СИНТЕЗ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР Si - Ge МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО - ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
|
РЕФЕРАТ 3
СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Обзор научно - технической литературы 8
1.1. Наноструктуры Si и Ge: технологии и тенденции в развитии 8
1.2. Квантовые точки Ge на Si 10
1.3. Молекулярно - лучевая эпитаксия как метод синтеза квантовых точек Ge
на Si 13
1.3.1. У становка молекулярно - лучевой эпитаксии 13
1.3.2. Методы контроля «in situ» 20
1.3.2.1. Масс - спектрометрия 20
1.3.2.2. Дифракция быстрых электронов 21
1.3.2.3. ИК - пирометр 23
1.3.2.4. Кварцевый измеритель толщины 24
1.4. Механизмы роста 26
2. Экспериментальная работа на установке «Катунь - 100» 33
2.1. Установка «Катунь - 100» 33
2.2. Предэпитаксиальная подготовка 34
2.3. Отжиг подложек 37
2.4. Калибровка температуры нагревательного элемента подложки 40
2.5. Измерение скорости напыления Si на Si (111) методом осцилляции
интенсивности дифракционных картин 41
2.6. Измерение скорости напыления Ge на Si (111) методом осцилляции
интенсивности дифракционных картин 46
2.7. Синтез квантовых точек Ge на Si (111) 48
2.8. Переход сверхструктуры 7x7 - 5x5 при напылении Ge на Si (111) 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 53
СОКРАЩЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Обзор научно - технической литературы 8
1.1. Наноструктуры Si и Ge: технологии и тенденции в развитии 8
1.2. Квантовые точки Ge на Si 10
1.3. Молекулярно - лучевая эпитаксия как метод синтеза квантовых точек Ge
на Si 13
1.3.1. У становка молекулярно - лучевой эпитаксии 13
1.3.2. Методы контроля «in situ» 20
1.3.2.1. Масс - спектрометрия 20
1.3.2.2. Дифракция быстрых электронов 21
1.3.2.3. ИК - пирометр 23
1.3.2.4. Кварцевый измеритель толщины 24
1.4. Механизмы роста 26
2. Экспериментальная работа на установке «Катунь - 100» 33
2.1. Установка «Катунь - 100» 33
2.2. Предэпитаксиальная подготовка 34
2.3. Отжиг подложек 37
2.4. Калибровка температуры нагревательного элемента подложки 40
2.5. Измерение скорости напыления Si на Si (111) методом осцилляции
интенсивности дифракционных картин 41
2.6. Измерение скорости напыления Ge на Si (111) методом осцилляции
интенсивности дифракционных картин 46
2.7. Синтез квантовых точек Ge на Si (111) 48
2.8. Переход сверхструктуры 7x7 - 5x5 при напылении Ge на Si (111) 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 53
В настоящий момент невозможно представить современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур. Множество исследовательских групп по всему миру занимаются созданием и изучением такого рода структур.
Полупроводниковые структуры с несколькими гетеропереходами принято называть гетероструктурами. Возможность изменять на границах гетероперехода ширину запрещенной зоны и диэлектрическую проницаемость дает возможность при помощи гетероструктуры эффективно управлять движением носителей, рекомбинацией носителей, а также потоками света внутри них. В большинстве случаев область применения гетероструктур определяют обозначенные выше свойства.
Наибольшее применение гетероструктуры находят в конструировании оптоэлектронных приборов в числе которых, лазеры, светодиоды и другие. Обусловлено это тем, что коэффициент полезного действия лазеров и светодиодов на полупроводниковых гетероструктурах крайне высок.
Также, гетероструктуры могут применятся для создания приемников оптического излучения таких как фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, преобразователи ИК - излучения в оптическое.
Более того, в основе некоторых современных солнечных панелей лежат гетероструктуры типа n - p - p. Коэффициент полезного действия таких панелей может доходить до 25% а плотность снимаемой мощности до 40 Вт/см2.
Рассмотренные выше сферы применения полупроводниковых гетероструктур являются далеко не исчерпывающими. Их свойства усиленно изучаются, и на основе результатов этих работ конструируются новые электронные приборы с характеристиками на много лучше прежних или с абсолютно новыми [1].
В связи со всем перечисленным выше появляется необходимость в синтезе гетероструктур как для научных исследований так и для массового потребления. Существует большое множество способов создания наногетероструктур. К ним можно отнести [2]:
■ электронолитография и наноимпринт;
■ эпитаксиальные методы;
■ самоформирование и синтез;
■ зондовые методы;
■ вакуумные методы формирования тонких пленок.
