Наносборка пленок — новый метод выращивания бездефектных эпитаксиальных структур - Информационный портал

Наносборка пленок — новый метод выращивания бездефектных эпитаксиальных структур

 

9 Апреля 2010

Наносборка пленок — новый метод выращивания бездефектных эпитаксиальных структур

В  последние годы резко вырос интерес к таким полупроводникам, как  карбид кремния, нитрид галлия, нитрид алюминия, нитрид бора. Эти полупроводники обладают прекрасными электрическими характеристиками. Они могут обеспечивать работу современных электронных и оптоэлектронных приборов в условиях повышенных температур и высоких радиоактивных излучений, тогда когда обычные полупроводниковые материалы  выходят из строя. На основе нитрида галлия в настоящее время  собираются производить белые светодиоды, которые со временем должны заменить обычные лампы накаливания. Эти свойства обусловливают огромные перспективы использования данных материалов для изготовления полупроводниковых приборов различного назначения.  Их использование, однако,  сдерживается сложностью выращивания совершенных по кристаллической структуру так называемых эпитаксиальных пленок данных полупроводников. 

Для получения  полупроводников следует иметь основу (подложку), на которой нужно вырастить пленку, например нитрида галлия.  Всем, кто занимается выращиванием пленок, хорошо известно, что для того, чтобы вырастить хорошую пленку на подложке, изготовленной из другого материала,  необходимо, чтобы кристаллические структуры подложки  и  пленки были как можно более похожи друг на друга. Это означает, что расстояние между атомами подложки и их укладка в атомные плоскости должны быть близки к расстоянию между атомами и укладке атомов в пленке. Многочисленные исследования показали, что различие между кристаллическими структурами пленки и подложки не должны превышать четырех процентов. В противном случае в пленках образуется много дефектов, которые приводят к резкому ухудшению электрических свойств получаемых  пленок.

Однако  и этого недостаточно. Процесс производства таких подложек должен быть  рентабельным. Это означает, что подложки должны быть дешевыми, а их изготовление — технологичным.  Подложки, обладающие такими свойствами,  практически отсутствуют. Одной из самых дешевых подложек, производство которой хорошо освоено во всем мире, является кремниевая. Параметры решетки кремниевой подложки и параметры решеток данных материалов, однако,  отличаются более чем на 19 %! Естественно, перед исследователями встает вопрос: как вырастить  пленки карбида кремния, нитрида галлия, нитрида алюминия высокого качества на кремниевой подложке?

В настоящее время разработано достаточно много различных способов выращивания пленок.  Это и методы выращивания пленок из растворов и расплавов, испарение и конденсация, и методы твердофазного роста, и методы химических транспортных реакций, и методы молекулярной лучевой эпитаксии, катодного и ионного распыления, и различные электрохимические методы осаждения, и  и ряд других. Общей чертой всех перечисленных методов  является то, что молекулы и атомы,  из которых растет пленка, поступают  на поверхность подложки из внешней среды, т. е. их распыляют из внешнего источника.  Все эти методы хорошо известны специалистам и подробно описаны не только в специальной научной литературе, но и в учебных пособиях. Если напылять молекулы пленок карбида кремния, нитрида галлия или нитрида алюминия  прямо на подложку кремния, то ничего не выйдет. Атомы кремния и атомы этих  пленок образуют различные кристаллические структуры, и пленки данных веществ растут на кремниевой подложке с большим содержанием различного рода дефектов. Следует отметить, что в последнее время  технологи выращивают на кремнии пленки нитрида галлия и алюминия и даже изготавливают на их основе первые приборы. Однако выращенные пленки  не  имеют достаточной для изготовления мощных приборов толщины, а более толстые пленки содержат трещины и различные дефекты роста. Это сдерживает развитие электронной промышленности.  

Основная идея, на которую опираются исследователи в поисках синтеза совершенных слоев, — создание промежуточных, так называемых буферных слоев, кристаллическая структура которых занимала бы промежуточное положение между пленкой и подложкой.  Таким буферным слоем для пленок  нитрида галлия и алюминия могут быть слои карбида кремния.  Кристаллы карбида кремния  обладают параметрами решетки, близкими к параметрам решеток таких материалов, как нитрид галлия, нитрид алюминия и оксид цинка, но между карбидом кремния и кремнием разница в параметрах решеток достигает 19 %! Как же вырастить пленку карбида кремния высокой степени совершенства?

