WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 УДК 621.315.592 Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках — новый подход к формированию свойств материалов Обз ор ©М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности (Гиредмет), 109017 Москва, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 12 ноября 1997 г. Принята к печати 14 ноября 1997 г.) Рассмотрены физические механизмы и основные методы получения наноразмерных атомных кластеров в полупроводниках. Анализируются возможности управления свойствами кластеров и кластерных материалов.

Обсуждаются некоторые электронные свойства полупроводников, содержащих наноразмерные кластеры, и возможности их применения в электронике.

1. Введение 2. Формирование кластеров Традиционный подход к управлению свойствами по- Первоначально целесообразно сформулировать понялупроводниковых материалов основан на использова- тие атомный кластер в нашем случае. Под атомным кластером мы понимаем атомное образование (в том нии процессов легирования их примесями, создающичисле, с участием собственных точечных дефектов крими определенные электронные уровни в запрещенной сталлической решетки), вызывающее изменение энергезоне. При этом задача состоит в правильном выборе тического состояния составляющих его компонентов и легирующей примеси, обладающей необходимыми свойих влияния на фундаментальные свойства полупроводствами, оптимизации уровня и способа легирования, никовой матрицы при сохранении неизменным фазового в получении кристаллически совершенных высокоодносостояния основного вещества. В отличие от кластеров, родных монокристаллов или эпитаксиальных пленок, не формирующихся в газовой или жидкой фазах, в нашем содержащих дефектов и посторонних примесей, которые случае образование кластера происходит в кристалличемогли бы существенным образом повлиять на свойства ской решетке полупроводника, играющей роль матрицы легированного материала. В применении ко многим и оказывающей существенное влияние на все стадии важным проблемам эта задача была успешно решена, кластерообразования, а также на свойства, конечного что и обеспечило быстрый прогресс полупроводникопродукта.

вой электроники. Однако в ряде случаев традиционный подход наталкивается на принципиальные ограничения, 2.1. Причины кластерообразования обусловленные отсутствием в природе примесей с подходящими свойствами, низким пределом растворимости Движущей силой образования кластера, в общем слуатомов многих примесей в кристаллической решетке чае, является стремление системы к состоянию с миполупроводника, высокой концентрацией электрически нимальной свободной энергией. В реальных объектах активных собственных дефектов решетки в легирован- равновесное состояние многокомпонентной системы в силу энергетических или кинетических ограничений доном материале и др. В связи с этим в последние стигается далеко не всегда и поэтому, в большинстве годы активно развивается новый подход к управлению случаев, мы имеем дело с метастабильными образованисвойствами полупроводников, основанный на формиями, которые тем не менее могут обладать значительной ровании в полупроводниковой матрице наноразмерных устойчивостью и в значительной мере влиять на свойства кластеров, в состав которых могут входить атомы ввополупроводникового материала.

димых примесей, атомы собственных компонентов, а В общем случае изменение свободной энергии систетакже собственные точечные дефекты кристаллической мы при кластерообразовании в кристаллической решетке решетки.

полупроводника можно записать в виде В данной статье рассмотрены физические механизмы и основные методы получения и управления свойствами F = -Fv +Fs +Fel, (1) таких объектов. Обсуждаются некоторые электронные свойства полупроводников, содержащих наноразмерные где Fv — изменение свободной энергии в результате кластеры. перехода системы в более выгодное энергетическое со1 514 М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев стояние. Например, в случае распада твердого раствора, 2.2. Стабильные комплексы примесей движущей силой такого перехода является пересыщение. и собственных точечных дефектов Fs — изменение свободной энергии, обусловленное Упругое, кулоновское или химическое взаимодействие формирование поверхности кластера. Eel — изменение с участием атомов основного вещества, атомов легирусвободной энергии из-за упругой деформации кластера и ющих или остаточных примесей, а также собственных окружающей матрицы.

