Способ формирования тонких упорядоченных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов без участия стороннего катализатора на подложках кремния

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ формирования тонких упорядоченных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов (ННК) арсенида галлия на кремнии характеризуется тем, что на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (111) или (100) формируют ингибиторный слой оксида кремния (SiO2) толщиной 80-120 нм методом термического прокисления в среде азот/пары воды при температуре Т=850-950°С при давлении, близком к атмосферному, после чего наносят слой электронного резиста, в котором формируют окна методом электронной литографии путем экспонирования электронным пучком с последующим проявлением, при этом процесс проявления останавливают путем промывки в растворителе и последующей сушки, затем осуществляют реактивное ионноплазменное травление в плазмообразующей смеси газов SF6 и Аr с формированием окон в ингибиторном слое оксида кремния, в которых методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием источников Ga и As выращивают нитевидные нанокристаллы арсенида галлия по бескатализному методу или по автокаталитическому методу с применением в качестве катализатора Ga, напыляемого на подложку со сформированными окнами в ингибиторном слое. В качестве резиста может быть использован полиметилметакрилат, в качестве проявителя - метилизобутилкетон-изопропанол, в качестве растворителя - изопропанол. Изобретение обеспечивает возможность получения тонких полупроводниковых ННК, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих контролируемую поверхностную плотность. Высота упорядоченных ННК составляет 1,3 мкм, диаметр 41±3 нм. Расстояние между нанокристаллами осталось равным шагу между окнами в слое SiO2 и составило 3 мкм. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ включает подготовку кремниевой пластины путем формирования на ее поверхности ингибиторного слоя SiO2 и создания в нем наноразмерных окон для роста с последующим помещением в ростовую камеру, нагревом и ростом методом молекулярно-пучковой эпитаксии бескатализным и самокаталитическим методами.

В настоящее время известно несколько способов создания регулярно-упорядоченных систем наноразмерных нитевидных кристаллов, использующих в своей основе принцип задания одинаковых размеров частиц металла-катализатора. В [1] в процессе пиролиза моносилана (SiH4+10% Не) с малым разбросом диаметров были выращены кремниевые нанокристаллы с использованием коллоидных частиц золота на поверхности Si-SiO2. Для этого на гладкую подложку из Si-SiO2 осаждали «наночастицы» золота диаметром 8,4±0,9 нм из раствора коллоидного золота. После этого подложку с осажденными частицами золота помещали в печь. Поперечные размеры нанокристаллов составили: 6,4±1,2 нм; 12,3±2,5 нм; 20,0±2,3 нм и 31,1±2,7 нм. Недостатками способа [1] являются большая дисперсия по диаметрам выращиваемых кристаллов (5-30%), неравномерность распределения кристаллов по поверхности подложки и невозможность обеспечить идентичность размеров капель коллоидного золота.

Известные способы выращивания регулярных систем ННК, описанные в патенте №2117081 [2], заключают в себе технологию создания регулярных систем ННК, в которых маскирование поверхности гладкой кремниевой пластины осуществляется с помощью фотолитографии и импринт-литографии и тонкого слоя фоторезиста, а металл-катализатор наносят посредством электрохимического осаждения островков из раствора электролита, после чего происходит синтез нитевидных нанокристаллов каталитическим методом. Недостатками таких способов являются неконтролируемое легирование нитевидных нанокристаллов материалом катализатора, что делает такие способы непригодными для круга приложений, к тому же, при повышении температуры в печи, возможны миграция капель металла-катализатора по подложке вплоть до удаления с поверхности, ветвление ННК, неконтролируемый рост в различных направлениях [3]. Процессы создания изолирующих слоев, планаризации поверхности, формирования контактов в таком случае имеют существенные ограничения, в частности, при нанесении изолирующих слоев на ННК может формироваться «шапка», препятствующая дальнейшим манипуляциям [4].

Настоящее изобретение направлено на управляемое изготовление поверхностных структур тонких нитевидных нанокристаллов полупроводниковых материалов, выращенных без участия капель-катализатора стороннего материала.