Исследователи давно заметили, что если пленка и подложка содержат общие атомы, то совершенную пленку легче вырастить на такой подложке, чем пленку, состоящую из атомов, которые не присутствуют в  подложке. Общий элемент, который содержит кремниевая подложка и карбид кремния, — кремний.  И все же как преодолеть 19 % в разнице расстояний между атомами в решетках?  В последнее время стали предлагать разнообразные хитроумные способы, чтобы решить эту проблему.  Основная идея, заложенная в этих способах выращивания пленок, — внедрение пор в приповерхностный слой подложки. Действительно, с одной стороны, поры могут играть роль «демпфера» напряжений, возникающих из-за разницы в коэффициентах термических расширений пленки и подложки, поскольку уменьшается площадь контакта пленки с кристаллической поверхностью подложки. С другой стороны, поры являются интенсивным стоком  материала пленки, что помогает пленке расти более медленно, а это, в свою очередь, позволяет атомам пленки сформировать более  совершенную ее структуру.

то можно проиллюстрировать следующим примером. Когда идет дождь, то вода скапливается в ямках и впадинах, образуя лужи.  Более высокие места остаются сухими. По мере заполнения ямок вода начинает покрывать и более возвышенные, прежде сухие места. Но теперь это уже происходит иначе, постепенно, слой за слоем. Так же растет и пленка. После заполнения ямок материал пленки начинает покрывать всю поверхность подложки и начинается рост пленки от поверхности материала, который находится в ямке. Таким образом, исходной затравкой для роста пленки служит ее собственный материал. Если бы ямок не было, то атомы пленки присоединялись бы к поверхности подложки случайным образом и в случайных местах, а это приводит к ухудшению качества слоя пленки. Однако способ использования ямок травления для роста пленок имеет и ряд существенных недостатков.  Для получения совершенных по структуре слоев необходимо, с одной стороны, чтобы пленки были ориентированными, а с другой — не были бы механически напряжены из-за большой разницы в расположении атомов.  

ело в том, что ориентацию пленки задает кристаллическая структура подложки. Чем больше отличаются кристаллическая структура и симметрия пленки от структуры и симметрии  подложки, тем более напряженной и более дефектной вырастает пленка. Даже в том случае, если структуры пленки и подложки близки, но поверхность подложки неоднородна и содержит различного рода дефекты, царапины, ямки травления и т. п., качество растущего слоя пленки резко ухудшается. Поэтому внедрение пор в поверхностный слой подложки, несмотря на возможность релаксации механических напряжений, резко снижает ориентационные свойства поверхности подложки, поскольку ямки травления ухудшают качество поверхности подложки. Как и в приведенном примере о лужах и дожде. Чем менее ровная поверхность земли, тем более различны по размеру и лужи. Исследователь не всегда может контролировать размер и местоположение пор. Поверхность же кристалла вблизи поры часто имеет нарушенную структуру. Поэтому, делая ставку на подобные методы роста, исследователи попадают в своеобразную «западню».  С одной стороны, они искусственно  уменьшают механические напряжения между пленкой и подложкой, а с другой — увеличивают неравномерность в расположении атомных слоев пленки на подложке.

Мы вели долгие поиски пути решения данной  проблемы, поскольку было ясно, что создание пор в слое подложи — разумный подход. Необходимо было только  понять, каким образом разрешить проблему ориентации пленки. Самой правильной нам казалась мысль заменить часть атомов в кремнии на углерод, т. е.  сразу превратить кремний в карбид кремния без его разрушения. На первый взгляд данная мысль кажется фантастической. Действительно, объемы кристаллических ячеек кремния и карбида кремния различаются почти в два раза. Если «вытащить» часть атомов кремния из кремниевой решетки и на место этих атомов поместить атомы углерода, то кристаллическая решетка кремния просто разрушится.

