать наноручку. Первые наноручки в качестве пера использовали зонды атомного силового микроскопа. В таком методе нанолитографии резервуар чернил-атомов хранится на кончике сканирующего зонда, который передвигается по поверхности, оставляя за собой линии атомных размеров.

представляет собой нанометровое отверстие в экране на который падает атомный пучок. Число отверстий может быть очень большим (~107), что позволяет осуществлять параллельную нанофабрикацию продемонстрирована возможность создания наноструктур из атомов О. lit н /;/ с помощью атомного нанопера. Ширина образованных наноструктур на полувысоте составляет 50 нм.

Б. Атомная камера-обскура с нанометровым разрешением.

В лаборатории впервые экспериментально реализован иной подход к проблеме фокусировки и построения изображения в атомной оптике, основанный на идее «камеры-обскуры», используемой как в световой оптике так и в современной экспериментальной физике в тех случаях, когда создание фокусирующего потенциала затруднительно Формирующий изображение свет проходит через малое отверстие. Для получения достаточно четкого изображения апертура такой камеры должна быть отверстием малого диаметра. В атомной «камереобскура» пучок атомов пропускается через металлическую маску, формируя таким образом «светящийся объект» заданной геометрии (рисунок 5.3). Атомы, прошедшие через маску, поступают на трековую мембрану, содержащую большое количество (3« отверстий с диаметром 50 нм. Каждое из отверстий является «камерой-обскурой», формирующей своё индивидуальное изображение «объекта» на поверхности подложки, размещённой на расстоянии 5 мкм, В результате, на подложке формируется массив идентичных наноструктур.

Рисунок 5.3 - В атомной «камере-обскура» пучок атомов пропускается через маску, формируя таким образом «светящийся объект» заданной геометрии. Каждое из отверстий мембраны является «камерой-обскурой», формирующей изображение «объекта» па поверхности подложки.

5.6 Диоды на основе углеродных нанотрубок Если углеродный шестиугольник заменить на пятиугольник или семиугольник, то нанотрубка изогнется. При этом изменяется ориентация шестичленных колец по отношению к оси нанотрубки, а значит меняется положение уровня Ферми, ширина запрещенной зоны и проводящие свойства. При замене шестичленного кольца на пяти - и семичленное приводит к изменению потенциального барьера для электронов проводимости.

Слева относительно изгиба нанотрубка будет металлической, а справа - полупроводниковой. Таким образом, изогнутая нанотрубка представляет собой гетеропереход металл-полупроводник. Теперь, если рассмотреть левый и правый отрезок нанотрубки изолированно с разных сторон относительно ее изгиба, то электроны на уровне Ферми обладают разной энергией. При объединении отрезков выигрыш в потенциального барьера. Электрический ток будет течь только в том случае, если электроны переходят из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей энергией.

В результате ток потечет только в одном направлении. Эта искревления нанотрубки при замене шестичленного кольца на пяти и семичленное (а) и изменение потенциального барьера для электронов проводимости (б).

5.7 Полевой транзистор на основе углеродных нанотрубок Полевые транзисторы - устройства, позволяющие регулировать перенос заряда с помощью управляющего электрического поля, что используется для усиления сигнала, в переключателях и.т.д. В транзисторах на полупроводниковой УНТ электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. На основе полупроводниковой или металлической нанотрубки удалось сделать полевые транзисторы, работающие при комнатной (в первом случае) и сверхнизкой (во втором) температуре.

Полевые транзисторы (триоды) - электронные устройства, на перенос (управляющее) электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т.п. На рисунке 5. представлена схема полевого транзистора на полупроводниковой подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой (а); и зависимость проводимости в цепи от потенциала затвора (б).

В наноустройстве (транзисторе) нанотрубка помещается на два тонких платиновых (Pt) электрода, на которые подается основное напряжение для прохождения тока. В качестве третьего управляющего электрода (затвора) используется слой кремния Si02/ Si (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Схема полевого транзистора на В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от зоны проводимости энергетической щелью, поэтому в проводимости мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением.

