Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

щественное влияние на стоимость интегральной схемы. В этих условиях особую актуальность приобретает проблема поиска новых принципов осуществления связи как между отдельными элементами УСБИС и чипами, так и между различными функциональными узлами сложной электронной аппаратуры. Сегодня, когда осуществляется переход к широкомасштабной компьютеризации и созданию глобальных систем связи и информатизации, эта проблема приобретает исключительную остроту.
...
Заманчивой альтернативой традиционным межсоединениям являются оптоэлектронные системы, обеспечивающие возможность генерации, модуляции, усиления, передачи, а также детектирования световых сигналов. Потенциальные возможности таких систем трудно переоценить. Элементарная ячейка монолитного оптоэлектронного устройства представляет собой результат интегрирования, в пределах одной пластины источника излучения, волновода и фотоприемника. Необходимым условием успешного использования оптоэлектронных устройств является их хорошее геометрическое и функциональное совмещение с элементами УСБИС. При этом технология их изготовления должна хорошо совмещаться с технологией изготовления самой интегральной схемы и необходимо максимально использовать хорошо отработанные процессы и оборудование кремниевых приборных производств [29].
...
Основной проблемой кремниевой оптоэлектроники является проблема создания эффективного источника излучения, роль которого выполняет светодиод или лазер. Кремний является непрямозонным полупроводником, и эффективность межзонной излучательной рекомбинации в нем очень низка. Определенным выходом из этого положения является легирование кремния эрбием, примесью, которая формирует в кристаллической решетке эффективные центры излучательной рекомбинации с участием 4f электронов примесного атома. В процессе такой рекомбинации генерируется излучение с длиной волны 1,54 мкм, для которого сам кремний практически прозрачен и которое также соответствует окну максимальной прозрачности оптических волноводов из кварцевого стекла. К сожалению, растворимость Ег в Si составляет всего ~Ю16 см"3 (при 1300 °С). Этого явно недостаточно для получения интенсивного излучения. Для увеличения содержания Ег в кристаллической решетке используют неравновесные методы получения сильнолегированных кремниевых слоев — ионную имплантацию, молекулярно-лучевую эпитаксию, ион-но-лучевое напыление и др. Увеличению содержания Ег в слое способствует и дополнительное его легирование кислородом или фтором, с которыми эрбий образует достаточно стабильные комплексы. На сегод-
...
няшний день наилучшие результаты достигнуты при использовании метода ионной имплантации [30]. Процесс осуществляется в следующей последовательности. Сначала в кремниевую подложку имплантируют совместно ионы эрбия и кислорода в соотношении 1:10. Затем осуществляется рекристаллизация полученного при имплантации аморфизован-ного слоя путем термообработки при 620 °С в течение 3 ч. Заключительной операцией является быстрый термический отжиг рекристаллизован-ного слоя при 900 °С в течение 30 с, в процессе которого происходит аннигиляция в нем остаточных дефектов. В результате удается получать достаточно структурно совершенные монокристаллические слои с концентрацией Ег до ~1020 см_3. Ожидается, что такой прорыв в увеличении уровня легирования позволит уже в самое ближайшее время на основе Si(Er) изготовить светоизлучающие диоды с квантовой эффективностью излучения при комнатной температуре на уровне 1 % и с приемлемыми для целей интеграции частотными характеристиками. С умеренным оптимизмом оцениваются и перспективы создания лазеров на основе монокристаллического кремния, легированного Ег, а также на основе гетероструктур твердых растворов SiGe(Er).
...
Обнадеживающие результаты получены и для структур на основе легированного эрбием аморфного гидрированного кремния — a-Si:H(Er). В частности, в традиционных ^-/-«-структурах на основе этого материала при прямом включении наблюдалась достаточно эффективная электролюминесценция при комнатной температуре. Аналогичные результаты получены и для гетероструктур типа Me/a-Si:H(Er)/ue-Si/Me (здесь ue-Si — микрокристаллический кремний). При дальнейшей оптимизации такого рода структур можно с достаточным оптимизмом оценивать возможность создания на их основе эффективных излучающих структур с токовой накачкой [31].
...
