- Б) светоизлучающие структуры на основе слоев sige на si(100)
- А) приборные структуры на основе слоев ge на si(100)
- Физические и технологические основы создания СВЧ-, КВЧ- и оптоэлектронных полупроводниковых элементов и устройств на основе многослойных субмикронных Si- структур
- Разработка методов молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания многослойных полупроводниковых структур на основе кремния, германия и твердого раствора кремний-германий
- Взаимодействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ-диапазона с биологическими средами, а также с организмами человека и животных.
- Разработка методов эпитаксиального выращивания гетероструктур со слоями германия на Si(100); слоями твердого раствора кремний-германий, как на кремниевой так и на диэлектрической (сапфир) подложках для микро- и оптоэлектроники
- В) структуры кремния-на-сапфире (кнс)
- Газофазная эпитаксия
- Жидкофазная эпитаксия
- Методы эпитаксии
- Молекулярная эпитаксия
- Молекулярно-лучевая эпитаксия
- Эпитаксиальные методы
Б) светоизлучающие структуры на основе слоев sige на si(100)
Низкие температуры (~350 ºC) роста гетероструктур Si/Si1-XGeX:(Er)/Si(100) с высоким содержанием Ge(вплоть до x = 0,35) позволяют формировать достаточно совершенные релаксированные слои SiGeтолщиной несколько микрометров.
А) приборные структуры на основе слоев ge на si(100)
Для создания гетероструктур такого типа разработан низкотемпературный (TS = 300 – 380 ºC) метод осаждения из моногермана (GeH4) с разложением его в камере высоковакуумной установки на горячей проволоке.
Без использования дополнительных толстых буферных слоев (с градиентным распределением содержания Ge или низкотемпературных буферных слоев) возможно выращивание слоев с предельно гладкой морфологией (RMS ~ 0,6 нм на скане 10×10 мкм при толщине слоя Ge 0,3 мкм), низкой плотностью прорастающих дислокаций (<
Физические и технологические основы создания СВЧ-, КВЧ- и оптоэлектронных полупроводниковых элементов и устройств на основе многослойных субмикронных Si- структур
Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники
Диодные и транзисторные структуры на базе кремния являются основой большинства полупроводниковых приборов современной электроники. С момента создания лаборатория полупроводниковой электроники СВЧ НИФТИ ННГУ активно занимается разработкой и поиском условий расширения функциональных возможностей активных элементов сверхвысоких частот (СВЧ) на базе многослойных структур кремния, выращенных методом сублимационной молекулярно – лучевой эпитаксии (СМЛЭ).
Результатом этих исследований явилось создание в 80-х годах 20 века лавинно-пролетных диодов (ЛПД) мм- и субмм – диапазона с параметрами, близкими к уровню мировых достижений того времени. Позже были разработаны диоды с накоплением заряда (ДНЗ), позволяющие формировать перепады напряжений с уникально коротким (до сегодняшнего дня) фронтом (менее 20 пс при амплитуде до 10 В).
В 90-е годы прошлого века нами была обнаружена генерация обратносмещенными диодами щумового электромагнитного излучения с рекордно высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ) в сверхширокой полосе частот. Практическим результатом исследований этого эффекта явились разработки оригинальных шумовых диодов и параметрического ряда источников (генераторов) электромагнитного излучения со спектром типа «белый шум» в диапазоне частот 26-230 ГГц с уникально высокой СПМШ в 100-1000 раз превышающей лучшие мировые достижения в этой области.
Были построены феноменологические и численные модели процессов генерации в ЛПД в субмм диапазоне, процессов переключения в ДНЗ с ультракоротким фронтом, а также процессов генерации стохастических колебаний шумовыми диодами.
Научные результаты применяются в НИОКР, выполняемых лабораторией в области электроники СВЧ, а также в работах по биомедицинской тематике, выполняемых в кооперации с ведущими исследовательскими центами России и за рубежом.
Разработка методов молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания многослойных полупроводниковых структур на основе кремния, германия и твердого раствора кремний-германий
Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела
В лаборатории «Электроника твердого тела» для выращивания многослойных полупроводниковых структур используется метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в котором поток атомов кремния и легирующей примеси формируется при испарении через сублимацию прямоугольных брусков кремния, вырезанных из слитков монокристаллического кремния, легированных заданной примесью, а поток атомов германия формируется при разложении газа германа (GeH4), напускаемого в камеру роста, на сублимационном кремниевом источнике (при осаждении слоев твердого раствора кремний-германий) или на «горячей проволоке», изготовленной из тантала (при осаждении слоев чистого германия).