При подаче на третьи электрод электрического поля U в области энергетическое распределение в зонах, и края зон смещаются относительно поверхности Ферми. При этом концентрация дырок в валентной зоне и электропроводность возрастает. Для потенциала затвора около U= -6В концентрация дырок достигает максимума, сопротивление минимума и нанотрубка становится металлической.

переключающее устройство, способное соединять или разъединять электрические цепи за счет управления движением одного электрона.

наноматровой) изолирующей перегородкой, через которое могут происходить туннельные переходы электронов. Структуры на основе эффекта одноэлектронного туннелирования (кулоновской блокады) является перспективным для создания широкого спектра твердотельных приборов, в том числе интегральных схем нового поколения сверхвысокой степени интеграции.

Пока напряжение между управляющим электродом и истоком остается меньше некоторого порогового значения, электрон остается изолированным, однако при дальнейшем повышении напряжения (выше порогового) «кулоновская блокада» электрона прорывается, в результате чего устройство в целом срабатывает подобно обычному транзистору.

Рисунок 5.6 - Схематическое изображение одноэлектронного Кулоновская блокада - блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включенную между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создает электрон, закрепившийся на точке. Кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на нее.

Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.

. Глава VI Технология производства наносистем основана на пленарной технологии - совокупность технологических операций, используемая при изготовлении пленарных (плоских, поверхностных) полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Особенность планарной технологии состоит в том, чтобы восстанавливается плоская (планарная) форма поверхности пластины, что позволяет создавать достаточно сложную структуру, используя конечный набор технологических операций.

На вход технологии производства ИМ поступают пластины, кристаллическая структура (вплоть до межатомных расстояний в подложках для современных процессоров) и кристаллографическая ориентация строго контролируются. В ходе технологического процесса в приповерхностном слое полупроводникового материала, являющегося подложкой или нанесённого на подложку, создают определяемой в конечном счёте различной концентрацией донорных и акцепторных примесей, а также материалом слоя. Поверх слоя полупроводникового материала, с использованием в нужных местах прослоек диэлектрического материала, наносятся слои проводящего полупроводника и диэлектрика в совокупности образуют структуру полупроводникового прибора или интегральной микросхемы.

одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых приборов или существенно снизить их стоимость Также в случае изготовления на одной пластине идентичных приборов параметры всех приборов оказываются близкими. Ограничителем является только площадь подложки, поэтому диаметр подложек по мере развития технологий производства подложек стремятся увеличивать.

Для контроля качества выполнения промежуточных операций на подложке, как правило, выделяют несколько малых областей (обычно технологического процесса формируются тестовые проводящие дорожки и элементарные приборы (конденсаторы, диоды, транзисторы и т.п.). В этих же областях формируют контактные площадки относительно большой площади для тестирования годности пластин перед скрабированием (разделением на отдельные приборы). Для совмещения изображений при фотолитографии также в специально выделенной области формируются знаки совмещения, подобные тем, какие можно встретить на многоцветной печатной продукции.

6.2 Основные технологические операции планарной технологии фотолитографии.

Технологическая цепочка состоит из серии циклов, включающих в себя следующие основные операции :

подготовка подложки: применяется механическая и химическая механических дефектов (выполняется 1 раз, при поступлении подложки в техпроцесс);

формирование на поверхности подложки слоя необходимого материала с заданной структурой: эпитаксиальное наращивание.

