Курсовая работа (т): Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для получения наноразмерных структур БГУИР Кр 1-41 01 04 010 Пз

Выращивание системы Ge-GaAs проводилось в температурном интервале 350 - 550 оС, причём большая часть плёнок была получена при температуре 400 оС, обеспечивающей лучшее качество эпитаксии при малой взаимодиффузииGe и GaAs. Нелегированные плёнки Ge, выращиваемые на GaAs, имели проводимость n-типа с концентрацией носителей 3*1018 см-3. Высокая концентрация доноров в германии объясняется проникновением атомов As из подложки, на что указывало наблюдение соединения GeAsx на поверхности германия, особенно учитывая тот факт, что поверхностные слои GaAs обогащены As в силу особенностей роста при МЛЭ. Концентрацию носителей в Ge можно снизить до 3*1017 см-3, уменьшив парциальное давление As в ходе роста Ge до 10-9 мм.рт. ст. и уменьшив температуру роста до 350 оС.

Рассогласование решёток в структуре Ge-GaAs очень мало и составляет 0,07%. Также после прогрева этой структуры при 400 оС в течение 4 часов приводит к взаимодиффузии на расстояние ~10Å.

При росте германия на (100) GaAs поверхность является гладкой, а при росте GaAs на (100) Ge она шероховата в атомном масштабе, но может быть сглажена путём выращивания слоя Ge толщиной 3 - 5 Å. Поэтому величину шероховатостей поверхности GaAs на германии можно оценить в 3 - 5 Å. Аналогичная морфология роста наблюдалась и на поверхности (111). Иная морфология имела место при росте с ориентацией (110): наблюдалась гладкая поверхность в обоих вариантах роста.

Выращивание GaP на подложках Si методом МЛЭ производилось притемпературах 580 - 650 оС, причём в качестве источника фосфора использовался либо элементарныйP, либо GaP. Подложки Si имели ориентацию (100), (110), (111) или (211). Было установлено, что заметное влияние на рост плёнок GaP оказывает обработка поверхности кремния. В некоторых случаях остатки оксида Si на поверхности подложки приводили к росту поликристаллического GaP. При использовании для очистки подложки ионной бомбардировки с последующим отжигом был выращен при 580 оС эпитаксиальный GaP, обладающий достаточно высоким кристаллическим совершенством. Однако при росте наблюдалось автолегирование кремнием из подложки и при 650 оСуровень легирования достигал ~2*1018 см-3.Изучение ориентационных зависимостей показало, что при определённых условиях ориентация (211) Si более благоприятна для роста, чем остальные. Рассогласование решёток в даннойгетеропаре составляет 0,4%.

.7 Создание нанонитей с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии

На GaAs (111)-подложке можно вырастить «лес» GaAs-нанонитей (НН) с участием Au-наночастиц (НЧ) в качестве катализатора по механизму пар-жидкость-кристалл (рисунок 2.9 [2]):

Рисунок 2.9 - Механизм выращивания GaAs-нанонитей с участием Au-наночастиц в качестве катализатора.

Основные этапы роста таковы: 1) Подложка термически очищается от окисла; 2) Выращивается 100 нмGaAs-буферный слой; 3) При сверхвысоком вакууме структура переносится в другую камеру для напыления Au; 4) Напыляется 1 нмAu при комнатной температуре; 5) Структура возвращается обратно в МЛЭ-объем; 6) Структура отжигается 5 мин при 550 оС под потоком As, чтобы образовались Au-НЧ в виде нанометровых капелек и стабилизировать поверхность; 7) Устанавливается нужная температура подложки и производится рост GaAs со скоростью 0,2 нм/с в течение 20 мин при соотношении потоков As/Ga =2 (это слабый переизбыток As по сравнению с типичным As/Ga =10).

Для изучения выросших GaAs-НН в электронном микроскопе их надо отделить от подложки, не повредив. Для этого достаточно прикоснуться подложки Cu-сеткой, покрытой ячеистой углеродной пленкой (она входит в набор принадлежностей микроскопа). НЧ обладают объёмной кристаллической фазой. Исследования в просвечивающем электронном микроскопе показывают, что это твердые металлические НЧ. В их состав входит не только Au, но и Ga - результат взаимодействия с GaAs-подложкой в ходе отжига.

