|
|
НАНО. 1. Электрические, механические свойства и элементы технологии получения квазиодномерных и квазидвумерных полупроводниковых наноструктур
1. Электрические, механические свойства и элементы технологии получения квазиодномерных и квазидвумерных полупроводниковых наноструктур.
1.1 Обзор и актуальность.
Развитие современной полупроводниковой электроники включает применение нанотехнологий, которые определяются как наука и техника создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях. Нанотехнологии должны обладать атомной точностью при получении полупроводниковых наносистем с необходимым химическим составом и конфигурацией и включают методы комплексной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе изготовления и управление на этой основе технологическими процессами.
Развитие нанотехнологий было стимулировано разработкой полупроводниковых наноструктур, выращенных методами молекулярно-пучковой и металлоорганической эпитаксии, и созданием на их основе принципиально новых приборов и устройств электроники и оптоэлектроники, широко используемых сейчас в системах хранения, пердачи и обработки информации (лазеры на квантовых ямах и свехрешетках, СВЧ – транзисторы с двумерным электронным газом и др.).
Мощным толчком развития нанотехнологий послужило открытие в 80-х годах ХХ века туннельной микроскопии, идеи которой легли в основу разработки широкого спектра современных зондовых методов диагностики материалов на наноуровне, а также ряда технологических приемов (нанолитография, молекулярная сборка, саморганизация). Существенно усовершенствованы известные технологии (электронная и рентгеновская литография, техника сфокусированных ионных пучков) и диагностические методы (электронная микроскопия свервысокого разрешения, сканирующая зондовая микроскопия, рентгеновские методы, в том числе с использованием синхротронного излучения, фемтосекундная спектроскопия), что позволяет контролируемым образом создавать наноструктуры, наноматериалы и устройства различного назначения на их основе.
Современный опыт разработки приборов и устройств на основе квантовых гетероструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства с гигантским магнитосопртивлением) показывает, что результаты фундаментальных исследований в этой области находят практическое применение за весьма короткое время. Эти достижения уже в ближайшие годы способны привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности – в электронике, информатике, энергетике, медицине и др. По оценкам зарубежных экспертов объем мировго рынка нанотехнологий к 2010 году составит более 1 трлн. долларов США.
Развитие в стране нанотехнологий и связанных с ними направлений науки, техники и производства направлено на повышение конкурентоспособности и расширение присутствия России на мирвом рынке, повышение степени безопасности страны путем широкого внедрения специальной наносистемной техники, совершенствования вооружений, военной и специальной техники.
1.2 Классификация наноразмерных структур
Объекты, имеющие малые (менее 100 нм) размеры могут быть разделены на нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы), одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки), двумерные/ квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов) и трехмерные/ квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) по количеству направлений в которых линейные раз-меры L >> 100 нм. На рис. 1 представлена классификация наноструктур, подробная классификация наноразмерных структур (НРС) дана в табл. 1.
Рисунок 1. Классификация наноразмерных структур
Таблица 1. Классификация наноструктур по топологии
Одномерными принято называть наноструктуры. размер которых в одном направлении значительно превосходит размеры в двух других, причем последние находятся в "нано" диапазоне (то есть менее 100 нм). В зависимости от соотношения геометрических размеров в различных направлениях можно выделить следующие типы одномерных наночастиц:
Lс >> La ≈ Lb размер в одном из направлений значительно (более чем на порядок) превосходит размер в двух других, а частицу можно условно считать цилиндрической с высотой, значительно превосходящей ее диаметр. Такого рода частицы называют "нитевидными" наночастицами или нанонитями (nanowires). К нитевидным наноструктурам нередко относят и вискеры - нитевидные кристаллы с толщиной от 30 нм и соотношением длины к толщине более 1000.
Lс > La ≈ Lb: длина наночастицы превышает диаметр не более чем на один порядок, частицы схожи с цилиндрами, незначительно вытянутыми вдоль оси. В литературе такие объекты называют "наностержнями'' (nanorods).