осаждение диэлектрических или металлических плёнок;

создание на поверхности подложки защитного слоя: в случае кремниевых подложек для этого используется окисление поверхности, в случае других подложек может использовать эпитаксиальное наращивание слоя диоксида или нитрида кремния либо другого материала с низким коэффициентом диффузии легирующих примесей Толщина слоя подбирается так, чтобы за время, необходимое для создания легированной области необходимой конфигурации в подложке, легирующий элемент не достиг подложки сквозь защитный слой;

нанесение слоя фоторезиста, обладающего устойчивостью к используемым травителям;

экспонирование рисунка окон на слой фоторезиста;

стравливание исключительно засвеченных (либо незасвеченных - зависит от фоторезиста) участков слоя фоторезиста;

стравливание защитного слоя с подложки на участках, не закрытых фоторезистом;

удаление остатков слоя фоторезиста;

внедрение легирующих примесей нередко проводят в двухстадийном процессе, разделяя фазы загонки примеси в приповерхностную область и разгонки загнанной примеси по требуемому объёму; загонка производится путём локальной диффузии или ионной имплантации легирующих примесей через окна в защитном слое в поверхность подложки;

плазменное или химическое травление поверхности подложки для удаления излишков слоя ранее осаждённого материала.

полупроводниковых приборов, следующие:

- формирование областей р-типа (локальное внедрение примесей) - формирование областей n-типа (локальное внедрение примесей) - формирование проводящих дорожек и контактных площадок (удаление излишков слоя металла) Порядок циклов определяется зависимостями коэффициентов диффузии примесей от температуры. Стараются сначала производить загонку и разгонку примесей менее подвижных, и для сокращения времени процесса использовать более высокие температуры. Затем при меньших температурах загоняют и разгоняют более подвижные примеси. Это связано с быстрым (экспоненциальным) падением коэффициента диффузии при понижении температуры. К примеру, в кремнии сначала при температуре до ~950С создают области р-типа легированные бором и только потом при температуре менее ~750С создают области n-типа, легированные фосфором.

По завершении операций по формированию приборов на пластине производится разделение пластины на малые кристаллы, содержащие единственный готовый прибор.

Изначально разделение пластины на отдельные кристаллы велось путём процарапывания её на глубину 2/3 от толщины пластины алмазным резцом с последующим раскалыванием по процарапанной линии. Этот принцип разделения дал название всей операции разделения пластин на кристаллы: «скрабирование» (или скрайбирование от англ. Scribe - царапать).

В настоящее время скрабирование может выполняться как с прорезанием на полную толщину пластины с образованием отдельных ристаллов, так и на часть толщины пластины с последующим раскалыванием на кристаллы.

6.3 Самоорганизация квантово-размерных структур Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства.

При ионном синтезе дисилицида кобальта (CoSi2) удалось формировать квантово-размерные структуры - квантовые точки и квантовые проволоки.

смысле, как самопроизвольное возникновение макроскопического порядка в первоначально однородной системе. Среди спонтанноупорядоченных наноструктур, можно выделить четыре большие класса, представленных на графике 1, приведенном ниже. Это:

эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников;

- периодически фасетированные поверхности;

островков монослойной высоты);

- упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах.

Хотя причина неустойчивости однородного состояния различна для каждого класса наноструктур, причина упорядочения в неоднородном состоянии общая для всех классов наноструктур. Во всех этих системах соседние домены различаются постоянной кристаллической решетки и (или) структурой поверхности, и, следовательно, доменные границы являются источниками дальнодействующих полей упругих напряжений.

Рисунок 6.1 - Различные классы спонтанно возникающих а - структуры с модуляцией состава твердого раствора;

б - периодически фасетированные поверхности;

в - периодические структуры плоских упругих доменов;

г - упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков (2) на подложке (1).

Это позволяет использовать единый подход ко всем четырем классам упорядоченных наноструктур и рассматривать их как равновесные структуры упругих доменов, соответствующие минимуму свободной энергии.

использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах.

Таким образом, были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам (~ 10 %). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, исследованы электронный спектр квантовых точек, и получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, гетеролазеры на квантовых точках.

Самоорганизация - это процесс, приводящий к определенному упорядоченному расположению взаимодействующих атомов в твердом теле, соответствующему минимуму потенциальной энергии данной атомной системы.

