НАНОРАЗМЕРНАЯ СТРУКТУРА С КВАЗИОДНОМЕРНЫМИ ПРОВОДЯЩИМИ НИТЯМИ ОЛОВА В РЕШЕТКЕ GaAs

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к наноразмерным полупроводниковым структурам, содержащим систему квазиодномерных проводящих каналов, используемых для изготовления приборов наноэлектроники и нанофотоники.
Уровень техники
В последние годы разработка и создание устройств на основе квазиодномерных и квазинульмерных систем, наряду с тенденцией к минитюаризации, является одним из главных направлений наноэлектроники. Эффекты размерного квантования в объектах с линейными размерами меньше десятков нанометров дают возможность улучшения рабочих характеристик изделий полупроводниковой электроники (повышение быстродействия, снижение уровня энергопотребления) и оптоэлектроники, а также создания принципиально новых устройств, основанных на использовании этих эффектов.
Существует большое число способов формирования полупроводниковых структур с квантовыми нитями. Широкую группу образуют методы, основанные на использовании двумерных полупроводниковых систем (например, структур металл-диэлектрик-полупроводник, гетеропереходов, δ-легированных слоев) в качестве исходных структур. Для ограничения электронов в еще одном направлении при помощи электронной, ультрафиолетовой или рентгеновской литографии и последующего химического травления (жидкостного или плазмохимического) из двумерной структуры формируются нанополоски контролируемых размеров и формы. Одномерные носители заряда в квантовой яме можно создавать также при помощи металлических контактов специальной формы, выращенных на поверхности образца параллельно плоскости двумерных носителей. Подача различного напряжения на контакты, создающего электростатический потенциал для ограничения движения двумерных электронов, позволяет контролировать ширину нанонити и концентрацию носителей заряда.
Еще одним методом создания нанонитей является способ, основанный на вытравливании в подложке V-канавок. При эпитаксиальном росте тонкого слоя GaAs на подложке, в которой предварительно вытравлены V-канавки, а затем слоя AlGaAs, толщина GaAs в канавке окажется больше, чем в остальной части, и носители заряда будут стремиться локализоваться на квантовых уровнях канавки, так как внутри канавки размерно-квантовые уровни расположены ниже, чем в остальной части GaAs.
Рассмотренные методы обладают, наряду с простотой и ясностью, всеми недостатками, присущими методам литографии и травления. К таким недостаткам можно отнести: неоднородности толщин и формы, всегда сопровождающие процесс травления; дефекты, вносимые в границу раздела во время травления; минимальный размер нанотитей, определяемый разрешением используемого метода литографии и составляющий приблизительно 0,15 мкм, 30 нм, 3÷20 нм для ультрафиолетовой, рентгеновской и электроннолучевой литографии соответственно.
Более удачными и приемлемыми оказались методы формирования нанонитей на вицинальных поверхностях. Вицинальная поверхность (фиг.1, 2) - это поверхность, отклоненная на небольшой угол разориентации α по отношению к грани кристалла с малыми индексами Миллера; вицинальная поверхность является атомно-гладкой и в равновесных условиях состоит из террас (2), образованных поверхностями с малыми индексами Миллера и разделенных эквидистантными моноатомными ступеньками (3). Эпитаксиальный рост на вицинальных подложках, имеющих различную ориентацию, направления и величины углов разориентирования относительно сингулярной грани, позволяет получать периодические структуры нанонитей с контролируемыми размерами, ориентацией и периодом. Благодаря планарной геометрии системы нанонитей, выращенные на вицинальной подложке, удобны для производства полупроводниковых приборов с каналом из одномерных проводящих нитей (полевых транзисторов).
