Нанотехнологии на основе полупроводниковых материалов

Рис.2.4. Взаимодействие квантовой частицы с полной энергией Е со ступенчатым барьером конечной высоты U0, с бесконечно высоким потенциальным барьером высотой U0 и шириной d Если потенциальный барьер имеет прямоугольную форму, как это показано на рис.2.4, то вероятность проникновения микрочастицы массой m с энергией Е сквозь потенциальный барьер шириной d можно выразить простой формулой: D =D0 exp(-), (2.3) где D – коэффициент прозрачности потенциального барьера, равный отношению числа удачных попыток частицы проникнуть за барьер ∆N к общему числу таких попыток N (), величина () – носит название «дефицит» энергии частицы внутри барьера, - постоянный множитель, по величине близкий к единице. Из формулы (2.3) следует, что вероятность туннелирования уменьшается с увеличением массы частицы, ширины потенциального барьера и «дефицита» энергии. Например, коэффициент потенциального барьера толщиной d = 0,1 нм при ()=1эВ для электрона () равен Если при тех же условиях ширина барьера d = 0,4 нм, то . Следует помнить, что для многих полупроводников эффективная масса << и коэффициент прозрачности становится заметным даже при ширине барьера несколько нм. Туннельный эффект может происходить в двух- или многобарьерной периодической структуре (рис.2.5). Если энергия частицы совпадает с каким-либо размерным уровнем энергии в потенциальной яме, разделяющей барьеры, то вероятность прохождения частицы сквозь барьеры резко увеличивается. Такое явление называется резонансным туннелированием. Резонансное туннелирование сквозь ряд барьеров возникает только в случае, если ширина ям и барьеров имеет порядок длины волны де Бройля. В этом эффекте время прохождения электроном структуры включает, помимо времен туннелирования, время пребывания электрона в яме, разделяющей барьеры, т.е. время его жизни на резонансном уровне. Например, согласно оценке, для двойной гетероструктуры (рис.2.5), состоящей из слоёв (5 нм) -(7нм) -(5 нм) при высоте барьеров 0,2 эВ, время туннелирования ~8∙10-12с, т.е. такая структура может работать на частотах терагерцевого диапазона. На основе двухбарьерной структуры созданы резонансно-туннельные диоды и транзисторы. Разработаны и находят применение многобарьерные структуры, которые называются сверхрешетками. 2.6. Перспективные полупроводниковые материалы и структуры для наноэлектроники 2.6.1. Требования, предъявляемые к полупроводниковым материалам Полупроводниковыми свойствами обладает широкий класс веществ. К ним принадлежат элементарные полупроводники SI и Gе, полупроводниковые соединения. А3В5 (GaAs, InAs, Ga и т.д.), А2В6 (CdTe, ZnSe), А2В4С52 (ZnSiP2 ), а также тройные, четверные (и более сложные) твёрдые растворы на основе соединений А3В5 (AlGaAs, InGaAsP и т.д. ). Несмотря на обилие полупроводниковых материалов, практически в массовом производстве изделий опто- и микроэлектроники используется лишь малая часть веществ с полупроводниковыми свойствами (в основном, Si, GaAs, AlGaAs, GaAsP ). Это объясняется тем, что далеко не все полупроводниковые материалы удовлетворяют высоким требованиям, предъявляемым им технологической практикой и рынком электронной продукции. Полупроводниковые материалы, пригодные для экономически оправданного массового производства высоконадёжных приборов, должны: иметь высокую химическую стойкость и стабильность свойств в широком диапазоне температур и изменений окружающей среды; обладать хорошей обрабатываемостью механическими, химическими и другими методами, используемыми в полупроводниковой технологии; давать возможность получать на их основе достаточно совершенные и чистые монокристаллические слитки и плёнки; допускать формирование локальных областей р- и n-типа (иметь возмож- ность легирования); иметь необходимую ширину запрещенной зоны и высокую подвижность носителей заряда; опираться на достаточно ёмкую сырьевую базу; иметь приемлемую стоимость, быть конкурентно способными на рынке. Следует добавить, что в полупроводниковой технологии и, особенно, в нанотехнологии часто применяются компоненты полупроводниковых материалов (As, P, Zn, Ga, Al и т.д.). В этой связи, к ним предъявляются особые требования по отношению к их чистоте. Как правило, используются особо чистые вещества, содержащие ничтожное количество примесных атомов. 