Спонтанная самоорганизация в объеме и на поверхности твердого тела является эффективным нанотехнологическим средством создания квантовых шнуров и квантовых точек. Из числа таких процессов наиболее значимым и часто используемым является процесс спонтанной кристаллизации. Кристаллическое состояние вещества более устойчиво, чем аморфное, поэтому любая аморфная фаза имеет тенденцию к кристаллизации.

Одним из типов самоупорядочения является образование полупроводниковых островков при гетероэпитаксии. Он заключается в осаждении одного материала, образующего островок на подложке, состоящего из другого материала с близкой структурой и значениями параметров решетки. При этом возможны три варианта формирования поверхностных структур. Это - послойный (двухмерный) рост сплошной пленки в режиме, называемой модой Франка-Ван-дерМерве, образование и рост островков (трехмерный рост) - мода Волмера-Вебера) и комбинированный режим - мода СтранскогоКрастанова, когда пленка сначала растет послойно, а затем рассогласованием параметров решеток подложки и наносимого материала, а также соотношением между поверхностной энергией границы раздела этих материалов.

1. Механизм Франка-Ван дер Мерее.

двухмерный рост (рисунок 6.2 а).

2. Механизм Фольмера-Вебера.

Осаждаемый материиал не смачивает подложку (это материалы, различные по свойствам, или с большим различием постоянных решеток). Происходит островковый (трехмерный) рост. Материал В стягивается в наноостровки на поверхности подложки А (рисунок 6. 2 б).

3. Механизм Странского-Крастанова (рисунок 6.1 в) рассогласование постоянных решеток (порядка нескольких процентов). Именно этот механизм роста используется для получения массивов квантовых точек, например квантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласование решеток 7%) или квантовых точек начальном этапе идет послойный рост материала В на подложке А с образованием смачивающего слоя, а затем происходит переход к формированию трехмерных островков из материала В на покрытой продолжается в объеме островка, но из-за различия постоянных решетки материалов А и В островок становится напряженным (используется термин «когерентно напряженный»).

Рисунок 6.2 - Схемы трех типов начальной стадии гетероэиитаксиального роста. Материал В осаждается на Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется слой 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 атомы частично освобождаются. Происходит перераспределение материала и образуются трехмерные островки (рисунок 6.2 в). Когда образуется островок, решетка InAs частично распрямляется и получается выигрыш в энергии. Образование трехмерных островкоБ начинается после осаждения (1,6-1,7) слоев InAs.

После осаждения четырех монослоев получается плотный массив островков правильной формы. Если на островки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые точки InAs (узкозонный полупроводник) в матрице GaAs (широкозонный).

6.4 Самоорганизованные квантовые точки в системе Si-Ge Развитие новых направлений электроники, в частности, наноэлектроники, где реализуются принципиально новые приборные структуры, сдерживается в настоящее время, не отсутствием новых идей, а совершенно недостаточными возможностями технологической реализации отдельных элементов и устройств в целом.

Современные национальные программы выхода на проектные нормы по элементам ИС 0.1 мкм /103/ базируются главным образом на процессах, хотя совершенно очевидно, что достижение таких соответственно, очень дорогого) оборудования, использования новых материалов и технологических сред. Для такого оборудования существенным становится и снижение производительности процессов.

Достаточно упомянуть, что практически единственная в настоящее время технология, позволяющая создавать квантово-размерные элементы, молекулярно-лучевая эпитаксия, обладает всеми выше перечисленными недостатками, является достаточно уникальной и мало распространена даже в наиболее богатых и развитых странах мира (США, Япония).

Глобальная тенденция уменьшения размеров элементов ИС сочетается в то же время с другими отчетливо наблюдаемыми особенностями развития:

используются пластины диаметром 300 мм;

- планарная (т. е. «двумерная») технология постепенно становится становящиеся в некоторых странах предметом национальных металлизации (США);

- все более актуальной становится программа создания и например, на кремниевой основе, материалов (проводники, диэлектрики), но и других полупроводников, например Si-Ge структур.