Lс>> La > Lb: в случае, когда различием в длин ах вдоль осей, перпендикулярных оси, пренебречь нельзя, вводят термин "наноленты" (nanobelts).
Вискеры (от англ. whisker – волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – это нитевидные кристаллы c диаметром от 1 до 10 мкм и отношением длины к диаметру >1000. С точки зрения как фундаментальной науки, так и практики вискеры являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств. Они, как правило, имеют совершенное, почти идеальное бездислокационное строение, что исключает обычные механизмы пластической деформации и приближает их прочность к теоретическому для данного вещества порогу. Вискеры в десятки и даже сотни раз прочнее обычных кристаллов, они обладают поразительной гибкостью, коррозионной стойкостью и кристаллографической анизотропией свойств.
Получение «усов» сверхчистых металлов и алмаза, нитевидных кристаллов кремния или сверхпроводящих вискеров Bi2Sr2CaCu2O8 стало классикой современной химии функциональных материалов.
Подобная необычная форма кристаллов интересна не только с точки зрения исследования механизма ее образования, но и из-за своих специфических физико-химических характеристик, что делает весьма актуальными любые новые исследования в этой области. Представляя собой одномерную кристаллическую систему, вискеры могут найти широкий диапазон применений – от упрочняющих волокон до устройств наноэлектроники.
Помимо вышеперечисленных типов одномерных наноструктур существует целый класс тубулярных нано систем (или нанотрубок), которые представляют собой полые цилиндрические образования с крайне малой (до одного атомного слоя) толщиной стенок.
Круг веществ, способных образовывать одномерные наноструктуры, очень широк. Нанонити способны формировать простые вещества (С, Si, Gе, Sb, Se, Аu, Ag, Fе, Ni, Сu и другие), бинарные соединения, например оксиды (MgO, Аl2O3, Gа2O3, SnO2, SiO2, TiO2, ZnO и др.), нитриды (BN, AIN, InN, GaN, Si3N4), карбиды (SiC, TiC, карбиды алюминия и бора), халькогениды (ZnS, ZnSe. PbS, CdTe) и более сложные соединения, такие, как манганиты ( Ba6Mn24O48), сверх проводящие купраты (Bi2Sr2CaCu2O8), белковые молекулы, РНК и т.д.
Таким образом, в зависимости от природы материала можно синтезировать широкий круг одномерных наноструктур с различными функциональными свойствами (оптическими, магнитными, механическими или биологическими).
К двумерным наноструктурам традиционно относят тонкие пленки толщиной до сотен нанометров, а также двумерные массивы объектов, размеры оторых лежат в нанометровом диапазоне.
В отличие от большинства наносистем, двумерные наноструктуры уже давно находят фактическое применение в самых различных направлениях. Они широко используются в качестве оптических и антиадгезионных покрытий, в технологии получения кабелей на основе сверхпроводников, при создании химических или оптических сенсоров, а также в микро- и нано электронике. Ввиду столь широкого распространения в совершенно раз двумерные нано структуры личных областях технологии, создание единого подхода к получению двумерных наноструктур оказывается попросту невозможным.
В каждом конкретном случае необходимо подбирать оптимальную технологию в зависимости от природы получаемого материала (металл, полупроводник, диэлектрик, магнетик), требований, предъявляемых к покрытию (кристалличность, гладкость поверхности пленки, размер частиц), а также от возможностей и степени развития данного метода (скорость процесса, стоимость прекурсоров, чистота материала. однородность и возможность получения покрытий большой площади или, наоборот, точность воспроизведения мелких деталей структуры).
Слоистые нанокомпозиты создают на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые встречаются, например, в глинах. Слой монтмориллонита толщиной 1нм в ходе реакции ионного обмена насыщают мономерным предшественником с активной концевой группой (e-капролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или эпоксидной смолой), а затем проводят полимеризацию. Так получают слоистые нанокомпозиты с высоким содержанием керамики. Эти материалы характеризуются высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью. Но даже и небольшое количество алюмосиликата значительно улучшает механические и барьерные свойства полимера.
