Физика гетероструктур

Изменение величины γ2 + γ12 относительно γ1 приводит к переходу от режима Франка – ван дер Мерве к режиму Фолмера – Вебера. В этом случае материал В не смачивает материал подложки А.

В гетероэпитаксиальной системе при наличии рассогласования по постоянной решетки между осаждаемым материалом В и подложкой А на первых этапах рост может происходить послойно. Однако более толстый слой осажденного материала имеет и большую упругую энергию. Тогда возникает тенденция уменьшить упругую энергию путем образования изолированных островков. В этих островках происходит релаксация упругих напряжений и соответствующее уменьшение упругой энергии. Так возникает режим роста Странского–Крастанова. В конечном итоге на подложке образуются островки, промежутки между которыми заполнены тонким смачивающим слоем.

Рис. 6.2. Равновесная фазовая диаграмма гетероэпитаксиальной системы с рассогласованием решеток в осях. Q – количество осажденного материала; ε0 – рассогласование решеток.

Термодинамический анализ показал, что на фазовой диаграмме (рис. 6.2), где по одной из осей отложено рассогласование решеток осаждаемого материала и подложки ε0 = а/а, а по другой – количество осажденного материала Q (количество монослоев), можно выделить области этих параметров, которые напоминают, а в некоторых областях параметров полностью аналогичны с приведенными выше режимами роста.

В настоящее время известны следующие типы наноструктур, выращиваемых с использованием эффектов самоорганизации:

1)структуры на микроскопически упорядоченных фасетированных поверхностях;

2)упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах;

3)периодические структуры плоских доменов (например, островков монослойной высоты);

57

4) структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников.

Достоинством способов получения этих наноструктур является то, что структуры появляются как бы сами собой, без применения специальных приемов технологии микроэлектроники и, в частности, без применения литографии.

58

ГЛАВА 7. ПРИМЕНЕНИЕ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР В ПРИБОРАХ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

§7.1. Элементы наноэлектроники

Всовременной микроэлектронике в соответствии с эмпирическим законом Мура начался процесс использования в разработке и в массовом производстве микропроцессорных устройств и схем памяти полупроводниковых элементов с латеральным размером менее 100 нм. Развитие опто- и СВЧ-электроники целиком основано на применении полупроводниковых квантоворазмерных наногетероструктур, выращиваемых с атомной точностью методами молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии при разложении металлоорганических соединений. С переходом от микроэлектроники к наноэлектронике связывается резкое увеличение производительности вычислительных систем при снижении уровня энергозатрат, увеличение пропускной способности каналов связи, увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации, повышение чувствительности сенсорных устройств, создание экономичных осветительных приборов и существенное увеличение доли компонент электроники в медицинских, биологических, экологических, химических и промышленных технологиях, а также при обеспечении безопасности и в борьбе с терроризмом.

Развитие наноэлектроники закладывает основы перехода к принципиально новым принципам базовых элементов электроники, включающим использование одноэлектронных эффектов, эффектов электронной интерференции, спиновых эффектов, бестоковых переключающих устройств и, в будущем, к разработке квантовых технологий создания вычислительных устройств и защищенных систем связи. В России, несмотря на проблемы, сопровождающие развитие электронной промышленности в рыночных условиях, имеется значительная база для развития электроники, включающая технологические линии Курчатовского научного центра, НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова, ОАО «НИИМЭ» и завод «Микрон». Имеется опыт разработки высокопроизводительных микропроцессоров типа «Эльбрус» Е2К. России принадлежит приоритет в области наногетероструктурной электроники, создании полупроводниковых лазеров, светоизлучающих диодов, высокоэффективных преобразователей солнечного излучения. Разработки прорывного характера по созданию систем нанолитографии с использованием ультрафиолетового излучения с длиной волны в нанометровом диапазоне ведутся в ряде научных организаций России. Следует также отметить, что, несмотря на слабое участие российских предприятий в мировом разделении труда в производстве микропроцессоров и схем памяти с общим мировым объемом продаж около 2 трлн. долл. США, имеется ос-

59

нова для развития других направлений полупроводниковой электроники, включающих разработку и применение электронных компонент для решения проблем энергоснабжения (силовая электроника и солнечная энергетика), задач силовых ведомств (опто- и СВЧ-электроника, микросистемная техника), проблем охраны окружающей среды и экологической безопасности (сенсорика).

