Молекулярно-пучковая и МОС-гидридная технологии: методы формирования наноструктурированных гетерокомпозиций

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2589

Кафедра технологии материалов электроники

С.П. Курочка
А.А. Сергиенко

Молекулярно-пучковая
и МОС-гидридная технологии

Методы формирования наноструктурированных 
гетерокомпозиций

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2015

УДК 621.38:620.3
 
К93

Р е ц е н з е н т

проф., д-р техн. наук В.Н. Мурашев

Курочка С.П.

К93  
Молекулярно-пучковая и МОС-гидридная технологии : мето
ды формирования наноструктурированных гетерокомпозиций : 
учеб. пособие / С.П. Курочка, А.А. Сергиенко. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2015. – 82 с.

ISBN 978-5-87623-940-2

В результате анализа условий проявления квантово-размерных эффектов, 

возникающих в многослойных тонкопленочных структурах, уточнены требования к технологическим процессам формирования наноструктурированных 
гетерокомпозиций. Анализируются как базовые традиционные методы формирования с применением нанолитографии – молекулярно-лучевая эпитаксия 
и газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений, так и специфические – зондовая нанотехнология и самоорганизация упорядоченных наноструктур на полупроводниковых подложках. В качестве практического применения наноструктурированных гетерокомпозиций рассмотрены конструкция и 
принцип работы полевого транзистора с высокой подвижностью носителей и 
одноэлектронный транзистор.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлениям 11.04.04 

«Электроника и наноэлектроника», 28.04.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

УДК 621.38:620.3

ISBN 978-5-87623-940-2





С.П. Курочка,
А.А. Сергиенко, 2015
НИТУ «МИСиС», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .....................................................................................................................4
1. История, состояние и перспективы развития нанотехнологии 
в электронике .........................................................................................................7
2. Квантовые основы наноэлектроники ............................................................ 11

2.1. Принципы размерного квантования ..........................................................11
2.2. Условия наблюдения квантовых размерных эффектов ...........................12
2.3. Структуры с квантовыми ямами ................................................................14
2.4. Структуры с квантовыми нитями ..............................................................20
2.5. Структуры с квантовыми точками .............................................................21
2.6. Баллистический транспорт электронов ....................................................23
2.7. Туннельный эффект .....................................................................................26
2.8. Интерференционные эффекты ...................................................................27

3. Методы изготовления наноразмерных гетероструктур ...............................29

3.1. Проблемы нанотехнологии гетероструктур .............................................29
3.2. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии ...................................................31

3.2.1. Экспериментальное оборудование и основные принципы 
молекулярно-лучевой эпитаксии ..................................................................31
3.2.2. Роль кинетики и термодинамика в процессе 
молекулярно-лучевой эпитаксии ..................................................................38
3.2.3. Получение твердых растворов соединений АIIIВV ...........................44
3.2.4. Эпитаксия кремния ..............................................................................46
3.2.5. Легирование в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии ............48
3.2.6. Выращивание напряженных структур ..............................................53

3.3. Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений ................56

3.3.1. Механизм роста ....................................................................................57
3.3.2. Механизм внедрения примесей ..........................................................58

3.4. Создание поверхностных наноструктур методом литографии ..............60

3.4.1. Традиционная литография и ее проблемы ........................................60
3.4.2. Основные достижения традиционных методов 
фотолитографии .............................................................................................62
3.4.3. Импринт-литография ...........................................................................64

3.5. Методы зондовой нанотехнологии ............................................................66
3.6. Самоорганизация наноразмерных гетероструктур..................................70

4. Возможности методов МЛЭ и ГФЭ МОС в наноэлектронике ...................76

4.1. Транзисторы с высокой подвижностью носителей .................................76
4.2. Одноэлектронный транзистор ....................................................................78

Библиографичекий список .....................................................................................81

Введение

Развитие электроники в течение последних трех десятилетий про
исходит по пути миниатюризации и усложнения изделий микроэлектроники и одновременного снижения их стоимости. С каждым новым 
поколением электронных приборов разрабатываются принципиально 
новые технологические методы их изготовления, отражающие последние достижения науки. В настоящее время осуществляется переход от микро- к наноэлектронике с размерами отдельных элементов, 
исчисляемыми не в микронах, а десятками нанометров. Переход к наноразмерным структурам изделий электронной техники качественно 
меняет принципы функционирования транзисторных и других элементов схемы. Интерес к наноразмерным структурам обусловлен возможностью создания полупроводниковых приборов, работа которых 
основана на совершенно новых эффектах. В работе этих приборов 
проявляются волновые свойства электронов, вместо гальванических 
связей основными становятся полевые связи, преобладающими – процессы размерного квантования, туннелирования и другие квантовые 
эффекты. Наноразмерные структуры обладают целой совокупностью 
уникальных свойств, весьма далеких от того, что можно наблюдать в 
системе обычных трехмерных электронов и дырок.