Твердость пленки сильно зависит от ее толщины и природы, однако в любом случае с увеличением размера кластера твердость пленки падает в соответствии с законом Холла-Петча подобно обычному наноматериалу. Твердость нитридных пленок весьма чувствительна к давлению азота при синтезе, температуре отжига и количеству слоев.
Важным типом трехмерного наноструктурированного материала является компактный или консолидированный (bulk) поликристалл с зернами нанометрового размера, весь объем которого заполнен нанозернами, свободная поверхность зерен практически отсутствует, и имеются только границы раздела зерен — интерфейсы.
Образование интерфейсов и «исчезновение» поверхности наночастиц (нанозерен) — принципиальное отличие трехмерных компактных наноматериалов от нанокристаллических порошков разной степени агломерации, состоящих из частиц такого же размера, как и компактный наноструктурированный материал.
К керамическим наноматериалам относят волокна и пленки толщиной более 100 нм, если они состоят из элементов структуры размером менее 100 нм или содержат элементы структуры размером менее 100 нм, но при условии, что именно наноразмерные элементы структуры определяют их важнейшее эксплуатационное свойство.
Следует отметить, что элементы структуры с наноразмерами всегда имеются в любом традиционном керамическом материале, но в наноматериалах они определяют их важнейшее эксплуатационное свойство. Если материал (1-, 2-, 3-мерный) не состоит только из однофазных элементов структуры размером менее 100 нм, но содержит керамические элементы структуры.
Керамика, в которой размер частиц не превышает 100 нм, может показывать уникальные свойства, обусловленные их наноразмером – магнитные, электрические и др. В такой нанокерамике объем, занимаемый границами между наночастицами, соизмерим с объемом, занимаемым частицами. Границы имеют разупорядоченную (в отличие от упорядоченной кристаллической) структуру и имеют меньшую плотность, поэтому плотность беспористой нанокерамики также оказывается ниже, чем у обычной керамики с кристаллами размером значительно больше 100 нм.
Такая керамика должна обладать при нагревании высокой пластичностью (способностью к деформации) и даже сверхпластичностью (способностью к очень большой деформации). Это открывает перспективу к получению изделий из керамики методами, разработанными в металлургии –выдавливанием, протяжкой и т.д.
1.3 Электрические свойства полупроводниковых наноструктур.
Современный научно-технический прогресс несомненно определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. Последние достижения науки показывают, что, в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей.
Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интер-ференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.
Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника). Новые возможности в повышении мощности, температурной и радиационной стойкости, расширении диапазона частот, улучшении эргономических характеристик приборов открывает направление, в котором синтезируются идеи и технологические достижения вакуумной и твердотельной электроники (вакуумная наноэлектроника).
Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются отдельные слои структуры («зонная инженерия»), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями («инженерия волновых функций»). Наряду с квантово-размерными планарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нуль-мерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.
Нанотехнологии призваны решить следующие задачи в электронике [1]:
- резкое повышение производительности вычислительных систем;
- резкое увеличение пропускной способности каналов связи;
- резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат;
- резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и расширение спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;
- создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;
- существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.
Резкое повышение производительности вычислительных систем необходи-мо в связи с переходом технологии интегральных схем к нанометровому масс-штабу. В табл. 2 приведен прогноз уменьшения характерных размеров ИС па-мяти и процессоров (ITRS Roadmap 2002), в табл. 3 — перспектива уменьшения энергии на одно переключение.
