Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0055

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0055
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской академии наук"
Название доклада
Рост InAs нитевидных нанокристаллов на Si подложке с SiO2 нанотрубками
Докладчик
Лещенко Егор Дмитриевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Главной целью данного исследования является обладающий высоким показателем воспроизводимости процессов рост нитевидных нанокристаллов (ННК) полупроводниковых III-V соединений на высокоэффективной кремниевой электронной платформе. Интеграция функциональных элементов на основе III-V ННК и кремния как ведущего элемента для микроэлектроники является важнейшей задачей научно-исследовательских групп на протяжении последних десяти лет. Важность решения подобной задачи обусловлена прикладными аспектами.
Для реализации указанной цели в работе решались следующие задачи:
- экспериментальное исследование роста методом МПЭ InAs нитевидных нанокристаллов на Si подложке с SiO2 нанотрубками;
- количественное и качественное описание ростовых процессов посредством разработки модели, позволяющей предсказывать морфологию ННК и режим роста;
- определение оптимальных условий роста для синтеза ННК, имеющих максимальное значение аспектного соотношения, в том числе поиск эффективного отношения потоков элементов III и V группы, высоты и диаметра нанотрубок;
- установление и теоретическое описание различных режимов роста III-V ННК в SiO2 нанотрубках на Si подложке.
Актуальность и новизна исследования
Существующие технологии синтеза III-V ННК на GaAs подложках делают рост таких наноструктур чрезвычайно дорогим. С другой стороны, минусом приборов на основе Si является относительно низкая подвижность носителей в кремнии, вследствие чего становится целесообразным замена электрических соединений на оптические. На основании вышеизложенного, интеграция III-V ННК и Si подложки является актуальной проблемой, успешное решение которой позволит создавать на основе ННК светоизлучающие устройства и другие оптоэлектронные приложения, совместимые с технологией интегральных схем. Преимущества использования таких устройств обусловлены низкой стоимостью Si с одной стороны и возможностью в широких пределах изменять электронные и оптические свойства полупроводниковых III-V ННК с другой. Однако стоит отметить, что, несмотря на продолжающиеся экспериментальные и теоретические исследования в данной области, рентабельной технологии синтеза ННК III-V полупроводниковых соединений на кремниевой подложке до сих пор не существует. Так, одной из наиболее существенных проблем является воспроизводимость процессов синтеза. Потенциальным решением поставленной задачи является новый и весьма перспективный метод синтеза нитевидных нанокристаллов на заранее подготовленной путем создания нанотрубок Si подложке. Подобная технология синтеза использовалась научной группой М. Борга для синтеза InAs ННК методом газофазного осаждения из металлорганических соединений, однако в настоящей работе рост ННК осуществлялся методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Таким образом, задача исследования роста III-V ННК на Si подложке с SiO2 нанотрубками находится на передовом рубеже области нанотехнологий.
Описание исследования

Создание массива SiO2 нанотрубок осуществлялось поэтапно. На первом этапе выращивались 500 нм Si цилиндрические наноструктуры с диаметром 150-450 нм методом фазосдвигающих масок и последующим реактивным ионным травлением. Затем формировался 50 нм SiO2 слой в результате термического оксидирования. Далее наносился слой фоторезиста, осуществлялось травление с помощью HF и, наконец, методом реактивного ионного травления удалялся Si, находящийся во внутренней части цилиндрических наноструктур. Таким образом были сформированы массивы SiO2 нанотрубок с расстояниями между нанотрубками равными 1, 1,5 и 2 мкм, диаметрами 150-450 нм и глубиной отверстий в нанотрубках 50-400 нм. Полученные SiO2 нанотрубки были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Изложенная специфика задачи определяет и метод роста структур пониженной размерности - наиболее продвинутый на сегодняшний день метод МПЭ. Рост InAs ННК на (111)Si подложке с SiO2 нанотрубками осуществлялся на установке DCA P600. Перед загрузкой в ростовую камеру образцы были помещены на 2 с в раствор [HNO3(70%):HF(49%):H2O] для избавления от слоя оксида и выравнивания поверхности Si подложки. В ходе исследования были экспериментально найдены оптимальные условия синтеза ННК (температура поверхности подложки, поток In и As4) путем их поочередного варьирования. Так, оптимальная температура поверхности Si подложки оказалась равной  500°C, несмотря на геометрию нанотрубок. Такая температура обеспечила эффективный  рост ННК внутри нанотрубок с одной стороны и минимальный паразитный рост снаружи с другой. Синтез InAs ННК был осуществлен в условиях эквивалентных давлений In и As4 в области 1.1 и 1.8x10-7 Тор и 0.7 и 1.3x10-5 Тор, соответственно. Время роста варьировалось в пределах от 30 мин до 5 часов. Установлено отсутствие какой-либо зависимости от расстояния между нанотрубками.

Для теоретического анализа ростовых процессов были применены уникальные авторские методики моделирования роста III-V полупроводниковых ННК.

Результаты исследования

В результате серии экспериментов по росту InAs ННК на Si подложке с SiO2 нанотрубками были найдены оптимальные диаметр нанотрубок и глубина отверстий, соответствующие максимальной длине получаемых ННК. Установлено, что ключевым параметром является эффективное соотношение V/III потоков. В зависимости от условий синтеза получены 4 различных режимов роста. Первый режим соответствует сбалансированности эффективных потоков III и V группы, результатом чего является появление In капли, частично занимающей внутреннюю область нанотрубки, и последующий вертикальный рост ННК. Установлено, что именно в таком режиме возможен рост наиболее длинных ННК. В условиях избытка As реализуется самоиндуцированный рост ННК с диаметром, равным внутреннему диаметру нанотрубки. В условиях избытка In объем металлической капли растет очень быстро, результатом чего является заполнение нанотрубки жидким металлом и распространение In за пределы нанотрубки. Результатом такого сценария являются поликристаллические структуры. Наконец, четвертый режим соответствует случаю, когда в одной нанотрубке формируются две и более капли катализатора, и, как следствие, происходит рост нескольких ННК, а их  радиальных рост приводит к формированию поликристаллических структур.

Разработана теоретическая модель роста ННК, описывающая основные черты: оптимальный поток As должен быть не слишком маленьким, но и не слишком большим; регулярного роста наноструктур сложнее добиться в глубоких нанотрубках; существование области оптимальных значений диаметра нанотрубки при заданной глубине отверстия для синтеза ННК, имеющих максимальную длину. Результаты теоретической модели хорошо согласуются с экспериментальными данными, как на начальной стадии, так и на более поздних этапах роста. 

Практическая значимость исследования
Настоящая работа представляет собой первый шаг на пути создания технологии управляемого роста III-V ННК на кремниевой платформе без использования внешнего катализатора. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синтез III-V полупроводниковых ННК на Si подложке с SiO2 нанотрубками является перспективным методом интеграции структур пониженной размерности и кремния с высоким показателем воспроизводимости процессов. Приведенное исследование открывает новые перспективы в области технологий наноструктур.