Способ получения квантово-размерных полупроводниковых структур

 

Использование: при изготовлении квантово-размерных полупроводниковых структур. Сущность изобретения: способ включает формирование квантово-размерных областей в процессе выращивания структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Формирование производят посредством монохроматизации и фокусировки пучка атомов легирующей примеси с последующим направлением пучка атомов на дифракционный элемент, выделением из дифрагированного пучка первого дифракционного максимума и его направлением на поверхность эпитакисальной структуры. 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии получения тонкопленочных эпитаксиальных структур для квантоворазмерных полупроводниковых приборов.

Одной из основных тенденций развития полупроводниковой микроэлектроники в настоящее время является повышение быстродействия и снижение потребляемой мощности полупроводниковых приборов (в частности, транзисторов) при дальнейшем повышении степени их миниатюризации.

Эффективным средством решения этих задач является создание квантовых приборов, в которых линейные размеры рабочего канала сравнимы с длиной волны электрона. Такие приборы характеризуются наличием областей с дискретно-регулярными электронными состояниями, в которых движение электрона ограничено либо в двух направлениях ("квантовые нити"), либо во всех трех измерениях ("квантовая точка") [1] Когда электроны заключены в ограниченной потенциальными барьерами области пространства, по размерам сравнимой с длиной волны электрона, начинают проявляться их волновые свойства и они могут туннелировать через ограничивающие барьеры. Кроме того, при этом появляются еще два взаимосвязанных эффекта размерное квантование и резонанс. Реализация приборов, работающих на этих эффектах, позволяет обеспечить скорость переключения, близкую к максимально достижимой при туннелировании, и малую потребляемую мощность (ввиду малых размеров квантового прибора), так как благодаря квантовым эффектам ток оказывается очень чувствительным к изменению приложенного напряжения.

Это обуславливает актуальность задачи получения квантоворазмерных структур (в частности, эпитаксиальных), в которых электроны проводимости сосредоточены в областях структуры, расположенных в ее верхнем слое, и линейные размеры которых сравнимы с длиной волны электрона (например 200 для GaAs при T 20^оС).

Известен способ получения одноразмерных проводящих областей в GaAs посредством имплантации с использованием сфокусированных малых пучков (FIВ имплантация) [2] Этот способ заключается в следующем. В полуизолирующую GaAs подложку имплантируются ионы Si, формируя в ней проводящий слой шириной 20 мкм. Затем посредством быстрого термического отжига проводится активация имплантированных состояний, после чего в подложку имплантируются ионы Si²⁺, образуя в ней высокоомные области шириной 0,1 мкм, ограничивающие проводящий слой в очень узком канале.

Ширина канала с одноразмерной проводностью ("квантовой нити") варьировались в диапазоне 0,2-1,0 мкм. Проводимость канала снижалась с уменьшением его ширины d и достигала нуля при d 0,48 мкм и очень низких температурах (примерно 1,3-2,2 К).

Недостатком этого способа является возникновение в материале матрицы радиационных дефектов, обусловленных внедрением чужеродных ионов (в данном случае ионов Si в GaAs).

С течением времени распределение дефектов в материале матрицы меняется, что приводит, в конечном итоге, к неконтролируемому изменению параметров полупроводника.

В качестве прототипа предлагаемого способа выбран способ получения квантоворазмерных эпитаксиальных структур ("квантовых нитей"), заключающийся в выращивании на подложке эпитаксиальной структуры, с объемным легированием примесью верхнего рабочего слоя стpуктуры и его последующим травлением с использованием фотолитографии, в результате чего на поверхности структуры формируется система "квантовых нитей" с поперечным размером 250-550 нм [3] При этом следует отметить, что ширина электронных каналов меньше, чем их геометрическая ширина и составляет около 100-150 нм, что связано с используемой технологией получения.

Однако использование техники фотолитографии, в частности травителей для формирования требуемого рисунка на резисте, приводит к загрязнению материала полупроводника посторонними включениями и в дальнейшем снижает его параметры.

Этот способ не позволяет получать одноразмерные электронные каналы с заранее заданной шириной (за счет эффектов подтравливания) на краях "окон" в резисте ширина электронных каналов получается меньше, чем их геометрическая ширина, равная поперечному размеру "окна").

Кроме того, ширина формируемых электронных каналов ограничена с учетом вышеуказанных эффектов размерами "окон" в резисте. Использование фотолитографии обуславливает также сложность этого способа.

Задача изобретения снижение размеров и повышение точности формирования квантоворазмерных областей, повышение чистоты структуры и упрощение способа.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе получения квантоворазмерных эпитаксиальных структур, заключающемся в направлении на подложку потоков компонент выращиваемой структуры и легирующей примеси и формировании в структуре квантоворазмерных областей, упомянутые области формируют посредством монохроматизации и фокусировки пучка атомов легирующей примеси с последующим направлением пучка атомов на дифрационный элемент, выделения из дифрагированного пучка первого дифракционного максимума и его направлением на поверхность эпитаксиальной структуры, а постоянную d дифракционного элемента выбирают из соотношения d , (1) где М масса атома легирующей примеси, кг; - угол дифракции, уг. град.

Т температура атомов пучка легирующей примеси, К; h постоянная Планка, Джс; k постоянная Больцмана, Дж/К.

Монохроматизацию атомов пучка легирующей примеси осуществляют путем лазерного охлаждения.

Пучок атомов легирующей примеси, падающий на дифракционный элемент, фокусируется в виде точки или линии (точечная или линейная фокусировка) в зависимости от требуемой формы квантов о размерной области квантовая точка или квантовая нить соответственно.

