Методы химического осаждения из газовой фазы для получения полупроводниковых нанопленок

Период В, представляющий 2D—»3D-переход, т.е. фрагментацию суперкритического смачивающего слоя, начинается, когда накопленной упругой энергии становится достаточно для преодоления энергетического барьера этого перехода в момент времени X. Предполагается, что, уже начавшись, 20^30-переход может продолжаться без дальнейшего поступления материала, используя материал, запасенный в суперкритическом смачивающем слое. Период B включает две стадии — зарождение островков и их последующий рост. Флуктуации толщины пленки или напряжений по поверхности подложки приводят к зарождению островков в определенных местах. Толщина смачивающего слоя, при которой начинается спонтанное зарождение островков, зависит от рассогласования параметров решеток материалов, а также от наносимого материала и от анизотропии свойств подложки. Например, при эпитаксии германия на монокристаллическом кремнии это происходит, когда толщина германия превышает несколько монослоев. Для контролируемого расположения островков в определенных местах подложки ее подвергают предварительной обработке для создания на ее поверхности неоднородностей, служащих центрами зарождения.

Стадия зарождения определяет поверхностную плотность островков. Образование первого сверхкритического зародыша немедленно приводит к фрагментации всего смачивающего слоя. Предполагаемое распределение напряжений в окрестности островка показано на рисунке 1.5.

Рисунок  2.4 - Локальные напряжения на границе с подложкой и деформация решетки в когерентном островке [1]

Поверхность островка благоприятна для понижения напряжений, максимальная величина которых — у границы с подложкой. Благодаря релаксации напряжений в объеме островка, на поверхности они минимальны. Островок имеет монокристаллическую напряженную бездислокационную структуру.

Последующий рост островков стимулируется избытком материала в суперкритическом смачивающем слое, предшествовавшем фрагментации. Он характеризуется скоростями в десятки раз большими обычных скоростей роста при данной температуре. В процессе роста четко определяются низкоиндексные плоскости {11n} (n = 0, 1, ~3), скорость роста на которых ограничена. В результате островки приобретают пирамидальную форму с {113} или {110} гранями или форму усеченных пирамид. Хотя растущие островки когерентны с подложкой, не исключено появление некогерентных островков и дислокаций несоответствия в островках на границе с подложкой, если скорость поступления материала на подложку слишком велика.

Дальнейший рост островков в пределах периода C происходит по механизму дозревания. Система уже растратила большую часть энергии, запасенной в упругих напряжениях. Разность в свободной энергии между большими и маленькими островками приводит к медленному росту больших островков за счет поглощения маленьких. Этот процесс контролируется поверхностной диффузией.

Практический интерес к полупроводниковым нанопленкам обусловлен, прежде всего, проявлением в них квантовых эффектов. Для получения квантовых пленок широко используют рассмотренные выше процессы эпитаксиального осаждения.

Процессы эпитаксиального осаждения, осуществляемые при определенных условиях, могут быть пригодны для получения квантовых проволок, а также квантовых точек [3].

2. Эпитаксиальное осаждение в режиме Франка–Вандер-Мерве

Для создания квантовых проволок используется эпитаксиальное осаждение в режиме Франка—Вандер-Мерве, при котором становится возможным формирование самоорганизующихся квантовых проволок на вицинальных поверхностях кристаллов. Вицинальными называют поверхности, которые не являются равновесными для данного кристалла. Обычно это поверхности, слегка разориентированные относительно низкоиндексных плоскостей кристалла — на практике чаще всего используют разориентацию относительно (001) и (311) плоскостей. Рисунок 1.6 иллюстрирует основные этапы формирования методом самоорганизации встроенных квантовых проволок с использованием вицинальной поверхности кристалла.

