Дубровский В.Г. Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур

Подождите немного. Документ загружается.

GaAs вискеров

Рис.93. Регулярный массив

. Данный массив, после проведения

процедуры нанопроцессирования, был использован для создания полевых

, использующих InAs вискеры в качестве проводящего канала. Массив GaAs

, приведенный на Рис.93, был выращен методом молекулярно-пучковой

на поверхности GaAs. Упорядоченный

3 мкм был также создан с помощью

специально разработанной процедуры

литографии. Данные вискеры имеют одинаковую длину примерно 5 мкм и

одинаковую форму. Однако их диаметр не является постоянным по длине вискера; из Рис.

93 видно, что вискеры заостряться при достижении длины, примерно равной 3

4. Зависимость и скорости

подготовлены с помощью электронной литографии

специальной

транзисторов

вискеров

эпитаксии массив капель Au диаметра 120 нм с

шагом

электронной

начинают

м м. Об объяснении данного эффекта параграф IV.12.

морфологии GaAs вискеров от температуры

осаждения

В работах [281, 282] были проведены исследования зависимости длины GaAs

вискеров, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, от ростовой

температуры поверхности. GaAs вискеры выращивались на подложках GaAs(111)B,

319

активированных Au, о методике, описанной выше. Результаты этих исследований

позволяют

1) В температ

форму, что, по-

видимому, латеральному

росту (Рис. 94).

2) В температу

ю форму при

длине L<3 практически отсутствует. По

достижении длины порядка 3 мкм вискеры заостряются и их диаметр уменьшается со

скоростью примерно 25 нм на 1 мкм длины (Рис. 95).

3) П

при

сделать следующие выводы [281]:

урном диапазоне 400-500

С вискеры имеют конусовидную

объясняется нуклеацией на боковых стенках, приводящей к

рном диапазоне 500-600

С вискеры имеют цилиндрическу

мкм, то есть нуклеация на боковых стенках

ри дальнейшем повышении температуры до T>600

С длина вискеров, выращиваемы

прочих равных условиях, резко убывает.

Рис. 94. GaAs вискеры, выращенные при температуре 420

С. Справа – схематическое

изображение механизма роста, включающего в себя диффузию на вершину вискера с

поверхности подложки и нуклеацию на боковых стенках.

320

Рис. 95. GaAs вискеры, выращенные при температуре 550

С. Справа – схематическое

изображение диффузионного механизма роста с учетом десорбции с боковой поверхности.

Экспериментальная температурная зависимость средней скорости роста GaAs

как L/t, где t – время роста, показана точкамивискеров, рассчитанной на Рис. 96. Данная

кривая была измерена для вискеров одинакового диаметра, равного 60 нм у вершины.

Там же приведена теоретическая зависимость, рассчитанная по формулам (4.136), (4.140)

для случая 1/R

диффузии с поверхности подложки к основаниям вискеров. Расчет

проводился для следующих параметров: F

=6, G =12, λ =6000 нм, V=V , T =560

=2*10

см

-2

и N

(T )=1.1*10

см

-2

. Из рисунка видно, что для всех измеренных значений

скорость роста вискеров превосходит скорость осаждения GaAs (0.2 нм/сек).

Максимальная скорость роста при 550

С равна примерно 0.92 нм.сек, то есть в 4.6 раза

превосходит скорость осаждения. Теоретическая кривая достаточно хорошо соответствует

экспериментальным данным. Однако в приведенном эксперименте отсутствуют данные,

соответствующие убывающей части кривой L(T) в области высоких температур, которая

предсказывается теоретической зависимостью. На основании представленных данных

можно лишь сказать, что для вискеров данного диаметра

возрастает при увеличении

температуры от 450 до 600

С.

s s f 0 0

W 0

длина

321

450 500 550 600 650 700

Average growth rate [Α/s]

Surface temperature T [

Deposition rate

Рис. 96. Экспериментальная (точки (сплош

средней скорости роста GaAs нановискеров на поверхности Ga ой

Au, при молекулярно-пучковой эпит

) и теоретическая ная диния) зависимости

As(111)B, активированн

аксии.

