автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологических основ формирования наноструктур на основе арсенида галлия методом молекулярно-лучевой эпитаксии для элементов микро- и наноэлектроники

На правах рукописи

л/

Солодовник Максим Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 ОКТ 2013

Таганрог - 2013

005536713

Работа выполнена в Южном федеральном университете на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры факультета электроники и приборостроения

Научный руководитель: Агеев Олег Алексеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Червяков Георгий Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой РТЭ ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог

Алексеев Алексей Николаевич, кандидат физико-математических наук, генеральный директор ЗАО «Научное и технологическое оборудование», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-

исследовательский институт радиосвязи», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 21 ноября 2013 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148

Автореферат разослан октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^.

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы

Арсенид галлия совместно с другими арсенидами металлов III группы широко используется в современной электронике, занимая доминирующее положение в ряде областей благодаря особенностям кристаллической и энергетической структуры. Формирование на их основе полупроводниковых наноструктур (ППНС), обладающих уникальными структурными, оптическими, электрофизическими и транспортными характеристикам, обусловленными размерными эффектами, открывает широкие перспективы для улучшения характеристик существующих устройств микро- и наноэлектроники и созданию приборов на новых эффектах. Особенно большое внимание в связи с этим уделяется самоорганизующимся наноструктурам - нитевидным нанокристаллам (ННК) и квантовым точкам (КТ).

На существующем этапе развития приборостроения и полупроводниковой технологии актуальной задачей является управляемый синтез ННК и КТ, позволяющий формировать регулярные массивы ППНС с требуемыми параметрами. Актуальность использования комбинации методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ) для разработки технологических процессов формирования массивов ННК и КТ с заданными характеристиками обусловлена наличием in-situ контроля и широким набором ростовых методик в методе МЛЭ, в том числе, основанных на эффектах самоорганизации, и прецизиошюго контроля параметров и позиционирования наноструктур, присущих методу АСМ. Для разработки технологии управляемого формирования ННК и КТ необходимо проведение дополнительных исследований процессов автокаталитического роста ННК и режимов АСМ-обработки поверхности GaAs методом локального анодного окисления (ЛАО).

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ формирования методом МЛЭ массивов самоорганизующихся наноструктур (ННК и КТ) на основе GaAs с использованием собствешгого оксида для активных элементов устройств микро- и наноэлектроники.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщение и выявление основных требований к характеристикам и методам получения массивов ННК и КТ на основе GaAs для применения в приборах микро- и наноэлектроники.

2. Теоретические исследования термодинамических закономерностей межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H20 и Ga-As-ZnO при формировании наноструктур на основе GaAs.

3. Теоретические исследования процессов формирования ННК GaAs методом МЛЭ по автокаталитическому механизму.

4. Экспериментальные исследования режимов начальной стадии формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида.

5. Экспериментальные исследования режимов наноразмерного профилирования поверхности подложек GaAs методом JIAO.

6. Разработка методик исследования параметров наноструктур GaAs на основе метода АСМ.

7. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ в системе (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

8. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления чувствительного элемента газового сенсора на основе массивов ННК GaAs с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна:

1. Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H20 и Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов МЛЭ GaAs, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК GaAs по автокаталитическому механизму.

2. Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих слоев оксида GaAs и ZnO.

3. Разработана математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

4. Установлены закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом JIAO на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности рабочей атмосферы.

Практическая значимость работы:

1. Определены режимы формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида GaAs и наноразмерных пленок ZnO. Показано, что при температуре 580°С, скорости роста 1 МС/с и давлении мышьяка 4-10"5 Па на собственном оксиде формируются автокаталитические ННК GaAs плотностью 5-Ю8 см'2, длиной 1-6 мкм и диаметром 60-200 нм, а на слое ZnO толщиной 3 нм - ННК GaAs плотностью 1,2-107 см"2, длиной 0,5-1 мкм и диаметром 250-500 нм.

2. Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода JIAO. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получения регулярных массивов оксидных наноразмерных структур (ОНС) GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% - углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.

3. Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143

ГПа а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм - от 40 до 140 ГПа. Также показано, что полученные ННК GaAs имеют р-тип проводимости с удельным

сопротивлением 2 кОм-см.

4. Разработаны конструкция элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов в ячейке памяти с 6 до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

5 Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе-использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9. Положения, выносимые на защиту:

1 Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H20, Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей тегаюфизических свойств соединений и их корреляция с режимами МЛЭ и JIAO.

2. Математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка, которая позволяет учесть влияние летучей компоненты бинарных соединений на геометрические параметры наноструктур.

3. Закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ в 2009-2012 гг.: «Исследование и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической

автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (внутр. №13315); «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. №13013).

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ЗАО «НТ-МДТ» (г. Зеленоград), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА

ЮФУ.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy (Moscow - Zelenograd, 2011); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012); Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010» (г. Калуга, 2010); Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии» (пос. Дивноморское, 2010, 2012); Конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009); Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010); 14-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем ЛЭТИ-2011» (г. С.-Петербург, 2011); Russian - Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (Rostov-on-Don, 2012); XV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, 2011).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010). Является лауреатом конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (г. Ростов-на-Дону, 2010), победителем молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получен патент РФ на изобретение №110866 (приоритет от 07.07.2011 г.)