заставляют обращать внимание на опыт и идеи, накопленные в ходе разработки других физико-технологических направлений, к которым относится ионный синтез, т.е. создание гетероструктур при внедрении в подложку, например кремниевую пластину, ионов другого вещества, что может приводить к образованию химического соединения.

Типичными примерами таких соединений кремния могут служить силициды, оксиды и нитриды кремния, и, наконец, карбид кремния.

Особенности процесса ионного синтеза:

температура, средние плотности ионного тока) приводит к миграции атомов азота и накоплению пузырей;

столообразного профиля распределения новой фазы с резкими границами необходимы тепловые обработки после имплантации при температурах вблизи точки плавления кремния;

структурные дефекты и поля упругих напряжений требуют пристального внимания и специальных усилий для преодоления связанных с этим проблем.

Ионный синтез слоев переходных металлов (Ni, Cr, Со, Mn, ТІ, Pt, Pd, Mo, W) разработан и исследован в различных вариантах технической реализации, включая прямую имплантацию ионов металла в кремниевую подложку, вбивание атомов металла из нанесенной на поверхность Si-пластин металлической пленки путем облучения ее ионами либо нейтрального по электрической активности легированный слой под пленкой формирующего силицида - метод вбивания - «knock on implantation».

Все квантовые объекты являются гетерофазными, т. е., как правило, имеют разные параметры решетки. Это в свою очередь приводит к возникновению деформаций сопряжения. С ними связанные напряжения меняют полную энергию системы. Кроме того, разность параметров решетки влияет на адсорбционные свойства, уже варьирующиеся из-за различных химических потенциалов. Это может приводить к различным явлениям неустойчивости и самоорганизации при выращивании таких объектов.

В наиболее общем виде термин «самоорганизация» понимается пространственных и/или временных компонентов симметрии, включая трансляционные.

возникновения упорядоченных наноструктур принято различать две принципиальные возможности. Во-первых, упорядоченные наноструктуры могут возникать в замкнутых системах, например, при отжиге образцов или при длительном прерывании роста. Такие структуры являются равновесными, и для их описания используется термодинамический подход. Во-вторых, упорядоченные структуры могут возникать в открытых системах в процессе роста кристалла. Эти структуры не являются равновесными, и для их описания применяется кинетическое рассмотрение.

В течение долгого времени во всем мире предпринимались попытки изготовления квантовых точек и приборов на их основе травления структур с квантовыми ямами, роста на профилированных подложках, на сколах, или конденсации в стеклянных матрицах. При этом приборно-ориентированные структуры так и не были созданы, а принципиальная возможность реализации атомоподобного спектра плотности состояний в макроскопической полупроводниковой структуре не была продемонстрирована в явном виде.

использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах.

Таким образом, были реализованы идеальные гетероструктуры с квантовыми точками с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам (~ 10 %). В полученных структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных квантовых точек в течение многих лет, исследованы электронный спектр квантовых точек, эффекты, рекомбинацией неравновесных носителей, и т. д. и получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, инжекционные, гетеролазеры на квантовых точках.

настоящее время получают главным образом с помощью молекуляролучевой эпитаксии (МЛЭ). Наибольшие успехи были получены при создании квантово-размерных систем на полупроводниках AUBV и на твердых растворах Si-Ge. При выращивании систем Si-Ge возможно формирование островков различной формы. При изменённом режиме роста при молекуляро-лучевой эпитаксии молекуляро-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на поверхности Si(lll) образуются квантовые проволоки (рисунок 6.3). Разориентация составляла 0,5°. Проволоки вытянуты вдоль [112] и период 110нм вдоль[110]. Они образуются в результате слияния квантовых точек,