2.6.2. Основные технологические этапы изготовления полупроводниковых материалов и структур на их основе В настоящее время практически все электронные устройства бытового, военного, промышленного и научного назначения работают на интегральных микросхемах (ИМС) , выполняющих множество функций. Современная технология ИМС хорошо разработана, что позволило перейти к изготовлению БИС и ГИС, и таким путём увеличить производительность и уменьшить себестоимость продукции. Очевидно, что полупроводниковая наноэлектроника, наследуя всё лучшее из технологии ИМС, также пойдёт по пути интеграции элементов и приборов, работающих на квантовых эффектах. Интегральная микро (нано) схема – это конечный продукт, для получения которого требуются основные технологические этапы полупроводникового производства. Основными технологическими этапами изготовления полупроводниковых материалов и стурктур на их основе являются: • получение чистого полупроводникового сырья; • выращивание из него совершенных монокристаллических слитков с за- данными электрофизическими свойствами; • изготовление из слитков полупроводниковых пластин; • получение на основе пластин (подложек) базовых полупроводниковых структур; • формирование в базовых структурах элементов и приборов, составляю- щих микро (нано) схемы; • изготовление чипов в виде отдельных законченных изделий. Далее кратко остановимся на технологических этапах, выделяя прежде всего те задачи, которые должны быть решены по завершению определённого этапа технологического производства. Выше мы отмечали, что к полупроводниковым материалам предъявляются жесткие требования. Этим требованиям удовлетворяют кремний, арсенид галлия и ещё ряд материалов. Однако ИМС изготавливают, в основном, на кремнии. Поэтому кремний называют базовым материалом полупроводниковой технологии. Однако ширина запрещенной зоны у Si небольшая (~1,1 эВ) и подвижность носителей заряда низкая, что не позволяет использовать Si в СВЧ приборах или для нужд оптоэлектроники. Подходящими для этих целей являются GaAs, InP и другие соединения элементов Ш и У групп таблицы Менделеева. Однако, получение монокристаллических слитков таких материалов значительно сложнее, а, в ряде случаев, просто невозможно (например, AlGaAs, CdHgTe). Получение чистого полупроводникового сырья рассмотрим на примере кремния. В массовом производстве кремний получают восстановлением песка (SiO2) в смеси с коксом (С) при высоких температурах. Полученный таким образом кремний называется металлургическим. Его чистота низкая и определяется, в основном, чистотой исходного кремниевого песка. Далее производится глубокая химическая очистка кремния путём превращения его в летучее соединение с последующим выделением кремния. Выделенный кремний имеет очень высокую чистоту, однако его нельзя использовать для изготовления ИМС, так как он является поликристаллическим. Следующий этап – выращивание монокристаллических слитков с заданным типом и уровнем легирования. Это реализуется в специальных установках, работающих по методу Чохральского (метод вытягивания слитка из расплава в тигле с использованием монокристаллической затравки). В процессе выращивания из расплава происходит дополнительная (кристаллизационная) очистка материала от многих примесей (коэффициент распределения для ряда примесей много меньше единицы). Однако материал тигля (кварц, графит и т.д.) вносит в растущий кристалл свои примеси. Поэтому был разработан метод перекристаллизации кремния без использования тигля (бестигельная зонная плавка). Выращенный этим методом кремний обладает самой высокой чистотой и кристаллическим совершенством (бездефектный кремний). При необходимости слитки кремния в процессе выращивания легируются с целью получения n- или p-типа проводимости. Монокристаллические слитки кремния обычно имеют цилиндрическую форму. Их диаметр может достигать 30 см, а высота – более 1 м. Далее монокристаллические слитки разрезают на пластины тощиной 0,6–1,5 мм (в зависимости от диаметра), затем шлифуют до 14-го класса чистоты (зеркальная поверхность). Непосредственно перед использованием пластины обрабатывают в химических травителях. Для изготовления ИМС используется планарная технология. Суть её в том, что все активные элементы микросхемы выполняются воздействием на полупроводниковую пластину с поверхности. При этом формирование n- и p-областей применяют ионное легирование, загоняя примесь в кристаллическую решётку. Любые примесные атомы нарушают структуру кристалла, что снижает процент выхода готовой продукции. Процент выхода удалось значительно повысить путём формирования активных элементов в тонком эпитаксиальном слое, выращенном на подложке. Такие «сэндвичи» называются базовыми полупроводниковыми структурами. Самый сложный и ответственный этап – формирование активных элементов (p-n переходов) в эпитаксиальном слое. Этот этап включает несколько технологических