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Объем работы составляет 163 страницы, включая 77 рисунков, 2 таблицы и 180 наименований списка использованной литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, а также приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор применения и методов получения самоорганизующихся полупроводниковых наноструктур (ППНС). Рассмотрены особенности использования массивов наноструктур в качестве

элементов транзисторных, запоминающих и газочувствительных приборных структур, а также фотоэлектрических преобразователей и приборов оптоэлектроники. Проведен анализ методов получения и позиционирования ППНС, выявлены их достоинства и недостатки. Рассмотрены влияния параметров процесса МЛЭ на характеристики массивов ННК. Выявлены основные требования к материалам каталитических центров (КЦ) для формирования ННК по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК). Рассмотрены особенности авто- и гетерокаталитического механизмов формирования ННК. Проведен анализ существующих математических моделей, описывающих рост ННК. Выявлены основные требования к массивам ППНС и проблемы, возникающие при формировании и использовании массивов самоорганизующихся наноструктур в устройствах микро- и наноэлектроники: необходимость управляемого синтеза массивов ППНС с максимальной однородностью, требуемой плотностью, точным контролем геометрических параметров и взаимного расположения элементов в массиве; необходимость получения ННК с однородной кристаллической структурой; Недостаточная изученность процессов фазообразования и механизмов автокаталитического роста ННК. Сделан вывод о необходимости проведения исследований влияния основных технологических параметров метода МЛЭ на начальную стадию формирования ННК по автокаталитическому механизму с использованием материалов, удаляющихся в процессе роста, и метода ЛАО - на геометрические характеристики массивов ОНС ваАз и морфологию нанопрофилированной поверхности ОаАБ.

Результаты обзора определили цель и постановку задач работы.

Во второй главе проведен термодинамический анализ процессов фазообразования в системах СнЛк-Н20, Са-Ля-О и С.а-Лз-2пО путем расчета с помощью программного пакета FacíSage 6.3 фазовых диаграмм для указанных систем материалов, анализа возможных продуктов реакций, определения основных уравнений химических реакций, расчетов и сравнения температурных зависимостей изменения свободной энергии Гиббса АС(Т) с учетом технологических режимов, реализуемых в модуле МЛЭ БТЕ35 нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Показано, что в системе СаАв-НгО при условиях, реализуемых в методе ЛАО, при взаимодействии между компонентами системы во всем рассматриваемом температурном диапазоне на поверхности ваАв формируется сложный оксид, состоящий преимущественно из ва203 и аморфного Аб (рисунок 1, а).

В условиях МЛЭ анализ фазовых диаграмм в системе Са-Аэ-О в диапазоне температур 25-700°С показал, что в процессе нагрева образца ваАв с пленкой оксида входящие в его состав Ая205 и Аз203 не только взаимодействуют с объемным ОаАэ с образованием Са203 (рисунок 1, б), но и начинают разлагаться с образованием летучих АбО и 02 при 310-340°С (рисунок 2, а), причем при 545°С реакции разложения будут доминировать.

Анализ процессов взаимодействия собственного оксида ваАв с ростовыми компонентами показал, что реакции А5205, Аб203 и йа203 с Са протекают во всем диапазоне рассматриваемых температур с образованием Са2Оэ, а после 520°С -газообразных Са20 и АэО. Взаимодействие с А е., для Аз205 и Аз203,

сопровождающееся образованием АбО, начинается при температурах менее 200°С, а при 400°С начинает доминировать. Для 0а203 реакция с Лз4

1 - СаАз^А5201=Аэ.0,+в8г0/Азг(А5ч) | 2 - СаАз»Са,0,=Са;0+А50 3 - 0аА8+6аг05=Са,0+А52(Ав4) | 4 - СаА5+А5,01«Са^0,+А5,(А8,)

1 - 6аАа»Аз101«0а10,+Аз >000 - 2 - 3 - С1эА9Ж1ОСа.03*Аз*На | 500- 4 - баА5+Аз„0,=6а О.+АвДАа.}! | —т——2--—1 5 0-

3 ■•... .

:..............Г"''::^-;........ .......

1 . ' ***

т."с

а

Рисунок 1 - Зависимости А С(Т) для реакций взаимодействия С а Ах в процессах ЛАО (а), с компонентами собственного оксида (б) и термического разложения оксидов мышьяка (в)

22»- 1 - Ая.О^АэОМЭ^

1500 - \ 1.............. 2-Аз)0>=А50+0г

3 - Мр^ОаА^Ав^-КЗа^О^А^САв.) \

?»■ 4-Аз.0л+СзА5=С*,0*Ая.(А!д \

-т».

-1М0- ........ .....^О-^^Т —'Ив.5

•зосо

•Э7Й0

I 1 Л5;01«Са.Дз<=еаа0*Д5й.А5)(/а.) ; 2-А510,'С®.А84=Сэ)01«АяОАуА54> ! | 3 - А5!01*6Э+А9<=А5101^За,0(+А5,<Аа>) :

Т,°С Т"С

а б

Рисунок 2 - Зависимости АС(Т) для реакций термического разложения оксидов мышьяка (а) и взаимодействия компонент оксида с ростовыми

компонентами(б)

Анализ зависимостей А С(Т) для итоговых реакций между ростовыми компонентами и оксидом ваАв (рисунки 2(6) и 3) показал, что при температурах процесса выше 550°С протекают преимущественно реакции с образованием летучих АвО и 0а20. Параллельно идут реакция синтеза СаАв из ростовых компонент и термической диссоциации ваАв на элементарные составляющие.

