Исследование квантово-размерных структур

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследование квантово-размерных структур

 

 

Введение

квантовый гетероструктура нить

Наноэлектроника-область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.

Для создания наноэлектронных приборов и устройств, построенных на эффектах размерного квантования, в настоящее время используются достаточно хорошо разработанные в рамках технологии микроэлектроники процессы, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия, осаждение из газовой фазы, а так же в самое последнее время ионный синтез. При этом во всех указанных направлениях рассматриваются процессы самоорганизации с формированием наноразмерных элементов, включая пространственно упорядоченные. Это направление представляется одним их наиболее перспективных, однако степень разработки, как технологических подходов, так и теоретического понимания для конкретных условий является в настоящее время недостаточной.

Технология наноэлектроники включает средства и методы не только ранее неизвестные для микроэлектроники, например, использование нанотрубок и фуллеренов, но в некоторых случаях привлекает новые методические разработки, служащие как для измерения и анализа параметров наноструктурных объектов, так, собственно, и средством для их создания. Наиболее ярким примером в этом направлении могут служить различные ветви зондовой микроскопии (туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия), с помощью которых объекты наноэлектроники могут, как исследоваться, так и создаваться.

Интерес к созданию структур с размерами элементов в области нанометров и большой плотностью таких элементов проявился в 90-х годах прошлого столетия в связи с обнаружением в таких системах квантово-размерных эффектов, которые к настоящему времени позволяют разделить эти структуры на следующие типы:

квантовые точки (КТ) - структуры, у которых во всех трех направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний (в зависимости от масштаба рассмотрения структура считается нульмерной или трехмерной);

квантовые проволоки (КП) - структуры, у которых в двух направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний, а в третьем направлении представляют собой макроскопическую величину;

квантовые ямы - структуры, у которых в одном направлении размер составляет несколько межатомных расстояний, а в двух других направлениях представляет собой макроскопическую величину.

Усилия разработчиков в последнее время заключаются в создании систем с квантовыми точками, являющимися предельным случаем систем с пониженными размерностями («нульмерные» системы). Практическая направленность исследования свойств КТ сосредоточена главным образом на изучении их оптических свойств, которые определяются рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми объектами.

 

Квантово-размерные структуры

Методы получения квантово-размерных структур

Газофазная эпитаксия

Эпитаксиальный рост материалов путем осаждения на подложку продуктов термического разложения (пиролиз) молекул органических газов, содержащих необходимые химические элементы, называется методом осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы (MOCVD - Metalorganic Chemical Vapour Deposition). Этот термин был предложен создателем метода Гарольдом Манасевитом в 1968 году. В отличие от MBE при MOCVD рост происходит не в вакууме, а в присутствии газа при умеренных давлениях. При комнатных температурах металлоорганические соединения находятся в жидком или даже твердом состоянии. Поскольку эти вещества, как правило, имеют высокое давление паров, их можно легко доставить в зону химической реакции путем продувки газа носителя через жидкости или над твердыми телами, играющими роль источников. В качестве газа носителя используют водород или инертные газы (гелий, аргон). Идею метода MOCVD можно проиллюстрировать с помощью рисунка 12, схематически изображающего реактор, в котором происходит эпитаксиальный рост структуры.

Кристаллизация материала на нагретой подложке, расположенной в реакторе с холодными стенками, осуществляется при пропускании над ней однородной газовой смеси реагентов с газом-носителем. В результате пиролиза, при котором газообразные соединения разлагаются на компоненты на горячей поверхности, образуется стабильное твердое полупроводниковое соединение.

 

 

- кварцевый корпус, 2 - катушка высокочастотного генератора для нагревания подложки, 3 - блок нагревания, 4 - подложки, 5 - водяное охлаждение (впуск), 6 - водяное охлаждение (выпуск)

Рисунок 12 - Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD

 

Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки.

Температура пиролиза составляет 600-800⁰С. Подложка и растущая пленка обычно нагреваются высокочастотным генератором с частотой 450 кГц. Пиролиз происходит в открытом реакторе при атмосферном или пониженном давлении (∼70 мм рт. ст.). Снижая давление газовой смеси при выращивании соединений можно управлять градиентом изменения состава основных компонент и примесей в гетероструктуре. При пониженных давлениях выращивание ведется при больших, чем при атмосферном давлении скоростях газового потока, что позволяет получать более однородные слои.