Рисунок  2.5 - Создание квантовых провололок самоорганизацией в процессе эпитаксиального роста на вицинальной поверхности [1] 
а - подготовленная вицинальная поверхность; б - нанесение материала шнура; в - нанесение половины монослоя материала шнура; г - добавление материала подложки до полного монослоя; д - встроенный квантовый шнур, созданный повторением в и г

Подготовленная вицинальная поверхность состоит из равнодистанцион-но расположенных террас, плоскость которых совпадает с одной из низкоиндексных плоскостей кристалла. Высота каждой террасы соответствует одному моноатомному слою. Создание квантовых проволок начинают с нанесения материала, из которого будет формироваться провололка. Температуру подложки выбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточную диффузионную подвижность атомов наносимого материала на поверхности подложки. Осажденным атомам энергетически более выгодно прикрепляться к ступеньке террасы, нежели находиться на ее поверхности. Количество наносимого материала составляет лишь долю от той величины, которая необходима для покрытия подложки сплошным моноатомным слоем. Это необходимо для того, чтобы оставить место на террасе для заполнения материалом подложки, что и делается после прекращения подачи материала провололки. Нанесение материала подложки продолжают до полного восстановления террас, которые при этом становятся на один моноатомный слой толще. Нанесение материала проволоки, а затем подложки повторяют несколько раз, обеспечивая, таким образом, создание квантовой проволоки, встроенной в подложку.

3. Эпитаксиальное осаждение в режиме Странского-Крастанова

Для создания квантовых точек используется эпитаксиальное осаждение в режиме Странского-Крастанова. Эта технология позволяет получать квантовые точки размером 2-40 нм из полупроводников AinBV, AIIBVI, SiGe, Ge. Они достаточно однородны по размеру. В них нет дислокаций несоответствия, поскольку благодаря трехмерной релаксации напряжений в окрестностях островка его высота может превышать критическую толщину для псев-доморфного роста. Разработано несколько методов для наномасштабного позиционирования мест зарождения островков, использующих эпитаксиальное осаждение в окна маски, созданной электронно-лучевой или зондовой литографией. Известны и безмасочные методы контролируемого создания центров зарождения островков зондом сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Один из них, используемый для формирования квантовых точек из InAs, показан на рисунке 1.7.

Рисунок  2.6 - Самоорганизация квантовых точек из InAs/GaAs в местах, отмеченных зондом сканирующего туннельного микроскопа, в процессе эпитаксиального осаждения в режиме Странского-Крастанова [1]

Процедура начинается с нанесения материала с острия вольфрамового зонда на поверхность GaAs подложки подачей на зонд нескольких импульсов напряжения. Сканируя зонд вдоль поверхности подложки, наноразмерные образования создают в местах желательного расположения квантовых точек. Нанесенный материал должен быть стабилен в парах мышьяка при температурах до 610°С, поскольку он действует в качестве наномаски при последующем эпитаксиальном осаждении GaAs. На начальных этапах эпитаксии GaAs сформированные ранее наноостровки остаются непокрытыми, однако при увеличении толщины осажденного GaAs они постепенно закрываются за счет бокового роста над островком. Над островками образуются пирамидальные впадины. Затем проводят эпитаксиальное осаждение InAs. Зарождение и рост самоорганизующихся островков из этого материала происходит исключительно в этих впадинах. на.

На рисунке 1.8 представлено изображение в сканирующем туннельном микроскопе сформированной таким образом наноструктуры. Повторение операций нанесения GaAs и InAs позволяет    создавать    многослойные структуры с квантовыми точками из InAs, встроенными в GaAs. Причем квантовые точки в них располагаются  строго  друг  над другом в местах, обозначенных предварительным нанесением маскирующего материала с зонда.

Рисунок  2.7 - Изображение квантовых точек из InAs на GaAs, созданных самоорганизацией [1]

3. Литографический процесс получения квантовой проволоки или квантовой точки из квантовой ямы

На рисунке 1.9 показана схема литографического   процесса   получения квантовой проволоки или квантовой точки из квантовой ямы (например, слоя GaAs), расположенной на подложке, а на рис. 8.11 -основные стадии этого процесса Для получения полупроводниковых нанопроволок типа вискеров наиболее широко используются технологии, основанные на ПЖК-механизме, суть которого сводится к следующему [5,6]. Представим, что на монокристаллической   подложке   кремния Каждая точка имеет высоту 6 нм и диаметр основания 30 нм ориентации (111) расположена частица золота.

