Формирование гетероструктур наноприборов методом молекулярнолучевой эпитаксии

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
ФОРМИРОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР
НАНОПРИБОРОВ МЕТОДОМ
МОЛЕКУЛЯРНО)ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Рекомендовано Научнометодическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85
Ф79
Рецензенты: Б.В. Крылов, В.В. Маркелов
Ф79
Формирование гетероструктур наноприборов методом моле
кулярнолучевой эпитаксии : учеб. пособие / В. Д. Шашурин,
К. В. Малышев, С. А. Мешков, Е. А. Скороходов, О. С. На)
райкин. – М.: Изд)во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. – 42,
[2] с. : ил.
Настоящее издание соответствует учебной программе курса «Специ)
альные технологические методы в нанотехнологии».
Рассматриваются методы выращивания 2D)наноструктур (наносло)
ев), 1D)наноструктур (нанонитей) и 0D)наноструктур (наночастиц) с по)
мощью молекулярно)лучевой эпитаксии для их применения в нано)
приборах радиоэлектронных систем.
Для студентов 6)го курса приборостроительных специальностей.
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009
2

ПРЕДИСЛОВИЕ
Молекулярно)лучевая эпитаксия (МЛЭ) применяется сейчас
в крупнейших лабораториях мира для изготовления наноструктур.
Это единственный метод, позволяющий непосредственно в процес)
се роста контролировать кристаллическую структуру растущего
объекта с атомной точностью с помощью дифракции быстрых элект)
ронов (ДБЭ). МЛЭ – дорогой метод из)за необходимости примене)
ния сверхвысокого вакуума порядка 10–10 Торр (1 Торр = 1 мм рт. ст.
или 102 Па), сверхчистых материалов (99,999 %) и малых скоростей
роста (1 мкм/час). Поэтому на лабораторных образцах с помощью
МЛЭ исследователи стараются только выяснить основные физиче)
ские механизмы процесса роста наноструктур, а для их массового
производства применять традиционные микроэлектронные методы,
например химическую газофазную эпитаксию или эпитаксию из
металлоорганических соединений (МОС)гидридная эпитаксия).
Метод МЛЭ в наноэлектронике является развитием традицион)
ного для микроэлектроники подхода, который не ориентирован на
использование эффектов самоорганизации. В этом подходе наност)
руктуры планируют строить обязательно после тщательной очистки
«строительной площадки». Именно с умения очищать полупровод)
никовые слитки до относительного содержания нежелательных при)
месей 10–8 началась промышленная микроэлектроника полвека на)
зад. Подобная очистка до сих пор считается необходимым этапом
получения микро) и наноструктур.
Однако открытие, совершенное нобелевским лауреатом Жоресом
Алферовым, показало еще один путь – путь самоорганизации. Для
изготовления полупроводниковых лазеров на квантовых ямах нуж)
ны были арсенид)индиевые нанослои хорошего качества, которые
никак не удавалось вырастить гладкими и сплошными методом МЛЭ.
Коллектив Алферова выяснил, что если предоставить таким нано)
слоям возможность расти самостоятельно, не навязывая им форму
гладкого слоя, то вырастают хорошо упорядоченные арсенид)инди)
евые островки одинакового размера (порядка 10 нм) на одинаковом
3