Одной из наиболее перспективных в полупроводниковой электронике технологий является молекулярно - лучевая эпитаксия, которая представляет собой последовательное осаждение на полупроводниковую подложку слоев атомной толщины различных материалов из молекулярных пучков в условиях сверхвысокого вакуума (давление остаточных газов менее 10-8 Па). В ходе этого процесса (in situ) проводится диагностика молекулярных пучков и формируемых наногетероструктур. Создание высокоэффективных приборов микро -, нано - и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур, состоящих из соединений III - V, выращенных на относительно недорогих и прочных Si подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики [3].
Первые успешные эксперименты Артура и Чо в конце 1960 по созданию полупроводниковых наноструктур в условиях сверхвысокого вакуума с применением молекулярных пучков ознаменовали создание принципиально нового метода в полупроводниковом материаловедении. Метод молекулярно - лучевой получил бурное развитие благодаря разработкам новых приборов микро и наноэлектроники. Эти приборы, принцип действия которых основан на волновой природе электрона, создавались на основе структур со сверхрешетками, квантовыми точками и ямами и т.п. На основе подобного рода структур были созданы и теперь уже являются коммерчески вполне доступными такие приборы как гетеробиполярные транзисторы и полевые транзисторы на основе селективно легированных структур (MODFET) с улучшенными шумовыми характеристиками, резонансно - туннельные диоды повышенной мощности и лучшими усиливающими характеристиками, а также гетеролазеры с низкими пороговыми токами и большими значениями коэффициента усиления и высокой температурной стабильностью [4]. Создание элементной базы для квантовых компьютеров дает дополнительный импулс к развитию научным и технологическим работам. В это же время и настолько же интенсивно развивается научное приборостроение в сфере вакуумной техники и аналитичсекого оборудования.
Опыт использования и быстрое развитие метода МЛЭ убеждают в том, что метод незаменим для синтеза многослойных эпитаксиальных пленок с атомарно гладкими гетерограницами, прецезионно заданными толщинами слоев, составом и профилем легирования [5].
Как и любой другой метод, МЛЭ имеет ряд свойственных ему достоинств и недостатков.
Достоинства:
■ Получение монокристаллов высокой чистоты;
■ Выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах;
■ Получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии;
■ Получение сверхтонких слоёв с контролируемой толщиной;
■ Создание структур со сложными профилями состава и (или) легирования;
■ Создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия;
■ Получение прямозонных сверхрешеток из непрямозонных материалов;
■ Существует возможность исследовать структуры “in situ”.
Недостатки:
■ Низкая скорость роста пленки;
■ Сложность поддержания высокого вакуума;
■ Небольшая площадь загрузки;
■ Высокая стоимость метода (установка стоит порядка нескольких миллионов долларов США).
В связи со всем вышеперечисленным можно заключить, что научные исследования по изучению и синтезу эпитаксиальных структур Si и Ge представляют большую актуальность.
Цель выпускной квалификационной работы состояла в отработке режимов синтеза наногетероструктур Si - Ge и метода контроля дифракции быстрых электронов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Обзор современной литературы по синтезу наногетероструктур Si - Ge на Si
2. Изучение принципа работы установок МЛЭ
3. Проведение экспериментов по синтезу наногетероструктур Si - Ge на Si
4. Применение метода ДБЭ для контроля параметров синтеза наногетероструктур Si - Ge на Si.
Полупроводниковые структуры с несколькими гетеропереходами принято называть гетероструктурами. Возможность изменять на границах гетероперехода ширину запрещенной зоны и диэлектрическую проницаемость дает возможность при помощи гетероструктуры эффективно управлять движением носителей, рекомбинацией носителей, а также потоками света внутри них. В большинстве случаев область применения гетероструктур определяют обозначенные выше свойства.
Наибольшее применение гетероструктуры находят в конструировании оптоэлектронных приборов в числе которых, лазеры, светодиоды и другие. Обусловлено это тем, что коэффициент полезного действия лазеров и светодиодов на полупроводниковых гетероструктурах крайне высок.
Также, гетероструктуры могут применятся для создания приемников оптического излучения таких как фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, преобразователи ИК - излучения в оптическое.
Более того, в основе некоторых современных солнечных панелей лежат гетероструктуры типа n - p - p. Коэффициент полезного действия таких панелей может доходить до 25% а плотность снимаемой мощности до 40 Вт/см2.
Рассмотренные выше сферы применения полупроводниковых гетероструктур являются далеко не исчерпывающими. Их свойства усиленно изучаются, и на основе результатов этих работ конструируются новые электронные приборы с характеристиками на много лучше прежних или с абсолютно новыми [1].
В связи со всем перечисленным выше появляется необходимость в синтезе гетероструктур как для научных исследований так и для массового потребления. Существует большое множество способов создания наногетероструктур. К ним можно отнести [2]:
■ электронолитография и наноимпринт;
■ эпитаксиальные методы;
■ самоформирование и синтез;
■ зондовые методы;
■ вакуумные методы формирования тонких пленок.