В патенте [1] предлагается вырастить вертикальную сверхрешетку нанополосок, состоящую из монокристаллических слоев узкозонного полупроводника А (например, InAs) и широкозонного полупроводника В (например, GaAs), на подложке GaAs, отклоненной от плоскости (100) на угол 2° или менее. Формирование массива нанополосок происходит в процессе эпитаксии поочередным осаждением материалов А и В в условиях повышенной поверхностной диффузии осаждаемых адатомов, в режиме послойного роста «потока ступеней» (step flow growth). Количество материала А, высаживаемого на поверхности террас за один цикл, меньше  монослоя. Соответственно, количество широкозонного материала В - больше  монослоя так, что в сумме за один цикл высаживается ровно один монослой. После повторения нескольких циклов структура будет представлять собой периодическую систему чередующихся нанополосок полупроводников А и В. Необходимость четкого контроля (с точностью до доли монослоя) количества осаждаемого материала при цикличном послойном выращивании делает эту структуру трудноосуществимой.
В изобретении [2], принятом в качестве аналога, был предложен метод эпитаксиального выращивания на вицинальной подложке массива проводящих нанонитей, состоящих из атомов примеси. Метод включает следующие шаги: формирование вицинальной поверхности ступенчатых атомных террас, нанесение доли монослоя легирующей примеси в виде нанополосок шириной меньше ширины атомных террас, закрытие нанополосок слоем нелегированного полупроводника, отжиг полупроводниковой структуры. Нанополоски легирующей примеси могут быть получены следующим образом: а) за счет падения коллимированного пучка примесей под скользящим углом к поверхности подложки в направлении убывания ступенек, при котором часть поверхности террасы затенена краем предыдущей террасы и не покрывается атомами примеси; б) за счет осаждения атомов примеси при нормальном угле падения, когда атомы примеси заполняют всю поверхность подложки, и последующего воздействия на образец ионного или химического травителя. Поток ионов или молекул травителя направляется под скользящим углом к поверхности образца. Вследствие малого угла падения травителя некоторые области поверхности террас не подвергаются действию травителя, а другие области вытравливаются, формируя нанополоски легированного полупроводника. Недостатком описанного метода получения нанонитей легирующих примесей является применение технически сложного малоуглового роста, а также применение отжига, приводящего к диффузионному размытию распределения нанонитей.
В работе [3] описан метод получения наноразмерной системы нитей, принятой в качестве прототипа к настоящей модели. При легировании кремнием вицинальных граней (001) GaAs (1) с углом разориентации 2° можно получать упорядоченные сверхструктуры в виде нанонитей (7), содержащие атомы кремния (фиг.3). Основное отличие от изобретения [2] состоит в использовании явления самоорганизации - упорядоченного внедрения атомов кремния на краях ступеней вицинальной грани. Ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней (3) для адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например, атомов кремния. Если средняя диффузионная длина адатома на поверхности превышает размер террас вицинальной грани L, то эпитаксиальный рост пленки осуществляется за счет присоединения адатомов к краям ступеней без образования зародышевых островков на террасах. Задавая нужный размер террас вицинальной подложки, подбирая условия роста, точно дозируя количество адатомов вещества, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности, в том числе и нити, представляющие собой цепочки атомов, «пристроившихся» на краях ступеней. Авторы [3] продемонстрировали образование кремниевых нанонитей, расстояние между которыми, определяемое углом разориентации 2°, составляет 8 нм. Такие структуры являются в первую очередь двумерными, несмотря на квазиодномерный характер распределения примесных атомов, поскольку расстояние между нанонитями меньше боровского радиуса мелкой донорной примеси в GaAs (порядка 10 нм).
Раскрытие полезной модели
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является увеличение проводимости канала полевого транзистора, изготовленного на основе структур с квазиодномерными проводящими нанонитями. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, являются:
а) увеличение концентрации электронов в активной области наноструктуры;
б) формирование массива параллельных квазиодномерных проводящих нанонитей.
Нанонити выращиваются на таком расстоянии друг от друга, чтобы основные квантовые состояния соседних нанонитей не перекрывались.