операций, основными из которых являются: • получение диэлектрического слоя SiO2 на кремнии путём окисления кремния в кислородосодержащей среде при высокой температуре; • литографическая обработка поверхности с целью получения заданного рисунка микросхемы; • легирование (диффузия, ионная имплантация) открытых областей с целью получения n- или p-типа; • эпитаксиальное наращивание в окнах нужных материалов; • термическое испарение вещества в вакууме (напыление) с целью получения проводящих каналов. Не трудно видеть, что технология ИМС на основе кремния весьма трудоёмкий и дорогостоящий процесс. Очевидно, что для перехода к наноразмерам потребуется более совершенное и дорогостоящее оборудование и квалифицированный технический персонал. Только при массовом производстве изделия наноэлектроники смогут успешно конкурировать на современном рынке. 2.6.3. Наноразмерные полупроводниковые структуры для современной электроники Выше отмечалось, что потенциальные возможности традиционной микроэлектроники в ближайшие годы, по-видимому, будут исчерпаны. Дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. К числу физических относятся квантово-размерные эффекты, которые реализуются в наноразмерных структурах. Достижения в разработке и изготовлении наноразмерных структур различного назначения в большой степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в процессе изготовления (in situ) и управления на его основе технологическими процессами. Требуемая зонная структура таких наноструктур обеспечивается выбором материалов, из которых изготавливаются отдельные слои структуры («зонная инженерия»), поперечных размеров слоёв (квантовое ограничение и дискретность энергии), изменением степени связи между слоями («инженерия волновых функций»). В настоящее время, наряду с квантово-размерными планарными структурами (квантовые ямы (колодцы) и сверхрешётки на их основе), получены и исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити (проволоки) и квантовые точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах. Ниже мы рассмотрим перспективы применения наноразмерных структур для создания различных полупроводниковых приборов, их зонные энергетические диаграммы, состав, размеры и кратко остановимся на способах формирования наноструктур. Квантовые ямы (колодцы). Этим термином обозначаются системы, в которых имеется размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Первоначально основные исследования квантовых ям проводились на инверсионных каналах кремниевых МОП транзисторов (рис. 2.6), позднее и до настоящего времени широко исследуются свойства квантовых ям в полупроводниковых гетероструктурах. Лучшие результаты получены при использовании двойных гетероструктур (ДГС) в системе GaAs-AlGaAs (рис.2.7а). Благодаря близости параметров решёток в этой системе (см.плакат) на подложке GaAs удаётся сформировать многослойные эпитаксиальные структуры разного состава с совершенными границами раздела. За создание широкого класса гетероструктур на основе твёрдого раствора AlGaAs Ж.И.Алфёрову совместно с Г.Кремером и Дж.Килби (США) в 2000 году была присуждена Нобелевская премия. Для сравнения на рис.2.7. представлены структура (а) и упрощённая энергетическая диаграммы: классического ДГС- лазера (в) и ДГС- лазера сквантовой ямой (). Диаграммы соответствуют прямому смещению на структуре; ^ GaAs – узкозонный полупроводник (∆ 1,8 эВ). При прямом смещении в активный слой GaAs инжектируются электроны из n-AlGaAs и дырки из p-AlGaAs (двойная инжекция), что показано искривлёнными стрелками. Электроны и дырки не могут покинуть активный слой, т.к. он ограничен потенцииальными барьерами, и все процессы рекомбинации идут в активном активном слое. На рис. 2.7. штриховкой показаны энергетические области, занятые инжектированными зарядами. При рекомбинации испускается квант электромагнитной волны с энергией . Показатель преломления у GaAs больше, чем у AlGaAs (см.рис. 2.7б). Поэтому свет идёт по активному слою, как по волноводу, за счёт эффекта полного внутреннего отражения. Если активный слой GaAs представляет собой квантовую яму (см.рис.2.7г), то инжектированные при прямом смещении электроны и дырки располагаются на размерных энергетических уровнях. Рекомбинационные переходы, показанные вертикальной стрелкой, дают излучение с энергией (рис.2.7г). Одно из преимуществ лазеров на квантовых ямах – возможность перестройки частоты излучения изменением толщины активного слоя d. Как было показано ранее, с уменьшением величины d увеличиваются расстояния от краёв зон до первых размерных уровней. Следовательно, энергия излучаемых квантов и частота увеличиваются. Другое преимущество – низкие значения порогового тока, при котором начинается лазерная генерация. Это позволило получить полупроводниковые лазеры, работающие непрерывно при комнатной температуре. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Хэлла (целочисленный и дробный), при специальном приготовлении очень высокая подвижность электронов. Основные методы получения квантовых ям на гетероструктурах: металлоорганическая газовая эпитаксия и молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия. Приборные применения: высокочастотные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды от ближнего ИК до голубого света среднего ИК диапазона, фотоприёмники среднего ИК диапазона, примесные фотоприёмники дальнего ИК дипазона, приёмники дальнего ИК диапазона на квантовом эффекте Холла, модуляторы в ближнем ИК диапазоне. Квантовые нити (проволоки) – это системы, в которых движение носителей заряда квантовано в двух направлениях. Первые квантовые проволоки выполнялись на основе квантовых ям посредством создания потенциального рельефа с помощью двух затворов, расположенных над квантовой ямой (рис.2.8). Основные физические явления в квантовых проволоках: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Основные методы получения квантовых проволок те же, что и квантовых ям, плюс использование прецизионного травления или специальных электрических затворов. Приборных применений пока нет. Квантовые точки – нанообъекты, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трёх направлениях. Имеют дискретный энергетический спектр. Основные физические явления в квантовых точках: одноэлектронные и однофотонные явления. Методы получения квантовых точек те же, что и для квантовых ям, однако несколько иные режимы, если происходит спонтанный рост квантовых точек по механизму Странски-Крастанова (самоорганизация). В ряде случаев используется прецизионная литография для создания квантовых точек из квантовых ям. Для формирования квантовых точек используют полупроводниковые системы Si-Ge, GaAs-InAs, с большим различием параметров решётки (см.рис. на плакате). Приборные применения: лазеры и светодиоды в ближнем ИК диапазоне, фотоприёмники для среднего ^ ИК диапазона, однофотонные приёмники, однофотонные генераторы, одноэлектронные транзисторы. Системы квантовых ям и сверхрешётки – это структуры с туннельно- прозрачными барьерами. Основные физические явления в таких структурах: резонасное туннелирование; формирование минизонного спектра в сверхрешётках – периодических системах, содержащих много квантовых ям, разделённых туннельно-прозрачными барьерами. Методы выращивания этих структур те же, что и для квантовых ям. Приборные применения: резонансно-туннельные диоды (генераторы и смесители в гигагерцевом и терагерцевом диапазонах); каскадные лазеры среднего и дальнего ИК диапазонов. Для изготовления сверхрешёток используются полупроводниковые материалы с близкими значениями постоянных решётки, такие как, AlxGa1-xAs – GaAs, InxGa1-xAs – GaAs, InxGa1-xAs – InP, ZnS – ZnSe и др.

Похожие:

	Технология производства строительных материалов нового поколения на безцементной основе Производство теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных поризованных материалов в виде плит и блоков		Учебное пособие по дисциплине «Индустрия гостеприимства» Учебное пособие содержит конспекты лекций, составленные на основе различной учебной литературы, рекомендованной Министерством образования...
	Психоаналитическое исследование Предлагаемая читателю книга написана на основе анализа материалов, полученных при		- Здравствуй, дорогой читатель! Данная книга построена на основе материалов известной воскресной телепередачи «Очумелые ручки»
	Учебное пособие Издательство Золотое Сечение Санкт-Петербург Принципы классификации полимеров и материалов на их основе, используемых в биомедицинских технологиях. 17		Лабораторная работа №1 Цель работы: изучение технологических процессов сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых больших интегральных микросхем
	Тема 1 Основы физики полупроводниковых диодов В полупроводниках удельное электрическое сопротивление принято измерять для 1см3 материала		1. физические основы работы полупроводниковых приборов Энергетические уровни и зоны. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Собственная электропроводность полупроводников
	Исследование процесса контактной фотолитографии ...		Народы, миграции, территории Российской империи. Исследование выполнено на основе архивных материалов, многие из которых впервые вводятся в научный оборот, и...