Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

3) Контролируемое локальное воздействие на процесс Дело заключается в том, что формирование атомных зародышеообразования. Примером этого может служить кластеров и увеличение их размеров на ранних стадиях 1 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 516 М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев распада сопровождается увеличением энергии упругой спинодального распада и упорядочения, имеют место деформации образующихся ассоциатов и реакцией си- в процессе эпитаксиального роста непосредственно на стемы на это возмущение является эмиссия формирую- ростовой поверхности с последующим их заращиванищимися кластерами собственных межузельных атомов в ем. В данном случае возможно создание двумерных кристаллическую решетку или образование или погло(-легированные структуры, структуры с квантовыми щение вакансий (образование примесно-вакансионных ямами, сверхрешетки), одномерных (квантовые нити) ассоциатов). В связи с этим любые изменения состояния или нульмерных (квантовые точки) квантово-размерных ансамбля СТД в системе (внешняя инжекция СТД или композиций. В последнем случае необходимо обеспечить создание стоков для СТД) вызывают серьезные изменеформирование на ростовой поверхности наноразмерных ния скорости процессов кластерообразования, связанноостровков.

го с распадом пересыщенного твердого раствора (см., Наиболее благоприятные возможности для реализанапример, [10]).

ции этого способа кластерирования имеют место в процессах газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии. В 2.4. Упорядочение и разупорядочение отличие от ранее рассмотренных, данный метод обеспеполупроводниковых твердых растворов чивает более широкие возможности для регулирования как количества, состава и размера кластеров, так и Большинство физических процессов в многокомпохарактера их распределения в кристаллической решетнентных полупроводниковых твердых растворах трактуке эптитаксиальной композиции. Это открывает новые ется с позиций статистического распределения компоэффективные пути для управления фундаментальными нент по узлам кристаллической решетки. Однако полусвойствами традиционных полупроводников, а также для проводниковые материалы, образующие соответствуюсоздания принципиально новых полупроводниковых комщие твердые растворы, обладают отличиющимися парапозиций с прогнозируемыми свойствами.

метрами решетки. Это вызывает появление в кристаллической решетке твердого раствора упругих искажений В основе современной технологии формирования и может приводить к фазовым переходам, понижающим квантовых точек лежит процесс кристаллизации по меупругую энергию системы с возникновением ближнего ханизму СтранскогоЦКрастанова. При осаждении тонкой или дальнего упорядочения (или сверхструктур), а такэпитаксиальной пленки на подложку с иным параметром же к кластерированию. Типичным проявлением энергекристаллической решетки ее свободная энергия описытической нестабильности такого рода систем является вается выражением (1) и зависит от толщины пленки и спинодальный распад.

геометрии ее поверхности [13]. Если в процессе роста Отклонения распределения компонент от статистипленки ее поверхность остается плоской, то энергия ческого оказывают существенное влияние на свойства поверхности Fs не изменяется, а энергия упругой дефорсоответствующих твердых растворов (изменения шимации Fel линейно возрастает. Однако при достижении рины запрещенной зоны, рассеяния носителей заряда, определенной критической толщины пленки такая ситуспектров люминесценции и фононных спектров, пластичация становится энергетически не выгодной. Минимуму ности и т. д.). В зависимости от условий выращивания свободной энергии системы будет соответствовать форили последующих термообработок в одном и том же мирование на поверхности роста трехмерных островков твердом растворе возможно проявление как эффектов (рис. 2). Основание таких островков, прилегающее к упорядочения, так и эффектов спинодального распада подложке, по-прежнему сильно деформировано. Однако (см., например, [12]).

по мере удаления от границы с подложкой упругая Эффективными способами управления этими процесдеформация уменьшается. Таким образом, уменьшение сами, как и в предыдущем случае, являются: выбор оптимальных тепловых условий выращивания и режимов последующих термообработок монокристаллов или эпитаксиальных структур, а также регулирование состояния ансамбля СТД в кристаллической решетке, соответствующего твердого раствора. Немаловажную роль при формировании квантово-размерных структур (в том числе квантовых точек) в эпитаксиальных композициях играют кристаллографическая ориентация ростовой поверхности и ее атомная структура.