Исследование полупроводниковых многослойных тонкопленоч
ных структур с характерными размерами порядка длины свободного пробега электронов показали, что для кардинальной перестройки 
электронной системы и перехода ее наиболее функциональной характеристики (энергетического спектра) в дискретный, когда движение 
носителей ограничено в одном, двух или во всех трех направлениях, 
необходимо:

– для создания структур с двумерным электронным газом обеспе
чить равенство постоянных решетки у подобранной пары полупроводниковых материалов;

– при формировании квантовых гетероструктур обеспечить полу
чение резких гетеропереходов с исходным слоем промежуточного состава, имеющим толщину в несколько постоянных решетки;

– обеспечить возможность получения сложных профилей состава 

и легирования, причем период изменения состава растущего слоя не 
должен превышать нескольких нанометров. Очевидно, что изготовление подобных кристаллических структур из сверхтонких слоев является сложной задачей, требующей перехода к новым методам формирования активных областей на полупроводниковой подложке.

Для создания тонких слоев и многослойных структур с точно за
данными геометрическими размерами, электрическими и оптическими свойствами, а также для создания структур с гетеропереходами, в 
которых граница между областями была бы свободна от примесей, 
дефектов и напряжений, связанных с различием параметров двух кристаллических решеток, были разработаны технологические методы, 
удовлетворяющие этим требованиям. Это прежде всего – молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газофазная эпитаксия слоев из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС) при пониженном давлении 
в реакторе.

Молекулярно-лучевая эпитаксия обеспечивает:
1) получение монокристаллических слоев высокой чистоты, так 

как их рост осуществляется в сверхвысоком вакууме при высокой чистоте потоков веществ;

2) выращивание многослойных структур с резкими изменениями 

состава на границах слоев, благодаря относительно низкой температуре роста, препятствующей взаимной диффузии;

3) получение гладких бездефектных поверхностей при гетероэпи
таксии, что обусловлено ступенчатым механизмом роста;

4) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной за 

счет точности управления потоками и относительно малых скоростей 
роста;

5) создание структур со сложными составами или профилями ле
гирования.

Метод ГФЭ МОС с пониженным давлением в реакторе, являясь по 

сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией более простым и более 
производительным, в последнее время успешно с ней конкурирует.

Эффективным нанотехнологическим способом создания кванто
вых нитей и квантовых точек является самоорганизация при гетероэпитаксиальном росте. Гетероэпитаксия широко используется как при 
проведении исследований, так и при промышленном изготовлении 
многих полупроводниковых устройств.

Процесс включает в себя доставку атомов или молекул к поверх
ности подложки, где они могут принимать участие в одном из трех 
процессов: а) адсорбции и поверхностной диффузии с образованием 
островка зародыша путем соединения с другими атомами; б) присоединении к существующему островку; в) десорбции с испарением в 
окружающее пространство. Маленькие островки могут продолжать 
расти, мигрировать на другое место или испаряться. Существует кри

тический размер, при котором они становятся устойчивыми и существенно не испаряются.

В конечном итоге на подложке образуются островки, промежутки 

между которыми заполнены тонким смачивающим слоем. Затем может последовать добавление к этим островкам следующих слоев.

В настоящее время с использованием эффектов самоорганизации 

выращиваются несколько типов наноструктур.

Промышленным методом получения одно- и нульмерных структур 

является субмикронная фотолитография, при выполнении которой 
уменьшение размеров отдельных деталей происходит за счет уменьшения длины волны экспонирующего света. Электронная литография 
позволяет получать размер отдельных элементов 3...25 нм.

Методы МЛЭ и ГФЭ МОС с пониженным давлением в реакторе 

позволяют выращивать совершенные слои полупроводников толщиной 5…10 постоянных решетки, т.е. 2,5...5 нм. Такие сверхтонкие 
слои полупроводников позволяют не только еще дальше продвинуться по пути уменьшения размеров электронных устройств, но и обладают особыми, уникальными физическими свойствами.