Изобретение обеспечивает возможность получения тонких полупроводниковых нитевидных нанокристаллов диаметром менее 40 нм, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих контролируемую поверхностную плотность.

Способ выращивания тонких нитевидных нанокристаллов полупроводниковых материалов, имеющих диаметр порядка 40 нанометров и менее, осуществляется следующим образом. Поверхность кремниевой пластины с кристаллографической ориентацией (111) или (100) подвергается термическому прокислению для формирования ингибиторного слоя SiO2 с толщиной 50-100 нанометров. На поверхность образца со слоем оксида кремния наносится тонкий слой электронного резиста - полимерного вещества, чувствительного к воздействию электронным пучком высокой энергии (1-30 кэВ), оптимальная толщина которого составляет 50-90 нанометров.

Следующим шагом является экспонирование подложки электронным пучком и последующая его проявка в растворе метилизобутилкетон-изопропанол (MIBK-IPA) 1:3 в течение 45 секунд. Затем образец на 15 секунд опускается в изопропанол для остановки процесса проявления. После проявки проводилась сушка образца сухим воздухом. Минимальный воспроизводимый диаметр литографических окон в электронном резисте составляет 25 нанометров.

Предварительная проверка показала, что травление в растворе HF:H2O:1:10 приводит к быстрому разрушению полимерной маски. Поэтому для вскрытия ростовых окон в ингибиторном слое применяется реактивное ионноплазменное травление. Процесс травления реализуется вследствие распыления атомов образца при ионной бомбардировке и образования соединений компонентов образца и среды. Теория процессов ионного распыления и реактивного ионноплазменного травления представлена в книгах [5, 6]. Эксперименты показали, что оптимальный режим реактивного ионноплазменного травления обеспечивает высокий фактор вертикальности стенки мезы (окна). Время травления выбирается так, чтобы обеспечить полное вытравливание SiO2 в литографических окнах и составляет примерно 1-10 минут. После травления оставшийся на поверхности подложки резист удаляется в ацетоне. Минимальный воспроизводимый диаметр окон в ингибиторном слое составляет 25-40 нанометров.

Рост методом молекулярно-пучковой эпитаксии нитевидных нанокристаллов в регулярном массиве окон для роста, полученном с помощью литографии и травления ионным пучком и/или реактивной ионной плазмой, является оптимальным способом получения упорядоченных структур с бескатализными и автокаталитическими ННК, так как обеспечивает большую гибкость с точки зрения размеров и расположения отдельных нанокросталлов.

Использование предлагаемого способа позволяет существенно облегчить решение проблемы создания оптоэлектронных и наноэлектронных устройств на базе тонких нитевидных нанокристаллов (солнечных батарей, фотоэлектрических структур, многоканальных полевых транзисторов с оболочковым затвором, оперативных запоминающих устройств компьютеров высокой плотности информации и др.).

Примеры осуществления способа

Пример 1

Исходные пластины кремния КДБ и КЭФ различного уровня проводимости и ориентацией поверхности (111) и (100) помещались в среду азот/пары воды при температуре Т = 850-950°С при давлении близком к атмосферному. В указанных условиях протекает химическая реакция Siтверд.+2H2O = SiO2+2Н2. Образующаяся пленка оксида кремния имеет гомогенную квазиаморфную структуру. Толщина пленки контролируется временем и скоростью реакции, которое составляет от 1 до 10 мин при толщинах от 50 до 200 нм и указанных условиях. Основные контрольные параметры составляют Плотность 2.2 г/см3, Показатель преломления 1.46, Скорость травления в буферном растворе HF ~100 нм/мин, напряженность электрического пробоя пленок Е = 10-13 МВ/см.