Следует отметить, что процессы самоорганизации, упорядочения и разупорядочения связаны с весьма знаРис. 2. Образование кластеров по механизму Странского - чительным массопереносом. Вследствие этого их реКрастанова в результате трансформации эпитаксиальной пленализация в объеме кристаллической фазы затруднена, ки, выращиваемой на подложке с отличающимся параметром а часто и невозможна. Более благоприятные условия решетки. Штриховая линия Ч однородная пленка, сплошная для формирования кластеров, связанных с процессами линия Ч трехмерные островки и тонкий смачивающий слой.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках Ч новый подход к формированию свойств... 2.5. Материалы с высокой плотностью кластеров Описанные выше методы позволяют формировать кластеры различной природы в разнообразных полупроводниковых матрицах. Однако доля кластеров в общем объеме материала обычно не превышает 1Ц2% (кластеры As в GaAs), а во многих случаях значительно меньше.

Существуют, однако, методы, позволяющие получать материалы, в которых кластеры занимают если не большую, то весьма значительную часть их объема. К таким методам следует прежде всего отнести метод прямого осаждения ФсвободныхФ полупроводниковых кластеров (нанокластеров) на соответствующую подложку (рис. 4).

В качестве источника кластеров может быть использована пересыщенная неравновесная среда, получаемая лазерным испарением твердотельной мишени [15]. Продукты испарения поступают в сверхзвуковое сопло, где в атмосфере буферного инертного газа происходит их быстрое охлаждение и формирование кластеров. Далее пучок кластеров анализируется и разделяется с помощью время-пролетного масс-спектрометра. Точности существующих масс-спектрометров вполне достаточно для селекции кластеров с числом частиц, отличающихся на единицу, в достаточно широком интервале полного Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения в плоско- числа атомов. В кластерах полупроводниковых соединести роста (a) и в поперечном сечении (b) массива вертикально ний можно также варьировать и задавать отклонение от совмещенных квантовых точке InGaAs, сформированных в обычной кристаллической стехиометрии. Описанный меэпитаксиальном слое GaAs.

тод является очень перспективным для получения новых кластерных (нанокристаллических) материалов. Однако в настоящее время он остается весьма трудоемким и дорогостоящим и пока не нашел широкого применения.

энергии деформации является основной движущей силой Большой интерес представляет возможность примекластерообразования.

Описанный подход был успешно реализован для фор- нения для получения нанокристаллов биотехнологических процессов. Примером удачного их использования мирования кластеров (квантовых точек) InAs и InGaAs на поверхности подложки GaAs (рис. 3) и для цело- является описанный в [16] синтез нанокристаллов CdS, в процессе которого в качестве переносчиков серы к го ряда других систем с использованием технологий напыленным на поверхность подложки ионам кадмия молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксий [14].

использованы определенные пептиды. В результате была Одной из существенных особенностей данного метода получена своеобразная мозаика из нанокристаллов CdS, кластерирования является то, что кластер формируется непосредственно на ростовой поверхности, т. е. в усло- имевших преимущественный размер 21. Такого рода биотехнологические процессы открывают новые пути виях существенно большей ФсвободыФ, чем в объеме кристаллической решетки матрицы. Успешная его реа- для создания нанокристаллических сред. Однако исследования в этом направлении находятся еще на начальном лизация, особенно в случае формирования структур типа этапе, и еще рано оценивать реальные перспективы биоквантовых нитей и точек, требует разработки способов технологических методов. Пока же наиболее распростратонкого управления потенциальным рельефом ростовой поверхности. В этих целях можно использовать различ- ненными методами получения нанокристаллов являются ные методы регулирования атомной стрктурой поверхно- традиционные методы кристаллизации на рельефных и пористых подложках.

сти подложек, а также нетермические методы локального воздействия на эту поверхность в сочетании с нетерми- Весьма распространенный в настоящее время метод ческими методами локальной стимуляции процессов эпи- получения нанокристаллического материала основан на таксиального роста (радиационные воздействия, ионная использовании начальных стадий кристаллизации в плеимплантация и др.). Немаловажную роль играет и преци- ночных структурах на основе гидрированных аморфных зионное управление составом и пересыщением газовой полупроводников. Тонкопленочные структуры на основе фазы непосредственно у фронта кристаллизации, а также гидрированного аморфного кремния a-Si : H и родственмеханизмом и кинетикой самого кристаллизационного ных ему материалов интенсивно исследуются на пропроцесса. тяжении последних двух десятилетий и уже широко и Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 518 М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев Рис. 4. Схема установки для осаждения кластеров.