Одной из наиболее перспективных в полупроводниковой электронике технологий является молекулярно - лучевая эпитаксия, которая представляет собой последовательное осаждение на полупроводниковую подложку слоев атомной толщины различных материалов из молекулярных пучков в условиях сверхвысокого вакуума (давление остаточных газов менее 10-8 Па). В ходе этого процесса (in situ) проводится диагностика молекулярных пучков и формируемых наногетероструктур. Создание высокоэффективных приборов микро -, нано - и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур, состоящих из соединений III - V, выращенных на относительно недорогих и прочных Si подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики [3].
Первые успешные эксперименты Артура и Чо в конце 1960 по созданию полупроводниковых наноструктур в условиях сверхвысокого вакуума с применением молекулярных пучков ознаменовали создание принципиально нового метода в полупроводниковом материаловедении. Метод молекулярно - лучевой получил бурное развитие благодаря разработкам новых приборов микро и наноэлектроники. Эти приборы, принцип действия которых основан на волновой природе электрона, создавались на основе структур со сверхрешетками, квантовыми точками и ямами и т.п. На основе подобного рода структур были созданы и теперь уже являются коммерчески вполне доступными такие приборы как гетеробиполярные транзисторы и полевые транзисторы на основе селективно легированных структур (MODFET) с улучшенными шумовыми характеристиками, резонансно - туннельные диоды повышенной мощности и лучшими усиливающими характеристиками, а также гетеролазеры с низкими пороговыми токами и большими значениями коэффициента усиления и высокой температурной стабильностью [4]. Создание элементной базы для квантовых компьютеров дает дополнительный импулс к развитию научным и технологическим работам. В это же время и настолько же интенсивно развивается научное приборостроение в сфере вакуумной техники и аналитичсекого оборудования.
Опыт использования и быстрое развитие метода МЛЭ убеждают в том, что метод незаменим для синтеза многослойных эпитаксиальных пленок с атомарно гладкими гетерограницами, прецезионно заданными толщинами слоев, составом и профилем легирования [5].
Как и любой другой метод, МЛЭ имеет ряд свойственных ему достоинств и недостатков.
Достоинства:
■ Получение монокристаллов высокой чистоты;
■ Выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах;
■ Получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии;
■ Получение сверхтонких слоёв с контролируемой толщиной;
■ Создание структур со сложными профилями состава и (или) легирования;
■ Создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия;
■ Получение прямозонных сверхрешеток из непрямозонных материалов;
■ Существует возможность исследовать структуры “in situ”.
Недостатки:
■ Низкая скорость роста пленки;
■ Сложность поддержания высокого вакуума;
■ Небольшая площадь загрузки;
■ Высокая стоимость метода (установка стоит порядка нескольких миллионов долларов США).
В связи со всем вышеперечисленным можно заключить, что научные исследования по изучению и синтезу эпитаксиальных структур Si и Ge представляют большую актуальность.
Цель выпускной квалификационной работы состояла в отработке режимов синтеза наногетероструктур Si - Ge и метода контроля дифракции быстрых электронов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Обзор современной литературы по синтезу наногетероструктур Si - Ge на Si
2. Изучение принципа работы установок МЛЭ
3. Проведение экспериментов по синтезу наногетероструктур Si - Ge на Si
4. Применение метода ДБЭ для контроля параметров синтеза наногетероструктур Si - Ge на Si.
В ходе исследований, проведенных в рамках выпускной квалификационной работы, были получены следующие результаты:
■ Проведен обзор научно - технической литературы по технологии создания наногетероструктур Si и Ge, по аналитическому методу контроля дифракции быстрых электронов, по выращиванию квантовых точек Ge на подложках Si (111).
■ Отработан технологический процесс предэпитаксиальной подготовки подложек, состоящий из химической обработки подложек, удаления оксида кремния и нанесения буферного слоя.
■ Проведена калибровка нагревательного элемента подложки по переходу сверхструктуры 7х7 - 1х1 и по температуре плавления олова.
■ Проведены эксперименты по напылению Ge и Si на подложку Si (111) и рассчитаны их скорости роста при различных значениях тока эмиссии ЭЛИ с помощью метода изменения осцилляции интенсивности картин дифракции быстрых электронов. В результате проведенных экспериментов было выявлено что при значениях тока эмиссии ЭЛИ в диапазоне 120 мА - 150 мА скорость роста Ge будет изменяться в диапазоне 0,009 А/с - 0,077 А/с. В то же время при значениях тока эмиссии ЭЛИ в диапазоне 170 мА - 250 мА скорость роста Si будут изменяться в диапазоне 0,039 А/с - 0,33 А/с.
