- •Isbn 5-7629-0807-0 © cПбГэту "лэти", 2007 Введение
- •Основы физико-химического анализа многокомпонентных систем
- •2. ТриангуляциЯ и тетраэдрация. Диаграммы состояния многокомпонентных систем
- •3. Диаграммы "состав – свойство" многокомпонентных систем
- •Контрольные задания
- •4. Прогнозирование полупроводниковых свойств в многокомпонентных системах
- •5. Материалы современной оптоэлектроники и наноэлектроники
- •5.1. Расчет параметров кристаллической решетки и ширины запрещенной зоны в гетероструктурах
- •Контрольные вопросы
- •5.2. Приближение ковалентного радиуса и виртуального кристалла
- •5.3. Построение зонных диаграмм гетероструктуры
- •5.4. Расчет коэффициентов преломления и диэлектрической проницаемости твердых растворов
- •Контрольный вопрос
- •5.5. Расчет упругих напряжений и деформаций
- •Контрольный вопрос
- •5.6. Влияние пластической деформации на электрофизические и оптические свойства материалов и характеристики приборов на гетероструктурах
- •Контрольный вопрос
- •5.7. Твердые растворы на основе соединений а2в6 и а4в6
- •Заключение
- •Приложение
- •197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
Заключение
В предлагаемом издании основное внимание уделено многокомпонентным материалам и их применению в классических гетероструктурах. Для классических гетероструктур важно понимание ролей упругой и пластической деформаций в формировании и изменении свойств материалов и характеристик приборов (см. таблицу в 5.6).
В последние годы особое внимание уделяется материалам для создания приборов на основе квантовых ям, сверхрешеток, квантовых нитей и точек. Для самостоятельного ознакомления читателя с теоретическими вопросами по данной тематике можно рекомендовать учебные пособия [26], [27].
Уровень подготовки материаловеда и его профессиональные успехи во многом будут зависеть от знания разделов физики и химии твердого тела, связанных с изучением образования дислокаций, их передвижениями, взаимодействиями между собой и с другими структурными дефектами. Целесообразно представить минимальный перечень учебной и научной литературы, последовательное изучение которой позволит самостоятельно подготовиться к решению профессиональных задач. Прежде всего следует выделить базовый учебник и дополнить список монографиями, в которых более детально рассмотрены специальные вопросы физики линейных несовершенств. По мнению авторов, учебник [24] более остальных отвечает требованиям формирования базовых знаний.
Для углубленного представления об особенностях пластической деформации и дислокациях несоответствия в гетероэпитаксиальных структурах может быть рекомендована монография [22]. Физические основы теории дислокаций и методов их прямого наблюдения рассмотрены в выдержавших проверку временем книгах [28], [29]. Материаловеды широко применяют методы травления для выявления дислокационной структуры. Вопросы теории, эксперимента, применения методов травления систематизированы в монографии [30]. Современные представления о перестройке однородной дислокационной структуры в ячеистую в свете теории фракталов и самоорганизации представлены в учебном пособии [31]. Для понимания особенностей электронных свойств неупорядоченных систем с позиций теории перколяции может быть рекомендовано учебное пособие [32].
Будущий материаловед-технолог должен уметь не только оценивать отрицательное влияние пластической деформации и образующихся дислокаций, но и знать как уменьшить их влияние. Более того, в наноэлектронике и в структурах с наноразмерами упругая деформация может быть использована для улучшения свойств материалов и приборов.
Результаты некоторых нестандартных технологических решений сведены в таблицу.