Если опять нагревать подложку с AuGe-НЧ, то при 400 оС эти НЧ переходят из твёрдой фазы в жидкую.нанонити растут при температуре подложки от 320 оС до 620 оС. При 300 оС наблюдается шероховатый слой GaAs, полностью покрывающий напыленный слой Au. При 320 оС растет густой лес НН средней длины 1 мкм. У НН есть 4 особенности.

) Диаметр НН неоднороден по длине НН. Вероятно, это связано с тем, что температура роста 320 оС меньше температуры затвердевания 340 оС.

) На концах коротких НН видны GaAs-нанокристаллы(НК).

) Некоторые GaAs-НК вытягиваются горизонтально и образуют мостики между соседними НН.

) На концах длинных НН видны Au-капельки диаметром не более 3 нм. Капельки имеют полусферическую форму, что доказывает их жидкое состояние в процессе роста НН. Предполагается, что капельки уменьшаются по мере роста НН. Возможно, AuGa-НЧ могут терять устойчивость, отчего Au уходит с вершин НН, и рост НН прекращается из-за отсутствия катализатора.

В диапазоне температур 370 оС - 420 оС число GaAs-НК на вершинах НН уменьшается. В диапазоне 470 оС - 570 оС вообще нет GaAs-НК, и все НН оканчиваются Au-капельками. Наконец, при температуре 620 оС нет НН, а вся поверхность покрыта Au-капельками. Вокруг них видны вмятины, видимо, процесс вместо осаждения GaAs из капли пошел в обратную сторону- растворение GaAs-подложки в капле.

Для использования всех преимуществ разработанной Si-технологии желательно совместить GaAs-НН с Si-подложкой. Основные этапы роста таковы: 1) Si-подложка очищается в разбавленном (1%) растворе HF (это делается для удаления естественного окисла и для пассивации водородом оборванных связей Si, выступающих с поверхности); 2) Электронно-лучевое нанесение 0,4 нмAu; 3) Перенос в МЛЭ рабочий объем и отжиг 10 мин при 540 оС для образования Au-НЧ, играющих роль катализатора; 4) Рост GaAs около 5 мин при 580 оС и избытке As/Ga = 9 (рисунок 2.10 [2]). При калибровке установки эти параметры давали эпитаксиальный рост GaAs-нанослоев на (100)GaAs-подложке с типичной скоростью 1 мкм/час. 5) После остановки роста НН (прекращения потока Ga) поток As оставляли включенным, пока температура подложки не падала ниже 300 оС.

Рисунок 2.10 - Рост GaAsна Si (111)НН с типичной средней длиной (1 мкм) и диаметром (30 нм) выращивали на (100)GaAs-подложке под углом + 55 град и -55 град относительно направления <100>, т.е. вдоль направления <111> (рисунок 2.11 [2]):

Рисунок 2.11 -ZnTe-нанонити на GaAs-подложке.

НН растут как на окисленных подложках, так и на очищенных от окисла (обычным термическим способом в сверхвысоком вакууме). Кристаллические решетки ZnTe и GaAs сильно рассогласованы (7 %). Это приводит к дислокациям несоответствия при выращивании толстых (порядка 1 мкм) ZnTe-слоев на GaAs-подложках, но не мешает росту ZnTe-НН нанометрового диаметра.

Для получения Au-НЧ катализатора применялось напыление слоя Au толщиной от 0,3 нм до 2 нм при 200 оС в отдельной МЛЭ-системе и последующий отжиг 10 мин при 590 оС. Этот отжиг не только образует Au-НЧ катализатора, но и убирает остатки окисла (если подложка очищалась от окисла).

Рост ZnTe-НН проводился 30 мин при соотношении потоков Zn/Te = 0,6 и температуре чуть выше 350 оС. Эта температура выбрана потому, что Au-Ga-эвтектический сплав, из которого предположительно состоят Au-НЧ катализатора, остается жидким примерно до 350 оС. По мере роста НН всё больше изгибаются и перекручиваются.

Боковая поверхность НН волнообразна. Это может быть связано с диффузией атомов по боковой поверхности между подложкой и Au-каплей на вершине НН и с изменением размера Au-капли при изменении её состава. Есть наблюдение, пока не нашедшее объяснения: тонкие НН растут быстрее толстых.