Предлагаемая в качестве активной области для полевого транзистора на GaAs структура имеет следующий строение (фиг.4):
а) вицинальная подложка GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> (1);
б) нелегированный буферный слой GaAs (4);
в) δ - легированный оловом слой с концентрацией примеси (5);
г) закрывающий и контактный слои GaAs (6);
Технический результат достигается, во-первых, за счет использования вицинальной подложки GaAs с предельно низким углом разориентации 0.3°÷0.4° и, во-вторых, за счет использования олова в качестве легирующей примеси.
Краткое описание чертежей
На чертежах ширина террас и высота ступеней вицинальной поверхности изображены схематично, без соблюдения пропорций. В предлагаемой полезной модели для вицинальной подложки GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° ширина террас более чем в 100 раз превышает высоту ступеней.
На фиг.1 представлен схематический вид вицинальной поверхности подложки GaAs (100).
На фиг.2 представлен схематический вид вицинальной поверхности подложки GaAs (100) в поперечном разрезе (вид сбоку).
На фиг.3 схематично проиллюстрировано явление сегрегации примесных атомов Si или Sn вблизи ступеней вицинальной поверхности GaAs и образование нанонитей примесных атомов. Часть примесей не участвует в образовании нанонитей и остается на террасах.
На фиг.4 представлена послойная схема наноразмерной структуры с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs, предлагаемой в качестве полезной модели.
На фиг.5 представлена схема наноразмерной структуры с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs, выращенной согласно заявляемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
Схема наноструктуры на GaAs, предлагаемой в качестве активной области для полевого транзистора, представлена на фиг.4. Каждый слой наноструктуры осуществляет следующие функции:
вицинальная подложка (1) GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> задает среднее расстояние между нанонитями олова при последующем дельта-легировании, равному среднему расстоянию между ступенями (ширине террас); нелегированный буферный слой GaAs (4) предназначен для получения на его поверхности как можно более идеальных атомно-гладких террас;
12
-2
δ-легированный оловом слой с концентрацией примеси больше 2×10 см (5) служит для получения упорядоченной периодической сверхструктуры, содержащие нанонити атомов олова. Слоевая концентрация обеспечивает перекрытие примесных волновых функций внутри нанонити и формирование одномерных электронных состояний; закрывающий и контактный слои GaAs (6) служат для «закрывания» высаженных при δ-легировании атомов и формирования омических контактов с малым удельным сопротивлением, что необходимо для создания полупроводниковых устройств.
Особенности выбора определенного угла разориентации вицинальной подложки заключаются в следующем. Для подложек GaAs (100) с разориентацией в направлении типа <011> поверхность представляет собой ступени высотой в один монослой (в данном случае, один монослой равен  от постоянной решетки арсенида галлия приблизительно 0.283 нм) разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией типа (100). Ширина террас, или расстояние между ступенями L=0.283 / tg(α) нм, где α - угол разориентации. Для формирования на вицинальной поверхности системы примесных нанонитей путем присоединения адатомов к краям ступеней, средняя диффузионная длина адатома на поверхности должна превышать размер террас вицинальной грани. Иначе эпитаксиальный рост пленки будет осуществляться за счет образования зародышевых островков на террасах, легирующая примесь будет распределена на поверхности однородно. С другой стороны, сильное уменьшение ширины L также нецелесообразно, поскольку соседние нити олова (в результате флуктуации ширины террас) могут оказаться слишком близко друг к другу с неизбежным значительным перекрытием волновых функций электронов проводимости с образованием двумерной системы (боровский радиус электрона на мелкой примеси в GaAs составляет приблизительно 10 нм). Предлагаемый угол разориентации α=0.3°÷0.4° соответствует периоду структуры L~40÷50 нм и обеспечивает формирование массива нанонитей с максимально возможной плотностью, при которой еще возможно существование квазиодномерных проводящих нитей.
Выбор олова в качестве легирующей примеси для GaAs связан со следующими его особенностями по сравнению с кремнием:
а) тенденция олова к сегрегации на поверхности роста, обладающей ненасыщенными связями. По сравнению с кремнием, это свойство олова приводит к увеличению концентрации примесных атомов вблизи ступеней, уменьшению размытия профиля распределения примеси по сечению нанонити;
б) больший предел растворимости олова;
в) олово не проявляет амфотерности, присущей кремнию, которая снижает коэффициент использования электрически активной примеси.