1 - А5.0/6а+А51»<5а,0,+А10*Ав:<Ав4)

2 - А5.01+6а*Ав,«<За}ОАзО*Айг<Аз>)

3 - Аз^+Сз+А^Оа.О^Аз^Аз,)

1 - Са,0,*ва-»А54»Саг0+А®,<А5>) ;

2 - 6агО?*6а*А5<:<э8}0+А50*А^(А9,) |

,¡0 ' .¡о ' ' '

Рисунок 3 - Зависимости Ай(Т) для реакций взаимодействия компонент оксида с ростовыми компонентами

Анализ диаграммы состояний для системы ОаАэ-гпО показал сложный, ступенчатый характер взаимодействия в данной системе: до 250°С на гетерогранице идет преимущественное образование арсенидов цинка 7пхАву и 0а203 (рисунок 4, а); при 320°С 2пхАзу разлагаются на элементарные Аб и '¿п (рисунок 4, в), а после 560°С доминируют реакции с образованием летучих соединений.

1 - ггЮ+СаА8=2а+0а}О+Ав}{Ав1) -;

2 - гпОСаА^л+Са^ОАаО

3 - гп0+СаА5-7,п*($а10+А51(А$^

4 • глО+ОаЛв-гп^.'Са^ I

5 - гпО+еаАзвгп+Сэ^^пАв, I в - 2п0*СаАв»гп«Са204?

.....'""'Х"-"'"""^

; 1 - гг^Ав^п+гоА«. \ ; 2 - 2ПЛЗ;=2П*А5.(А5;) I | 3 - 2п,Аз,=2п+А5г(Аз>) |

а б

Рисунок 4 - Зависимости АС(Т) для реакций между внАэ и ХпО (а) и разложения арсенидов цинка (б) Исследование реакций между ZnO, Оа и Аз4 (рисунок 5) показало, что в первом случае взаимодействие идет преимущественно с выделением 0а20 и элементарного Ъъ во всем диапазоне температур, во втором - начинается при 370°С с образованием летучих продуктов. При одновременной подаче ростовых компонент протекают реакции, представленные на рисунке 5(в).

| 1 - I

.' I 2-7оО»Э»-гп*о».0, [

1 • гпоел«^ "гп+Са^ЩЩ :

2 ■ гпОСл-Ал

з гпОСв'А» •2п/л,*Еа,0

4 ■ ?гО«<1з«Аз

а б в

Рисунок 5 - Зависимости £±С(Т) для реакций взаимодействия АпО с ростовыми компонентами Предложена методика выбора материала инициирующего подслоя для формирования ИНК ОаАв по автокаталитическому механизму на основе предварительного термодинамического анализа процессов фазообразования в рассматриваемых системах материалов, проверенная на примере систем Са-Аэ-О и Са-Ав-гпО.

Разработана математическая модель формирования ННК ваАБ, учитывающая давление Лк и его молекулярную форму. Зависимость скорости роста ННК от потока Ая к поверхности определяется выражением:

где О - объем атома в кристаллической фазе, к - коэффициент прилипания атома (молекулы) к КЦ, - поток атомов (молекул) на каплю КЦ, п - коэффициент формы КЦ,./,/« - поток десорбирующихся атомов (молекул) с поверхности КЦ, а

- коэффициент, учитывающий диффузию адатомов с поверхности подложки в каплю КЦ, V* - скорость адсорбции атомов на поверхности, являющаяся функцией соотношения потоков Ш/У. Зная скорость осаждения материала и длительность процесса, можно определить длину ННК ОаАв. На рисунке 6 представлены рассчитанные по разработанной модели зависимости длины ННК

Таким образом, в результате проведенного термодинамического анализа процессов фазообразования в системах ОаАв-НгО, Оа-Ав-О, Са-А5-2пО показано, что: формируемый при ЛАО ОаАя оксид состоит преимущественно из 0а203 и элементарного Аб; в системе Оа-АБ-О взаимодействие идет не только между , оксидом, объемным СаАэ и Са, но и Аэ4, и при температурах выше 550°С доминируют реакции с образованием летучих соединений; взаимодействие в системе Оа-Аз-гпО идет как с ОаАз, так и с йа и Аэ4 с образованием при температурах выше 550°С газообразных продуктов реакций. Предложена методика выбора материала инициирующего подслоя для формирования ННК ваАв по автокаталитическому механизму. Разработана математическая модель формирования ННК йаАБ по автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования режимов формирования КЦ и начального этапа роста ННК ОаАэ по автокаталитическому механизму с использованием в качестве инициирующего подслоя наноразмерных пленок оксида ОаАв и 2п0. Показано, что в случае с оксидом ОаАв предварительное осаждение Оа в диапазоне температур 450-650°С приводит к полному удалению слоя оксида без образования КЦ. В режиме с У=1,5 МС/с, Р£4^=1,0-10"5 Па в области высоких температур (550-600°С) формируются массивы КЦ ва диаметром 250-500 нм, высотой 100-120 нм и плотностью 1-Ю7 см"2, имеющих в основании пьедестал с латеральными размерами 1 мкм (рисунок 7). Рост в диапазоне температур 450-550°С приводил к формированию развитого рельефа без массива КЦ.

