СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПОСТОЯННОГО ДИАМЕТРА
METHOD TO PRODUCE EPITAXIAL FILIFORM NANOCRYSTALS OF SEMICONDUCTORS OF PERMANENT DIAMETER

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноструктурированных материалов, предназначено для выращивания на полупроводниковых подложках нитевидных нанокристаллов постоянной геометрической формы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл (ПЖК).
4
9
4
В настоящее время известен способ получения нитевидных нанокристаллов полупроводников [1], в котором в качестве катализатора ПЖК-роста используется полимерная пленка, промежуточно образующаяся в результате термораспада элементоорганических соединений при выращивании нитевидных нанокристаллов (ННК) германия из паров тетрабутилгермания (CH)Ge. Такая пленка образуется в момент достижения точки росы и ведет себя как капельная жидкость с подходящим краевым углом смачивания по отношению к подложке, инициируя рост ННК. Предложенный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, он не является универсальным для кристаллизации всех ННК полупроводников, поскольку основывается на термораспаде металлоорганических соединений, для которых в реакторе должна быть достигнута точка росы и на подложке должны образовываться нано- и микрокапли с оптимальным соотношением поверхностного натяжения и вязкости. В большинстве случаев это трудно реализуемо. Во-вторых, способ не обеспечивает управления процессом роста, поскольку практически невозможно обеспечить контролируемое взаимодействие капли полимера с тепловым излучением, при котором в капле мог бы осуществиться мгновенный термораспад паров металлоорганических соединений с выделением газообразных продуктов разложения, взрывом капли, выбросом полимерных нитей, их разложением и образованием ННК.
Известен способ получения цилиндрических кристаллов полупроводников, в котором рост кристалла происходит при последовательной кристаллизации собственного расплава сферической формы, находящегося на его вершине, в результате опускания кристалла в более холодную зону [2]. Недостатком способа является наличие больших градиентов температур на фронте кристаллизации, что приводит к возникновению термических напряжений. Кроме того, при получении кристаллов постоянного поперечного сечения требуется регулировка скорости опускания кристалла в ходе процесса, расхода шихты и плотности потока тепла от горелки.
Наиболее близким техническим решением является способ эпитаксиального выращивания нитевидных нано- и микрокристаллов кремния и других полупроводниковых материалов с заданными геометрическими параметрами [3]. Отличием данного способа является наличие между паром и растущим кристаллом прослойки жидкости в виде капли металла-катализатора, в которой растворен кристаллизуемый материал. Недостатком данного способа является обязательное наличие сужающегося участка у основания нитевидного кристалла. Сужающийся конусовидный участок основания ННК [3] является следствием увеличения краевого угла смачивания капли металла-катализатора при введении кремнийсодержащих компонентов в газовую фазу и отделения капли от подложки, материал которой частично растворен в капле. Появление начального конусовидного участка ННК приводит к неоднородности распределения легирующей примеси в основании кристалла, разрыву фронта кристаллизации и захвату жидкого сплава, который вызывает образование дислокаций и полей напряжений в кристалле. Наличие сужающегося участка основания ННК приводит к неравномерности распределения электрических характеристик по всей длине кристалла от подложки до вершины (например, в основании кристалла наблюдаются резкое увеличение удельного электрического сопротивления полупроводникового материала и др.), что не позволяет создавать быстродействующие электронные устройства на базе эпитаксиальных нитевидных кристаллов.
Изобретение направлено на получение эпитаксиальных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов, не имеющих сужающихся начальных участков у оснований.
Это достигается тем, что перед помещением полупроводниковой пластины в ростовую печь и выращиванием на ней нитевидных кристаллов на пластину наносят катализатор из двухкомпонентного сплава металл-полупроводник эвтектического состава и проводят осаждение кристаллизуемого вещества при температуре, минимально превышающей температуру эвтектики.