В силу указанных различий применение олова для создания проводящих квантовых нитей в арсениде галлия представляется предпочтительным с точки зрения ожидаемых характеристик в сравнении с кремнием: концентрация электронов в нанонитях повышается, возрастает проводимость канала полевого транзистора.
Предложенная наноструктура выращивается в установке молекулярно-лучевой эпитаксии. Процесс изготовления образца можно разделить на следующие стадии:
1. Предростовая подготовка вицинальной подложки (1) с заданным углом и направлением разориентации. После удаления окисла поверхность подложки не является достаточно гладкой. Кроме того, на поверхности подложки могут оставаться следы некоторых примесей, в частности, углерода, приводящие при определенных условиях к фасетированию поверхности, то есть образованию микро областей с отличной от исходной ориентацией.
2. Выращивание буферного слоя (4) арсенида галлия, обеспечивающего создание максимально совершенной ступенчатой поверхности с гладкими террасами, подготовка его поверхности к осаждению примеси.
3. Легирование поверхности. Высаживание олова целесообразно проводить с умеренной скоростью, чтобы избежать взаимодействия атомов олова друг с другом с образованием металлической фазы. Кроме того, целесообразно выдержать некоторую паузу после легирования, чтобы предоставить дополнительное время адатомам олова, мигрирующим по поверхности подложки, для «встречи» с краями ступеней вицинальной грани.
4. Заращивание высаженных цепочек атомов олова в режимах, обеспечивающих активацию атомов легирующей примеси с одной стороны, и предотвращающих диффузию и сегрегацию атомов олова во время заращивания с другой. Заращивание высаженных на края ступеней атомов олова арсенидом галлия следует проводить с максимальной скоростью, минимальной температурой подложки, при достаточно большом отношении потоков мышьяка к галлию. Эти меры необходимы для предотвращения диффузии и сегрегации олова во время заращивания. С другой стороны, атомы олова должны находиться в кристаллической решетке, замещая атомы галлия, чтобы оставаться электрически активной мелкой донорной примесью. При чрезмерно низкой температуре эпитаксиального роста возможно образование слишком большого количества дефектов роста типа галлиевых вакансий. Это в свою очередь может привести к большой концентрации глубоких уровней и ухудшить электрические свойства выращенных структур.
12
-2
18
-3
2
12
Согласно заявленной модели был выращен следующий образец наноструктуры (фиг.5). На вицинальной подложке (1) GaAs с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> были выращены нелегированный буферный слой GaAs (4) толщиной 0.8 мкм, дельта-легированный оловом слой (5) со слоевой концентрацией 5×10 см, нелегированный закрывающий слой GaAs толщиной 40 нм (6), легированный кремнием с концентрацией 4×10 см контактный слой GaAs толщиной 15 нм (8). Получены значения подвижности µ=1700 см/В·с и концентрации электронов n=2,7×10 при комнатной температуре; относительная погрешность составляет 10%. Коэффициент анизотропии сопротивления для слабых полей (в области линейной зависимости скорости дрейфа электронов от приложенного поля) равен приблизительно 2 при комнатной температуре и возрастает до 2,5 при температуре 77 К. Анизотропия сопротивления сохраняется и в сильных электрических полях, что наглядно демонстрируют наличие квазиодномерного потенциального рельефа.
[1] Hiroyuki Sakaki. "Grid-Inserted quantum structure". ЕР 0427905 (22.05.1991).
[2] S.Fernandez-Ceballos, G. Manai, I.V. Shvets. "Method of forming conducting nanowires". US 7569470 (4.08.2009).
[3] Z.M. Wang, L. Daweritz, К.H. Ploog. "Controllable step bunching induced by Si deposition on the vicinal GaAs (001) surface". Surface Science, v. 459, p. L482 - L486 (2000).