Экспериментальные зависимости L(T) с максимумом при не льной

температуре были получены в работах [281, 283]. GaAs вискеры выращивались методом

молекулярно-пучковой эпитаксии на установке ЭП1203 по описанной выше

ехстадийной методике с осаждением слоя Au в акуумной камере при следующих

словиях роста: d

= 1 нм, f=1, V=1 МС/сек, H=1000 нм. Ростовая температура изменялась

от

результаты данных работ.

Приведенные изображения GaAs вискеров (Рис. 97) показывают, что увеличение T

вначале приводит к увеличению длины вискеров, однако при Т=630

С вискеры уже

существенно короче, чем при Т=585

C. Зависимость L(T) для вискеров фиксированного

диаметра 40 нм (равного минимальному диаметру в данных условиях эксперимента),

полученная на основе анализа экспериментальных изображений, представлена на Рис. 98.

Видно, что данная кривая имеет максимум при T=560

C, что практически совпадает с

результатами, приведенными на Рис. 96. Максимальная длина

которой оптима

тр в

540 до 630

С. На Рис. 97 и 98 представлены некоторые

322

Рис. 97. Изображения GaAs

вискеров, выращенных

методом молекулярно-

пучковой эпитаксии при трех

различных температурах

поверхности T.

T = 540

T = 585

T = 630 C

323

324

Рис. 98. Экспериментальная (точки) и теоретические (сплошные линии) зависимости L(T):

экспериментальная кривая – R= 20 нм, теоретические кривые: 1 – R= 10 нм, 2 – R= 20 нм, 3

– R= 40 нм.

вискеров данного диаметра в 6 раз превосходит эффективную толщину осаждения. Длина

вискеров начинает резко уменьшаться при температуре выше 600

С. Теоретические

кривые на Рис. 98 получены на основе упрощенной формулы (4.137) в случае 1/R

диффузии при λ

(585

C)=5 мкм и 2λ

(585 C)=450 нм. Видно, что по мере увеличения

диаметра вискеров максимум температурной зависимости смещается вправо. Из

представленных результатов можно заключить, что для GaAs вискеров с диаметрами 20-

80 нм оптимальная ростовая температура при молекулярно-пучковой эпитаксии находится

в пределах 550-600

С.

520 540 560 580 600 620 640

2000

4000

10000

6000

8000

12000

Growth temperature T [

Nanowire l

ngth L [nm]

Таким образом, экспериментально подтверждается существование максимума

температурной зависимости длины щиваемых в высоковакуумных

условиях, когда рост контролируется диффузией адатомов поверхности подложки.

Возрастающая низкотемпературная ветвь объясняется у еньшением количества

островков, зарождающихся на поверхности подлодки, и как – увеличением

эффективного диффузионного радиуса сбора адатомов. При дальнейшем увеличении

температуры начинает сказываться десорбция

адатомов, как с поверхности подложки, так

и с боковых стенок вискеров. Это приводит к уменьшению числа адатомов, достигающих

вершины вискеров и замедляет скорость диффузионного роста, что и объясняет вид

керов, вы е

молекулярно-пучковой эпитаксии ЭП1203 при трех различных скор V

0.5, 1 и 1.5 МС/сек [281]. Прочие условия роста были фиксирова

нм, T=585

C, H=1000 нм. Экспериментальная зависимость L( на

Рис.100, показывает, что в данном диапазоне потоков пол я

предсказания теоретической модели п. IV.9. Длина вискеров монотонно убывает при

увеличении скорости осаждения. Это объясняется увели ением плотности островков при

увеличении V и уменьшением ффективного диффузионного радиуса сбора (см. формулы

области малых потоков не может

происходить бесконечно. Напомним, что все рассмотрение п. IV.9 относилось к области

диффузионного роста. Соответственно, возрастание L при уменьшении V имеет место

только в случае Φ>>ζ, то есть при достаточно высоких пересыщениех газообразной

среды. Поскольку Φ убывает при уменьшении V, в какой-то момент диффузионный

режим

роста сменится комбинированным и длина вискеров уменьшится за счет

размерного эффекта Гиббса-Томсона. Кроме того, при уменьшении V возрастает доля

астиц, десорбирующихся из капли. Это приводит к увеличению десорбционного вклада γ

вискеров, выра

следствие

высокотемпературной части зависимости L(T).