В связи с этим возникла новая область твердотельной электрони
ки – квантовая электроника сверхтонких слоев кристаллических веществ и многослойных гетероструктур, составленных из таких слоев. 
Новая технология привела к появлению новых направлений в области 
создания приборов, из которых доминируют два: лазеры на одно- и 
многоквантовых ямах (КЯ) и полевые транзисторы, основанные на 
двумерном электронном газе, локализованном на границе раздела легированного широкозонного полупроводника и нелегированного узкозонного, например на границе n-(AlGa)As–GaAs со стороны GaAs.

1. ИСТОРИЯ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ 

РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ 

В ЭЛЕКТРОНИКЕ

Известно, что еще во времена Римской империи опытным путем 

ученые установили, что достаточно мелкие частицы различных веществ обладают свойствами, зачастую совершенно не похожими на 
свойства этих веществ в объеме. Например, древние римляне добавляли сверхмалые частицы (они не могли видеть эти частицы и оценить их размер) золота и серебра в расплав стекла, чтобы придавать 
бокалам и другим стеклянным изделиям характерную окраску. Изменяя размер частиц, получали стекло различного цвета – от фиолетового до красного. Совсем недавно ученые раскрыли секрет дамасской 
стали. Оказывается, в ее структуре при ковке образуются наночастицы в виде углеродных нитей, напоминающих нанотрубки. Именно 
присутствием в составе дамасской стали наноструктур углерода объясняются необыкновенные прочностные характеристики дамасской 
стали. Следует заметить, что в 1857 г. М. Фарадей впервые получил 
устойчивые коллоидные растворы золота, имеющие красный цвет.

Основы нанотехнологий заложил знаменитый американский фи
зик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, который достаточно подробно рассмотрел последствия безграничной 
миниатюризации с позиций теоретической физики в своей знаменитой лекции «Там внизу – много места», произнесенной им в декабре 
1959 г. в Калифорнийском технологическом институте на заседании 
американского физического общества. Фейнман научно доказал, что с 
точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Идеи Фейнмана 
казались слушателям фантастическими, поскольку практическая реализация предлагаемых им механизмов считалась проблемой далекого 
будущего или вообще невозможной. Сегодня многие из них уже воплощены в технологии.

Сотрудники научного подразделения американской компании Bell

Альфред Чо и Джон Артур в 1968 г. разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

Термин «нанотехнологии» был введен профессором токийского 

университета Норио Танигучи в 1974 г. в контексте сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной 
молекулой. Термин быстро завоевал популярность в научных кругах.

Очень важным моментом в истории нанотехнологий стало изобре
тение сканирующего туннельного микроскопа в конце 1981 г., позволяющего строить трехмерную картину расположения атомов на поверхности проводящих материалов. Нобелевскую премию в области 
физики за изобретение этого ценного прибора получили в 1986 г. Герд 
Биннинг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории фирмы 
IBM в Швейцарии. Важность их открытия заключается в том, что оно 
затем привело к созданию целой серии приборов, позволяющих анализировать и управлять поведением вещества на атомном уровне.

В период с 1985 г. по 1986 г. Ричард Смолли, Роберт Керл и Га
рольд Крото (нобелевские лауреаты по химии 1996 г.) создали технологию, позволяющую точно измерять объекты диаметром в один 
нанометр, и продемонстрировали ее, открыв новую форму углерода – 
фуллерен С60. Молекула фуллерена состоит из 60 атомов углерода, 
расположенных в форме сферы.

В 1986 г. нанотехнология стала известна широкой публике. Аме
риканский ученый-футуролог Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического 
института, написал книгу «Машины созидания», в которой выдвинул 
концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по 
заданной программе и собирающих все, что угодно из подручных молекул. Ученый довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, 
причем нередко со значительным опережением сроков.

В 1991 г. японский профессор Сумио Идзима из компании NEC 

использовал фуллерены для создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм. На их основе уже сейчас выпускаются материалы, которые в 100 раз прочнее стали. Кроме того, открылась возможность 
собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками. Применение нанотехнологий в электронике началось в 
1989 г., когда голландский физик Сеез Деккер создал на основе углеродной нанотрубки первый транзистор.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по 

нанотехнологии проводились с начала 1980-х годов, когда были развернуты исследования по теме «Ультрадисперсные материалы», целью которых было создание новых материалов для использования в 
народном хозяйстве. К наиболее известным можно отнести программу «Физика наноструктур» под руководством академика Ж.И. Алферова, благодаря которой оказалась возможной работа высокого уровня 

