WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Свойства нановискеров GaAs на поверхности GaAs (111)B, полученных комбинированным методом †¶ † † © А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, И.П. Сошников, В.М. Устинов † Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 2 марта 2004 г. Принята к печати 4 марта 2004 г.) Комбинированным методом вакуумного напыления и молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs (111)B синтезированы массивы нитевидных кристаллов (вискеров) GaAs. Структурные свойства поверхности полученных образцов исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Обнаружено, что поверхностная плотность вискеров составляет величину (1-2) · 109 см-2. Характерные размеры вискеров: 30–150 нм (диаметр) и 300–800 нм (длина). Показана возможность управлять размерами вискеров путем изменения условий роста и толщины напыленной пленки золота.

1. Введение показана возможность создания квантовых латеральных проволок на подложках GaAs, ориентированных в наНитевидные кристаллы, или вискеры (whiskers) из- правлениях, отличных от (100), и предложены пути вестны достаточно длительное время. Согласно класси- их использования. Квантовые проволоки, полученные ческим представлениям, нитевидные кристаллы — это данным методом, зачастую связаны между собой за кристаллические твердые тела, длина которых значи- счет эффектов электронного туннелирования, что зательно превышает их диаметр. Важнейшим свойством трудняет их исследование и использование в качестве данного рода объектов, активно используемых в совре- изолированных одномерных объектов. Применение НВ менной промышленной технологии, является их высокая позволяет синтезировать нанопроволоки, ориентированмеханическая прочность. Размеры подобных нитевидных ные под углом к поверхности подложки [8], в частности кристаллов составляют величины порядка нескольких под прямым углом. Кроме того, могут быть получены микрометров — диаметр и десятые доли сантиметра — нанопроволоки – НВ, не связанные электронным туннедлина. Механизм роста нитевидных кристалов был пред- лированием.

ложен Вагнером и Эллисом в 1964 г. [1], что положило В данной работе нами предлагается методика полуначало исследованию искусственных нитевидных кри- чения НВ GaAs на подложке GaAs (111)В комбиниросталлов, которые в дальнейшем были синтезированы из ванным методом вакуумного напыления Au и эпитаксиразличных кристаллических твердых тел. Большой вклад ального роста GaAs в камере установки молекулярнов развитие технологии нитевидных кристаллов в нашей пучковой эпитаксии (МПЭ).

стране был сделан Е.И. Гиваргизовым, в монографии которого [2] дан подробный обзор свойств, методик и 2. Эксперимент теорий формирования нитевидных кристаллов, известных к 1977 г. В настоящее время интерес к нитеМеханизм роста нитевидных кристаллов молекулярвидным кристаллам обусловлен тем, что современные ный пучок –жидкость–кристалл, являющийся модификатехнологии позволяют создавать нановискеры (НВ), т. е.

цией метода пар–жидкость–кристалл (ПЖК), предлонитевидные кристаллы диаметром порядка нескольких женного Вагнером и Эллисом [1], предполагает наличие десятков нанометров [3]. Подобные объекты могут найнескольких стадий этого процесса. Нами использовалась ти применение при создании многоострийных катодов, технология, включающая трехстадийный процесс фора также сверхострых зондов для зондовой микроскомирования НВ. Первый этап заключался в подготовке пии [4]. Использование полупроводникового материаповерхности GaAs методом, описанным далее. Второй ла, например GaAs, при изготовлении НВ позволяет этап заключался в формировании на поверхности GaAs рассматривать их как вертикальные квантовые провопленки Au (металла — катализатора). Третьим этапом локи. Таким образом, диапазон применения НВ может процесса являлись формирование капель GaAsAu и быть расширен в область полупроводниковой микророст НВ. При этом, согласно механизму ПЖК, рост НВ и оптоэлектроники. На основе НВ уже синтезированы должен происходить в тех местах на поверхности, на первые нанотранзисторы [5]. Предложено использовать которых ранее были сформированы капли GaAsAu — НВ GaAs в качестве излучателей света видимого диакатализатора роста нитевидных кристаллов.

пазона, концепция которых обсуждалась в [6]. Заметим, В [8] было показано, что при выращивании нитечто ранее [7] в системе материалов GaAs/AlAs уже была видных кристаллов GaAs по механизму ПЖК рост ¶ E-mail: alex234@newmail.ru происходит преимущественно в кристаллографическом Свойства нановискеров GaAs на поверхности GaAs (111)B, полученных комбинированным методом направлении [111]. С целью получения НВ, ориенти- образце 2 — 1.2 нм. В образце 3 эффективная толщина рованных нормально к поверхности подложки, нами слоя GaAs была 500 нм, а толщина слоя Au — 1.2 нм.