Вблизи от поверхности роста располагается переходная область, где параметры газовой смеси плавно меняются от значений, характерных для области конвекции, до значений соответствующих приповерхностному слою. В горизонтальных реакторах толщина переходной области (пограничный слой) равна примерно 4 мм. Температура газовой смеси и ее состав в пограничном слое зависят от расстояния до поверхности роста. В области конвекции температура газа меньше температуры роста и состав газовой фазы не меняется. Во многих случаях электрические и кристаллографические свойства выращиваемых слоев зависят от характеристик пограничного слоя.

В качестве примера рассмотрим реакции, протекающие в процессе MOCVD, при выращивании полупроводниковых соединений GaAs и Al_xGa1-_xAs. Благодаря относительной простоте приготовления и легкости пиролиза в атмосфере молекулярного водорода для этого чаще всего используются метиловые и этиловые металлоорганики, которые поставляют атомы металлов с побочными продуктами реакции в виде метана или этана. Химическая реакция, приводящая к росту GaAs из триметилгаллия и гидрида мышьяка, имеет вид:

 

(CH₃)₃Ga+AsH₃GaAs+3CH₄

 

Подобная реакция используется для выращивания других двойных, тройных и четверных соединений. В частности Al_xGa1-_xAs растет в результате следующей реакции:

 

(1- x) [(CH₃)₃Ga]+ x [) [(CH₃)₃Al]+ AsH₃Al _x Ga_{1- x} As+3CH₄

 

В этом случае атомная концентрация x алюминия в Al_xGa1-_xAs определяется относительными начальными парциальными давлениями триметилгаллия и триметилалюминия в газовой фазе.

Методом MOCVD могут быть последовательно выращены многослойные, многокомпонентные эпитаксиальные структуры в едином ростовом цикле, поскольку к реактору можно подключить несколько источников различных материалов и изменять состав газовой смеси в реакторе. Скорость, с которой можно обеспечить нужное изменение, зависит от геометрии реактора и величины полного потока газа через реактор. При высоких скоростях потока изменение состава можно осуществлять достаточно быстро и, следовательно, можно получать гетеропереходы с резкой гетерограницей. Методом MOCVD можно выращивать структуры достаточно высокого качества с толщиной отдельных слоев, составляющих всего 5-6 межатомных расстояний[6].

Нанолитография

Нанолитография является естественным развитием методов, используемых на протяжении многих лет в микроэлектронике для производства различных приборов и устройств, в том числе и больших интегральных схем. Традиционно рисунок будущих приборов и схем создается с помощью фотолитографии следующим образом. На первом этапе каким-либо образом изготавливают увеличенное изображение (маску) прибора. Затем это изображение с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, которая покрыта фоточувствительным слоем (резистом), то есть фотографируется с уменьшением. Схема этого процесса представлена на рисунке 13. Фоторезист это сложная полимерная светочувствительная композиция.

 

 

Рисунок 13 - Схематическое изображение проекционной системы для процесса фотолитографии

 

Фоторезист, у которого растворимость освещенного участка уменьшается, называется негативным, а фоторезист, растворимость которого после облучения возрастает, - позитивным. После обработки освещенного фоторезиста в специальном составе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изображение, которое должно быть устойчивым к воздействию технологических факторов, в частности кислот, с помощьюкоторых стравливается полупроводниковая структура. Процесс получения рисунка называют литографией, а установки, с помощью которых это делают, - литографами. Последующее изготовление прибора или схемы весьма сложный процесс, включающий большое число циклов травления и осаждения новых слоев различных материалов. Почти перед каждой операцией требуется нанесение фоторезиста и фотографирование маски с каким-то новым рисунком.