■ Выполнен эксперимент по синтезу квантовых точек Ge на подложке Si (111). Анализируя профили изменения осцилляции интенсивности дифракционных картин был определен момент перехода двухмерной структуры в трёхмерную, наступающий после заращивания третьего бислоя.
■ Проведено наблюдение перехода сверхструктуры 7х7 - 5х5 при напылении Ge на подложку Si (111). В ходе анализа профиля изменения осцилляции интенсивности дифракционных картин определен начальный момент перехода исходной сверхструктуры 7х7 - 5х5 наступающий через 104 с после начала напыления. Также определен момент полного перехода 7х7 - 5х5 наступающий на 124 с от начала эксперимента.
По теме ВКР имеется 4 публикаций:
1. Болат Р.К. Две особенности калибровки температуры подложки при молекулярно - лучевой эпитаксии полупроводников / Р. К. Болат, В.В. Дирко, А.Ю. Третьяков // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - 3. С.
2. Заяханов В. А. Контроль эпитаксиального роста (in situ) тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, В.В. Дирко, Р.К. Болат, О.И. Кукенов // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - 3. С.
3. Заяханов В. А. Контроль эпитаксиального роста тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 134 - 135.
4. Дирко В.В. Контроль температуры нагревательного элемента в молекулярно - лучевой эпитаксии пирометрическим методом / В.В. Дирко, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов- физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 138 - 139.
■ Проведен обзор научно - технической литературы по технологии создания наногетероструктур Si и Ge, по аналитическому методу контроля дифракции быстрых электронов, по выращиванию квантовых точек Ge на подложках Si (111).
■ Отработан технологический процесс предэпитаксиальной подготовки подложек, состоящий из химической обработки подложек, удаления оксида кремния и нанесения буферного слоя.
■ Проведена калибровка нагревательного элемента подложки по переходу сверхструктуры 7х7 - 1х1 и по температуре плавления олова.
■ Проведены эксперименты по напылению Ge и Si на подложку Si (111) и рассчитаны их скорости роста при различных значениях тока эмиссии ЭЛИ с помощью метода изменения осцилляции интенсивности картин дифракции быстрых электронов. В результате проведенных экспериментов было выявлено что при значениях тока эмиссии ЭЛИ в диапазоне 120 мА - 150 мА скорость роста Ge будет изменяться в диапазоне 0,009 А/с - 0,077 А/с. В то же время при значениях тока эмиссии ЭЛИ в диапазоне 170 мА - 250 мА скорость роста Si будут изменяться в диапазоне 0,039 А/с - 0,33 А/с.
■ Выполнен эксперимент по синтезу квантовых точек Ge на подложке Si (111). Анализируя профили изменения осцилляции интенсивности дифракционных картин был определен момент перехода двухмерной структуры в трёхмерную, наступающий после заращивания третьего бислоя.
■ Проведено наблюдение перехода сверхструктуры 7х7 - 5х5 при напылении Ge на подложку Si (111). В ходе анализа профиля изменения осцилляции интенсивности дифракционных картин определен начальный момент перехода исходной сверхструктуры 7х7 - 5х5 наступающий через 104 с после начала напыления. Также определен момент полного перехода 7х7 - 5х5 наступающий на 124 с от начала эксперимента.
По теме ВКР имеется 4 публикаций:
1. Болат Р.К. Две особенности калибровки температуры подложки при молекулярно - лучевой эпитаксии полупроводников / Р. К. Болат, В.В. Дирко, А.Ю. Третьяков // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - 3. С.
2. Заяханов В. А. Контроль эпитаксиального роста (in situ) тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, В.В. Дирко, Р.К. Болат, О.И. Кукенов // Всероссийская конференция студенческих научно - исследовательских инкубаторов. - 2019. - 3. С.
3. Заяханов В. А. Контроль эпитаксиального роста тонких пленок кремния и германия методом дифракции быстрых электронов / А. В. Заяханов, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов - физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 134 - 135.
4. Дирко В.В. Контроль температуры нагревательного элемента в молекулярно - лучевой эпитаксии пирометрическим методом / В.В. Дирко, Р.К. Болат, А.Ю. Третьяков // Двадцать пятая Всероссийская научная конференция студентов- физиков и молодых учёных. - 2019. -С. 138 - 139.
Подобные работы
- ПОЛУЧЕНИЕ НАНОГЕГЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ GeM МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4600 р. Год сдачи: 2022 - МЕТОД ДИФРАКЦИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ СИНТЕЗЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР GeSi НА Si(100) И Si(lll) ПРИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Бакалаврская работа, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4255 р. Год сдачи: 2021 - Дифракция быстрых электронов при эпитаксиальном росте Ge, GeSi на подложках
Si(100), Si(lll)
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 46540 р. Год сдачи: 2020