расстоянии друг от друга. Таким образом, вместо искомого полу)
проводникового лазера на квантовых ямах получился лазер на кван)
товых точках, имеющий эффективность, близкую к теоретически
предельной.
Приводимые в настоящем учебном пособии примеры получения
нанонитей и наночастиц методом МЛЭ показывают, что самоорга)
низация играет ключевую роль и в таких «сверхчистых» методах по)
лучения наноструктур, как МЛЭ.
1. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУР В ПРИБОРАХ
Для применения в радиоэлектронных средствах (РЭС) нано)
структуру можно определить как объект, размер которого хотя бы
по одной оси X, Y или Z составляет около 10 нм. Этот размер особенно
важен для электронного прибора, т. к. является естественным мас)
штабом длины для квантовомеханических волновых явлений, в ко)
торых участвуют электроны проводимости в полупроводнике. Вол)
новые явления проявляются особенно заметно в том случае, когда
размер препятствия перед падающей волной сравним с длиной этой
волны. Характерный для наноструктуры размер 10 нм – это длина
волны де Бройля электрона с типичной энергией 0,1 эВ в зоне про)
водимости полупроводника.
Размерностью наноструктуры называется число ее «больших» или
«классических» осей, т. е. число координатных осей, по которым раз)
мер наноструктуры больше 1 мкм. В качестве «большого» размера зна)
чение 1 мкм взято потому, что его можно считать границей чисто клас)
сических явлений в полупроводниковых приборах. Например, длина
экранирования электромагнитного поля в полупроводнике состав)
ляет около 1 мкм. Примерно такую же длину имеют краевые дислока)
ции, влияющие на механические свойства и надежность микроэлект)
ронных приборов. В поликристаллических материалах и в материалах
с доменной структурой размер каждого микрокристаллика и домена
также составляет около 1 мкм. На основании этих характерных значе)
ний (1 мкм и 10 нм) наноструктуры делят на следующие типы:
1) двумерные (2D) наноструктуры, или нанослои, – это слои тол)
щиной порядка 10 нм с размером в плоскости слоя порядка 1 H 1 мкм;
2) одномерные (1D) наноструктуры, или нанонити, – это нити
диаметром порядка 10 нм и длиной порядка 1 мкм;
3) нульмерные (0D) наноструктуры, или наночастицы, – это час)
тицы диаметром порядка 10 нм.
4

Физические свойства наноструктур (электропроводность, тепло)
проводность, фотопроводимость, прочность и т. д.) количественно,
а иногда и качественно отличаются от свойств объектов микромет)
ровых размеров из того же материала. Например, электропровод)
ность нанонити может не зависеть от ее длины, а цвет наночастицы
может сильно зависеть от ее размера. На этих отличиях физических
свойств основаны как нынешнее применение наноструктур в нано)
электронных приборах вроде лазеров на квантовых точках, так
и проекты будущих приборов наноэлектроники, не имеющих ана)
логов в микроэлектронике.
Целый класс таких перспективных наноэлектронных устройств
планируется создать, основываясь на квантовомеханическом эффек)
те резонансного туннелирования электрона через различные нано)
структуры. Уникальной особенностью таких резонансно)туннель)
ных устройств является возможность их изготовления с заранее
заданными схемотехническими характеристиками. Например, ре)
зонансно)туннельный диод можно изготовить так, что он будет иметь
заранее заданную вольт)амперную характеристику (ВАХ), по форме
близкую к степенной, и сильно отличающуюся от экспоненциаль)
ной ВАХ, которая свойственная всем микроэлектронным диодам.
На приборах с такими характеристиками можно создавать РЭС с ра)
нее недостижимыми свойствами.
Для применения в приборах важны следующие механизмы токо)
переноса.
1. Перенос на расстояниях, превышающих 1 мкм. В этом случае
явления описываются классической механикой и электродинами)
кой сплошных сред. Механизмы переноса – дрейф и диффузия мак)
роскопических распределений плотностей заряда, массы и энергии.
Масштаб явлений (1 мкм) задается дебаевской длиной экранирова)
ния электромагнитного поля и характерным размером дислокации.
2. Перенос на расстояниях, ме
´ньших 10 нм, описывается «чис)
той» квантовой механикой. Механизмы переноса – интерференция
и дифракция волновых функций. Их характерная особенность – на)
личие действительной и мнимой частей функций, иначе соответ)
ствующие потоки заряда, массы и т. д. будут нулевыми. Масштаб
явлений задается дебройлевской длиной волны электрона проводи)
мости с характерной энергией 0,1 эВ в зоне проводимости полупро)
водника.
3. В промежуточной области субмикронных размеров между
10 нм и 1 мкм наблюдается наложение классических и квантовых
5