.8 Создание наночастиц с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии

Нанесение слоев с разными параметрами кристаллических решеток может привести к образованию устойчивых каплевидных островков диаметром 10 - 100 нм - наночастиц (НЧ), называемых квантовыми точками (КТ) из-за их специфического механизма электропроводности. Такие германиевые КТ были получены в гетероструктуреCaF2-Ge-CaF2-Si.

На изображении в атомносиловом микроскопе (АСМ) поверхности этой CaF2 пленки толщиной 10 нм видны атомно - гладкие террасы, разделенные моноатомными ступенями. Видны также следы скольжения дислокаций в виде системы прямых линий. Их плотность невелика (на поле 2 мкм всего десяток линий), поэтому при толщине CaF2 пленки 10 нм релаксация напряжений таким способом только начинается. Для улучшения электроизолирующих свойств CaF2нанометровой пленки проводился ее рост до толщины 2 нм при температуре подложки 520 оС, а затем следовал часовой отжиг при 700 - 750 оС. В результате ее удельное сопротивление возрастало на 3 порядка до величины 109 Ом*см.

Для роста Ge-КТ на этой поверхности температуру подложки понижали до 430 - 490 оС и начинали рост Ge пленки. До толщины 3 нм эта пленка гладкая, что видно по картине ДБЭ, а далее появляются островки. На изображении в атомно-силовом микроскопе поверхности этой Ge-CaF2гетероструктуры всё поле покрыто шариками диаметром около 0,1 мкм.

Аналогичные процессы происходят при выращивании InAs квантовых точек на поверхности GaAs. Островки InAs имеют форму конусов с основанием 15 нм и высотой 5 нм и располагаются вдоль поверхности нижележащего GaAs слоя с поверхностной плотностью 4*1010 см-2. Для получения заранее заданных величин поверхностной плотности, размеров и форм таких КТ предлагается выращивать разнообразные пироги InAlAs-InGaAs. Например, для увеличения высоты конусов InAs-КТ на GaAs можно наносить несколько плоскостей КТ с нанометровымиGaAs прослойками, так что их взаимодействие «вытягивает» конусы InAs-КТ вверх. Замена материала прослойки с GaAs на InGaAs может увеличить средний объем КТ, а если при этом заменить материал КТ с InAs на InAlAs, то может увеличиться поверхностная плотность КТ.

. Устройства, созданные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и их применение

Использование структур со сверхрешётками, квантовыми ямами, квантовыми точками позволяет создавать уникальные проборы микро-, нано- и оптоэлектроники, принцип действия которых основан на волновой природе электрона. Это, в первую очередь, полупроводниковые лазеры и чувствительные фотодетекторы с квантовыми ямами, сверхрешётками и квантовыми точками в активной области, транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале, нанотранзисторы, туннельно-резонансные диоды, одноэлектронные приборы и т.п.

В настоящее время дополнительный импульс как исследовательским, так и технологическим работам по МЛЭ придают идеи и перспективы создания элементной базы для квантовых компьютеров.

МЛЭ в коммерческих целях используется в основном для создания GaAs. Для устройств на основе GaAs требуется высокая скорость в СВЧ диапазоне и поэтому требуется очень хорошее качество эпитаксиальных слоев. С этой целью очень хорошо справляется процесс МЛЭ.

Так же с помощью МЛЭ выращивают слои GaAs на кремниевых подложках. Они получаются на больших пластинах, имеют лучшуютеплопроводимость и обходятся более дешево. Не смотря на проблемы такого выращивания (довольно большое рассогласование постоянных решеток, что приводит к образованию дислокаций), на их основе было сделано много транзисторов, лазеров и светодиодов.

Сверхрешётки из элементов IIIи Vгрупп применяются в светодиодах и лазерах (так же с излучением спектра синего цвета). Так же из этих структур изготавливают инфракрасные датчики, требующие очень малой ширины запрещенной зоны.

На основе соединений типа AIIIBV выпускают полупроводниковые индикаторы и приборы двух категорий: светодиодные индикаторы (LED) и микроволновые интегральные схемы.