В качестве компонент выращиваемой эпитаксиальной структуры могут быть использованы элементы III и V групп (например, As и Ga), или элементы IV группы (Si, Ge), а в качестве легирующей примеси Si и В соответственно.

На чертеже изображено устройство, при помощи которого реализуется предлагаемый способ.

Устройство содержит размещенные в вакуумной камере (не показана) подложку 1, на которой выращивается эпитаксиальная структура, молекулярные источники 2 компонент выращиваемой структуры, ориентированные на подложку 1, молекулярный источник 3 атомов легирующей примеси, лазеры 4, расположенные вне вакуумной камеры, с системой зеркал 5, фокусирующую систему, выполненную в виде набора коллимирующих щелей 6, дифракционный элемент 7, мобильное устройство 8 охлаждения и подвижную ограничивающую диафрагму 9.

Коллимирующие щели 6 выполняются в виде диафрагмы с круглыми или прямоугольными отверстиями (размер десятые доли мм) и служат для вырезания из пучка атомов легирующей примеси областей круглого или линейного сечения на поверхности дифракционного элемента 7 (точечная или линейная фокусировка). Использование набора щелей 6 позволяет сфокусировать пучок атомов легирующей примеси на различные участки дифракционного элемента 7 и получить в дальнейшем набор кванторазмерных областей на подложке 1.

В качестве дифракционного элемента 7 используются амплитудные или фазовые дифракционные решетки со спектральным диапазоном 5-20 .

Устройство 8 охлаждения дифракционного элемента 7 выполнено в виде криопанели, что позволяет реализовать требуемый тепловой режим работы дифракционного элемента 7.

Оценим постоянную решетки d дифракционного элемента 7. Исходя из соотношения Вульфа-Брэггов 2d sin = m, (2) где - угол дифракции (угол между направлением падения атомного пучка и плоскостью дифракционного элемента); m порядок дифракционного максимума; - длина волны де-Бройля; выражения для , (3) где М масса атома легирующей примеси;
V скорость атома легирующей примеси;
h постоянная Планка; и соотношения между кинетической и тепловой энергией потока атомов
kT, (4) где Т температура атомов в потоке;
k постоянная Больцмана; получаем
d² (5) или
d (6) При М 7,010^-27 кг (масса атома Si), 10^о, Т 1 К, m 1 имеем d 10 . Это же значение d сохраняется и при Т 15 К, = 3^о. Значениям Т 4 К и = 10^о соответствует d 5 .

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На подложку 1 направляются молекулярные потоки из источников 2, в результате чего на подложке 1 формируется эпитаксиальная гетероструктура (например, AlGsAs/ /Gs As). Одновременно с формированием верхнего слоя структуры осуществляется ее легирование. Включается нагреватель источника 3 легирующей примеси и атомы, например Si, поступают в пространство между источником 3 и коллимирующими щелями 6. Лазер 4, настроенный на частоту _L, которая несколько ниже частоты _опоглощения и испускания атома Si, вырабатывает луч, преобразующийся с помощью системы зеркал 5 в луч, распространяющийся навстречу атомному пучку. За счет радиационного давления лазерного излучения происходит замедление и охлаждение атомов пучка, что сводит к минимуму разброс атомов по энергиям. Выбор _L < _о приводит к тому, что атомы пучка будут иметь относительно лазерного луча необходимые скорость и допплеровский сдвиг для того, чтобы сильно поглощать лазерный свет.

Использование лазерного охлаждения позволяет получить пучок атомов с температурой несколько милликельвин (mК). Для предлагаемого способа требуется температура несколько кельвин (4-10 К). Далее монохроматизированный пучок атомов Si проходит через систему коллимирующих щелей 6, поступает на поверхность дифракционного элемента 7 и отражается от него в виде системы дифракционных точек или линий. Диафрагма 9 выделяет из этой совокупности линию, соответствующую максимуму первого порядка, в результате чего на поверхности подложки 1 формируется "квантовая точка" или "квантовая нить" (в зависимости от формы коллимирующих щелей 6) размером в несколько .

Размер "квантовой" области легирования определяется как:
L где L расстояние от дифракционного элемента до подложки 1;
Т температура атомного пучка;
Т температурный разброс атомов в пучке.

При степени охлаждения пучка 210^-8 и L 10 см на подложке могут быть получены квантово-размерные области с поперечным размером 10 .

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР, включающий выращивание легированных структур методом молекулярно-лучевой эпитаксии и формирование квантово-размерных областей, отличающийся тем, что формирование квантово-размерных областей производят в процессе выращивания структур посредством мнохроматизации и фокусировки пучка атомов легирующей примеси с последующим направлением пучка атомов на дифракционный элемент, выделением из дифрагированного пучка первого дифракционного максимума и его направлением на поверхность эпитаксиальной структуры, причем постоянную d дифракционного элемента выбирают из соотношения

где M - масса атома легирующей примеси, кг;
q - угол дифракции, град;
T - температура атомов пучка легирующей примеси, К;
- постоянная Планка, Дж с;
k - постоянная Больцмана, Дж / К.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монохроматизацию пучка атомов легирующей примеси осуществляют посредством лазерного охлаждения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют точечную фокусировку первичного пучка атомов легирующей примеси.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют линейную фокусировку первичного пучка легирующей примеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонент выращиваемой эпитаксиальной структуры используют элементы III и V групп.

6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что в качестве легирующей примеси используют кремний.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонент выращиваемой эпитаксиальной структуры используют элементы IV группы.

8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что в качестве легирующей примеси используют бор.

РИСУНКИ

Рисунок 1