Данный метод характеризуется следующими основными преимуществами:
– поток атомов кремния и легирующих примесей из сублимирующего источника ближе к моноатомному, чем при испарении с использованием электронной пушки или эффузионной ячейки, что снижает плотность дефектов в слоях и оказывает положительное влияние на весь процесс эпитаксиального роста.
– формирование потока атомов кремния с достаточно высокой интенсивностью, обеспечивающей скорость роста до ~5 мкм/час и в то же время низкое фоновое легирование растущего слоя (≤ 2∙1013 см‑3) обеспечивается за счет минимального разогрева крепящих держателей источника кремния;
– легирование слоев Si и SiGe широким спектром примесей (B, Al, Ga, Sb, As, P) в широких пределах (от 2∙1013 до 1∙1020 см‑3) путем испарения примеси из сублимирующего источника. Такой вид легирования не требует использования специальных источников, отдельных от источника потока кремния.
– процесс формирования потока атомов германия значительно проще по сравнению с испарением германия с помощью электронно-лучевой пушки и не создает капель в потоке и позволяет выращивать слои в локальных областях подложки.
Взаимодействие низкоинтенсивного электромагнитного излучения КВЧ-диапазона с биологическими средами, а также с организмами человека и животных.
Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория полупроводниковой СВЧ электроники
Изучение вопросов изменений в живых организмах под воздействием электричества было начато практически одновременно с открытием электричества. Эти исследования продолжались и развивались по мере расширения электрического инструментария. Примерно с середины 20 века стали активно развиваться исследования в области влияния электромагнитных волн СВЧ диапазона.
В результате чего были разработаны новые методы лечения онкологических заболеваний – методы сверхвысокочастотной (СВЧ) – гипертермии (или, как называют ее за рубежом, диатермии). Они были основаны на разрушении опухолей под воздействием высокоинтенсивного электромагнитного излучения (ЭМИ).
В середине 80-х годов прошлого века группой ученых НИИ «Исток» (Россия) под общим руководством академика Н.Д.Девяткова были начаты работы по изучению влияния низкоинтенсивного ЭМИ крайневысоких частот (КВЧ) на биологические объекты. Понятие низкой интенсивности предполагает здесь слабость разогрева облучаемых объектов.
Практическим результатом этих исследований явилось формирование новых методов лечения – методов так называемой КВЧ-терапии. Методы основывались на воздействии на организм моногармоническим ЭМИ с заданной длиной волны в КВЧ – диапазоне. При этом, эффективность лечения значительно изменялась в зависимости от длины волны ЭМИ.
В 90-е годы 20 века в НИФТИ ННГУ были созданы оригинальные диоды, обеспечивающие генерацию ЭМИ со спектром типа «белый шум» в КВЧ диапазоне, отличающиеся от аналогов на порядки более высокой спектральной плотностью мощности шума (СПМШ). Практически одновременно с созданием указанных шумовых диодов были разработаны генераторы такого излучения и начаты исследования его влияния на организм человека и животных и на различные биологические среды.
Практическим результатом таких исследований явилось создание аппарата КВЧ – терапии низкоинтенсивным ЭМИ АМФИТ-0,2/10-01, выпускаемого в настоящее время малыми партиями ООО «ФизТех». Аппарат показал высокую эффективность при лечении широкого спектра заболеваний, в том числе, социально значимых типа ОРВИ, грипп, атипичная пневмония, а также особо тяжелых, например, СПИД, онкологические заболевания.
Разработка методов эпитаксиального выращивания гетероструктур со слоями германия на Si(100); слоями твердого раствора кремний-германий, как на кремниевой так и на диэлектрической (сапфир) подложках для микро- и оптоэлектроники
Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория электроники твердого тела
Данное направление лаборатории тесно связано с развитием кремниевой оптоэлектроники, с возможностью интеграции оптоэлектронных и электронных приборов. Для этого необходимы эффективные источники и приемники излучения, совместимые с кремниевой технологией.
В качестве светоизлучающих приборов на длине волны λ = 1,54 мкм большие перспективы связывают с кремниевыми эпитаксиальными нано-, гетероструктурами (ГС) Si/Si1-XGeX, легированными примесью эрбия.
