Geum.ru

1 Структуры на основе различных полупроводниковых материалов

Вид материалаДокументы

Содержание


1.6. Методы выращивания сверхтонких слоев.
1.7. Методы контроля структур.
Подобный материал:



1.5. Структуры на основе различных полупроводниковых материалов.


Исторически первыми были исследованы двумерные структуры на поверхности Si - структуры типа металл-окисел-полупроводник, - широко применяемые в полупроводниковых приборах, в частности, в полевых транзисторах. Управляя потенциалом на металлическом электроде, можно управлять потенциалом в слое пространственного заряда в Si и изменять параметры 2D-структуры.

Наиболее подробно исследованы 2D-структуры и СР в соединениях типа AIIIBV. Используя гетероструктуры GaAs/AlxGa1-xAs, в которых постоянные решетки согласованы с точностью, лучшей, чем 10-3, оказалось возможным исследовать основные свойства контравариантных СР типа 1.1.

В этой группе соединений возможно создавать согласованные СР как из тройных, так и четверных твердых растворов AIIIxBIII1-xCVyDV1-y (например, InxGa1-xPyAs1-y). Изменяя составы в разных подрешетках, можно независимо подбирать постоянные решетки в структурах и варьировать ширину запрещенной зоны Eg с обеих сторон гетерограницы. В частности, в структурах с четверными твердыми растворами InxGa1-xSbyAs1-y возможны случаи СР типов 2.1. и 2.2.

Кристаллы нитридов III группы – GaN, AlN, InN и их твердые растворы AlxGa1-xN, InxGa1-xN имеют гексагональную решетку. В этой группе широкозонных соединений созданы 2D- структуры и напряженные СР, которые стали основой для создания излучателей и фотоприемников в ультрафиолетовой, голубой и чисто зеленой области спектра.

В гетеропереходах соединений типа AIIBVI были созданы СР из узкозонных полупроводников - твердых растворов CdxHg1-xTe - с вариацией СР от типа 1.1. к типу 1.2., т.е. с пересечением зон проводимости и валентной и образованием полуметалла.

На основе широкозонных соединений типа AIIBVI - твердых растворов Zn1-xCdxSe, CdS1-ySey - возможно создание 2D-структур с шириной запрещенной зоны, соответствующей спектральной области в синей и голубой части видимого спектра, особенно важной для создания источников спонтанного и вынужденного излучения. Для этих соединений существенна возможность создания напряженных СР с короткими периодами, поскольку для них трудно подобрать решетки, согласованные на гетерограницах.

Полумагнитные или спиновые СР осуществлены в полупроводниках типа AIIBVI и AIVBVI добавлением в один из чередующихся слоев СР легирующей магнитной примеси (Mn или Fe). Зонная структура этих СР сильно изменяется в магнитном поле.

На основе халькогенидов свинца-олова - соединений типа AIVBVI -

созданы узкозонные СР, интересные для применений в приборах ИК-техники - излучателях и фотоприемниках. Поскольку эти материалы имеют, как правило, малые эффективные массы электронов и дырок, эффекты размерного квантования сказываются в них при сравнительно больших толщинах слоев, порядка 200 А. В широкозонной части 2D-структур этого типа применяют примеси редкоземельных элементов, например Eu, халькогениды которых кристаллизуются в решетке типа каменной соли, т.е. того же типа, что и халькогениды свинца.

Элементы IV группы - Si, Ge, Sn,- сильно отличаются друг от друга по постоянной кристаллической решетки, поэтому на их основе разрабатываются короткопериодные напряженные СР твердых растворов типа SixGe1-x, GexSn1-x. Если трудности, связанные с созданием таких решеток, будут преодолены, они найдут широкое применение в Si- микроэлектронике.

Таким образом, на основе всех важнейших полупроводниковых материалов за последние два десятилетия удалось создать 2D- структуры как с одиночными, так и с множественными квантовыми ямами. Развитие технологии дает возможности создания квази-одномерных и квази-нульмерных структур на основе самых различных материалов.

1.6. Методы выращивания сверхтонких слоев.


Тонкие слои полупроводников, толщина и границы которых удовлетворяют условиям размерного квантования, выращивают эпитаксиальными методами. Эти методы рассматриваются в курсах физики полупроводниковых материалов: рост ведут на ориентированных моно-кристаллических подложках в вакууме, или из газовой или жидкой фазы выращивают слои полупроводников нужного состава. Важнейшие из этих методов - молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газовая эпитаксия из металло-органических соединений (МОС-гидридная).

МЛЭ (molecular-beam epitaxy, MBE) представляет собой развитие метода получения тонких пленок испарением компонент в высоком вакууме на ориентированные атомарно гладкие монокристаллические подложки. В этом процессе эпитаксиальный рост различных соединений идет за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомарными пучками соответствующих компонентов. Реакция идет на поверхности подлдожки, находящейся при точно выдерживаемой повышенной температуре. Требования к вакууму предельно высокие - до 10-11-10-12 мм рт.ст. Также предельно высокие требования к чистоте компонентов в молекулярных пучках - иначе не происходит создание атомарно гладких границ и слоев. Интенсивности молекулярных пучков варьируются в пределах 1011-1016 мол/см2.с. Скорости выращивания слоев зависят от этой интенсивности, но обычно они имеют порядок одного атомного слоя в секунду (одного мкм в час). Важно, что температура роста на подложке значительно ниже температуры плавления материала, Троста << Тплавл..