В диапазоне температур 560-600°С наблюдается формирование массива КЦ О а плотностью 9,5ТО9 см"2 диаметром 50-200 нм и высотой 10-20 нм с небольшими пьедесталами в основании (рисунок 8).

а б в

Рисунок 9 - Массив ННК С а Аз, полученный при 7*=580°С, ¥={ МС/с Р(Аб4)=3,5-Ю-5 Па: а) и б) РЭМ-изображение, в) зависимость длины ННК от диаметра (линия - расчет по модели) Убывающий характер зависимостей скорости роста и длины от диаметра ННК ОаАв и превышение значений длины и скорости роста над эффективными

О 1.0 2-0 3.0 4.0 5.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

\tm |1ГО

а б в

Рисунок 7 - Массив КЦ Ga, полученный при Г=580°С, V=l,5 МС/с, P(As4)= 1,0-10" Па: а) РЭМ-изображение, б) АСМ фазовый контраст, в) АСМ

а б в

Рисунок 8 - Массив КЦ Ga, полученный при Т=590°С, V=l МС/с, P(As4)=3,5-10"5 Па: а) РЭМ-изображение, б) АСМ рельеф, в) АСМ ток

растекания

Оптимизация основных параметров ростового процесса позволила получить массивы ННК GaAs плотностью 5-Ю8 см"2, длиной 1-6 мкм и диаметром 60-200

толщиной и скоростью осаждения в 30 и 27 раз, соответственно, свидетельствуют о диффузионном характере роста ННК.

При Г=450-550°С формировалась развитая поверхность без признаков КЦ.

В случае с гетероструктурами ОаАъ/ХпО при использовании в качестве инициирующего подслоя пленок ZnO толщиной 20 нм показано, что осаждение СаАз при К=1 МС/с, Р(Аз^=3,5-10"5 Па, Г=500-650°С с предварительным осаждением 10-20 МС СЗа приводит к образованию поликристаллическои структуры, обусловленное сохранением пленки 2пО (р

а б в

Рисунок 10 - Поверхность гпО/ОаАз(001) после осаждения 100 нм ваАв: а)

500°С, 20 нм гпО; б) 580°С, 20 нм гпО; в) 600°С, 3 нм ТпО Показано, что снижение толщины подслоя до 3 нм приводит к структурным изменениям' при 550°С и удалению 7,пО при нагреве до 620-630°С, что коррелирует с данными термодинамического анализа. Осаждение СаАэ с использованием 3 нм гпО при К= 1,5 МС/с, Р(А^МО'5 Па Г=600-650°С приводит к образованию углублений диаметром 200-300 нм, глубинои 150-200 нм

и плотностью 2-107 см"2 (рисунок 10, в).

В результате оптимизации режимов были получены массивы горизонтальных ННК ваАв плотностью 1,2-107 см-2, длиной 0,5-1 мкм, диаметром 250-500 нм, возвышающиеся над уровнем поверхности на 120-160 нм, при Г=580°С, У-1 МС/с, Р^,)=3,5-10"5 Па (рисунок 11).

а б в

Рисунок 11 - Массив ННК GaAs, полученный после осаждения 100 нм GaAs при Г=580°С, F=1 МС/с, P(As4)=4-Ю'5 Па: а) РЭМ-изображение; б) АСМ фазовый контраст; в) АСМ ток растекания Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих

слоев оксида GaAs и ZnO: на первом этапе в подслое за счет взаимодействия инициирующего материала с GaAs формируются окна, на втором этапе за счет торможения реакций между компонентами системы в окнах формируются капли Ga, на третьем этапе в капле на границе жидкость/кристалл начинается кристаллизация материала и рост ННК, на четвертом, заключительном, этапе с поверхности GaAs удаляются остатки материала подслоя.

Проведены исследования и разработана методика определения механических параметров полученных ННК GaAs методом АСМ, основанная на определении по данным силовой спектроскопии (рисунок 12, а) отклонения ННК под действием внешней силы с последующим вычислением жесткости на изгиб и модуля Юнга Проведенный с использованием разработанной методики анализ показал (рисунок 12), что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143 ГПа. Кроме того, с увеличением длины кристалла с 2 до 6 мкм модуль Юнга также возрастает с 40 до 140 ГПа.

а « в

Рисунок 12 - Зависимости DFL(Height) (а), модуля Юнга ННК GaAs от аспектного соотношения (б) и длины (в) Проведены исследования и разработана методика определения электрических параметров ННК GaAs методом АСМ, не требующая дополнительных операций фиксации ННК GaAs. Показано, что полученные ННК GaAs имеют р-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОмсм.

Проведены экспериментальные исследования влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности (рисунок 13). Для исследования глубины профилирования ОНС GaAs удалялись в модуле МЛЭ путем осаждения Ga при 500°С для инициирования реакции, рассмотренных во второй главе.