Другим многообещающим направлением создания эффективных излучателей является наращивание на кремниевые подложки гетероэпитаксиальных структур прямозонных соединений AniBv (GaAs, InGaP и др.). Так же, как и в случае гетероструктур SiGe/Si, использование техники формирования промежуточных буферных слоев в виде напряженных сверхрешеток, композиций с градиентом состава по толщине или слоев, выращиваемых при сравнительно низких температурах, в сочетании с многократными промежуточными термообработками позволяет, например, получать на подложках кремния эпитаксиальные слои GaAs с плотностью дислокаций NR « 105 см-2. Этого еще недостаточно для создания эффективно работающих при комнатной температуре лазеров, но впол-
...
не приемлемо для формирования светодиодных структур. Дальнейшие перспективы снижения плотности дислокаций в такого рода гетероком-позициях связаны с эпитаксиальным выращиванием на профилированных подложках (меза-структуры, пористые пластины), а также с использованием метода прямого соединения пластин.
...
В последнее время активно исследуется возможность создания эффективных излучающих устройств на основе гетероструктур SiGe/Si, содержащих достаточно регулярные сетки дислокаций несоответствия, которые эффективно захватывают неравновесные носители заряда и экситоны за счет создаваемых вокруг них достаточно дальнодействующих полей упругих напряжений. Наблюдаемая при этом локализация носителей способствует появлению так называемой «дислокационной» люминесценции, в частности на длине волны ~ 1,53 мкм. Природа этого явления еще далеко не ясна. Но достаточно надежно установлено, что дислокационная люминесценция возникает в сетке дислокаций несоответствия, имеющей достаточно большое количество пересечений дислокаций из разных плоскостей скольжения. Интенсивность дислокационной люминесценции растет с увеличением плотности дислокаций N и значительно превышает интенсивность экситонной люминесценции при N > 106 см~2 Дислокационная люминесценция характеризуется малым временем жизни, что является весьма важной характеристикой для изготовления оптоэлектрон-ных приборов [32].
...
В последние годы интенсивно развиваются исследования по созданию излучающих структур на основе эпитаксиальных слоев полупроводникового дисилицида железа — p-FeSi2, являющегося прямозонным материалом с шириной оптической щели около 0,8 эВ, соответствующей длине волны 1,5 мкм. Основными методами создания таких структур являются молекулярно-пучковая эпитаксия и ионная имплантация в сочетании с различными термообработками. На основе этих структур уже созданы первые светодиоды, работающие при комнатной температуре [33].
...
Перспективными материалами для создания излучателей также являются: наращиваемые на кремниевые подложки эпитаксиальные слои твердых растворов элементов IV группы, типа Sij_ GexC , Sij^C^, Sn^Ge,^, для некоторых из которых реальны композиции, обладающие прямозонной структурой; квантоворазмерные композиции на основе кремния (сверхрешетки с множественными квантовыми ямами в системе SiGe/Si); квантовые нити и квантовые точки, формируемые в кремниевой матрице на основе прямозонных полупроводников; кремниевые нанокристаллы. Исследования по новым твердым растворам элементов
...
ту группы и кремниевым квантоворазмерным излучающим структурам находятся практически на начальном этапе. Существенно более продвинуты работы по нанокристаллам, в первую очередь, за счет огромного интереса, проявленного к структурам на основе пористого кремния.
...
Структуры пористого Si обычно получают путем традиционного электрохимического травления монокристаллических пластин. В процессе такого травления формируется текстура из тонких монокристаллических нитей, разделенных порами. Когда диаметр нитей выходит на квантово-размерный (нанометровый) уровень, такого рода пористая матрица приобретает способность генерировать излучение в видимой области спектра. На сегодняшний день природа наблюдаемой люминесценции еще до конца не ясна, хотя достаточно очевидно, что в ее основе лежат квантоворазмерные эффекты. Не совсем понятна природа и многих других явлений, наблюдаемых в пористом кремнии при прохождении через него электрического тока или при его оптическом возбуждении. Оставляют желать лучшего и воспроизводимость получаемых при электрохимическом травлении нитевидных структур (диаметра нитей), а также их деградационные характеристики.
...
Тем не менее, на сегодняшний день в светодиодах на основе пористого кремния достигнут уровень квантовой эффективности более 1 % в условиях их стабильной работы в течение более 1000 часов [34]. Этого еще недостаточно для решения проблемы создания надежных оптических межсоединений. Однако такие светодиоды вполне пригодны для ряда специальных применений, таких, например, как микродисплейные устройства высокого разрешения. В данном случае светодиоды используются в качестве светоизлучающих пикселей, что позволяет повысить разрешение микродисплейных устройств и упростить их конструкцию за счет интеграции схем управления и светоизлучающей матрицы в пределах одного кремниевого чипа. Все это дает значительные экономические выгоды. Кроме того, в последние годы на основе структур пористого кремния созданы весьма чувствительные фотоприемники.