Светодиоды изготавливают из монокристаллического GaAs, в котором р-n переходы формируются путем добавления соответствующих легирующих примесей. Обычно это теллур, цинк или кремний. Эпитаксиальные слои трехкомпонентных и четырехкомпонентных материалов типа AIIIBV, таких как фосфид арсенид галлия (GaAsP), наращиваются на подложку. Они дают полосу излучения волн определенной длины в видимом спектре для индикаторов или в инфракрасном спектре для источников излучения или датчиков.Диоды, излучающие зеленый свет, как правило, изготавливаются из фосфида галлия (GaP).

Были попытки вырастить сплавы из магнитных материалов Co-Pt и Fe-Pt для улучшения магнитного хранения данных.

Структуры кремний на сапфире (КНС) до сих пор составляют основу радиационно-стойких, быстродействующих интегральных схем. Кроме того, такие структуры могут быть использованы в оптоэлектронике. В связи с необходимостью совершенствования известных и создания новых, все более сложных, интегральных схем ужесточаются требования к слоям кремния на сапфире по однородности электрофизических характеристик, уровню автолегирования и концентрации донорных примесей, уменьшению влияния переходного слоя на границе кремний-сапфир.Метод МЛЭ наиболее приемлем для гетероэпитаксии КНС-структур, поскольку температуру роста в нем можно снизить до 650°С с сохранением высокого структурного совершенства слоев и качества поверхности.

Рисунок 3.1 - Приборы на основе слоёв КНС [6].

Оптические свойства полупроводниковых светоизлучающих приборов с активной областью на основе гетероструктур с квантовыми точками определяются, в том числе, средним латеральным размером, формой, однородностью по размерам, степенью пространственной упорядоченности и поверхностной плотностью островков. Необходимость управления геометрическими параметрами ансамблей квантовых точек за счет изменения технологически контролируемых условий их выращивания стимулирует развитие теоретических и экспериментальных исследований кинетики формирования когерентных островков.

В ряде работ обсуждался вопрос о возможности получения излучения терагерцового диапазона за счет переходов электронов с верхних расщепленных уровней квантовой молекулы (две квантовые точки, связанные друг с другом за счет туннельных эффектов) на нижние. Таким образом, квантовые молекулы могут рассматриваться в качестве излучателей терагерцового излучения.Существует возможность создания перестраиваемого под ближний и средний ИК диапазон фотодетектора с Ge квантовыми точками.

Пленки нитридов AlN, GaN, InN перспективны как барьерные слои туннельных гетероструктур благодаря своей большой ширине запрещенной зоны, а также для акустооптических гетероструктур.

Одним из основных применений структур на основе нитридов металлов третьей группы является изготовления мощных полевых СВЧ-транзисторов. Разработанные нитридные гетероструктуры для СВЧ-микроэлектроники демонстрируют полное отсутствие эффекта коллапса (падение мощности в СВЧ-режиме по сравнению со статическими характеристиками), что характерно для нитридных транзисторов. На созданных гетероструктурах были изготовлены транзисторы с удельной мощностью 3,8 Вт/мм при 10 ГГц, что близко к предельным значениям для структур, выращенных на сапфире. Достижение указанных результатов в значительной степени обусловлено возможностями ростового оборудования. Возможность проведения процесса при ~1200оС позволяет растить гетероструктуры с переходного слоя AlN, имеющего высокое кристаллическое совершенство. Выращенный на таком слое объемный нитрид галлия демонстрирует рекордные значения подвижности свободных носителей.

ИК фотоприёмники на основе КРТ различного состава обеспечивают регистрацию ИК-излучения в широком диапазоне длин волн (1-20 мкм и более). Тепловизионная техника, основанная на применении фотоприемников ИК диапазона длин волн 3 - 12 мкм, требуется для применения как в военной технике для систем ночного видения, обнаружения и наведения, так и в народном хозяйстве для медицины, сельского хозяйства, химической, металлургической, топливодобывающей промышленностей.

Рисунок 3.2 - Поперечное сечение типичного КРТ фоторезистора.

В настоящее время проводится множество исследования светодиодов, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне, с использованием нитрида галлия и сплава GaAlN. К областям использования AlN можно отнести: оптоэлектронику; диэлектрические слои в оптических носителях; высокотеплопроводные подложки; изготовление тиглей для роста арсенида галлия; датчики поверхностно-акустических волн.