ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ТРАВЛЕНИЯ ЧЕРЕЗ САМООРГАНИЗУЮЩУЮСЯ МАСКУ

Кулешов Дмитрий Сергеевич

аспирант, Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону

E-mail: 

Лапин Вячеслав Анатольевич

аспирант, Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь

E-mail: 

В настоящее время внимание специалистов в области физики конденсированного состояния и физики полупроводников приковано к изучению квантово-размерных эффектов, возникающих при уменьше­нии размеров структур. К таким структурам относятся квантовые ямы, нити и точки (КТ). Использование КТ привлекательно с точки зрения повышения эффективности современных полупроводниковых прибо­ров. Например, использование КТ в солнечных элементах (СЭ), по раз­ным оценкам, может привести к увеличению их КПД до 70 % и выше [4].

Существует два принципа формирования КТ: принцип «снизу — вверх» и «сверху — вниз». К способам, основанным на первом прин­ципе, относится самоорганизация массива КТ отличного от подложки по параметру решетки при эпитаксиальном росте посредством молеку­лярно-лучевой (МЛЭ), жидкофазной (ЖФЭ) и газотранспортной (ГФЭ) эпитаксии. Недостатками таких методов являются: малая производительность процесса, дорогостоящее оборудование, использо­вание сверхчистых материалов (для МЛЭ), использование ядовитых химических веществ (ГФЭ и МОС-гидридная эпитаксия), а также требование высококвалифицированного персонала [3].

Принцип «сверху — вниз» основан на получении КТ из сплош­ной структуры посредством травления через маскирующее покрытие, полученное, например, с помощью фотолитографии [1].

В связи с этим, целью данной исследовательской работы являлось исследование возможности получения микро- и наноструктур ионно-лучевым методом для их использования в полупроводниковой индустрии и солнечной энергетике.

С помощью установки ионно-лучевого распыления была отрабо­тана технология получения микро- и наноструктур полупроводников A₃B₅, которая в дальнейшем может быть применена для получения массива КТ.

Суть эксперимента заключалась в получении само организован­ной маски и последующего травления полупроводниковой подложки потоком ионизированных частиц аргона.

Подложка GaAs протравленная химически, очищенная и обезжи­ренная, была термически обработана, в результате чего на поверхности подложки были получены капли галлия, образовавшиеся в связи с диссоциацией поверхностных молекул GaAs. В результате разогрева подложки атомы мышьяка десорбировались, а галлий скапливался на поверхности. Так как галлий плохо смачивал GaAs подложку, он соби­рался в капельки различной формы и размеров.

Была проведена серия экспериментов по отжигу GaAs подложки, в ходе которой была выявлена оптимальная температура T=575 °С, при которой образовывались нанокапли различного размера. Большие капли имели размер порядка 250—350 нм, между которыми распола­гались маленькие капли размером около 80—100 нм (рис. 1).

Затем, полупроводниковую подложку с маскирующим покры­тием подвергали ионно-лучевому травлению при временах проведения данного процесса равных 4, 8, 12 минут. Под маскирующим покры­тием материал подложки не стравливался, в результате чего образовы­вались определенные наноструктуры.

Полученные образцы были исследованы на растровом электрон­ном микроскопе (РЭМ) Quanta 200 и атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver HV. Обработка полученных АСМ изображений произве­дена в программной среде Nova 1000.

Рис. 1. РЭМ изображение поверхности подложки GaAs, после термической обработки

На образце № 1, подвергшемся травлению 4 минуты, капли про­травленной области уменьшились приблизительно на 10—15 %. Фор­ма капель стала более округлая.

В результате проведения данного эксперимента можно сделать вывод о том, что время травления 4 минуты было не достаточно для полного вытравливания капель галлия.

При исследовании образца № 2 (время травления 8 минут), на РЭМ фотографиях было показано, что большие капли галлия умень­шились в размерах, а мелкие капли почти полностью стравились (рис. 2).

На РЭМ изображениях поверхности подложки образца № 3 (вре­мя травления 12 минут) наблюдаются остатки стравленных больших капель галлия. Маленькие капельки галлия полностью стравлены.

Рис. 2. РЭМ изображение поверхности подложки GaAs протравленной ионным пучком через само организованную маску, t=8 мин.

Лучшие результаты были достигнуты при максимальном времени травления t=12 мин.

На изображениях, полученных на атомно-силовом микроскопе (АСМ), видны нано структуры образовавшиеся под каплями галлия, кото­рые были использованы в качестве маски при ионно-лучевом травлении (рис. 3).

Рис. 3. АСМ изображение наноструктур на поверхности подложки GaAs, после ионно-лучевого травления через маску, t=12 мин.

Размеры наноструктур по высоте варьируется от 50 до 180 нм. Диаметр в основании составляет примерно 370 нм.

В результате проведения данных исследований можно сделать вывод о том, что получение наноструктур данным методом весьма перспективно.

Основной проблемой данного метода на данный момент остается проблема получения маски с заданными параметрами, для получения структур определенной формы и размеров.

При использовании комбинированного метода ионно-лучевого распыления и травления возможно получать гетероструктуры с кван­товыми точками. Для этого необходимо: 1) напылить один полупро­водниковый материал на подложку другого полупроводника; 2) нанес­ти маскирующее покрытие, например, как в нашем случае, методом самоорганизации при термическом воздействии; 3) протравить осаж­денную полупроводниковую пленку через маскирующее покрытие ионным пучком до полного стравления осажденного материала. В результате получится массив квантовых точек одного полупро­водникового материала на другом.

Список литературы:

1. Бериш Р., Виттмак К., Легрейд Н. Распыление под действием бомбардировки частицами. Выпуск 3: Характеристики распыленных частиц, применения в технике., пер. с англ. СПб. : Мир, 1998. 551 с.
2. Ефремов А. М., Светцов В. И., Рыбкин В. В. Вакуумно-плазменные процессы и технологии: Учебное пособие, ГОУВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2006. 260 с.
3. Оуэнс Ф., Пул-мл. Ч. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2007. 327 с.
4. Cuadra L, Marti A., Lopez N. II 3rd World Conf. on Photovoltaic Energy Conversion. Osaka, Japan, 2003. PCD IPL-B2-01.