Разработка и исследование технологических основ формирования наноструктур на основе арсенида галлия методом молекулярно-лучевой эпитаксии для элементов микро- и наноэлектроники Солодовник, Максим Сергеевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Солодовник, Максим Сергеевич. Разработка и исследование технологических основ формирования наноструктур на основе арсенида галлия методом молекулярно-лучевой эпитаксии для элементов микро- и наноэлектроники : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.01 / Солодовник Максим Сергеевич; [Место защиты: Юж. федер. ун-т].- Таганрог, 2013.- 163 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/152

Введение к работе

Актуальность диссертационной работы

Арсенид галлия совместно с другими арсенидами металлов III группы широко используется в современной электронике, занимая доминирующее положение в ряде областей благодаря особенностям кристаллической и энергетической структуры. Формирование на их основе полупроводниковых наноструктур (ППНС), обладающих уникальными структурными, оптическими, электрофизическими и транспортными характеристикам, обусловленными размерными эффектами, открывает широкие перспективы для улучшения характеристик существующих устройств микро- и наноэлектроники и созданию приборов на новых эффектах. Особенно большое внимание в связи с этим уделяется самоорганизующимся наноструктурам - нитевидным нанокристаллам (ННК) и квантовым точкам (КТ).

На существующем этапе развития приборостроения и полупроводниковой технологии актуальной задачей является управляемый синтез ННК и КТ, позволяющий формировать регулярные массивы ППНС с требуемыми параметрами. Актуальность использования комбинации методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ) для разработки технологических процессов формирования массивов ННК и КТ с заданными характеристиками обусловлена наличием in-situ контроля и широким набором ростовых методик в методе МЛЭ, в том числе, основанных на эффектах самоорганизации, и прецизионного контроля параметров и позиционирования наноструктур, присущих методу АСМ. Для разработки технологии управляемого формирования ННК и КТ необходимо проведение дополнительных исследований процессов автокаталитического роста ННК и режимов АСМ-обработки поверхности GaAs методом локального анодного окисления (ЛАО).

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ формирования методом МЛЭ массивов самоорганизующихся наноструктур (ННК и КТ) на основе GaAs с использованием собственного оксида для активных элементов устройств микро-и наноэлектроники.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

Обобщение и выявление основных требований к характеристикам и методам получения массивов ННК и КТ на основе GaAs для применения в приборах микро- и наноэлектроники.
Теоретические исследования термодинамических закономерностей межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H₂0 и Ga-As-ZnO при формировании наноструктур на основе GaAs.
Теоретические исследования процессов формирования ННК GaAs методом МЛЭ по автокаталитическому механизму.
Экспериментальные исследования режимов начальной стадии формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с использованием собственного оксида.

Экспериментальные исследования режимов наноразмерного профилирования поверхности подложек GaAs методом ЛАО.
Разработка методик исследования параметров наноструктур GaAs на основе метода АСМ.
Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ в системе (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления чувствительного элемента газового сенсора на основе массивов ННК GaAs с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна:

Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H₂0 и Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и режимов МЛЭ GaAs, на основе которых разработана методика выбора материала подслоя для формирования массивов ННК GaAs по автокаталитическому механизму.
Экспериментально установлены закономерности начальной стадии формирования автокаталитических ННК GaAs с использованием инициирующих слоев оксида GaAs и ZnO.
Разработана математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму с учетом давления и молекулярной формы мышьяка.
Установлены закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности рабочей атмосферы.

Практическая значимость работы:

Определены режимы формирования ННК GaAs по авто каталитическому механизму с использованием собственного оксида GaAs и наноразмерных пленок ZnO. Показано, что при температуре 580С, скорости роста 1 МС/с и давлении мышьяка 4-Ю"⁵ Па на собственном оксиде формируются автокаталитические ННК GaAs плотностью 5-Ю⁸ см"², длиной 1-6 мкм и диаметром 60-200 нм, а на слое ZnO толщиной 3 нм - ННК GaAs плотностью 1,2-10⁷ см"², длиной 0,5-1 мкм и диаметром 250-500 нм.
Разработана методика наноразмерного профилирования поверхности GaAs на основе метода ЛАО. Показано, что при длительности импульса подаваемого напряжения менее 100 мс и влажности 60% возможно получения регулярных массивов оксидных наноразмерных структур (ОНС) GaAs диаметром до 50 нм и высотой 2 нм, а при влажности 90% - углублений на поверхности GaAs глубиной до 8 нм и диаметром 100 нм.
Разработаны методики определения механических и электрических параметров ННК GaAs методом АСМ. Показано, что при изменении аспектного соотношения ННК GaAs от 10 до 26 их модуль Юнга изменяется от 33 до 143

ГПа, а с увеличением длины ННК с 2 до 6 мкм - от 40 до 140 ГПа. Также показано, что полученные ННК GaAs имеют р-тип проводимости с удельным сопротивлением 2 кОмсм.

Разработаны конструкция элемента оперативного запоминающего устройства с упорядоченными массивами КТ (In,Ga)As/(Al,In,Ga)As, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять многоуровневую запись информации, сократив число транзисторов в ячейке памяти с 6 до 2, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Предложены конструкция интегрированного газового сенсора с чувствительным элементом на основе массивов ННК GaAs, позволяющего, согласно оценкам, осуществлять дегазацию чувствительного элемента на основе эффекта саморазогрева, и технологический маршрут его изготовления на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Положения, выносимые на защиту:

Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия в системах Ga-As-O, Ga-As-H₂0, Ga-As-ZnO с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств соединений и их корреляция с режимами МЛЭ и Л АО.
Математическая модель формирования ННК GaAs по автокаталитическому механизму методом МЛЭ с учетом давления и молекулярной формы мышьяка, которая позволяет учесть влияние летучей компоненты бинарных соединений на геометрические параметры наноструктур.

3. Закономерности влияния режимов наноразмерного профилирования
методом ЛАО на морфологию поверхности GaAs с учетом амплитуды и
длительности импульса напряжения, параметра Set Point и влажности.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных
научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии»
ЮФУ в 2009-2012 гг.: «Исследование и разработка технологических процедур
для производства элементов изделий микро- и наноэлектроннои техники на
основе использования сверхвысоковакуумной технологической

автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (внутр. №13315); «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. №13013).

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии ЗАО «НТ-МДТ» (г. Зеленоград), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ЮФУ.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy (Moscow - Zelenograd, 2011); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012); Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010» (г. Калуга, 2010); Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии» (пос. Дивноморское, 2010, 2012); Конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009); Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009); Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010); 14-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем ЛЭТИ-2011» (г. С.-Петербург, 2011); Russian - Taiwanese Symposium «Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications» (Rostov-on-Don, 2012); XV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, 2011).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010). Является лауреатом конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (г. Ростов-на-Дону, 2010), победителем молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (2010-2012).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получен патент РФ на изобретение №110866 (приоритет от 07.07.2011 г.)

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Объем работы составляет 163 страницы, включая 77 рисунков, 2 таблицы и 180 наименований списка использованной литературы.