точечных структурных дефектов (СТД) может привоВклад поверхности в изменение свободной энергии дить к образованию в полупроводнике различного рода системы наиболее значителен для кластеров малого разкомплексов. Процессы кластерообразования такого рода мера. Влияние упругой деформации возрастает по мере достаточно глубоко исследованы на примере германия, увеличения размера кластера. Строгие количественные кремния, арсенида галлия и ряда других полупроводниоценки названных величин затруднены, ибо для этого ков (см., например, [1,2]), поэтому в настоящей статье необходимо построение точной модели кластера. Поэтомы не будем на них подробно останавливаться. Отмему такие понятия, как ”кристаллическая решетка” или тим только, что многие из образующихся в результате ”поверхность” кластера часто носят весьма условный таких взаимодействий комплексов обладают достаточно характер.

высокой устойчивостью (в том числе и при нагреве до В простейших случаях возможно получение колиотносительно высоких температур) и оказывают сущечественных результатов. Например, в случае обраственное влияние на свойства полупроводника, являясь зования кластеров собственных межузельных атомов эффективными центрами излучательной и безызлуча(Sii) в кристаллической решетке кремния из-за перетельной рекомбинации, и, определяя в значительной сыщения соответствующего твердого раствора разуммере степень компенсации, концентрацию и характер но предположить, что избыточные атомы Sii занимарассеяния носителей заряда, фоточувствительность и ряд ют несколько соседних междоузлий и связаны медругих важных характеристик материала.

жду собой как регулярные атомы решетки. В свяПроцессы комплексообразования поддаются контрози с тем что междоузлия в решетке кремния обралируемому воздействию. Эффективными способами конзуют, аналогично регулярным атомам в узлах, алтролируемых воздействий являются: различные виды мазоподобную сетку, формирующийся кластер можно радиационных и термических обработок (в том числе рассматривать как маленький кремниевый ”кристалл”, их сочетание), лазерный и быстрый термический отпомещенный в кристаллическую решетку основного жиги, плазменно-химическое травление, процессы сложкристалла.

ного легирования, различные варианты геттерирования В связи с достаточно большими размерами междобыстродиффундирующих примесей и дефектов, ионная узлий в кристаллической решетке кремния, вкладом имплантация. Хорошие результаты дают такие нетраэнергиии упругой деформации в изменение свободной диционные способы воздействия на состояние ансамэнергии системы в данном случае можно пренебречь.

бля СТД в кристалле, как легирование изовалентными Увеличение свободной энергии кристалла с кластером примесями [3] и примесями редкоземельных элемен(по сравнению с совершенным кристаллом, содержащим тов [4], химико-термическая обработка (например, окианалогичное количество атомов) обусловлено только сление и нитридизация кремния). Можно также отмененасыщенными (разорванными) связями периферийтить использование процессов пассивации электрическиных атомов кластера, которые связаны с кластером и рекомбинационно-активных центров в кристаллах с лишь частично, ибо нормальная связь обеспечивается помощью атомарного водорода.

четырьмя соседями. Изменение свободной энергии, обусловленное образованием кластера из n межузельных 2.3. Распад пересыщенных твердых растворов атомов F(n) =- fvn +fsm, (2) Если содержание легирующих или остаточных примесей в монокристаллах или эпитаксиальных слоях нагде fv = kT log(Ci/Cie) — изменение свободной энергии, ходится на уровне, превышающем их растворимость в обусловленное пересыщением (движущая сила кластеданном полупроводнике в достаточно широком темперообразования), m — количество разорванных связей, ратурном интервале, то образуются соответствующие fs — избыточная свободная энергия в расчете на одну пересыщенные твердые растворы и происходит их расразорванную связь, поддающаяся достаточно строгой пад. Распад может происходить как непосредственно при количественной оценке. Мы привели этот пример для выращивании в процессе охлаждения монокристалла или демонстрации принципиальных подходов к проблеме эпитаксиальной структуры от температуры кристаллизакластерирования.

ции, так и в процессе последующих термических обрабоВ следующих разделах мы более детально рассмотрим ток или других видов внешних воздействий на материал.

возможные причины образования атомных кластеров Пересыщенные твердые растворы могут образовывать в полупроводниках. не только примеси, но и СТД (вакансии, межузельные Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках — новый подход к формированию свойств... атомы), а также атомы избыточных компонентов полупроводниковых соединений, растворимость которых в полупроводниковой матрице обнаруживает резкую температурную зависимость.