Рисунок 13 - Нанопрофилированная методом ЛАО поверхность GaAs: а-удаления ОНС, б - после удаления ОНС, в - профилограмма

Показано, что увеличение влажности рабочей атмосферы от 60 до 90% при Г=25°С ¡7=10 В, ¿=1000 мс, Set Point=0,1 нА диаметр и высота ОНС GaAs изменяются от 90до 150 нм и 2,5 до 4,2 нм, соответственно (рисунок 14).

.о.

а. '

/Y/i Г __%■ .. -А ' ..... • . р*......т

. /у д..".....

Рисунок 14 - Зависимость высоты и диаметра ОНС GaAs от влажности Показано, что изменение амплитуды импульса напряжения с 8 до 15 В при /=500 мс Set Point=2 нА и влажности 90% приводит к увеличению высоты ОНС с 2,9 до 5,1 нм, а глубины профилирования с 2,6 до 4,5. Увеличение длительности импульса с 100 до 800 мс приводит к изменению высоты ОНС с 1,9 до 3,8 нм и глубины с 1,7 до 4,1 нм при 10 В и с 3,8 до 6,3 нм и с 3,4 до 4,9 нм при 15 В. Зависимость параметров от Set Point имеют убывающий характер с насыщением в области 1-2 нА (рисунок 15).

а б

Рисунок 15 - Зависимость высоты ОНС GaAs и глубины профилирования от

амплитуды (а), длительности (б) импульса напряжения и Set Point (в) Зависимости диаметра ОНС GaAs и глубины профилирования поверхности GaAs представлены на рисунке 16 и имеют аналогичный характер: возрастающий - при росте значений {/и t, и убывающий - при увеличении Set Point.

«яме»

1 •

а б в

Рисунок 16 - Зависимость диаметра ОНС GaAs и углублений от амплитуды (а), длительности (б) импульса напряжения и Set Point (в)

Шероховатость поверхности ОаАв между углублениями составила 0,8±0,25 нм, что на порядок меньше глубины профилирования и позволяет использовать разработанную методику структурирования поверхности в качестве метода позиционирования самоорганизующихся ППНС.

Таким образом, проведены экспериментальные исследования начальной стадии формирования ННК СаА$ по автокаталитическому механизму с использованием пленок оксида ОаАэ и 7пО, определены оптимальные режимы синтеза и получены массивы ННК ОаАэ, установлены условия термического удаления 7,пО с поверхности СаАэ, установлены закономерности начальной стадии формирования ННК ваАз с использованием разрушающихся в процессе роста материалов подслоя, разработаны методики определения механических и электрических свойств ННК СаАэ, проведены экспериментальные исследования и установлены закономерности влияния параметров ЛАО на морфологию поверхности ОаАэ в процессе наноразмерного профилирования.

В четвертой главе предложена конструкция газочувствительного элемента резистивного типа на основе неупорядоченного массива ННК ОаАв (рисунок 17, а), итерированного со схемой обработки сигнала, позволяющего, согласно оценкам, отказаться от нагревательного элемента и осуществлять дегазацию активной части структуры на основе эффекта саморазогрева полупроводника при напряжения 10 В. В качестве активной части структуры выступают массивы ориентированных ННК ОаАв, длиной порядка 2 мкм.

б

Рисунок 17 - Схема газочувствительного (а) и запоминающего (б) элемента Разработана конструкция элемента памяти оперативного запоминающего устройства (рисунок 17, б) с использованием упорядоченных массивов ([п,Оа)А5/(1п,6а,А1)Аз КТ, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации. Для достижения эффекта в подзатворной области А1(1п,Оа)А5/([п,Оа)Аз/А1(1г1,Оа)А5 НЕМТ-структуры формируется структура, содержащая несколько слоев с упорядоченными в латеральном и вертикальном направлениях массивами КТ с заданной плотностью и размерами и

выступающая в роли структурно- и функционально-интегрированной емкостной ячейки. Операции записи, считывания и стирания осуществляются путем изменения величины напряжения затвор-сток.

Для проверки технических решений методом МЛЭ были выращены АЮаАз/1пОаАз/ОаАз РНЕМТ-структуры, с концентрацией носителей в слое двумерного электронного газа 1,83-Ю12 см"3 и подвижностью 7395 см/В-с. На основе полученных гетероструктур изготовлены РНЕМТ-транзисторы, выходные В АХ которых приведены на рисунке 18(а). Проведено моделирование В АХ этих транзисторов с учетом упругих напряжений в канале, что позволяет улучшить корреляцию расчетной и реальной ВАХ. Оценки, проведенные с использованием параметров изготовленного АЮаАз/ШОаАз/ОаАз РНЕМТ, показали, что введение в подзатворную область массива КТ 1пАз плотностью 2-10° см" снижает ток /, с 27 до 20 мА при УГ2 В и КА=1 В (рисунок 18, в). Увеличение плотности КТ в массиве до 4- Ю10 см"2 либо использование 2 массивов КТ с плотностью 2-10 см снижает /¿до 15 мА.