по исследованию физических явлений в полупроводниковых наноструктурах без массового выезда ведущих ученых за рубеж, и «Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике» 
под руководством академика К.А. Валиева. В 1960-х годах академик 
К.А. Валиев проявил себя крупным организатором науки и производства в электронной промышленности, стал одним из основателей 
отечественной микроэлектроники и, возглавляя НПО «Микрон», обеспечил разработку и серийное производство большой номенклатуры кремниевых интегральных схем, ставших элементной базой отечественной вычислительной техники третьего поколения – ЕС ЭВМ 
стран СЭВ, сверхпроизводительных вычислительных комплексов 
«Эльбрус», системы ЭВМ СМ, а также элементной базы оборонных 
систем, в том числе системы ПВО. В первом институте России по 
микроэлектронике и нанотехнологии – НИИ «Дельта» (руководитель 
направления Н.П. Лускинович) еще в 1995 г. были получены экспериментальные результаты по наносборке, которые долгое время не были 
повторены ни в одной из стран. В 1996 г. в Перечень критических 
технологий федерального уровня впервые были включены «Сверхбольшие интегральные схемы и наноэлектроника», «Материалы для 
микро- и наноэлектроники», «Керамические материалы и нанокерамика». Позже, в 2002 г., в Перечень критических технологий вошли 
«Материалы для микро- и наноэлектроники», «Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля», «Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров». В 1999 г. была инициирована российско-украинская совместная 
научно-техническая программа «Нанофизика и наноэлектроника». На 
конец 2004 г. эта программа включала 32 научно-исследовательских 
и опытно-конструкторских проекта, выполняемых в ведущих научных институтах обеих стран. За 2000–2003 гг. успешно завершены 
12 совместных проектов по наиболее перспективным направлениям 
исследований. Еще 10 лет назад было отмечено, что на основе применения нанотехнологий наиболее активно развиваются микро- и наноробототехника, позволяющая создать миниатюрные исполнительные 
механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих 
и более сложные робототехнические системы с распределенными механическими устройствами. Сюда относятся интегральная нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные элементы с КПД в два 
раза большим существующих (в соответствии с одним из разделов 
программы национальной нанотехнологической инициативы США), 

светодиоды и лазеры с перестраиваемым от инфракрасного до ультрафиолетового спектром излучения, высокоэффективные транспаранты и 
функциональные оптические приборы. В декабре 2002 г. нобелевский 
лауреат академик Ж.И. Алферов на научной сессии общего собрания 
Российской академии наук обосновал необходимость разработки масштабной отечественной программы развития исследований по нанотехнологиям. В мае 2006 г. развитие индустрии наносистем и наноматериалов вошло в перечень приоритетных направлений науки, технологий и 
техники, а в 2007 г. была подписана Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», ставшая основополагающим документом развития сектора нанотехнологий в Российской Федерации. За 
время принятия Президентской инициативы в рамках развития национальной наноиндустрии получены значимые результаты.

2. КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ 

НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

2.1. Принципы размерного квантования

Наноэлектроника – это область науки и техники, занимающаяся 

созданием, исследованием и применением электронных приборов с 
нанометровыми (1...100 нм) размерами элементов. В основе функционирования таких приборов лежат квантоворазмерные эффекты.

Размерный эффект – зависимость свойств тела от его размера. 

Этот эффект возникает, если протяженность тела, по крайней мере в 
одном направлении, становится сравнимой с некоторой критической 
величиной lк. Для классических размерных эффектов lк – классическая величина, например, диффузионная длина, длина свободного 
пробега электронов и т.д.

К числу фундаментальных физических явлений, определяющих 

поведение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в наноразмерных структурах, относятся: квантовое ограничение, баллистический транспорт и квантовая интерференция, а также туннелирование. Совокупность физических явлений, имеющих место в 
наноразмерных структурах, принято называть квантово-размерными 
эффектами. Все эти эффекты есть проявление квантовомеханического 
(волнового) характера поведения носителей заряда в пространственных областях нанометрового масштаба.

Квантовые размерные эффекты (в электронных структурах) име
ют место тогда, когда роль критической длины lк играет квантовая характеристика – длина волны де Бройля λ для электронов, т.е. когда 
размер структуры хотя бы в одном измерении имеет порядок λ. При 
выполнении этого условия квантово-механические явления в наноструктурах становятся доминирующими, что и определяет их специфические электронные, оптические, магнитные и другие свойства, 
используемые в электронных приборах.

В связи с введением критерия (длины волны де Бройля) представля
ет интерес оценка линейных размеров наноструктур для разных материалов. Длина волны де Бройля для электрона, движущегося в кристалле 
со скоростью v (v << c, где c – скорость света), определяется по формуле

,
2
кин

h
h
m v
m E
∗
∗
λ =
=
 
(2.1)