Образование пересыщенных примесных твердых растворов характерно для сильно легированных монокристаллов и эпитаксиальных структур широкого круга полупроводниковых материалов. Характерным примером образования пересыщенных твердых растворов остаточными примесями является кислород в выращиваемых по методу Чохральского монокристаллах кремния. Как показывают результаты многочисленных исследований, в большинстве важных с практической точки зрения случаях, в силу энергетических и кинетических ограничений, распад пересыщенных примесных полупроводниковых растворов не приводит к достижению равноРис. 1. Электронно-микроскопические изображения сверхревесного состояния в соответствующих системах. Как шетки кластеров мышьяка в арсениде галлия, сформированной правило, процесс распада ”замораживается” на стадии путем -легирования индием в процессе молекулярно-пучковой образования метастабильных примесьсодержащих предэпитаксии при 200C и последующего отжига при 500C.

выделений (атомных кластеров характерного состава), Толщина слоев GaAs между двумерными слоями кластеров As обладающих достаточно высокой устойчивостью и окасоставляет 30 нм.

зывающих существенное влияние на свойства полупроводника. Типичными примерами проявления такого влияния являются ”примесная политропия” и связанные с ней -легирование донорной примесью Si или изовалентной характерные изменения степени компенсации, конценпримесью In слоев GaAs, выращиваемых методом низкотрации и подвижности носителей заряда, люминесценции температурной МЛЭ (рис. 1). В таких -легрованных и других свойств в сильно легированных монокристаллах эпитаксиальных пленках при определенных условиях Ge, Si, GaAs и других полупроводниках [1,5], а также легирования и термообработки удается получить двумеробразование кислородсодержащих термодоноров в мононые слои равномерно распределенных наноразмерных кристаллах кремния [6].

кластеров мышьяка в матрице GaAs [9]. В случае легиПродуктами распада пересыщенных по СТД твердых рования кремнием эффект достигается за счет кулоноврастворов являются вакансионные скопления, кластеры ского взаимодействия кластеров с донорными атомами межузельных атомов, а также кластеры типа ”вставок”.

Si, размещающимися в узлах галлиевой подрешетки.

Примером последних являются кластеры мышьяка в При использовании изовалентной примеси In контролиарсениде галлия, выращиваемом методом молекулярноруемое зародышеообразование обусловлено локальными лучевой эпитаксии (МЛЭ) при низкой температуре [7], деформациями кристаллической решетки вблизи -слоев обеспечивающей захват атомов избыточного мышьяка индия. При этом вблизи двумерных слоев кластеров в концентрации до 2 at %. Такие кластеры обладают возникает область матрицы GaAs, в которой кластеры характерной, зависящей от их размера кристаллической отсутствуют. При определенных условиях выращивания, структурой, отличающейся как от структуры элементарлегирования и термообработки материала обедненные ного мышьяка, так и от структуры окружающей матрицы области вблизи двумерных слоев кластеров перекрываGaAs [8].

ются, и удается получить практически полностью упоряПроцессом распада пересыщенных твердых растворов, доченное в направлении роста распределение кластеров также как и комплексообразованием, можно контролирумышьяка. Следует отметить, что при отсутствии управляемо управлять. Основными управляющими воздействияемой преципитации, определяемой строго определенными в данном случае являются:

ми условиями легирования и термообработки, распреде1) Выбор оптимальных тепловых условий выращиваление кластеров As по объему пленки GaAs является, ния. Здесь речь, прежде всего, идет о правильном выборе как правило, неупорядоченным и хорошо описывается температуры и скорости кристаллизации, температурных теорией Лифшица–Слезова [10].

градиентов у границы раздела фаз, а также режимов 4) Регулирование состояния ансамбля СТД в крипосткристаллизационного охлаждения монокристаллов или эпитаксиальной структуры. сталлической матрице путем различных внешних воз2) Проведение многоступенчатых термообработок действий (химико-термические и плазмо-химические обвыращенных монокристаллов или эпитаксиальных работки, радиационные воздействия и т. д.). Этот вид структур. воздействий нуждается в дополнительных пояснениях.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.