а б

Рисунок 18 - Экспериментальная (а) и расчетные без КТ (б) и с КТ (в) ВАХ

РНЕМТ-транз истор а На основе проведенных исследований предложены маршруты изготовления интегрированного газочувствительного элемента на основе массива ННК ОаАзи запоминающего элемента с упорядоченными массивами (1п,Оа)Аз/(1п,Оа,А1)А8 КТ с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАЬ К-У. В заключении сформулированы основные результаты работы: 1 Теоретически исследованы термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Оа-Аз-О, 0а-Аз-Н20 и Са-Аз-2пО с учетом нелинейных температурных зависимостей тешюфизических свойств соединений и режимов МЛЭ СаАз, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК ОаАз по

автокаталитическому механизму.

2. Разработана математическая модель формирования автокаталитических

ННК ОаАз с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

3 Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК СаАз с использованием оксида СаАз и

2П4)" Определены режимы формирования ННК ОаАз по автокаталитическому механизму с использованием наноразмерных пленок оксида ваАз и 7лЮ.

5. Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода JIAO. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получения регулярных массивов ОНС GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% - углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.

6. Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143 ГПа, а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм - от 40 до 140 ГПа. Показано, что полученные ННК GaAs имеют р-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОм-см.

7. Разработаны конструкция элемента памяти с упорядоченными массивами KT (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов с б до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

8. Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

В приложении фазовые диаграммы взаимодействия, акты внедрения результатов работы на предприятиях и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЫ

Работы, опубликованные в перечне периодических научных изданий, рекомендованных ВАК РФ:

1. Агеев O.A., Коноплев Б.Г., Рубашкина М.В., Рукомойкин A.B., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование влияния геометрических параметров на модуль Юнга ориентированных нитевидных нанокристаллов GaAs методом

атомно-силовой микроскопии//Российские нанотехнологии -2013 -№1-2 Т8

-С. 20-25. ' ' ' '

2. Агеев O.A., Авилов В.И., Рукомойкин A.B., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления // Известия вузов ЭЛЕКТРОНИКА -2012.-№2(94)-С. 43-50.

3. Агеев O.A., Варзарев Ю.Н., Рукомойкин A.B., Солодовник М.С Получение и исследование НЕМТ-структур на основе GaAs для СВЧ-полевых транзисторов на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Известия

ЮФУ. Технические науки.-2011.-№4(117).-С. 13-21.

4. Рукомойкин A.B., Солодовник М.С. Формирование и исследование арсенид-галлиевых наноструктур на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011 .-№ 4 (117). - С. 237-238.

5 Агеев О А Авилов В.И., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия// Известия ЮФУ. Технические науки. — 2011. —№ 4 (117). - С. 8-13.

6 Агеев OA., Коломийцев А.С., Михайличенко А.В., Смирнов В.А., Пташник В.В., Солодовник М.С., Федотов А.А., Замбург Е.Г., Климин B.C., Ильин О И. Громов А.Л., Рукомойкин А.В. Получение наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. - № 1. - С. 109-116.

Публикации в других изданиях:

7 Авилов В И Смирнов В.А., Солодовник М.С. Зондовая нанолитография оксидных наноразмерных структур на поверхности арсенида галлия // Тезисы докладов 14й научной молодежной школы «Физика и технология микро- и

наносистемЛЭТИ-2011 ».-Санкт-Петербург, 2011.-С. 57-58.

8 Ageev О.А., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Solodovmk M.S. Determination of Young's Modulus of Gallium Arsenide Whiskers by Atomic Force Microscopy // Russian - Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New

Materials and Their Applications».-Rostov-on-Don, 2012.-P. 3.

9 Ageev О A Rukomoikin A.V., Solodovnik M.S. Autocatalytic Growth of Whiskers on GaAs(100) by MBE // Russian - Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications». - Rostov-on-Don, 2012. - P. 2.

10 Агеев OA Рукомойкин A.B., Солодовник М.С. Формирование наноструктур GaAs методом МЛЭ и их исследование на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Тезисы докладов VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. - Ростов-на-

Д°П' 2°Рубашкина М.В., Солодовник М.С. Исследование ориентированных нитевидных кристаллов GaAs методом атомно-силовой микроскопии // Тезисы докладов VIII ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых

кафедр ЮНЦ РАН.-Таганрог, 2012.-С. 203-204.

12 Агеев О А Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Разработка технологии изготовления наногетероструктур GaAs/InGaAs/AlGaAs методом МЛЭ на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Сборник работ лауреатов конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундамент^е и прикладные проблемы современной техники». - Ростов-на-Дону, 2010. - С. 64-73.

13 Агеев OA Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Формирование гетепостоуктур на основе арсенида галлия методом молекулярно-лучевои эпитаксии на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Материалы Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ЮФО «Студенческая научная весна - 2009». - Новочеркасск, 2009.-С. 248-249.

14 Рукомойкин А.В., Солодовник М.С. Выращивание структур на основе GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии на нанотехнологическом комплексе НАНОФАБ НТК-9 // Сборник тезисов докладов победителей студенческих научных конференций, проходящий в рамках «Недели науки». -Ростов-на-Дону, 2008. - Т. 2. - С. 179-182.