была выбрана ориентация поверхности GaAs (111)B. Исследование поверхностной морфологии образцов Первый этап подготовки поверхности GaAs осуще- проводилось на сканирующем электронном микроскоствлялся следующим образом. Подложка GaAs (111)B пе CamScan S4-90FE с полевым катодом в режиме помещалась в ростовую камеру установки МПЭ ЭП1203 вторичных электронов при энергии зондирующего пуч(НТО АН СССР), где с ее поверхности удалялся ка 20 кэВ, направленного под углом 27 к поверхности окисный слой при температуре 610C в потоке As4. подложки GaAs.

После удаления окисного слоя выращивался буферный слой GaAs толщиной 0.25 мкм при температуре 550C, 3. Результаты и обсуждение сглаживающий возможные неровности поверхности. Далее поверхность образца покрывалась слоем мышьяка На рис. 1, a представлена картина ДБЭО от потолщиной 1 нм при температуре подложки < 200C верхности GaAs (111)B в азимуте [110], снятая после с целью предотвращения формирования естественного осаждения слоя GaAs с эффективной толщиной 24 нм.

окисла при транспорте образцов из установки МПЭ в Помимо основных рефлексов реконструкции поверхноустановку напыления золота (ВУП-5, НПО Электрон, сти GaAs (111)B на дифракционной картине наблюдаСумы, Украина).

ются точечные рефлексы (обозначены белыми стрелЭтап формирования пленки Au на поверхности GaAs ками). Подобные точечные рефлексы свидетельствуют проводился следующим образом. Вначале осуществлялось удаление защитного слоя As термическим нагревом образца до (250 ± 10)C. После удаления As образец охлаждался до температуры 110C, при которой на поверхность GaAs (111)B наносилась пленка Au методом вакуумного осаждения из источника с электронным ударом. В качестве исходного материала использовалось золото чистоты не хуже 99.99%. Контроль толщины напыляемого золота осуществлялся методом измерения пропускания света. Точность измерений была не хуже 0.1%, что соответствует 0.2 нм при малой толщине слоя Au. Изображение поверхности GaAs (111)B, покрытой слоем Au, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), является свидетельством гладкости поверхности. После напыления золотой пленки образцы вновь помещались в ростовую камеру установки МПЭ. Картины дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО), снимавшиеся непосредственно после помещения образцов в ростовую камеру, свидетельствовали об аморфной структуре поверхности, отражая либо аморфное состояние осажденной пленки золота, либо присутствие на поверхности оксидного слоя.

В ростовой камере МПЭ осуществлялся нагрев образцов для удаления оксидного слоя и формирования капель GaAsAu, насыщенных галлием и мышьяком.

Наивысшей температурой, лимитирующей нижнюю границу необходимого прогрева образца, была температура удаления окисного слоя GaAs ( 610C). После прогрева в течение 5 мин температура образца понижалась до 550C и следовало осаждение GaAs. Эффективная скорость роста GaAs составляла 1 монослой в 1 секунду, соотношение потоков Ga и As4 было 1. Контроль за процессом формирования НВ осуществлялся in situ с помощью системы регистрации картин ДБЭО [9].

Рис. 1. Картины ДБЭО от поверхности GaAs (111)B после Исследовалось три образца. В образцах 1 и 2 эффекосаждения слоя GaAs с эффективной толщиной 24 нм (a) и тивные толщины слоев GaAs были 200 нм. Образцы от системы НВ после завершения ростового процесса (b).

и 2 различались толщиной напыленной пленки золота:

a — белые стрелки направлены на дополнительные рефлексы в образце 1 толщина Au составляла величину 2.5 нм, в от системы НВ. Энергия электронного пучка 25 кэВ.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1258 А.А. Тонких, Г.Э. Цырлин, Ю.Б. Самсоненко, И.П. Сошников, В.М. Устинов дифракционной картины соответствует дифракции монокристалла GaAs в направлении [110] —см. [10,11].

На рис. 2, a представлено СЭМ-изображение участка поверхности образца 1 с массивом НВ. Из рисунка видно, что НВ ориентированы по нормали к поверхности (111) GaAs. Плотность массива НВ в данном случае составляет величину 2 · 109 см-2. На рис. 2, b представлено СЭМ-изображение образца 2, отличающегося от предыдущего лишь толщиной начальной пленки Au, которая равна 1.2 нм. Плотность массива НВ в образце близка к плотности НВ в образце 1 и составляет 1.8 · 109 см-2.

Важно отметить, что длины НВ в образцах 1 и принадлежат диапазону 100–400 нм, свидетельствуя о достаточно широком распределении длин. Заметим, что максимальные длины НВ не превосходят величину 2deff, где deff — эффективная толщина осажденного на поверхность GaAs. Другим важным параметром, характеризующим НК, является его диаметр. На рис. 2, c приведено распределение по диаметрам, аппроксимированное функциями Гаусса, для образцов, изображенных на рис. 2, a и b. В образце 1 с большей толщиной слоя Au НВ имеют широкий разброс по величине диаметра. Максимумы распределения приходятся на НВ с d 45, 95, 155, 275 и 310 нм. В образце 2, где начальный слой Au был 1.2 нм, распределение по диаметрам выглядит иначе.