Кремниевый транзистор на основе системы металл-оксид- полупроводник (МОП) является основным элементом современных микропроцессорных устройств и схем памяти. Переход к наноэлектронике сопровождается разработкой МОП-транзисторов с латеральным размером менее 100 нм. Основной проблемой при этом является подавление т.н. короткоканальных эффектов, состоящих в уменьшении порогового напряжения, туннелировании горячих электронов через затворный оксид, увеличении вероятности прокола и последовательного сопротивления исток-сток, уменьшении подвижности носителей в канале. Решение этих проблем включает замену традиционного для кремниевой технологии создания МОП-транзисторов термического оксида SiO2 с диэлектрической проницаемостью ε=3.9 на диэлектрики с высокой диэлек-

трической проницаемостью (high-k) ZrO2, HfO2 (ε≈25), Y2O3 (ε≈15), Al2O3 (ε≈10). В результате увеличивается толщина диэлектрического слоя, что уменьшает вероятность туннелирования электронов через подзатворный оксид.

Замена блокирующего диэлектрика SiO2 на диэлектрик с высоким ε в элементах электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств (ЭППЗУ – рис. 7.1) на основе структур кремний ок- сид-нитрид-оксид-полупроводник (КОНОП) и кремний-оксид- кремниевые кластеры – оксид-полупроводник (КОТОП) приводит к уменьшению падения напряжения на блокирующем диэлектрике и, следовательно, к уменьшению напряжения перепрограммирования ЭППЗУ. В структурах КОТОП дополнительно увеличивается время хранения

Рис. 7.1. Схема элемента ЭППЗУ со слоем диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью.

60

заряда и быстродействие ЭППЗУ. Так, при использовании ZrO2 в качестве блокирующего диэлектрика толщиной 8 нм и SiO2 (5 нм) в качестве туннельного ожидается получение окна памяти 3 В при комнатной температуре, сохраняющегося в течение 10 лет. Для снижения напряженности электрического поля на границах канала с областями истока и стока

идля повышения порогового напряжения срабатывания транзистора создают мелкие слаболегированные области, расширяющие исток и сток, а также изменяют профиль легирования в горизонтальном (ореол)

ив вертикальном (ретроградное легирование) направлениях (рис. 7.2). Для предотвращения задержек и емкостных связей межсоединений в интегральных схемах, возрастающих при увеличении степени интеграции, в качестве основного материала проводников применяют медь вместо алюминия, а в качестве межслоевого диэлектрика применяют фосфоросиликатное стекло и различные силсесквиоксаны с ε, меньшим ε оксида кремния.

Рис. 7.2. Схема МОП-транзистора с нанометровой длиной канала истоксток. A – изолирующий паз (тренч); B – низкоомный контакт; C – биметаллический затвор; D – пассивирующий слой нитрида кремния; E – двойной диэлектрик SiO2/ZrO2 (SiO2/HfO2); F – расширение областей истока и стока: G – исток-стоковые p-n переходы; H – область ретроградного легирования.

Один из путей улучшения параметров МОП-транзисторов с размерами в нанометровой области состоит в увеличении подвижности носителей заряда за счет введения механических напряжений в область канала. Причина увеличения подвижности носителей в напряженных слоях состоит в перераспределении носителей по энергии в пользу носителей с низкой эффективной массой. С этой целью на область канала МОП-транзистора с электронной проводимостью (n-МОП) наносится слой твердого раствора германий-кремний с большим параметром кристаллической решетки, в результате чего происходит двуосное растяжение кристаллической решетки кремния в области канала. Для одноосного растяжения применяют нанесение слоя нитрида кремния. Сжатие кристаллической решетки в области канала транзисторов с дырочной проводимостью (p-

61

МОП) достигается селективным формированием областей истока и стока из твердого раствора германий-кремний. В транзисторах с напряженными каналами быстродействие увеличивается приблизительно на 35% при равном размере канала и почти на порядок величины уменьшаются токи утечек. Поскольку подвижность дырок больше на подложке с ориентацией (110), а электронов на подложке с ориентацией (100), и основным элементом логических схем являются инверторы, содержащие n- и p- МОП транзисторы (комплементарные МОП структуры – КМОП), то применяют подложки смешанной ориентации. Для их получения предлагается прямое сращивание пластин различной ориентации с последующей эпитаксией в сформированные литографией «окна» слоев с дополнительной ориентацией. Показано, что механические напряжения в кремнии вместе с повышением подвижности электронов приводят к уменьшению токов утечки в канале ячеек ЭППЗУ. В преддверии массового применения эпитаксиальных технологий в наноэлектронике фирмой Riber (Франция) разработано новое поколение установок молекулярно лучевой эпитаксии (MBE 6000, MBE 7000), позволяющих осуществлять выращивание слоев твердых растворов германий-кремний на кремниевых пластинах диаметром до 8 дюймов.

Проблемы, обусловленные нанометровыми размерами транзисторов и других элементов интегральных схем, стимулируют поиск новых, отличных от объемного кремния материалов и конструкций полевых транзисторов. Единственной альтернативой объемному кремнию в настоящее время являются структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) со слоями кремния субмикронной и нанометровой толщины. В ИФП СО РАН разработана оригинальная технология отщепления и переноса слоев кремния при прямом сращивании пластин кремния, одна из которых предварительно имплантирована ионами водорода, а другая термически окислена. Отсеченный слой КНИ структур утоньшается путем многократного термического окисления. Минимальная толщина отсеченного слоя кремния может составлять 3 нм, при вариации толщины скрытого диэлектрика в широком интервале. Возможность получения практически любых комбинаций толщин слоя кремния и скрытого оксида — одно из основных достоинств, предложенного метода.

Одно из преимуществ использования КНИ в качестве подложек состоит в возможности формирования транзисторов с латеральными затворами на КНИ, когда и канал и затворы создаются из одного и того же слоя кремния, а их форма определяется в случае электронной литографии только рисунком, создаваемым электронным лучом (рис. 7.3а). После проведения электронной литографии используется вытравливание экспонированного электронным лучом слоя кремния до диэлектрика. Такая технология в принципе неосуществима на объемном кремнии.

62

Рис. 7.3. Различные конструкции транзисторов на КНИ: а) – транзистор с одним латеральным затвором G (размер канала 100х200 нм), б) – многоканальный транзистор с трехмерным затвором (линия по диагонали структуры). Изображения в атомно-силовом микроскопе.

Другие из проработанных вариантов создания транзисторных элементов на КНИ состоят в реализации трехмерных металлических затворов для одно- и многоканальных кремниевых структур (рис. 7.3б). Затворные характеристики многоканального транзистора демонстрируют работоспособность прибора. Важным при этом является подавление короткоканальных эффектов. Другая особенность приборов на КНИ состоит в том, что, в отличие от классического МОП транзистора, один и тот же транзистор может работать как на электронах, так и на дырках, если создавать условия аккумуляции либо инверсии по носителям заряда изменением полярности напряжения на дополнительном затворе, в качестве которого в данном случае выступает подложка кремния. Таким образом, представленная конструкция многоканального транзистора с трехмерным затвором на однородно легированной структуре КНИ перспективна с точки зрения альтернативной к классическому МОП транзистору конструкцией на КНИ. Важной особенностью транзисторов на КНИ структурах является их работоспособность при комнатной температуре, повышенная температурная и радиационная стойкость. Интересная возможность для повышения быстродействия МОП-транзисторов состоит в замене кремния на германий, обладающей большей подвижностью носителей заряда, с использованием технологии отщепления и переноса для создания структур «германии-на-изоляторе».

Таким образом, современный этап перехода от микро- к наноэлектронике сопровождается не только уменьшением размера основного элемента МОП-транзистора, но и изменением материала подложки (напряженный кремний, структуры КНИ, германий) и других составляющих транзистора и межсоединения материалов (диэлектрики с высоким

инизким значениями диэлектрической проницаемости).

Всоответствии с выражением Шеннона–Неймана–Ландауэра минимальный энергетический барьер для осуществления однобитовой операции при комнатной температуре равен Emin=kBT ln2=0,017 эВ. Из со-

63

отношения неопределенностей Гейзенберга можно получить следующие значения для минимального размера, времени переключения и степени интеграции транзистора, как элемента бинарной логики:

dmin=ћ/(2mekBTln2)1/2=1.5 нм; tmin=ћ/kBTln2=0.04 пс; nmax=(dmin)-2=4.7×1013

элементов/см2. Здесь kB – постоянная Больцмана, me – масса электрона. Достижение значений, близких к данным, в соответствии с законом Мура ожидается в ближайшее десятилетие. Это обстоятельство стимулирует поиск новых решений по созданию переключающих элементов, отличных от создаваемых по имеющейся кремниевой технологии. Среди них – применение спиновой степени свободы для создания устройств передачи и хранения информации, для квантовых вычислений. Изменение спинового состояния требует намного меньшей энергии (∆Espin менее 10-5 эВ) по сравнению с изменением зарядового состояния, что открывает перспективы резкого уменьшения энергопотребления, повышения быстродействия и степени интеграции электронных спиновых устройств. Предложен ряд элементов спиновой электроники, в том числе спиновые фильтры, спиновые резонансные туннельные диоды, униполярные спиновые транзисторы, магнитные диоды, комбинированные полупроводник-магнетик биполярные транзисторы, предлагается использование спиновых состояний в полупроводниковых квантовых точках.

Рис. 7.4. а) – Изображение квантовой точки на поверхности гетероструктуры с 2D электронным газом в сканирующем электронном микроскопе. Темные области представляют собой разрезы слоя с двумерным электронным газом, выполненные с помощью электронной литографии и реактивного ионного травления. б) – Изображение электронного интерферометра в атомно-силовом микроскопе. Светлые линии – локальное прокисление структуры зондом атомно-силового микроскопа.

Еще один вариант построения логических устройств нового поколения включает использование баллистического транспорта электронов в полупроводниковых наноструктурах GaAs/AlGaAs с высокоподвижным электронным газом. В этом случае изменение проводимости наноструктуры связано с когерентным переключением транспорта всего нескольких электронов. Главный недостаток этих устройств состоит в низ-

64

кой температуре реализации когерентного транспорта носителей заряда. Этот недостаток будет преодолеваться по мере уменьшения латерального размера наноструктур. Были исследованы эффекты баллистического транспорта в квантовых точках и кольцевых электронных интерферометрах наименьших размеров. Типичные значения концентрации и подвижности электронов в двумерном газе составили 1011–1012 см-2 и 105– 106 см2/В с (при Т=4.2 К), соответственно. Геометрия устройств задавалась реактивно-ионным травлением, латеральный профиль которого определялся электронно-лучевой литографией острофокусированным электронным пучком с диаметром менее 100 нм. Использовалась также нанолитография с помощью зонда атомно-силового микроскопа. При этом производилось локальное прокисление поверхности гетероструктур GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом. Достигнуто латеральное разрешение до 40 нм при сравнимом с этой величиной значении толщины окисленного слоя. С помощью разработанного метода зондовой нанолитографии изготовлены малые участки треугольной формы (квантовые точки) с двумерным (2D) электронным газом в промежутке между тремя антиточками и изолирующими разрезами к ним (см. изображение на рис. 7.4а) и получены кольцевые интерферометры на поверхности гетероструктур с 2D электронным газом с эффективным радиусом до 90 нм (рис. 7.4б).

Проводимость квантовой точки в зависимости от потенциала бокового затвора (Vjg) при отрицательном напряжении на сплошном вышележащем затворе (режим туннелирования, Vg < 0) демонстрирует осцилляции, обусловленные кулоновской блокадой при одноэлектронном транспорте носителей. В открытом режиме (Vg>0) на затворной характеристике проводимости наблюдаются осцилляции на фоне двух плато кондактанса с величиной 2e2/h и 4e2/h. Наблюдаемые осцилляции проводимости в данном случае имеют интерференционную природу. Это подтверждается моделированием электростатики устройств и когерентного одночастичного магнитотранспорта в зависимости от уровня Ферми. Кондактанс определялся с помощью многоканальной формулы Ландауэра, а влияние магнитного поля учитывалось в рамках метода рекурсивных функций Грина. Отметим, что моделирование квантового транспорта носителей заряда оказалось возможным благодаря применению нанотехнологий, обеспечивающих необходимую точность при приготовлении эпитаксиальных систем с 2D электронным газом с помощью МЛЭ и проведении нанолитографии. Расчеты волновых функций в данном случае проводились на суперкомпьютере вычислительного центра IDRIS (Франция). Результаты вычислений демонстрируют стоячую волну, возникающую между антиточкой и резервуаром двумерных электронов в случае сильного отражения, состояния полной проницаемости и прохо-

65

ждение электронов в нижний точечный контакт при наличии магнитного поля.

Для исследования транспорта двумерных электронов в кольцевых интерферометрах (рис. 7.4б) использовались образцы с сопротивлением 105—106 Ом. Проводимость кольцевых структур столь малых размеров обнаруживает наряду с мезоскопическими вариациями магнитополевые осцилляции Аронова-Бома, вызванные интерференцией электронов, распространяющихся по различным рукавам интерферометра. Период осцилляций кондактанса в зависимости от величины приложенного магнитного поля ∆В соответствует кванту магнитного поля 0 = hc/e: πr2∆B = 0 , где r – эффективные радиусы колец (100–200 нм). В отсутствие магнитного поля проводимость кольцевых структур обнаруживает осцилляции от величины напряжения на расщепленном затворе, в качестве которого выступают области с двумерным электронным газом по обе стороны от кольцевого интерферометра. Периодический характер осцилляций и дублетное расщепление пиков соответствует предсказаниям теории кулоновской блокады для структур с одноэлектронной зарядкой двух кулоновских островков, в качестве которых выступают квантовые точки треугольной формы на входе и выходе интерферометра. Этот вывод подтверждается результатами численного моделирования электростатики, энергетического спектра и одноэлектронного транспорта в устройстве. Результаты моделирования показывают, что основной период затворных осцилляций (6 мВ) отвечает последовательной зарядке квантовых точек одиночными электронами, а дублетное расщепление кулоновских пиков (3 мВ) связано с зарядовым взаимодействием квантовых точек.

§ 7.2. Элементы оптоэлектроники

Основные элементы современной оптоэлектроники базируются на полупроводниковых гетероструктурах и квантоворазмерных наногетероструктурах соединений А3В5, приготавливаемых с помощью технологии молекулярно лучевой эпитаксии, а в массовом производстве с помощью газофазной эпитаксии металлоорганических соединений. Именно с помощью этих технологий реализованы уникальные свойства гетероструктур на основе GaAs/AlGaAs, сочетающей различие электронных свойств составляющих ее материалов с совершенством атомной структуры гетерограницы. Методами молекулярно лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии металлоорганических соединений были получены образцы гетероструктур с высокоподвижным двумерным электронным газом за счет пространственного разделения областей, содержащих легирующие примеси, и высокочистых слоев материала, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда. Такого рода структуры обеспе-

66