Таблица.2
|
Year of production, нм
|
2003
|
2010
|
2013
|
2016
|
DRAM
|
1/2 Pitch
|
100
|
45
|
32
|
22
|
MPU
|
1/2 Pitch
|
107
|
45
|
32
|
22
|
MPU
|
Printed Gate Length
|
65
|
25
|
18
|
13
|
MPU
|
Physical Gate Length
|
45
|
18
|
13
|
9
|
Таким образом, развитие «традиционной микроэлектроники» подразумевает переход к нанотехнологии. Развитие нанотехнологии позволит сконструировать и принципиально новые элементы ИС, такие, например, как «одноэлектронные» устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или сверхбыстродействующие биполярные Si—Ge-транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. Устройства на основе наноструктур принципиально необходимы и для считывания информации в вычислительном процессе из-за предельно низких уровней сигналов. Примером могут служить магнитные считывающие устройства, основанные на эффекте гигантского магнетосопротивления, возникающем в слоистых металлических магнитоупорядоченных средах с толщиной слоев в несколько нанометров.
Таблица 3
Год
|
Энергия на
|
|
переключение, фДж
|
2003
|
0,137
|
2010
|
0,015
|
2013
|
0,107
|
2016
|
0,002
|
Резкое увеличение пропускной способности каналов связи подразумевает создание высокоэффективных излучающих и фотоприемных устройств для ВОЛС и устройств СВЧ-техники для терагерцового и субтерагерцовых диапазонов. Следует отметить, что эффективные лазерные диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехнологии, поскольку они представляют собой квантово-размерные наногетероструктуры с характерной толщиной слоев в несколько нанометров. Эффективные фотоприемные устройства также базируются на таких полупроводниковых гетероструктурах. Дальнейшее развитие излучающих и фотоприемных приборов с неизбежностью связано с развитием нанотехнологии квантовых точек — нанообластей в полупроводнике, ограничивающих движение электронов в трех направлениях. Здесь можно ожидать появления устройств принципиально нового типа, использующих квантово-механические закономерности.
То же относится и к твердотельным устройствам СВЧ-электроники. Переход на наноуровень позволит существенным образом улучшить характеристики СВЧ-транзисторов и создать приборы, основанные на квантово-механических эффектах (например, резонансно-туннельные диоды и приборы на основе сверхрешеток).
Резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат связано с развитием нескольких направлений. Прежде всего, это монолитные и гибридные матрицы светоизлучающих диодов (когерентных и некогерентных). И здесь наиболее эффективны и многофункциональны полупроводниковые источники на основе наноструктур. Полупроводниковые лазеры средней и большой мощности, изготовленные на основе наноструктур, эффективны для использования в проекционных системах различного назначения (в том числе для проекционных телевизоров). Наноструктурированные материалы (например, на основе углеродных нанотрубок) чрезвычайно перспективны при создании эффективных катодов для плазменных панелей любой площади.
Резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и значительное расширение спектра измеряемых величин как путем улучшения характеристик уже существующих приборов и устройств при переходе к размерам, при которых становятся существенными квантово-механические эффекты, так и за счет создания принципиально новых приборов, основанных на возможности «калибровать» различные объекты (атомные кластеры и молекулы) в нанометровом диапазоне размеров и использовать высокую поверхностную чувствительность наноструктурированных материалов. Примером использования нанотехнологий для этих целей может служить создание на основе квантовых полупроводниковых наноструктур лазеров дальнего и среднего ИК-диапазонов, позволяющих контролировать загрязнение атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.
Создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов — важнейшая задача современного общества. На освещение сейчас расходуется около 20 % потребляемой в мире энергии, и перевод хотя бы половины освещения на высокоэкономичные полупроводниковые источники света на основе наноструктур существенно уменьшит мировые затраты энергии.
Существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях. Благодаря возможности создавать с помощью нанотехнологий вещества и структуры с наперед заданным оптическим спектром можно «настраивать» источники и приемники излучения, что позволяет селективно воздействовать на биологические и химические процессы и получать сигналы в необходимых спектральных диапазонах для контроля таких процессов. Другое важное обстоятельство состоит в том, что именно благодаря применению наноструктур удается использовать очень компактные мощные источники лазерного излучения. Это позволит развить высокоточные, экономичные и экологически чистые технологии обработки материалов. Эти же источники очень эффективны для применения в медицине.