Способ выращивания полупроводниковых эпитаксиальных ННК, не имеющих сужающихся начальных участков оснований, осуществляют следующим образом. На поверхность полупроводниковой пластины определенной кристаллографической ориентации наносят катализатор из нанодисперсных частиц двухкомпонентного сплава металл-полупроводник эвтектического состава. Затем подложка помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до температуры, минимально превышающей температуру эвтектики для данного двухкомпонентного сплава. Затем в газовую фазу подается питающий материал и производится выращивание нанокристаллов.
Примеры осуществления способа
Пример 1
4
2
На монокристаллические пластины кремния с кристаллографической ориентацией {111} наносились нанодисперсные частицы двухкомпонентного сплава Ni-Si эвтектического состава (~56% (ат.) Si), имеющие средний характерный линейный размер 70-100 нм. Подготовленные подложки помещались в ростовую печь. Температура печи повышалась до 995(±2)°C при одновременной подаче водорода. Затем в газовую фазу подавали тетрахлорид кремния при молярном отношении [SiCl]/[H]=0,008 и выращивали нитевидные нанокристаллы кремния. Время выращивания составляло (2-10) мин в зависимости от необходимой длины нанокристаллов. Выращенные кристаллы были вертикально ориентированы и имели постоянный диаметр по всей длине от подложки до вершины.
Пример 2
Выращивание ННК проводилось аналогично примеру 1, но в качестве катализатора использовались нанодисперсные двухкомпонентные частицы Pt-Si эвтектического состава (~67% (ат.) Si). Температура выращивания составляла 985(±2)°C. В выращенных кристаллах отсутствовал начальный суженный участок у основания.
Пример 3
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве катализатора процесса использовались наночастицы Cu-Si (~30% (ат.) Si). Температура выращивания составляла 820(±2)°C. Полученные результаты соответствовали результатам примеров 1 и 2.
Пример 4
Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве подложек применялись монокристаллические пластины фосфида галлия ориентации А{111}, осаждаемым из газовой фазы материалом был GaP, а катализатором процесса служили наночастицы Cu-GaP. Температура выращивания составляла 900(±2)°C. Полученные результаты соответствовали результатам примеров 1, 2 и 3.
Применение катализатора в виде нанодисперсных частиц двухкомпонентного сплава металл-полупроводник эвтектического состава определяется тем, что количественный компонентный состав данного катализатора отвечает равновесному составу раствора в расплаве металл-полупроводник без растворения части материала подложки при температуре, близкой к температуре выращивания ННК. Это позволяет обеспечить постоянство краевого угла смачивания капли катализатора при введении кремнийсодержащих компонентов в газовую фазу и отделении капли от подложки и, как следствие, исключить изменение диаметра кристалла на начальной стадии роста.
Осаждение полупроводникового материала из газовой фазы при температуре, минимально превышающей температуру эвтектики двухкомпонентного сплава металл-полупроводник, определяется тем, что при минимальном превышении эвтектической температуры обеспечиваются как практическое постоянство исходного количественного состава капли катализатора и сохранение постоянства диаметра кристалла, так и выполнение термодинамических условий для ПЖК-роста ННК.
Использование предлагаемого способа позволяет обеспечить:
1. постоянство диаметра эпитаксиальных ННК от подложки до вершины кристалла;
2. однородность распределения легирующей примеси в основании кристалла;
3. исключение разрыва фронта кристаллизации и захвата жидкого сплава, вызывающих образование дислокаций и полей напряжений в кристалле.
Все это позволяет облегчить решение проблемы создания наноэлектронных устройств на базе эпитаксиальных нитевидных кристаллов (многоканальных полевых транзисторов с оболочковым затвором, оперативных запоминающих устройств компьютеров высокой плотности информации и др.).
Источники информации
1. Бородин В.А., Бренер Е.А., Татарченко В.А. // Рост кристаллов. - М.: Наука, 1983. Т.14. - С.146-153.
2. Сыркин В.Г. Газофазная металлизация через карбонилы. - М.: Металлургия, 1985. 264 с.
3. Вагнер Р. Рост кристаллов по механизму пар-жидкость-кристалл. // Монокристальные волокна и армированные ими материалы. / Под ред. А.Т.Туманова. - М.: Мир, 1973. 464 с.