 выход из данной ситуации был найден. На наше счастье, оказалось, что кристаллическая структура кремния очень рыхлая и в ней содержатся большие пустоты, в которых могут разместиться маленькие атомы углерода. Мы провели теоретические расчеты и математически доказали, что если в такой пустоте разместить атом углерода, а соседний с ним атом кремния удалить, то оказывается, что размеры кристаллической решетки кремния, содержащей такие дефекты, практически совпадают с размерами решетки кремния без дефектов. Это означает, что и механические напряжения в такой решетке отсутствуют. Такое удивительное свойство связано с эффектом взаимодействия (взаимного притяжения) лишнего атома углерода в пустоте кремния и с вакансией, образовавшейся на месте удаленного атома кремния.  Подобное притяжение возникает не за счет электрических, химических или других подобных сил, а  из-за чисто механического упругого изменения  окружающих углеродный атом и вакансию атомов кремния. Атомы углерода и вакансии изменяют расстояние между атомами кремния и за счет этого сами притягиваются друг к другу. 

Таким образом, образуется новое вещество, сформированное на основе кристаллической матрицы кремния, но содержащее вакансии и углеродные атомы, которые образуют внутри него свою собственную кристаллическую решетку.  Такое вещество живет не очень долгое время, но вполне достаточное, чтобы на поверхности кремниевой подложки образовался слой данного  вещества толщиной 100-200 нанометров (1 нанометр — одна миллиардная часть метра). Поскольку в данном веществе углерод не находится на своем месте, а его местом является место занимаемое вакансией, то в действие вступают химические силы, стремящиеся заставить атомы углерода занять свои законные места. Со временем роста данного вещества химическая энергия накапливается и углерод и вакансия обмениваются местами.  В результате на поверхности образуется слой карбида кремния, а ушедшие на место углерода вакансии (атомные пустоты) сливаются (коагулируют) друг с другом с образованием пустот (пор).  Если  процесс образования слоя карбида кремния  происходит одновременно с процессом слияния вакансий, атомов пустоты, как их еще называют, то на верхней части подложки кремния образуется слой карбида кремния, покрывающий, подобно крыше дома, пустоты, лежащие под этим слоем. При получении пленок данным методом вначале подложка кремния задает ориентацию образовавшемуся промежуточному веществу, а затем уже образуются пустоты (поры), которые и приводят к окончательной релаксации механических напряжений, обусловленных различием в расположении атомов.  

Теперь было необходимо реализовать эту идею на практике. Для этого нужно было доставить атом углерода внутрь кремния и одновременно с этим удалить только один соседний атом кремния. Итак, нам необходимо было найти такое  химическое вещество в результате взаимодействия, с которым в  решетку кремния внедрился бы атом углерода, но так, чтобы  химическая реакция не протекала сразу до образования карбида кремния, а образовалось промежуточная структура, о которой говорилось выше.  И такое вещество нами было найдено. Им оказался обычный угарный газ (это вещество содержит два атома углерода и кислород). Конечно, если просто взять угарный газ и соединить его с монокристаллическим кремнием, то  карбида кремния хорошего качества получить не удастся. Для получения этого материала нужно еще специальным образом обработать подложку, обработать ее несколькими другими газами, но основой является именно угарный газ. Поняв это, мы начали выращивать монокристаллические пленки карбида кремния на кремнии, которые на сегодняшний день превосходят по своей структуре и составу аналогичные пленки,  выращиваемые ведущими мировыми лидерами в области электронных материалов! И самое главное, их себестоимость более чем в 30—50 раз ниже себестоимости этих пленок.  

Для выращивания пленок разработанным нами методом мы сконструировали оригинальную установку. Некоторые узлы этой установки изображены на рис. 3a и 3b.
Итак, нам удалось открыть новый метод синтеза полупроводниковых пленок. Выращенные на основе данной технологии пленки карбида кремния могут быть использованы для различных целей в микро- и оптоэлектронике. Например, их можно дорастить по стандартной технологии до нужной толщины и использовать для создания мощных и сверхмощных транзисторов, так необходимых для развития силовой электроники.  На поверхности наших пленок можно  выращивать, и мы уже с успехом это делаем,   такие полупроводники,  как  нитрид галлия, который широко используется при создании светодиодов и осветительных приборов нового поколения.