С другой стороны, важным является создание фотодетекторов на основе слоев германия, выращенных на Si(100). Такие фотодетекторы могут детектировать оптические сигналы на длинах волн 1,3-1,55 мкм. Еще одним перспективным практическим применением слоя Ge на кремниевой подложке является его использование в качестве буферного слоя для выращивания GaAs на Si-подложке, т.е. эпитаксиальный слой Ge на Siможно рассматривать как виртуальную дешевую подложку для изготовления оптических приборов на базе GaAs.
В) структуры кремния-на-сапфире (кнс)
Разработан низкотемпературный метод роста субмикронных слов Siна сапфире для использования в микроэлектронике. Разработанный высокотемпературный предэпитаксиальный отжиг сапфира R-среза и последующий рост слоя кремния при низких температурах (500 – 600 ºC) позволяют значительно снизить плотность микродвойников в КНС-структурах, формировать гладкую морфологию поверхности слоя.
Кроме того, разработан метод выращивания слоев твердого раствора SiGe на КНС-структурах в одном технологическом цикле (при минимальной толщине слоя Siравной 0,1 мкм), что открывает широкие возможности для изготовления на них приборов, работающих в СВЧ-диапазоне.
Гетероструктуры с легированными атомами эрбия слоями твердого раствора Si1‑XGeX, выращенными на тонком (~0,1 мкм) подслое кремния на сапфире в одном технологическом цикле, демонстрируют высокую интенсивность фотолюминесценции с наличием тонкой структуры ее спектра на λ = 1,54 мкм, сравнимую с фотолюминесценцией таких же слоев, выращенных на подложках Si(001).
Газофазная эпитаксия
Газофазная эпитаксия – это процесс, при помощи которого удается получать определенное количество эпитаксиальных слоев при помощи полупроводникового осаждения из газовой фазы. Такой процесс чаще всего применяется в германиевых и кремниевых технологиях, где требуется постоянное проведение эпитаксии.
Такой процесс может функционировать лишь при пониженном давлении в специальном секторе реактора, который может быть как горизонтальным, так и вертикальным. Далее реакция продолжает свое движение на поверхность, достигая уровня подложек, которые уже нагреты до температуры от 400 до 1200 градусов.
Что касается нагрева подложек, то происходит этот процесс при помощи инфракрасного излучения, без которого нагревать такой материал до высоких показателей температуры было-бы весьма проблематично. Сейчас мы рассмотрим два наиболее распространенных способа, для осуществления газофазной эпитаксии:
- Пиролитическое разложение моносилана
- Водородное восстановление тетрахлорида кремния
Оба метода являются эффективными, но имеют определенные аспекты, на которые обязательно стоит обращать свое внимание.
Жидкофазная эпитаксия
Жидкофазная эпитаксия – такой процесс чаще всего применяется для того, чтобы производить полупроводниковое соединение таких элементов, как монокристаллический кремний. Изготовление рабочей шихты происходит из специального вещества, которое наращивается несколькими слоями.
Такой процесс проводится в атмосфере, где главным элементом является азот и водород, которые активно взаимодействуют между собой. После того, как создается специальный расплав, он качественно наносится на поверхность подложки, в процессе чего удаляются различные загрязнения и дефекты.
Методы эпитаксии
Эпитаксия – это процесс, который имеет огромное количество граней и направлений. Именно поэтому, есть огромное количество методов эпитаксии, каждый из которых имеет определенные нюансы и предназначен для работы в определенной среде.
Сейчас мы рассмотрим наиболее распространенные методы эпитаксии, которые на данный момент являются наиболее применяемыми во всех отраслях:
- Газофазная эпитаксия
- Жидкофазная эпитаксия
- Молекулярно-лучевая эпитаксия
- Молекулярная эпитаксия
Каждый из этих методов, имеет свое предназначение и используется в какой-то из отраслей. Стоит отметить, что все они являются максимально надежными и проделывать их стоит в любом случае. Подробнее об этих методах вы сможете узнать в следующих разделах, а сейчас мы рассмотрим главные преимущества такого процесса, как эпитаксия.