Рассмотрим более детально процесс фотолитографии. Очевидно, что наименьшие размеры отдельных деталей, которые требуются для изготовления наноструктур, ограничены предельной разрешающей способностью оптических устройств, которая в свою очередь определяется дифракционным критерием Рэлея. Согласно этому критерию разрешение проекционной системы определяется выражением:

 

,                                                     (3)

где k - коэффициент пропорциональности, равный 0.61 в простейшем случае, л - длина волны света, N_a - числовая апертура объектива, пропорциональная показателю преломления среды между объектом и объективом. Отсюда следует, что для фотолитографии первостепенное значение имеет длина волны света, с помощью которого осуществляется перенос изображения маски на пластину с фоторезистом. В соответствии с критерием Рэлея (3) минимальная ширина линии, получаемой в изображении, пропорциональна длине волны экспонирующего света. Для видимого света (с длиной волны ~0.4 мкм) минимальная ширина линии составляет - 244 нм, что явно недостаточно для изготовления квантовых структур. Чтобы достигнуть меньших размеров отдельных деталей, в фотолитографии видимый свет заменяют ультрафиолетовым освещением (длина волны 193-365 нм). Еще одним достоинством ультрафиолетовой литографии является большая скорость, так как время освещения меньше, чем для видимого света. В настоящее время в промышленном производстве в качестве источников света используют лазеры ArF с длиной волны 193 нм. Их применение позволило реализовать 90, 65 и даже 45 нм технологические процессы производства микросхем (рис 14). Сейчас для литографических установок разрабатываются источники света, использующие длину волны 13 нм (Extreme Ultra Violet - EUV).

Элементарная оценка с помощью (3) показывает, что для длины волны света 193 нм, числовой апертуры 1 и коэффициента k =0.61 разрешение проекционной системы должно быть 118 нм.

 

 

Рисунок 14 - Зависимость технологического процесса изготовления микросхем от длины волны света, используемого для литографии

 

Возникает вопрос: Каким образом удается реализовать 90, 65 и 45 нм технологические процессы производства микросхем применяя такой источник света? Ответ на него содержится в выражении (3). Действительно, при фиксированном значении л для получения меньших величин a_min можно попытаться уменьшить k и увеличить числовую апертуру N_a. Для того, чтобы понять каким образом удается добиться желаемого результата вернемся к схеме фотолитографической проекционной системы (рис. 14). Видно, что кроме источника света в ее состав входят еще два важных элемента - фотомаска и «линза», которая на самом деле представляет собой сложный объектив, состоящий из большого числа оптических элементов.

Рассмотрим пути повышения разрешающей способности проекционной литографической системы с использованием специальных фотошаблонов, называемых фазосдвигающими масками. Принцип их действия иллюстрируется рисунком 15. В таких масках на одну из двух соседних прозрачных линий накладывается фазовый фильтр, сдвигающий фазу проходящей волны на 180°. В результате интерференции волн в противофазе происходит их взаимное ослабление в области между двумя экспонируемыми линиями, что делает их более различимыми и повышает разрешающую способность, т.е. уменьшает коэффициент k.

 

Рисунок 15 - Сравнение пространственного распределения интенсивности световой волны прошедшей через обычную маску и фазосдвигающую маску

 

Другим способом улучшения разрешающей способности проекционной литографической системы является использование масок с оптической коррекцией создаваемого рисунка (OPC или Optical Proximity Correction), где сложная форма маски используется для исправления последствий естественной дифракции света на краях (рис. 16).

 

 

Рисунок 16 - Схема, иллюстрирующая принцип оптической коррекции создаваемого фотолитографического рисунка

 

Применение этой коррекции уменьшает величину коэффициента k. Применение фазосдвигающих масок с оптической коррекцией создаваемого рисунка является необходимым условием реализации 45 нм технологического процесса производства микросхем.

Наконец существует способ уменьшения коэффициента k, связанный с внеосевым освещением шаблона и использованием сложной апертуры источника света (рис. 16).

 

- простая круглая апертура, b - круглая дипольная апертура, c - круглая квадрупольная апертура, d - простая кольцевая апертура, e - кольцевая дипольная апертура, f - кольцевая квадрупольная апертура

Рисунок 16 - Основные типы апертуры источника света и их параметры

 

Все апертуры, кроме простой круглой, используются при внеосевом освещении.

Для повышения пространственного разрешения литографического процесса широко используется способ, основанный на увеличении численной апертуры Na. Он заключается в том, что в литографическом процессе применяют иммерсионные объективы. В этом случае между объектом и объективом помещают жидкость с высоким показателем преломления, например, сверхчистую воду (рис. 17) [8].