Резист ПММА наносился поверх ингибиторного слоя, для равномерного нанесения использовалась центрифуга. Толщина слоя ПММА составляет 50-100 нм с равномерностью не хуже 10%. В соответствии с технологическими требованиями после нанесения проводилась сушка резиста при температуре 90°С в течение 90 мин. в термошкафе. Экспонирование проводилось с помощью растрового электронного микроскопа SUPRA 25 Zeiss при ускоряющем напряжении 20 кВ. Ток пучка, измеренный при помощи цилиндра Фарадея, лежал в диапазоне от 50 до 140 нА. Разброс значений тока пучка в процессе литографии - не более 10%. Оценка диаметра пучка давала величину не более 15 нм. Массивы окон в резисте имели одинаковый размер (30×30 мкм) и шаг 3 мкм между ними. Доза облучения составила 70 мкКл/см2. Проявление осуществлялось в специальном в растворе метилизобутилкетон-изопропанол (MIBK-IPA) 1:3 в течение 45 секунд. Затем образец в течение 15 секунд промывался в изопропаноле для остановки процесса проявления. После проявки проводилась сушка образца сухим воздухом. Травление пучком ионов Ar+ проводилось на установках Rokappa и ВУП-5 со специализированным источником ионов дуоплазматронного типа при условиях: энергия ионов - 0.5 КэВ, диаметр пучка ~ 50 мм, плотность потока ионов j~1014 ион/см2 при остаточном вакууме 10-6 Торр, рабочий вакуум (5÷20)*10-5 Торр. Контроль плотности тока пучка осуществлялся с помощью диафрагмированного цилиндра Фарадея до и после процесса травления. Реактивное ионноплазменное травление проводилось на установке ВОС Edwards Auto 500 в плазмообразующей смеси газов SF6-Ar. Условия травления (время, напряжение разряда, плотность мощности) выбирались так, чтобы обеспечить полное вытравливание SiO2 в литографических окнах с аспектным соотношением не менее 7 и составило примерно 5-10 минут. Диаметр протравленных окон в ингибиторном слое составил 40±2 нм.

На следующем этапе подготовленные подложки с окнами в слое SiO2 помещались в установку молекулярно-пучковой эпитаксии ЭП1203, оснащенную эффузионными источниками Ga и As. Рост GaAs ННК проводился по бескатализному механизму. В ростовой камере подложка нагревалась до 610°С, и открывались источники Ga и As на 20 минут. Затем процесс останавливался: источники закрывались и образец охлаждался до комнатной температуры. Полученные образцы исследовались методами электронной микроскопии и люминесценции. Высота упорядоченных GaAs ННК составила 1.3 мкм, а диаметр 41±3 нм. Расстояние между нанокристаллами осталось равным шагу между окнами в слое SiO2 и составило 3 мкм.

Пример 2

Выращивание тонких упорядоченных нитевидных нанокристаллов проводилось аналогично примеру 1, но рост происходил по автокаталитическому механизму. Для этого в ростовой камере на изготовленную подложку с окнами в ингибиторном слое при температуре 550°С наносился тонкий ~2 нм слой галлия, который при дальнейшей выдержке собирался в капли как в окнах для роста, так и на ингибиторном слое, на котором рост не происходит. После этого температура подложки поднималась еще на 30 градусов, и открывались источники Ga и As. Время роста составило 20 минут. Выращенные упорядоченные ННК имели диаметр 41±4 нм и длину ~1,7 мкм. Расстояние между нанокристаллами осталось равным шагу между окнами в слое SiO2 и составило 3 мкм.

1. Gudiksen M.S., Lieber СМ. Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires // J. Am. Chem. Soc; (Communication); 2000; 122 (36); pp. 8801-8802.

2. Патент РФ №2117081, МПК6 C30B 029/62, 025/02 / А.А. Щетинин, В.А. Небольсин, А.И. Дунаев, Е.Е. Попова, П.Ю. Болдырев.

3. Roest A.L, Verheijen М.А, Wunnicke О., Serafin S., Wondergem H. and Bakkers E. P.A.M. Position-controlled epitaxial UI-V nanowires on silicon // Nanotechnology; 2006; 17 (11); pp. 271-275.