Преимущества эпитаксии:
- Возможность применения данного процесса практически во всех отраслях
- Высокие показатели производительности
- Улучшение качества продукции, которая проходит процесс эпитаксии
- Отсутствие каких-то сложных элементов в системе, из-за чего проведение процесса становится намного проще
- Высокое качество обработки
Недостатки эпитаксии:
- Временный эффект, из-за чего требуется повторный процесс эпитаксии
- Определенные сложности в процессе обработки
Как видим, преимуществ в этом процессе значительно больше, из чего мы можем сделать вывод, что процесс эпитаксии действительно стоящий, и его можно использовать в определенных целях.
Молекулярная эпитаксия
Молекулярная эпитаксия – это один из самых распространенных методов проведения данного процесса. Такой тип эпитаксии заключается в активной работе молекул внутри компрессора, которые позволяют доводить его до максимальной точки загруженности.
Молекулярная эпитаксия на данный момент стала наиболее распространенной на серийных производствах, где требуется наиболее надежный метод, который не выдает никаких сбоев и работает в штатном режиме. Не стоит забывать, что и в таком процессе есть определенные нюансы, на которые в любом случае стоит обращать свое внимание.
Главное – это следовать инструкции по эксплуатации, так как только в таком случае, можно будет использовать этот метод в полной мере, получив от него максимум пользы. Главным преимуществом молекулярной эпитаксии, является скорость проведения данного процесса.
Молекулярно-лучевая эпитаксия
Молекулярно-лучевая эпитаксия – это постепенный эпитаксиальный рост, в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. Такой тип эпитаксии позволяет производить рост различных гетероструктур, причем делать это в соответствии с заданной толщиной с гладкими гетерограницами и с нужными показателями легирования, которые указываются еще до начала самого процесса.
Стоит помнить, что для начала процесса эпитаксии, обязательно нужные специальные подложки, которые должны быть максимально очищенными и защищёнными атомарногладкой поверхностью. Технология такого метода заключается в осадке испаренного вещества, которое находится внутри молекулярного источника.
Этот осадок происходит прямиком на кристаллическую подложку, выполняющую роль чистой и надежной поверхности для проведения этого процесса. По сути, сама идея подобного процесса максимально проста, но в плане её реализации возникает огромное количество спорных моментов, так как в техническом плане все это проделать весьма проблематично. Существует три ключевых критерия, которые в любом случае должны быть сдержаны:
- Чистота материала, который подается испарению, должна быть 100 процентов
- Наличие молекулярного источника, который сможет производить испарение тугоплавких веществ
- В рабочей камере агрегата, должен в любом случае поддерживаться сверхвысокий вакуум, без которого данный процесс будет попросту невозможным
Эпитаксиальные методы
Лекция №11
Слово эпитаксия состоит из двух греческих слов: «эпи» — «над» и «таксис» — «упорядочивание». Поэтому термин эпитаксия означает наращивание одинаково кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические же подложки или друг на друга. Монокристаллическая подложка в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла.
Можно выделить два вида эпитаксии: гомоэпитаксию (автоэпитаксию) и гетероэпитаксию.
Гомоэпитаксия – это наращивание монокристаллического слоя на подложку из того же вещества, что и слой. Например, наращивание эпитаксиального слоя кремния на подложку (объемный кристалл) из кремния.
Гетероэпитаксия – это наращивание слоя на инородную подложку. Например, наращивание эпитаксиального слоя теллурида свинца на монокристаллическую подложку фторида бария. При этом для обеспечения роста монокристаллического слоя кристаллические решетки слоя и подложки должны быть подобны, а параметры решеток близки. Считается, что расхождение в параметрах кристаллической решетки не должно превышать 7÷15%.
Методы эпитаксиального выращивания монокристаллических слоев получили широкое распространение в технологии полупроводниковых приборов только тогда, когда научились получать слои заданного состава, обладающие параметрами, близкими к параметрам объемных кристаллов. Можно сказать, что научно-технический прогресс в области микроминиатюризации интегральных схем в значительной мере обязан внедрению в производство методов эпитаксиальной кристаллизации. При создании p-n перехода методом диффузии примесей в кристалл неизбежно по обе стороны от перехода располагаются довольно широкие области сильно скомпенсированного материала.
Замена создания многослойных структур на базе объемных кристаллов эпитаксиальными слоями позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность технологических процессов их получения, снизить себестоимость.