Использование упругой и пластической деформаций для оптимизации
характеристик приборов
Технологический прием |
Использование |
Буферный слой Выращивание буферного слоя с составом, непрерывно меняющимся по его толщине, для согласования в начале выращивания параметров решетки подложки и буферного слоя, в конце − параметра решетки буферного слоя и слоя функционального назначения
|
Общее число дислокаций несоответствия практически такое же, как и без буферного слоя, но они распределены по толщине буферного слоя. В связи с этим плотность дислокаций несоответствия на границе с рабочим слоем уменьшается, а значение критической толщины буферного слоя увеличивается. Возможен выход дислокаций несоответствия на боковые грани |
Изопериод Выращивание многокомпонентных твердых растворов с составом, отвечающим функциональным характеристикам слоя при соответствии периода решетки подложки и слоя |
Используется для формирования структур с когерентной границей, что существенно улучшает выходные параметры целого класса приборов. Особое внимание уделяется обеспечению изопериода при температуре эпитаксии
|
Гетероэпитаксия на подложке с пористой структурой |
Упругая деформация, возникающая за счет несоответствия параметров кристаллических решеток подложки и функционального слоя в области локальных контактов подложки и слоя, не достигает критического значения для запуска механизмов пластической деформации. Поры обеспечивают возможность роста слоя без образования экстраплоскостей |
Графоэпитаксия Формирование геометрического рельефа в подложке, например, травлением создаются микрообласти с геометрией, задающей ориентацию растущим микрокристаллам, – треугольные призмы, кубы и т. д. |
При подборе термодинамических и кинетических условий роста для некоторых материалов энергетически выгодно формирование зародышей, внутреннее атомарное строение которых задается микрорельефом. Далее на этих микрозародышах осуществляется рост функциональных монослоев |
Искусственная эпитаксия Более общий термин, чем графоэпитаксия. Ориентация растущих зародышей подслоя, на которых в дальнейшем формируется функциональный слой, задается различными внешними воздействиями |
Создание геометрического рисунка на подложке путем распределения деформации при стоячих акустических волнах или создание заданного энергетического рисунка путем воздействия электромагнитного излучения через специальные дифракционные решетки |
Жертвенные слои На инородную подложку наращивают буферный тонкий слой с приемлемой деформацией, а затем удаляют дефектные области этого слоя. Эпитаксия проводится на оставшиеся нанозародыши, состав выращиваемого слоя определяется функциональными характеристиками структуры
|
Прием используется в технологии "кремний на изоляторе" |
|
Продолжение таблицы |
Технологический прием |
Использование |
Стабилизация состава Используется для повышения однородности выращиваемых составов твердых растворов при жидкофазной эпитаксии на подложки с близким значением параметра кристаллической решетки |
Ранее широко использовался при жидкофазной эпитаксии твердых растворов А3В5. Сущность используемого эффекта состоит в том, что при близких параметрах решетки подложки и функционального слоя состав последнего нечувствителен к малым текущим изменениям состава раствора-расплава, поскольку энергетически выгоден рост слоя того состава, который минимизирует свободную энергию, включающую энергию упругой деформации |
Принц-технология Формирование упругодеформированных слоев (с разным знаком деформации) на единой подложке с последующим их отделением. При псевдоморфном росте на сверхтонкую подложку первым наносится сверхтонкий жертвенный слой, а затем сверхтонкий слой (или слои), испытывающий сжатие (или один слой – сжатие, другой – растяжение). При удалении (стравливании) жертвенного слоя первоначально плоские слои сворачиваются в нанотрубку |
Технология предложена в 1990-х гг. в Институте физики полупроводников СО РАН В. Я. Принцем. Основой метода является последовательное выращивание слоев с разным знаком упругой деформации. На такой двуслойной структуре производится раскрой поверхности для создания различных нанообъектов в виде нанотрубок, нанооболочек, спиралей, колец, нановолокон. Возможно формирование наносистем с закреплением индивидуальных наноэлементов в местах неудаленного жертвенного слоя
|
Механизм "пар−жидкость−кристалл" (ПЖК) Рост осуществляется в локальных областях на катализаторах, находящихся при заданной температуре в расплавленном состоянии. При малой растворимости материала катализатора в полупроводнике катализатор находится в течение всего времени роста на фронте кристаллизации. Рост нитевидного кристалла происходит в результате массопереноса в градиенте температуры вещества, поступающего из паровой фазы через слой жидкого катализатора |
Метод предложен Вагнером в 1968 г. и широко используется для получения бездислокационных нитевидных кристаллов ("вискеров"). В последние годы показана возможность получения квантовых нитей и квантовых точек на основе полупроводниковых твердых растворов. Самосборка квантовых точек в области распада твердых растворов облегчается из-за наноразмеров |
Локально индуцированный рост Рост нанокристаллов происходит в локальных областях подобно "вискерам" при локальном механизме ПЖК. Места роста активируются локальными физическими или химическими (химическое осаждение из паровой фазы) воздействиями
|
Метод перспективен для создания наносистем |
|
Окончание таблицы |
Технологический прием |
Использование |
Самосборка в деформационных полях Наиболее распространенные приемы получения квантовых нитей и точек:
|
Эти приемы используются при создании в абсолютном большинстве приборов современной оптоэлектроники на квантовых точках и квантовых нитях |
Введение механических напряжений в межканальные области нано-МОП-транзисторов В кремниевых п-МОП-транзисторах при введении в область канала механических напряжений нанесением слоя твердого раствора Ge – Si быстродействие повышается на 35 %. В кремниевых р-МОП-транзисторах формирование областей истока и стока из твердого раствора Ge – Si уменьшает на порядок токи утечки |
Увеличение подвижности в напряженных слоях обусловлено перераспределением носителей заряда по энергетическим долинам и возрастанием доли носителей заряда с более низкой эффективной массой |
Число этих примеров можно существенно расширить. Например, в узкозонных полупроводниках (приборы ИК-электроники) упругая деформация на гетерогранице используется для сдвига спектральных характеристик приборов, введение дислокаций – эффективный прием улучшения быстродействия в фотоприемниках. Реализованы приборы на одиночных дислокациях и приборы типа полупроводник – воздух – полупроводник на нанотрещинах.