4. Сошников И.П., Афанасьев Д.Е., Цырлин Г.Э., Петров В.А., Танклевская Е.М., Самсоненко Ю.Б., Буравлев А.Д., Хребтов А.И., Устинов В.М. Формирование упорядоченных нитевидных нанокристаллов GaAs с помощью электронной литографии // ФТП; 2011; 45 (6); с. 840-846.

5. Под ред. Бериша Р.М. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой // "Мир"; 1984; т. 1.

6. Под ред. Бериша Р.М. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой // "Мир"; 1986; т. 2.

1. Способ формирования тонких упорядоченных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов арсенида галлия на кремнии, характеризующийся тем, что на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (111) или (100) формируют ингибиторный слой оксида кремния толщиной 80-120 нм методом термического прокисления в среде азот/пары воды при температуре Т=850-950°С при давлении, близком к атмосферному, после чего наносят слой электронного резиста, в котором формируют окна методом электронной литографии путем экспонирования электронным пучком с последующим проявлением, при этом процесс проявления останавливают путем промывки в растворителе и последующей сушки, затем осуществляют реактивное ионноплазменное травление в плазмообразующей смеси газов SF6 и Аr с формированием окон в ингибиторном слое оксида кремния, в которых методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием источников Ga и As выращивают нитевидные нанокристаллы арсенида галлия по бескатализному методу или по автокаталитическому методу с применением в качестве катализатора Ga, напыляемого на подложку со сформированными окнами в ингибиторном слое.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве резиста применяют полиметилметакрилат, в качестве проявителя - метилизобутилкетон-изопропанол, в качестве растворителя - изопропанол.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области синтеза наноструктур на основе перовскитов, которые могут быть использованы в качестве материалов для нанофотоники для создания Фабри-Перо наносенсоров и фотонных интегральных схем.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов. Cпособ выращивания нитевидных нанокристаллов (ННК) SiO2 включает подготовку монокристаллической кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность мелкодисперсных частиц металла-катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кремния из газовой фазы, содержащей SiCl4, Н2 и O2, по схеме пар→жидкая капля→кристалл с одновременным его окислением, при этом катализатор выбирают из ряда металлов, имеющих количественные значения логарифма упругости диссоциации для реакции образования оксида , где Me - металл, О - кислород, n и m - индексы, при 1000 K, более -36,1, причем частицы металла-катализатора выбирают с диаметрами менее 100 нм, а температуру процесса выращивания устанавливают в интервале 1000-1300 K.

Изобретение относится к технологии создания нитевидных нанокристаллов (нановискеров) для различных областей техники и может быть использовано, например, в полиграфии при изготовлении защищенной от подделки продукции.

Изобретение относится к технологии формирования упорядоченных структур на поверхности твердого тела и может быть использовано для получения нитевидных кристаллов из различных материалов, пригодных для термического испарения.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения нитевидных нанокристаллов Si (ННК) включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар → капельная жидкость → кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь на пластину Si наносят пленку Ti и анодируют длительностью от 5 до 90 мин в 1%-ном растворе NH4F в этиленгликоле, причем плотность анодного тока поддерживают в интервале от 5 до 20 мА/см2, а наночастицы катализатора на анодированную поверхность Ti наносят осаждением металла, выбираемого из ряда Ni, Ag, Pd, из 0,1 М раствора, имеющего общую формулу Me(NO3)x, где Me - Ni, Ag, Pd; х=1-2, в течение 1-2 мин при воздействии на раствор ультразвуком мощностью 60 Вт.
Изобретение относится к технологии получения игольчатых монокристаллов оксида молибдена VI MoO3. Поверхность молибденовой ленты, надежно закрепленной своими концами и выгнутой кверху в виде арки, разогревают с помощью резистивного, индукционного или лучевого воздействия до температуры 650-700°С в окислительной газовой среде, содержащей от 10 до 40% кислорода и инертный газ или смесь инертных газов при давлении, превышающем 100 Па, выдерживают при этой температуре в течение не менее 10 с с момента появления паров MoO3 белого цвета, затем нагрев прекращают и молибденовую ленту остужают до 25°С, после чего нагрев возобновляют при температуре 650-700°С до образования на торцах и поверхности молибденовой ленты из паров MoO3 тонких игольчатых монокристаллов оксида молибдена длиной до 5 мм.