 

 

Рисунок 17 - Иммерсионный объектив, применяемый в литографии

 

Заключение

 

В настоящей работе проанализированы особенности создания длинноволновых ВИЛ на подложках GaAs и проведено сравнительное исследование характеристик приборов с активными областями на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN. Анализ показывает, что уровень электрических и внутренних оптических потерь для структур второго типа значительно выше, что связано с неоптимальной конструкцией вертикального полупроводникового микрорезонатора. Тем не менее, благодаря высокому оптическому усилению активной области, ВИЛ на основе КЯ InGaAsN имеют рекордную выходную мощность для всех ВИЛ на подложках арсенида галлия (> 1 мВт в непрерывном режиме). Оптимизация конструкции должна существенно улучшить их характеристики. Что касается ВИЛ на основе КТ, для них целесообразно использовать микрорезонаторы с РБО Al x O y /GaAs, которые обеспечивают минимальный уровень внутренних оптических потерь (0.04-0.05% на один проход фотона), низкие пороговые токи (<2 мА) и высокую дифференциальную эффективность (∼ 40%). Представляется, что ВИЛ на основе КТ будут иметь преимущества при создании приборов с малыми (менее 1−2 мкм) размерами излучающей области из-за подавления латеральной диффузии носителей.

Обобщая результаты исследования и сравнения ВИЛ на основе КТ InAs/InGaAs и КЯ InGaAsN можно сделать следующие выводы:

—      высокий уровень оптического усиления, достигаемый в структурах на основе КЯ InGaAsN, позволяет реализовать ВИЛ на основе полупроводниковых микрорезонаторов с относительно высокими внутренними потерями;

—      для реализации ВИЛ на основе массивов КТ целесообразно использовать резонаторы с Al x O y -зеркалами, которые по своим оптическим характеристикам, как правило, существенно превосходят резонаторы с полупроводниковыми зеркалами.

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследование квантово-размерных структур

 

 

Введение

квантовый гетероструктура нить

Наноэлектроника-область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.

Для создания наноэлектронных приборов и устройств, построенных на эффектах размерного квантования, в настоящее время используются достаточно хорошо разработанные в рамках технологии микроэлектроники процессы, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия, осаждение из газовой фазы, а так же в самое последнее время ионный синтез. При этом во всех указанных направлениях рассматриваются процессы самоорганизации с формированием наноразмерных элементов, включая пространственно упорядоченные. Это направление представляется одним их наиболее перспективных, однако степень разработки, как технологических подходов, так и теоретического понимания для конкретных условий является в настоящее время недостаточной.

Технология наноэлектроники включает средства и методы не только ранее неизвестные для микроэлектроники, например, использование нанотрубок и фуллеренов, но в некоторых случаях привлекает новые методические разработки, служащие как для измерения и анализа параметров наноструктурных объектов, так, собственно, и средством для их создания. Наиболее ярким примером в этом направлении могут служить различные ветви зондовой микроскопии (туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия), с помощью которых объекты наноэлектроники могут, как исследоваться, так и создаваться.

Интерес к созданию структур с размерами элементов в области нанометров и большой плотностью таких элементов проявился в 90-х годах прошлого столетия в связи с обнаружением в таких системах квантово-размерных эффектов, которые к настоящему времени позволяют разделить эти структуры на следующие типы:

квантовые точки (КТ) - структуры, у которых во всех трех направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний (в зависимости от масштаба рассмотрения структура считается нульмерной или трехмерной);

квантовые проволоки (КП) - структуры, у которых в двух направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний, а в третьем направлении представляют собой макроскопическую величину;

квантовые ямы - структуры, у которых в одном направлении размер составляет несколько межатомных расстояний, а в двух других направлениях представляет собой макроскопическую величину.

Усилия разработчиков в последнее время заключаются в создании систем с квантовыми точками, являющимися предельным случаем систем с пониженными размерностями («нульмерные» системы). Практическая направленность исследования свойств КТ сосредоточена главным образом на изучении их оптических свойств, которые определяются рядом преимуществ таких объектов по сравнению с двумерными квантовыми объектами.