На Рис. 99 приведены изображения GaAs вис ращенных на установк

остях осаждения

нными и равными: d

V), представленная

ностью оправдываютс

увеличение L в

(4.132), (4.136)). Заметим, однако, что

325

выращенных методом

молекулярно-пучковой

эпитаксии при трех

осаждения V.

Рис. 99. Изображения

GaAs вискеров,

различных скоростях

V=0.5 ML/s

V=1 ML/s

V=1.5 ML/s

326

Рис. 100. Убывание длины

GaAs вискеров при

диаметра 50 нм.

увеличении V. Измерения

проводились для вискеров

и монотонному уменьшению независящего от R слагаемого в выражении для скорости

роста (4.69). Поэтому можно ожидать, что зависимость L(V) в более широкой области

изменения V будет иметь максимум в области малых V.

IV.11. Теория и эксперимент: диффузионный рост GaAs вискеров методом

магнетронного осаждения

Как уже отмечалось, наиболее распространенными методами выращивания

вискерных структур в настоящее время являются различные технологии химического

газотранспортного осаждения, например, газофазная эпитаксия из металлоогранических

соединений, и молекулярно-пучковая эпитаксия. Эти методы отличают относительно

высокая стоим сть ростового процесса и проблемы, связанные с кол гической

безопасностью. В некоторых работах, например, в [175], вискеры выращивались методом

лазерной

а ляци . В целом, адача разработки альтернативных, экономичных и

экологически чистых технологий создания вискеров является весьма актуальной. Недавно

в ряде работ [275,283] была продемонстрирована возможность выращивания GaAs

вискеров на поверхности GaAs(111)B-Au методом магнетронного осаждения. В работе

о э о

б и з

0.40.60.81.01.21.41.6

2000

1000

6000

3000

4000

5000

Growth rate [ML/s]

engthL of nano iske L wh rs [nm]

327

[282] та же технология была применена для выращивания GaAs вискеров на поверхности

Si(111)-Au. Поскольку при магнетронно осаждени частицы поступают на поверхность с

достаточно высокой энергией (до 10 эВ) [291], можно ожидать, что дифф

м и

узионное

магнетронной плазмы. Одновременно с этим, образцы нагревались до

активирующий слой Au. После осаждения заданной толщины осаждения GaAs

движение адатомов будет еще более интенсивным, чем в других технологиях вакуумного

осаждения, и механизм роста вискеров бу ет диффузионным.

Ростовые эксперименты

работ [275, 283] проводились в ус ановке вакуумного

напыления, оснащенной магнетроном постоянного тока и испарителем резистивного типа

для осаждения сверхтонких слоев Au. Для проведения эксперимента был сконструирован

специальный перемещаемый держатель образцов, позволяющий нагревать образцы до

температуры 800

С. В качестве мишеней в магнетроне использовались пластины GaAs.

Остаточное давление в рабочей камере было не выше 10

-6

Torr и возрастало до 6*10

-3

5*10

-2

Torr в условиях натекания аргона при работе магнетрона. В ряде экспериментов,

осаждения слоя Au проводилось в другой установке вакуумного напыления, снабженной

электронным испарителем. В качестве подложек использовались пластины GaAs(111)В,

предварительно подвергнутые химической обработке. Процесс формирования вискеров

производился по следующей схеме. После откачки камеры образцы нагревались до

температуры 150

С и на их поверхность осаждался слой Au толщины примерно1 нм.

Затем производился напуск аргона до рабочего давления магнетрона. После напуска газ

поджигался разряд

температуры 625

С и выдерживались в течение 1 мин в положении держателя вне потока

магнетронного осаждения. Далее температура образца понижалась до ростовой

температуры T, которая изменялась в пределах 540-630

С, и образцы перемещались в

положение над магнетроном. Магнетронное оса дение GaAs проводилось до

эффективной толщины, изменяющейся в пределах от 100 нм до 1 мкм. Контроль

эффективной толщины осуществлялся по сателлитному образцу, на который не напылялс

328