Изобретение относится к химической технологии получения нитевидных нанокристаллов нитрида алюминия (или нановискеров) и может быть использовано при создании элементов нано- и оптоэлектроники, а также люминесцентно-активных наноразмерных сенсоров медико-биологического профиля.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов путем выращивания легированных нитевидных нанокристаллов кремния на кремниевых подложках по схеме пар→жидкая капля→кристалл (ПЖК).

Изобретение относится к технологии получения нитевидных монокристаллов сульфобромидов трехвалентных металлов SbSBr, BiSBr, CrSBr, которые могут быть использованы в качестве легирующих добавок при получении композитных пьезоэлектрических материалов с заданными свойствами в гидроакустических преобразователях и преобразователях электромагнитной энергии в механическую.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу выращивания многослойных наногетероэпитаксиальных структур с массивами идеальных квантовых точек (НГЭС ИКТ).

Изобретение относится к области обработки полупроводниковых материалов и может быть использовано в технологии изготовления приборов, в том числе матричных большого формата на основе арсенида галлия.
Изобретение относится к электронной технике, а именно - к материалам для изготовления полупроводниковых приборов с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к способам приготовления атомно-гладких поверхностей полупроводников. .
Изобретение относится к получению монокристаллических материалов и пленок и может использоваться в технологии полупроводниковых материалов для изготовления солнечных элементов, интегральных схем, твердотельных СВЧ-приборов.

Изобретение относится к способу и устройству для разделения монокристаллов, а также устройству для юстировки и способу тестирования для определения ориентации монокристалла, предназначенным для осуществления такого способа.

Изобретение относится к электронной технике, конкретно к технологии материалов, предназначенных для создании приборов и устройств обработки и передачи информации.

Изобретение относится к способам получения монокристаллов полупроводников и может быть использовано в цветной металлургии и электронной промышленности. .

Изобретение относится к технологии создания двумерных магнитных материалов для сверхкомпактных спинтронных устройств. Способ получения дисилицида гадолиния GdSi2 со структурой интеркалированных слоев силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии заключается в осаждении атомарного потока гадолиния с давлением PGd (от 0,1 до менее 1)⋅10-8 Торр или PGd (от более 1 до 10)⋅10-8 Торр на предварительно очищенную поверхность подложки Si(111), нагретую до Ts=350 ÷ менее 400°С или Ts=более 400 ÷ 450°С, до формирования пленки дисилицида гадолиния толщиной не более 7 нм.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ формирования тонких упорядоченных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов арсенида галлия на кремнии характеризуется тем, что на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности или формируют ингибиторный слой оксида кремния толщиной 80-120 нм методом термического прокисления в среде азотпары воды при температуре Т850-950°С при давлении, близком к атмосферному, после чего наносят слой электронного резиста, в котором формируют окна методом электронной литографии путем экспонирования электронным пучком с последующим проявлением, при этом процесс проявления останавливают путем промывки в растворителе и последующей сушки, затем осуществляют реактивное ионноплазменное травление в плазмообразующей смеси газов SF6 и Аr с формированием окон в ингибиторном слое оксида кремния, в которых методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием источников Ga и As выращивают нитевидные нанокристаллы арсенида галлия по бескатализному методу или по автокаталитическому методу с применением в качестве катализатора Ga, напыляемого на подложку со сформированными окнами в ингибиторном слое. В качестве резиста может быть использован полиметилметакрилат, в качестве проявителя - метилизобутилкетон-изопропанол, в качестве растворителя - изопропанол. Изобретение обеспечивает возможность получения тонких полупроводниковых ННК, равномерно распределенных по поверхности подложки и имеющих контролируемую поверхностную плотность. Высота упорядоченных ННК составляет 1,3 мкм, диаметр 41±3 нм. Расстояние между нанокристаллами осталось равным шагу между окнами в слое SiO2 и составило 3 мкм. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

Наверх