успешно используются в системах регистрации и отобра- тей. Размеры пор между ними также составляют единижения информации, солнечной энергетике, электрофото- цы нанометров. Структурой пленки пористого кремния графии, сенсорной технике и т. д. Одним из многообеща- можно управлять с помощью плотности тока и конющих направлений дальнейшего расширения возможно- центрации химических реагентов в электрохимической стей этого нового класса полупроводников является со- реакции, легирования и предварительной обработки исздание на их основе Фнанокристаллических средФ, пред- ходной пластины. С момента открытия в пористом кремнии эффективной красно-оранжевой люминесценции в ставляющих собой композиции из большого количества 1990 г. [17] этот материал привлекает очень большое ФкристалловФ нанометрорвых размеров, формирующихся внимание. Структуре и свойствам пористого кремния в аморфной матрице на начальных этапах развивающепосвящено множество работ и специальных обзоров гося в ней процесса кристаллизации. Образующиеся при (см., например, [18]), поэтому в данной статье мы не этом нанокристаллы по своей сути являются атомными будем останавливаться на этом сколько-нибудь подробно.

кластерами, формирующимися не в кристаллической реОтметим только, что, несмотря на существенные разшетке (как в предыдущих случаях), а в аморфной среде.

ичия исходных материалов, пористый кремний и наноПри этом аморфная матрица предоставляет достаточно кристаллический кремний часто демонстрируют сходные ФкомфортныеФ условия для формирования практически свойства. В частности, оба материала демонстрируют ненапряженных кластеров. В зависимости от размера и люминесценцию в красной области спектра [18,19].

объемной плотности нанокристаллов фундаментальные свойства такой тонкопленочной структуры и, прежде всего, ширина ее запрещенной зоны могут изменяться 3. Влияние кластеров на электронные в весьма широких пределах.

свойства материала и применение Формирование такого рода нанокристаллических комполупроводников, содержащих позиций наиболее просто осуществить путем лазернокластеры го или быстрого термического отжига гидрированной аморфной пленки. Накопленный к настоящему времени Кластеры, встроенные в полупроводниковую матрицу, обширный экспериментальный материал свидетельствумогут оказывать существенное влияние на фундаменет о возможности создания тонкопленочных структур тальные свойства полупроводника. В следующих раздес контролируемыми размерами и объемной плотностью лах статьи мы кратко рассмотрим основные механизмы равномерно распределенных в аморфной матрице наноэтого влияния и покажем, что в ряде случаев использокристаллов. На очереди дня решение проблемы обеспевание кластеров позволяет создавать уникальные матечения высокой временной стабильности таких нанокририалы и приборные структуры.

сталлических композиций.

Другим примером кластерного материала является 3.1. Локальные уровни в запрещенной зоне пористый кремний. Этот материал получают путем электрохимической (фотоэлектрохимической) обработ- В силу малого размера кластера волновая функция ки пластин кристаллического Si, в результате которой электрона в нем ограничена потенциальным барьером по формируется структура наноразмерных кластеров и ни- всем трем направлениям, и электронная плотность соФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках Ч новый подход к формированию свойств... стояний имеет -образный вид. Таким образом, кластеры могут создавать в запрещенной зоне полупроводника локальные уровни, подобные уровням обычных примесей.

Хорошо известным примером этого являются уровни комплексов СТД и примесей.

Конечно, формирование подходящего набора кластерных уровней в полупроводнике представляет собой достаточно сложную задачу. В отличие от обычного легирования для создания системы кластеров необходимо тонкое управление всем ансамблем СТД и примесей.

Тем не менее использование кластеров представляется целесообразным, когда в природе не существует примесей, которые могли бы создать требуемый электронный уровень в полупроводнике, или когда растворимость примесей слишком мала. Более сложная структура кластеров предоставляет много возможностей для конструи- Рис. 5. Модель ФзахороненныхФ барьеров Шоттки, формирования электронных уровней. Примером этого является руемых кластерами As в матрице GaAs n-типа. a Чнизкая хорошо изученная трансформация уровней термодоно- концентрация кластеров, b Ч высокая концентрация кластеров.

ров в кремнии при термообработках материала [6].

3.2. ФЗахороненныеФ барьеры Шоттки Большое удельное сопротивление в сочетании с рекордно малым временем жизни носителей заряда и высоМеталлические кластеры, встроенные в матрицу поким структурным совершенством делают GaAs, содержалупроводника и содержащие достаточно много атомов, щий кластеры мышьяка, чрезвычайно привлекательным могут воздействовать на свойства материала по мехадля различных применений в сверхбыстродействующей низму, отличающемуся от обыкновенного легирования.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам