6.2 Основные способы создания наноструктур

Общие сведения

В качестве основных материалов для микроэлектроники используют легированные полупроводники (раздел 1). Создание элементной базы в микроэлектронике идет исключительно по пути постепенного уменьшения размеров элементов и, прежде всего, МОПТ. Закон Мура, появившийся как эмпирическое правило, за десятилетия своего существования превратился в один из основных принципов развития полупроводниковой индустрии.

Применяемые при этом на практике законы масштабирования МОПТ приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 – Законы масштабирования МОПТ в микроэлектронике

Параметр МОПТ	Изменение параметра при уменьшении геометрических размеров МОПТ в М раз
Длина затвора	1/М
Толщина диэлектрика	1/М
Ширина затвора	1/М
Напряжение	1/М
Плотность размещения	М2
Скорость	М
Рассеиваемая мощность	1/М2

В наноэлектронике основным структурным компонентом наноэлементов (аналогичным p-n-переходам в микроэлектронике) являются потенциальные ямы, которые изготавливаются на основе тонких пленок, гетероструктур, наноструктуированных материалов, органических материалов и т.д.

Существует две концепции создания таких наноструктур: «снизу-вверх» и «сверху-вниз».

Концепция «снизу-вверх»

Концепция «снизу-вверх» состоит в том, чтобы набрать, соединить и выстроить отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру наноэлемента. Этот подход можно осуществить, например, с помощью принципа самосборки. Такие процессы широко распространены в биологических системах, где катализаторы, называемые ферментами, собирают аминокислоты и, тем самым, формируют живые ткани, образующие органы тела.

Нанотехнологии на основе сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов (СТМ и АСМ) также лежат в русле этой концепции. Основным рабочим органом этих микроскопов является зонд. Зонд представляет собой металлическую иглу, как правило, из твердотельного сплава с заточенной методами ионного травления вершиной. При этом радиус кривизны вершины зонда соответствует размерам единичного атома, находящегося на его вершине. Игла СТМ позволяет захватывать, перемещать отдельные атомы и располагать их в требуемой последовательности. Если подвести иглу к нужному атому, расположенному на поверхности вещества, то электрического поля, создаваемого иглой СТМ, может оказаться достаточно для разрыва ковалентной связи, соединяющей атом с поверхностью. Вследствие атомной эмиссии атом будет прикреплен к вершине иглы. Переместив иглу в нужное место на поверхности и поменяв знак напряжения на игле, атом помещают обратно на поверхность.

Именно таким способом группа исследователей из фирмы IBM изготовила на поверхности кристалла никеля из отдельных атомов ксенона надпись «IBM». Для того, чтобы миграция атомов по поверхности не разрушила надпись, пришлось ее делать при температуре жидкого гелия (4К). В настоящее время такие нанотехнологии очень интенсивно развиваются, но пока в лабораторных условиях. Перемещать и закреплять атомы молекулы на подложке исследователи научились уже и при комнатной температуре.

Концепция «сверху-вниз»

Другая концепция «сверху-вниз», как и в микроэлектронике, основывается на технологии миниатюризации. Основными технологическими процессами в данном случае являются технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и технология нанолитографии, которые в современной электронной индустрии относятся к классу «высоких технологий».

а) метод МЛЭ б) метод литографии

Рисунок 6.9 – Наноструктуры, полученные по концепции «сверху-вниз»

Для того чтобы с помощью метода МЛЭ вырастить тонкий слой полупроводника, нужно направить поток атомов или молекул на тщательно очищенную поверхность. В данной технологии на поверхность одновременно направляют несколько потоков атомов, которые получают из отдельно нагретых источников. Чтобы избежать загрязнения, пленку выращивают в глубоком вакууме. Весь процесс происходит под управлением компьютера, контролирующего химический состав и кристаллическую структуру выращиваемого слоя в процессе роста. Метод МЛЭ позволяет создавать совершенные монокристаллические слои с толщиной, составляющей несколько периодов решетки (один период составляет около 2Å).

В процессе выращивания наноструктур чрезвычайно важно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних слоев, имеющих различный химический состав, были почти одинаковы. В этом случае слои будут точно следовать друг за другом и кристаллическая решетка выращенной структуры не будет содержать дефектов. Методом МЛЭ можно изготавливать очень резкую границу (с точностью до монослоя) между соседними слоями, причем с гладкой на атомном уровне поверхностью.

Наиболее очевидный способ создания наноструктур типа проволока или квантовая точка в соответствии с рисунок 6.9 состоит в «вырезании» сверхтонких нитей или точек из тонких двумерных электронных слоев с помощью технологии субмикронной литографии, широко применяемой в микроэлектронике.

Н апомним, что под литографией понимают процесс получения рисунка наноструктуры на подложке. Обычно этот рисунок делается так. Сначала тем или иным путем изготавливают увеличенное изображение (фотошаблон) проволоки или ямы (как вид сверху). Затем это изображение прибора с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, покрытую радиационно-фоточувствительным слоем (резистом), то есть фотографируется с уменьшением в соответствии с рисунком 6.10.

Рисунок 6.10 – Упрощенная схема литографического процесса

Требуемый рисунок в резисте можно создать и другим способом: путем сканирования электронным пучком, попадающим на поверхность резиста только в требуемых местах.

И в том и другом случаях облучение химически модифицирует незащищенные от него участки резистивного слоя таким образом, что вещество в нем становится растворимым в специально подобранном проявителе.

После удаления модифицированного вещества образовавшиеся «пустоты» в слое резиста заполняют другим материалом, служащим маской для травления. Затем химическим способом удаляют весь резистивный слой и все незакрытые маской для травления участки двумерного электронного слоя. Наконец, удаляется и сама маска для травления. В результате чего на подложке остается только требуемая квантовая структура в соответствии с рисунком 6.9.

Несмотря на кажущуюся очевидность, литографический процесс технологически очень сложен: для получения тонких линий с наноразмерами требуется переход на очень короткие длины волн. А для этого необходимо иметь нужный источник излучения (в основном – рентгеновский), подходящую под этот источник оптику, резисты, установки для экспонирования и т.д. Поэтому в настоящее время идет поиск и других методов создания одно- и нульмерных структур. Эта работа еще только разворачивается, но некоторые интересные свойства квантовых нитей и точек уже наблюдались в лабораторных экспериментах.