Наиболее характерные НВ имеют d 35-50 и 120 нм.

Таким образом, можно заключить, что массив НВ в образце 2 более однороден по диаметрам. Ранее в ряде работ [3,12] обсуждался вопрос взаимосвязи размеров капли расплава — катализатора роста нитевидных кристаллов и диаметра нитевидных кристаллов, полученных методом газофазной эпитаксии. Было показано [12], что диаметр нитевидного кристалла в большинстве случаев равен или несколько превосходит диаметр капли GaAsAu. Последний в свою очередь зависит от толщины исходной пленки золота [2]. Было показано [2], что уменьшение толщины начальной пленки Au может приводить к уменьшению дисперсии и характерного размера капель GaAsAu, что приводит к соответствующим изРис. 2. СЭМ-изображения участков поверхности образца 1 (a) менениям в системе нитевидных кристаллов. Например, и образца 2 (b) с НВ. c — распределение НВ по диаметрам для в [8] было показано, что при осаждении начальной пленобразцов 1 (1) и 2 (2).

ки Au толщиной 0.2 нм диаметр НВ InAs в верхней части равен 20 нм. Сравнивая распределение по диаметрам НВ в образцах 1 и 2, отметим, что, действительно, в об образовании развитой поверхностной структуры, в случае меньшей толщины пленки Au разброс НВ по нашем случае — НВ. Заметим, что точечные рефлексы диаметрам меньше. В образце 2 не встречаются НВ с выстраиваются в регулярную сетку, характерную для диаметрами более 200 нм, а максимум распределения дифракции монокристаллических систем. На рис. 1, b приходится на диаметр d 120 нм. Кроме того, в образприведена картина ДБЭО от образца с системой НВ це 2 наблюдаются НВ с диаметрами 20 нм, которые не после завершения ростового процесса. В данном случае наблюдаются в образце 1. Однако доля подобных НВ в видна только сетка дифракционных максимумов, а ли- массиве невелика и основной максимум распределения нейчатая картина тяжей от поверхности GaAs (111)B НВ малого диаметра приходится на тот же диапазон, что отсутствует. Реконструкция поверхности GaAs (111)B и в образце 1, — 30–50 нм.

не наблюдается ни в одном азимуте. Таким образом, Эффект ограничения минимального диаметра, наблюдифракционная картина на рис. 1, b может быть интер- даемый в наших экспериментах, может быть следствием претирована как картина дифракции электронов на от- двух явлений. Во-первых, известно [2], что при поражение системы НВ. Характер приведенной на рис. 1, b лучении нитевидных кристаллов по механизму ПЖК Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Свойства нановискеров GaAs на поверхности GaAs (111)B, полученных комбинированным методом 800 нм, соотношение длины к диаметру для некоторых НВ достигает 20–25. Наибольшие длины НВ, так же как и в случае первых двух образцов, не превышают величины 2deff. Очевидным является тот факт, что увеличение эффективной толщины пленки GaAs приводит к увеличению длины НВ GaAs по сравнению с образцом 2.

Таким образом, длина нановискеров, которые могут быть выращены методом МПЭ, лежит в диапазоне от 100 нм до нескольких микрометров и в основном определяется количеством осажденного GaAs. Мы полагаем, что диаметр НВ может быть уменьшен до 20 нм и менее за счет напыления пленки Au меньшей толщины и понижения температуры образования капель GaAsAu.

Рис. 3. СЭМ-изображение участка поверхности образца 3 с 4. Заключение НВ, снятое вблизи скола.

Предложена эффективная методика формирования нитевидных кристаллов нанометрового диапазона (диадиаметр кристаллов не может быть сколь угодно маметр 100 нм). Синтезированные массивы нановискелым, а существует некий критический диаметр, ниров GaAs ориентированы строго по нормали к поверхже которого рост нитевидного кристалла невозможен.

ности GaAs (111)B и имеют высокую поверхностную Во-вторых, применяемая нами методика формирования плотность, 109 см-3. Показано, что уменьшение толкапель GaAsAu основана на термическом распаде нащины пленки Au смещает распределение нановискеров чальной пленки Au на массив капель GaAsAu. Провепо диаметрам в сторону меньших значений. Обнарудение этого процесса при более низкой температуре жено, что длина нановискеров ограничена величиной, должно способствовать снижению характерных размеравной удвоенной эффективной толщине осажденного ров капель и уменьшению диаметра кристаллов [8].

слоя GaAs. Полученные массивы НВ могут быть испольВ нашем случае температура, при которой происходило зованы при изготовлении многоострийных катодов, а формирование капель GaAsAu, определялась температакже, вследствие их высокой прочности, для разделения турой удаления окисного слоя с поверхности GaAs и биологических и органических веществ. Кроме того, в не могла быть снижена в целях достижения меньших дальнейшем мы предполагаем развить методику зараразмеров капель при данной толщине Au.

Pages:     || 2 |



© 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.