Очень часто бывает так: ученый серьезно работает над решением какой-нибудь проблемы. Он ищет одни свойства изучаемого им объекта, а в процессе работы совершенно неожиданно открываются  новые стороны изучаемого им явления, о которых даже и не догадывался. Так произошло и с нами. Оказалось, что  переходное между кремнием и карбидом кремния  вещество обладает рядом уникальных свойств. Например, оно оказалось весьма чувствительным к воздействию света. Коэффициент полезного действия (кпд) данного вещества не только не уступает, но и превосходит многие традиционные вещества, использующиеся для создания фотоэлементов. Оказалось, что открытое нами вещество можно с успехом использовать для создания преобразователей солнечной энергии.
Данная технология позволила нам получит, абсолютно новым способом новый материал, к свойствам которого сейчас проявляют большой интерес исследователи всего мира, а именно графен —  монослои квазидвумерного графита. Данный материал был получен совсем недавно совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (США) и российского Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Россия, Черноголовка). Графен позволяет провести экспериментальные исследования по проверке положений релятивистской квантовой механики. Оказалось, что при определенных условиях в процессе роста пленок карбида кремния мы можем получать графеноподобные структуры как на поверхности самой пленки, так и в виде монослев, «зажатых»  между структурами карбида кремния и кремнием.

В заключение отметим, что данный метод был открыт в лаборатории структурных и фазовых превращений в конденсированных средах Института проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН)  совместно с предприятием Новые Кремниевые Технологии (НКТ). Причем первоначально он был предсказан теоретически и только затем  экспериментально подтвержден и технологически реализован.  Метод был теоретически предсказан и разработан мной и сотрудником моей лаборатории и моим другом доктором наук Андреем Викторовичем Осиповым. Экспериментальное подтверждение данного метода было выполнено нами совместно с нашим коллегой и товарищем кандидатом наук Николаем Александровичем Феоктистовым. Отмечу, что именно Н. А. Феоктистов разработал оригинальную экспериментальную установку для роста пленок карбида кремния  на кремнии. Необходимо отметить, что, как и любое большое дело, данный метод не мог быть реализован без финансовой поддержки. На наше счастье, мой старый друг Лукьянов Андрей Витальевич, в прошлом научный сотрудник, кандидат наук, а в настоящее время предприниматель и директор предприятия НКТ, проявил  интерес к нашей идее и  уже много лет финансирует эту работу. Широта его взглядов позволила ему увидеть еще много лет назад в неоформленной идее большие  перспективы нового метода роста пленок.  

На наше счастье, многие друзья и коллеги откликнулись на наш призыв заняться разработкой получения и исследованием данного вещества. Профессор Игорь Петрович Калинкин стоял у истоков разработки химической  подготовки кремниевых пластин к росту пленок карбида кремния. Электронно-микроскопические и электронографические исследования проводили доцент В. П. Рубец и профессор Л. М. Сорокин, различные оптические исследования проводились сотрудником ФТИ им. А. Ф. Иоффе д. физ.-мат. наук М. Е. Компаном. Электрофизические измерения проводил профессор  А. П. Беляев. Рост слоев нитрида алюминия и галлия осуществляли во ФТИ им. А. Ф. Иоффе  под руководством заведующего  лабораторией д. физ.-мат. наук Ю. В. Жиляева, а также страрший науный сотрудник В. Н. Бессолов и др. Ряд исследований был выполнен  сотрудниками центра коллективного пользования  ФТИ им. А. Ф. Иоффе, возглавляемого профессором С. Г. Конниковым.  Хочу отметить  большой вклад в данную работу зав. лаб.  ЦННИ материалов  (г. Санкт-Петербург)  доктора технических наук С. К. Гордеева и его сотрудницы С. Б. Корчагиной. Именно при совместной работе с ними  в начале наших работ по росту пленок карбида кремния, хотя и несколько иным, но достаточно близким к данному методу способом были получены первые пленки карбида кремния на кремниевых подложках.
Большую помощь оказал нам директор нашего института член-корреспондент РАН Дмитрий Анатольевич Индейцев. С его помощью нам удалось создать настоящую исследовательскую лабораторию по выращиванию и изучению тонких  пленок различных соединений. Руководство Академии наук приобрело для нас ряд уникальных приборов, без помощи которых было бы невозможно исследование наших пленок.

Доктор физико-математических наук,
профессор, заведующий лабораторией
структурных и фазовых превращений
в конденсированных средах
 Института проблем  машиноведения РАН
С. А. Кукушкин

Короткая ссылка на новость: https://www.nstar-spb.ru/~3KU3B


Газета «Санкт-Петербургский вестник высшей школы»

Санкт-Петербургский вестник высшей школы

музыкальный вестник


 

Информационное агентство  Северная Звезда

Нет событий в календаре на ближайшее время