Ограниченный объем настоящего издания не позволил рассмотреть на уровне задач многие актуальные вопросы материаловедения, отмеченные в разд. 5. Отметим, что перечень этих вопросов, заимствованный из Нобелевской лекции академика Ж. И. Алферова, в настоящее время следует расширить. Прежде всего это касается одномерной и нуль-мерной электроники.
Активно развивается фотоника на нанонитях (лазеры и волноводы). В практикуме не рассмотрены новые углеродные материалы (фуллерены, графены, углеродные нанотрубки, металлофуллерены, эндоэдральные материалы, наноалмазы), хотя следует отметить, что успехи электроники и оптики на нанотрубках привели к устоявшемуся термину "углеродной наноэлектроники".
Углубление понимания физической сущности кулоновской блокады и реализации приборов на основе этого эффекта требует выделить в отдельный раздел одноэлектронику и металлическую наноэлектронику. Значительные перспективы, на взгляд авторов, у нанотехнологии, предложенной Принцем, позволяющей значительно расширить типы нанотрубок для широкого класса материалов.
Авторы считают своим долгом продолжить работу по составлению задач для закрепления практических навыков у обучающихся.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Таиров Ю. М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов: Учеб. для вузов. 3-е изд. СПб.: Лань, 2003.
Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 2001.
Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т. 3 / Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
Сорокин В. С., Антипов Б. Л., Лазарева Н. П. Материалы и элементы электронной техники: Учеб. для вузов: В 2 т. М.: Академия, 2006.
Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высш. шк., 1982.
Сорокин В. С., Александрова О. А. Технология полупроводниковых материалов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003.
Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под. ред.
В. В. Лучинина, Ю. М. Таирова. М.: Физматлит, 2006.
Лучинин В. В. Введение в индустрию наносистем // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 5. С.2−9.
Курнаков Н. С. Введение в физико-химический анализ. 4-е изд. М.– Л., 1940.
Махин А. В., Мошников В. А. Рентгеноспектральный микроанализ в полупроводниковой технологии: Учеб. пособие / ЛЭТИ. Л., 1991.
Захаров А. М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М.: Металлургия, 1978.
Гиммельфарб Ф. А. Рентгеноспектральный микроанализ сложных материалов. М.: Металлургия, 1986.
Стрельченко С. С., Лебедев В. В. Соединения А3В5: Справ. М.: Металлургия, 1984.
Берченко Н. Н., Кребс В. Е., Средин В. Г. Полупроводниковые твердые растворы и их применение: Справ. таблицы / Под ред. В. Г. Средина. М.: Воениздат, 1982.
Мошников В. А., Яськов Д. А. Рентгеноспектральный микроанализ в физической химии полупроводников: Учеб. пособие / ЛЭТИ. Л., 1986.
Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные полупроводники. М.: Сов. радио, 1968.
Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения// Успехи физических наук. 2002. Т. 172, № 9. С. 1075–1085.
Елисеев П. Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983.
Кейси Х, Паниш М. Лазеры на гетероструктурах: В 2 т. М.: Мир, 1981.
Ермаков О. Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004.
Шаскольская М. П. Кристаллография: Учеб. пособие. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1984.
Тхорик Ю. А., Хазан Л. С. Пластическая деформация и дислокации несоответствия в гетероэпитаксиальных системах. Киев: Наук. думка, 1993.
Мильвидский М. Г., Освенский В. Б. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях полупроводников. М.: Металлургия, 1985.
Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учеб. для вузов. М.: МИСИС, 2003.
Инжекционные лазеры: Учеб. пособие / В. С. Сорокин, В. А. Мошников, В. Н. Разбегаев, А. И. Румянцева; СПбГЭТУ. СПб., 1999.
Физика низкоразмерных систем / А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин, С. А. Рыков; Под ред. А. Я. Шика. СПб.: Наука, 2001.
Драгунов В. П., Неизвестный И. Г., Гридин В. А. Основы наноэлектроники: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.
Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1968.
Амелинкс С. А. Методы прямого наблюдения дислокаций. М.: Мир, 1968.
Сангвал К. Травление кристаллов. Теория, эксперимент, применение. М.: Мир, 1990.
Золотухин И. В., Калинин Ю. Е., Стогней О. В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж: Изд-во Воронежского ГУ, 2000.
Забродский А. Г., Немов С. А., Равич Ю. И. Электронные свойства неупорядоченных систем. СПб.: Наука, 2000.