15. Агеев O.A., Рукомойкин A.B., Солодовник М.С. Получение и исследование AlGaAs/GaAs НЕМТ-структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Труды международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии - 2010». - Дивноморское, 2010. -4.2. — С. 60-62. '

,£геев 0,А' рУкомойкин A.B., Солодовник М.С. Формирование AlGaAs/GaAs НЕМТ-структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии // X всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «КРЭС-2010» -Таганрог, 2010. - С. 19.

17. Агеев O.A., Авилов В.И., Смирнов В.А., Солодовник М.С. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Труды международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии-2010». - Дивноморское, 2010. - Ч. 2. - С. 37-39.

18. Агеев O.A., Рубашкина М.В., Солодовник М.С. Исследование механических свойств ориентированных нитевидных кристаллов арсенида галлия методом атомно-силовой спектроскопии // Труды международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - 2012». - 2012. - С. 86-87.

Патенты:

19. Агеев O.A., Коноплев Б.Г., Рукомойкин A.B., Солодовник М.С. Элемент памяти динамического оперативного запоминающего устройства // Патент РФ на полезную модель. -2011. -№ 110866.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат- в [1 2 14, 15] — подготовка образцов, обработка результатов экспериментов; [7 16 18' 19] - изготовления экспериментальных образцов; [3 - 5, 8 - 13, 17] - проведение экспериментальных исследований влияния режимов, анализ экспериментальных зависимостей; [19] - написание и согласование заявки на патент.

Тип. ЮФУ Заказ Х^^ир. Экз. 100

Издательство Южного федерального университета в г. Таганроге

ГСП - 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Типография Южного федерального университета в г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201364771 На правах;рукописи

Солодовник Максим Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ

МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор О.А. Агеев

Таганрог — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР......................................................................................................13

1.1 Применение полупроводниковых наноструктур............................................................................................13

1.1.1 Транзисторные структуры....................................................................................................................................13

1.1.2 Чувствительные элементы газовых сенсоров......................................................................................17

1.1.3 Элементы памяти..........................................................................................................................................................19

1.1.4 Оптоэлектронные устройства............................................................................................................................22

1.1.5 Фотоэлектрические преобразователи..............................................................................................................23

1.2 Методы формирования полупроводниковых наноструктур............................................................25

1.2.1 Методы позиционирования наноструктур..................................................................................................26

1.2.2 ФИП-профилирование поверхности............................................................................................................27

1.2.3 СЗМ-профилирование поверхности............................................................................................................29

1.3 Структура и удаление собственного оксида ваАз..............................................................................................................32

1.4 Особенности и механизмы роста ННК..................................................................................................................33

1.4.1 Материалы катализатора........................................................................................................................................34

1.4.2 Адсорбционно- и диффузионно-стимулированный рост..........................................................35

1.4.3 Зависимость параметров ННК от условий осаждения.............................................36

1.5 Выводы и постановка задач..........................................................................................................................................38

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ

НАНОСТРУКТУР АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ........................................................................................................................................40

2.1 Термодинамический анализ процессов межфазного взаимодействия

при локальном анодном окислении СаАв......................................................................................................................40

2.2 Термодинамический анализ процессов межфазного взаимодействия на поверхности ваАз в условиях МЛЭ..............................................................................................................................43

2.2.1 Анализ процессов взаимодействия в системе ва-Ав-О..............................................................43

2.2.2 Анализ процессов взаимодействия в системе ва-Ав^лО......................................................54

2.2.3 Разработка методики выбора материала подслоя................................................................................62

-32.3 Моделирование роста автокаталитических ННК GaAs..........................................................................................63

2.4 Выводы по главе..........................................................................................................................................................................72

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ..................................................................73

3.1 Используемое оборудование и подготовительные операции............................................................73

3.2 Исследование режимов формирования автокаталитических ННК GaAs............................75

3.2.1 Исследование режимов формирования ННК GaAs на собственном оксиде............76

3.2.2 Исследование режимов формирования ННК GaAs на слое ZnO..........................................89

3.2.3 Закономерности начальной стадии формирования ННК GaAs....................................................96

3.3 Разработка методик анализа и исследование характеристик ННК GaAs на

основе метода АСМ..........................................................................................................................................................................101

3.3.1 Разработка АСМ-методики анализа механических свойств ННК GaAs........................101

3.3.2 Разработка АСМ-методики анализа электрических свойств ННК GaAs..................108

3.4 Исследование режимов наноразмерного профилирования поверхности GaAs методом ЛАО..........................................................................................................................................................................................113

3.4.1 Исследование влияния влажности на характеристики ОНС GaAs..................................114

3.4.2 Исследование влияния параметров процесса ЛАО на режимы

......наноразмерного профилирования поверхности GaAs..............................................................................120

3.5 Выводы по главе..........................................................................................................................................................................128

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУР АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ В

ЭЛЕМЕНТАХ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ............................................................................................130

4.1 Разработка конструкции элемента памяти......................................................................................................130

4.2 Разработка конструкции газочувствительного сенсора..........................................................................139

4.3 Разработка технологических маршрутов формирования элементов микро- и наноэлектроники с использованием комплекса НАНОФАБ НТК-9................................................141

4.4 Выводы по главе......................................................................................................................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ А «Документы о внедрении и использовании результатов

диссертационной работы»............................................................................................................................................................161

-4-

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ППНС - полупроводниковая наноструктура