К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующие преимущества:
· эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев осуществляется, как правило, при температурах более низких, чем температуры получения объемных монокристаллов. При этом упрощается контроль за процессом кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств. Понижение температуры роста сопровождается замедлением диффузии примесей (в том числе и загрязняющих). В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых приборов;
· эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических слоев непосредственно в процессе их выращивания. При этом обеспечивается однородное распределение легирующих элементов в слоях, что дает возможность выращивать резкие p-n переходы со скачкообразно меняющейся концентрацией примесей. Возможность выращивания эпитаксиальных структур с резкими p-n переходами предоставляет разработчику приборов изменять профиль легирования в изготовляемом полупроводниковом приборе в гораздо более широких пределах, чем это возможно при использовании диффузии или ионной имплантации.
Использование эпитаксиальных слоев в электронной промышленности позволило:
· существенно улучшить характеристики туннельных и лазерных диодов;
· разработать технологию получения транзисторов с высоким коэффициентом усиления на высоких частотах,
· разработать технологию получения мощных и высоковольтных транзисторов;
· создание планарных полевых транзисторов, выполненных на структуре металл–окисел–полупроводник с изоляцией V-образными канавками (V-МОП).
Поскольку эпитаксия позволяет получить многослойные структуры со свойствами каждого слоя, практически не зависящими от свойств предыдущего слоя открываются широкие перспективы для разработки качественно новых типов электронных приборов, изготовить которые другими методами затруднено или невозможно, например, инжекционных лазеров на основе двойной гетероструктуры.
Процессы подразделяются по характеру фазы, из которой происходит кристаллизация, и, соответственно – это жидкофазная и газофазная эпитаксия.
При проведении эпитаксиального процесса особое внимание уделяется подготовке подложки. Для нее используется монокристаллические пластины, ориентированные с высокой точностью в заданном наиболее плотно упакованном кристаллографическом направлении. Точность ориентации подложки в выбранном направлении не превышает одной угловой минуты. Подложка должна быть гладкой и атомарно-чистой. Для этого ее подвергают последовательным операциям механической, химико-механической и химической полировке до 14-го класса чистоты.
Очень важно удалить нарушенный и загрязненный слой, возникающий в процессе обработки кристалла, поэтому финишные операции очистки поверхности обычно проводят непосредственно в рабочей камере технологической установки. Для удаления сорбированных на поверхности посторонних атомов и тончайших оксидных пленок подложки подвергают вакуумной термообработке, плазмохимическому и ионному травлению.
При гетероэпитаксии возникают проблемы с несовпадением периодов кристаллической решетки и коэффициентов термического расширения сопрягаемых материалов. Как было сказано выше, при гетероэпитаксии монокристаллический рост слоя возможен, если периоды кристаллической решетки сопрягаемых материалов различаются не более чем на 15%. Однако, уже при несовпадении периодов на сотые доли процента в эпитаксиальном слое начинается интенсивная генерация дислокаций несоответствия. На первых этапах гетероэпитаксии образуется так называемый псевдоаморфный слой – упругодеформированный слой, напряжения в котором еще не превышают величины критического напряжения образования дислокаций. По мере утолщения слоя в нем накапливаются упругие напряжения, приводящие к пластической деформации структуры с образованием дислокаций. Для уменьшения плотности дислокаций технологи вынуждены предпринимать специальные меры.
При выборе технологического метода и режима эпитаксиального наращивания необходимо учитывать следующие требования:
· на границе «подложка-слой» или между смежными слоями не должны генерироваться дополнительные структурные дефекты, поскольку эта граница в большинстве случаев является рабочей для полупроводникового прибора;
· наращиваемый слой не должен изменять свойства других слоев, создаваемых в многослойной структуре;
· границы между подложкой и слоем или между смежными слоями должны быть планарными для строго соблюдения заданной толщины слоя;
· желательно, чтобы поверхность слоев была зеркально-гладкой, чтобы обеспечить заданное распределение легирующих примесей по толщине и площади эпитаксиального слоя.
Следует отметить, что возможность прецизионного управления процессом роста и контроля качества получаемых структур, позволила совершить качественный скачок в развитии физики полупроводников. Так если основными объектами исследования лет 30 назад были монокристаллы, а лет 15 назад – эпитаксиальные слои, полученные в основном методами жидкофазной эпитаксии, то сейчас – это интенсивная разработка газофазных эпитаксиальных технологий получения сверх тонких слоев для многослойных гетероструктур, сверхрешеток и структур с квантовыми нитями и точками.