Сложность выращиваемых соединений требует достаточного числа эффузионных ячеек для испаряемых компонент. Резкое изменение состава по слоям достигается резким перекрыванием заслонок эффузионных ячеек. Такая технология и требуемая точность могут быть обеспечены только управлением от вычислительной машины, программы которой управляют режимом стабилизации температур источников и подложки, контролем высокого вакуума, открыванием и закрыванием заслонок эффузионных ячеек и т.д.

В высоком вакууме возможно контролировать процесс "in situ" такими методами, как дифракция быстрых и медленных электронов, рентгеновская дифракция, масс-спектрометрия вторичных ионов. МЛЭ является наиболее совершенным методом для создания структур малой размерности.

МОС-гидридная эпитаксия основана на разложении металло-органических соединений, содержащих компоненты полупроводниковых соединений, на поверхности монокристаллических подложек. Так, для выращивания тонких эпитаксиальных пленок GaAs в открытом реакторе можно использовать разложение смеси триметилгаллия, (CH3)3Ga, и арсина, H3As:

H2

(CH3)3Ga + H3As = GaAs + 3CH4 .

760oC


В процессе МОС-гидридной эпитаксии однородная газовая смесь реагентов с газами носителями пропускается над нагретой подложкой в реакторе с холодными стенками. Парциальными давлениями газовых компонентов можно управлять с помощью ЭВМ, контролирующей скорость потока из разных источников. Это позволяет управлять всеми параметрами роста с высокой точностью и обеспечивает воспроизводимость результатов. Высокие требования предъявляются к чистоте исходных газовых компонентов - на уровне, соответствующем требованиям к высокому вакууме в процессе МЛЭ. Относительная дешевизна МОС-гидридной эпитаксии и большая скорость роста структур определили перспективность применения этого метода для создания структур с эффектами размерного квантования. Однако, в этом методе неприменимы методы контроля "in situ", которые требуют высокого вакуума.

1.7. Методы контроля структур.


Как было упомянуто выше, часть методов контроля структур применяется непосредственно в процессе выращивания, "in situ". Дифракция быстрых электронов под малыми углами дает возможность исследовать кристаллическую структуру первых нескольких атомных слоев на выращиваемой поверхности. Рентгеновская дифракция позволяет определять совершенство всей кристаллической структуры. Оже- спектроскопия и рентгеновский микроанализ дают возможность исследовать атомарный состав выращиваемых слоев. Масс- спектрометрия вторичных ионов также дает эту возможность, но это - метод, разрушающий поверхность. Измерения коэффициента отражения лазерного луча от растущей пленки, использующие интерференцию света в прозрачной для луча пленке, позволяют контролировать толщину пленок с точностью порядка /4n.

Методы контроля структур после их выращивания, "a posteriori", могут быть бесконтактными и с использованием контактов. Бесконтактные (рентгено- структурные, оптические, люминесцентные) методы контроля структур особенно важны до изготовления из них приборов, т.к. изготовление контактов может изменить структуры.

Особенно интересны локальные бесконтактные методы контроля - катодо- люминесценция (КЛ) в растровом электронном микроскопе (РЭМ), фотолюминесценция (ФЛ) при сфокусированном лазерном возбуждении, - позволяющие выявить неоднородности структур. Компьютерная обработка локальных спектров КЛ и ФЛ при низких температурах дает возможность контролировать толщину выращенных слоев с точностью до одного-двух атомных слоев. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения дает возможность наблюдать структуру слоев с точностью до атомных размеров.

Часть методов исследования полупроводниковых структур рассматривается в других специальных курсах кафедры. Мы ограничимся упоминанием методов, а в последующем лекциях используем их результаты.

Таблица 1.1.

Примеры композиционных СР из различных материалов.


Соединения типа AIIIBV

Структура Тип СР Ec/Ev согл.(+)/напр.(-) Eg, эВ ссылка

GaAs/AlxGa1-xAs

InxGa1-xAs/InP

InAs/GaSb

In1-xGaxAs/In1-xGaxAsySb1-y


Соединения типа AIIBVI

Структура Тип СР Ec/Ev согл.(+)/напр.(-) Eg, эВ ссылка

Hg1-xCdxTe/CdTe

Zn1-xCdxSe/ZnSe


Соединения типа AIVBVI

Структура Тип СР Ec/Ev согл.(+)/напр.(-) Eg, эВ ссылка

Pb1-xSnxTe/PbTe

PbSe/PbS

PbS/EuS

Соединения типа AIVBIV

Структура Тип СР Ec/Ev согл.(+)/напр.(-) Eg, эВ ссылка

Si/SixGe1-x


a-Si:H/a-SixC1-x:H аморфная