ННК - нитевидный нанокристалл

КТ — квантовая точка

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

JIAO — локальное анодное окисление

ОНС - оксидная наноразмерная структура

РЭМ - растровая электронная микроскопия

ПТ — полевой транзистор

КЦ - каталитический центр

ХЛЭ — химическая лучевая эпитаксия

ВАХ - вольтамперная характеристика

ZB — кубическая структура кристаллической решетки (цинковой обманки, сфалерита)

WZ - гексагональная структура кристаллической решетки (вюрцита)

СЛГТ - селективно-легированный гетероструктурный транзистор

МСКЯ - многослойная структура с квантовыми ямами

МОГФЭ — газофазная эпитаксия из металлорганических соединений

ФИЛ - фокусированные ионные пучки

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия

МС - монослой

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

-5-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

Арсенид галлия совместно с другими арсенидами металлов III группы широко используются в современной электронике, занимая доминирующее положение в ряде областей благодаря особенностям кристаллической и энергетической структуры. Формирование на их основе ППНС, обладающих уникальными структурными, оптическими, электрофизическими и транспортными характеристикам, обусловленным размерными эффектами, открывает широкие перспективы для улучшения характеристик существующих устройств микро- и наноэлектроники и созданию приборов на новых эффектах. Особенно большое внимание в связи с этим уделяется самоорганизующимся наноструктурам - ННК и КТ.

На существующем этапе развития приборостроения и полупроводниковой технологии актуальной задачей является управляемый синтез ННК и КТ, позволяющий формировать регулярные массивы ППНС с требуемыми параметрами. Актуальность использования комбинации методов МЛЭ и АСМ для разработки технологических процессов формирования массивов ННК и КТ с заданными характеристиками обусловлена наличием in-situ контроля и широким набором ростовых методик в методе МЛЭ, в том числе, основанных на эффектах самоорганизации, и прецизионного контроля параметров и позиционирования наноструктур, присущих методу АСМ. Для разработки технологии управляемого формирования ННК и КТ необходимо проведение дополнительных исследований процессов автокаталитического роста ННК GaAs и режимов АСМ-обработки поверхности GaAs методом ЛАО.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ формирования методом МЛЭ массивов самоорганизующихся наноструктур (ННК и КТ) на основе GaAs с использованием собственного оксида для активных элементов устройств микро- и наноэлектроники.

Основные задачи исследований:

1. Обобщение и выявление основных требований к характеристикам и методам получения массивов ННК и КТ на основе GaAs для применения в приборах микро- и наноэлектроники.

2. Теоретические исследования термодинамических закономерностей межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H20 и Ga-As-ZnO при формировании наноструктур на основе GaAs.

3. Теоретические исследования процессов формирования ННК GaAs методом МЛЭ по автокаталитическому механизму.

4. Экспериментальные исследования режимов начальной стадии формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида.

5. Экспериментальные исследования режимов наноразмерного профилирования поверхности подложек GaAs методом ЛАО.

6. Разработка методик исследования параметров наноструктур GaAs на основе метода АСМ.

7. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ в системе (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

8. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления чувствительного элемента газового сенсора на основе массивов ННК GaAs с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна:

1. Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-НгО и Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов МЛЭ GaAs, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК GaAs по автокаталитическому механизму.

-72. Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих слоев оксида GaAs и ZnO.

3. Разработана математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.

4. Установлены закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом JIAO на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности рабочей атмосферы.

Практическая значимость работы:

1. Определены режимы формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида GaAs и наноразмерных пленок ZnO. Показано, что при температуре 580°С, скорости роста 1 МС/с и давлении мышьяка 4-10"5 Па на собственном оксиде формируются автокаталитические ННК GaAs плотностью 5-108 см'2, длиной 1-6 мкм и диаметром 60-200 нм, а на слое ZnO толщиной 3 нм - ННК GaAs плотностью 1,2* 107 см"2, длиной 0,5-1 мкм и диаметром 250-500 нм.

2. Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода JIAO. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получение регулярных массивов ОНС GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% - углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.

3. Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143 ГПа, а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм - от 40 до 140 ГПа. Также показано, что полученные ННК GaAs имеют р-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОмсм.

4. Разработаны конструкция элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов в ячейке памяти с 6 до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

-85. Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H20, Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и их корреляция с режимами МЛЭ и ЛАО.

2. Математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка, которая позволяет учесть влияние летучей компоненты бинарных соединений на геометрические параметры наноструктур.

З.Закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ в 2009-2012 гг.: «Исследование и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (внутр. №13315); «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на

-92007-2012 годы» (внутр. №13013).

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ЗАО «НТ-МДТ» (г. Зеленоград), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ЮФУ.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy (Moscow -Zelenograd, 2011); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012); Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010» (г. Калуга, 2010); Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии» (пос. Дивноморское, 2010, 2012); Конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009); Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010); 14-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем ЛЭТИ-2011» (г. С.Петербург, 2011); Russian - Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (Rostov-on-Don, 2012); XV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, 2011).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010). Является лауреатом конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (г. Ростов-на-Дону, 2010), победителем молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получен патент РФ на изобретение №110866 (приоритет от

-1007.07.2011 г.)

Стру