 

Рисунок  3.1 - Схема литографического процесса получения квантовой проволоки или квантовой точки из квантовой ямы [4] 
а - квантовая яма (слой GaAs) на подложке, б - квантовая проволока или квантовая точка, полученная технологией литографии

При нагреве эта частица в соответствии с фазовой диаграммой Au-Si (температура эвтектики ~370оС) сплавляется с подложкой, образуя каплю раствора-расплава Si в Au, как это представлено на рисунке 1.10.

Рисунок  3.2 - Этапы формирования квантовой проволоки или точки методом электронно-лучевой литографии [4] 
а - первоначально покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке; б - облучение образца через маску; в - кон фигурация после растворения проявителем облученной части радиационно-чувствительного защитного слоя; г - формирование маски для после дующего травления; д - состояние после удаления оставшейся части чувствительного защитного слоя; е -состояние после стравливания частей материала квантовой ямы; ж - окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления

 

Введем в газовое пространство над каплей реакционную смесь, например, H2 + SiCl4. Молекулы этой смеси адсорбируются на поверхности капли, в результате чего раствор Si в Au оказывается пересыщенным, из него выделяется Si, который осаждается на границе с подложкой. По мере развития процесса осаждения капля отодвигается от подложки, и под ней растет столбик Si, продолжая эпитаксиаль-но подложку, причем, диаметр столбика приблизительно равен диметру капли и может доходить до 100 нм и менее. Подобная ситуация реализуется и для других полупроводников, например GaAs, InP, CdS, ZnSe.

ПЖК-механизм открывает возможности для управляемого выращивания вискеров - путем затравливания отдельных точек подложки мельчайшими каплями жидкой фазы. На рисунке 2.10 в качестве примера показаны вискеры кремния. Здесь капельки золота, нанесенные только на части подложки (левый верхний угол), приводят к образованию частокола вискеров. Отдельный вискеры - результат случайного нанесения капель. На вершинах вискеров видны полусферические образования - это закристаллизовавшиеся после завершения кристаллизации капли (глобулы) жидкого сплава, состав которых определяется фазовой диаграммой кристаллизуемого вещества (в данном случае Si) и металла-инициатора роста вискеров (в данном случае Au). Глобулы образованы беспорядочной смесью мельчайших кристаллитов Si и Au.

4. Магнитные нанопленки

1. Свойства и применение магнитных нанопленок

Магнитные нанопленки и нанопроволоки находят широкое применение при создании спинтронных наносистем. Практический интерес к магнитным нанопленкам и нанопроволокам обусловлен, прежде всего, проявлением в структурах на их основе спиновых эффектов. Наибольшее распространение получили магниторезистивные структуры, обладающие эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС). Их используют для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля, способных реагировать на ничтожно малое изменение магнитного поля.

В многослойных структурах возникновение ГМС связано со спин-зависимым рассеянием электронов на границе магнитных и немагнитных слоев [8]. Эффект имеет место, когда электрический ток пропускают как в плоскости этих слоев, так и перпендикулярно им. Эти основные конфигурации называются конфигурациями с протеканием тока в плоскости и с протеканием тока перпендикулярно плоскости структуры.

Тонкопленочная структура с плоскопараллельной геометрией протекающих токов для наблюдения эффекта ГМС схематически показана на рисунке 3.1.

Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри суженных каналов.

Рисунок  4.1 - Эффект гигантского магнетосопротивления в нанопленочной структуре с протеканием тока в плоскости слоев [8] 
а — антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев (высокое сопротивление); б — параллельная намагниченность ферромагнитных слоев (низкое сопротивление)

Минимальное сопротивление структуры получается тогда, когда магнитные моменты слоев ориентированы в одном направлении с внешним магнитным полем. Магнитное поле, необходимое для достижения параллельности всех состояний намагничивания (наименьшее сопротивление), обычно называется полем насыщения. Уменьшение сопротивления может достигать нескольких сотен процентов при низких температурах. Наиболее ярко эффект наблюдается в Fe-Cr- и Co-Cu-многослойных структурах. Он усиливается с увеличением числа слоев и достигает своего максимума приблизительно для 100 слоев при толщине каждого слоя несколько нанометров.