Интерес к физике низкоразмерных структур связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Результатом исследований низкоразмерных систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже широко известных явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляции, а также многое другое. Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании низкоразмерных систем (структуры с квантовыми ямами, самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями). Наиболее выдающиеся достижения в этой области отмечены тремя Нобелевскими премиями по физике (1985 г. — за открытие квантового эффекта Холла; 1998 г. — за открытие дробного квантового эффекта Холла; 2000 г. — за труды, заложившие основы современных информационных технологий).
Развитие этой области открыло возможности конструирования средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций и последующего изготовления с помощью современных высоких технологий наноструктур (сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры и т.д.) с электронным спектром и свойствами, требуемыми для обнаружения и изучения новых физических явлений или для соответствующих приложений. Сконструированные таким образом наноструктуры являются, по существу, искусственно созданными материалами с наперед заданными свойствами.
Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в процессе изготовления (in situ) и управление на его основе технологическими процессами.
Переход к новым методам производства, особенно коренной переход к созданию изделий «снизу вверх» с помощью поатомной или помолекулярной сборки возможен в течение ближайших десятилетий. Однако в данном случае речь идет о ближайшей перспективе использования тех или иных наноматериалов или наноструктур. Основных направлений для электроники видится три – конструкционное (улучшение прочностных характеристик несущик конструкций, корпусных и др. элементов), фукциональное (улучшение используемых и приме-нение новых свойств силами нанотехнологии) и комбинированный подход. Уже сейчас наноразмерные покрытия и наночастицы используются для увеличения прочностных характеристик материалов в разы и на порядки; известны фильтрационные, каталитические, абсорбционные свойства нанопористых материалов; Наночастицы (Co, Ni), нанокристаллические железные пленки (ZrN, AlN), сверхрешетки типа Nb/Fe, Nb/Ge; ультрадисперсные порошки обладают уникальными магнитными свойствами. Проволочные нанокомпозиты (типа Cu-Nb), проводящие наноструктурные пленки TiN, TiB2, Наночастицы металлов в полимеры, использование нанотрубок позволяет улучшать одновременно характеристики электроповодности и прочности. Термоэлектрические наноматериалы (сверхрешетки на основе квантовых точек PbSeTe, квантовых проволок SiGe и квантовых стенок PbTe/Pb1-xEuxTe благодаря высоким параметрам добротности считаются перспективными для систем преобразования солнечной энергии и криотехники. Материалы с высокой диэлектрический проницаемостью (сегнетоэлектрики на основе Pb(Ti, Zr)O3) применяются в качестве многослойных конденсаторов, термисторов, варисторов, элементов памяти, чувствительных датчиков и др. Наноструктуры металл-диэлектрик-полупроводник являются основными базовыми элементами ИС. Переход к нанополупроводникам сопровождается сдвигом спектров люминесценции в коротковолновую область, увеличением ширины запрещенной зоны, что находит важные технические приложения. Монокристаллические частицы в полимерных матрицах рассматриваются как возможные светодиоды и оптические переключатели, а также сенсоры. Применение гетероструктур с квантовыми ямами и сверхрешетками типа AlGaAs/GaAs в полупроводниковых лазерах позволяет снизить пороговые токи и использовать более короткие волны излучения, что повышает быстродействие, снижает энергопотребление оптоволоконных систем. Нанопроводники и особенно нанотрубки являются самыми перспективными для создания эмиттеров, транзисторов и переключателей нового поколения [1-4]. Наконец, наноэлектромеханические системы позволят связать макро- и наномиры со всей совокупностью электронных устройств. Сфера применения НЭМС – суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, преобразователи, датчики, вентили, клапаны, конденсаторы, резонаторы, генераторы и др. Сообщается, что измерение перемещений на уровне тысячных долей нанометра возможно с помощью НЭМС на основе датчика из GaAs (3000х250х200 нм) в совокупности с одноэлектронным транзистором [5]. Большой интерес представляют и различные комбинированные подходы. |
|
|
Скачать 0.59 Mb.