...
За последние годы разработаны новые методы получения нанокрис-таллов кремния с достаточно воспроизводимыми размерами — путем электроискровой обработки, селективного травления в сочетании с фотолитографией, прямого химического синтеза, ионной имплантации ионов кремния в пленки Si02 с последующим формированием нанокристаллов в процессе распада образующихся при этом пересыщенных твердых растворов и др. Предполагалось, что при достижении определенных размеров нанокристаллы будут приобретать прямозонную структуру, но при
...
размерах более 20 А нанокристаллы все еще остаются непрямозонньщ полупроводником со всеми вытекающими отсюда нежелательными последствиями. Тем не менее интерес к нанокристаллам Si не ослабевает. Если удастся решить проблему надежной пассивации поверхности нанок-ристаллов, то можно рассчитывать на создание на их основе светоизлу-чающих диодов с внешней квантовой эффективностью ~ 1 %. Такие излучатели несомненно будут представлять практический интерес.
...
Что касается волноводов, то здесь отлично себя зарекомендовали структуры Si/Si02, имеющие разницу в величинах коэффициентов преломления составляющих компонентов, An
...
Наиболее приемлемыми материалами для детекторов излучения на длине волны 1,3...1,5 мкм являются: Ge, твердые растворы SiGe с высоким содержанием германия, напряженные сверхрешетки в системе SiGe/Si, а также GaAs [29]. Как уже отмечалось выше, выращивание на кремниевой подложке многослойных гетероструктур с достаточно совершенными рабочими монокристаллическими слоями этих материалов не вызывает принципиальных затруднений.
...
Таким образом, в настоящее время созданы необходимые предпосылки для успешной реализации монолитных оптоэлектронных устройств на кремниевой основе, удовлетворяющих требованиям достаточно хорошего совмещения с кремниевыми ИС.
...
Гидрированные полупроводники — это новый класс некристаллических полупроводниковых материалов, начало которым положено с середины 70-х годов работами по гидрированному аморфному кремнию. Пленки аморфных Si, Ge и ряда других известных полупроводни-
...
ков синтезированы достаточно давно и по своим свойствам не представляют большого практического интереса. В отличие от своих кристаллических аналогов, эти материалы имеют большую плотность локализованных состояний в запрещенной зоне (> 1019 см"3), обусловленных наличием у многих атомов ненасыщенных, оборванных связей. Уровень Ферми в таких аморфных пленках располагается вблизи середины запрещенной зоны. Пленки имеют очень высокое удельное сопротивление и низкие значения подвижности и времени жизни носителей заряда. Прецизионно управлять электрическими и оптическими свойствами таких аморфных пленок практически невозможно.
...
Как было показано на примере кремния, положение коренным образом изменяется при введении в такие пленки атомов водорода. Оказалось, что водород обладает очень высокой растворимостью в аморфном кремнии (до 30...40%) и, насыщая пленку, замыкает на себя большую часть оборванных связей. В результате в таком гидрированном материале, названном (в отличие от обычного аморфного) oc-Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 1015...1016 см"3) и возрастает проводимость. Такой a-Si:H можно легировать традиционными донорными и акцепторными примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, и изменять в широких пределах ее абсолютную величину. В таком материале можно создавать и р-п-пе-реходы. Короче говоря, гидрированный кремний приобретает свойства нормального полупроводникового материала. Позднее оказалось, что аналогичного водороду эффекта можно добиться при введении в пленку аморфного кремния атомов фтора.
...
К настоящему времени синтезирован еще ряд тетраэдрически координированных гидрированных аморфных полупроводников, также обладающих очень интересными электрическими и оптическими свойствами: a-Si^Cy.H; a-Si^Ge^; Н, a-Si^Sn^; Н, a-Sij J*,; Н, a-C:H. К числу принципиальных преимуществ использования этих материалов в электронной технике относятся их малая стоимость и сравнительная простота получения однородных по толщине тонкопленочных структур (в том числе многослойных, квантоворазмерных) при низких температурах осаждения на самых разнообразных и дешевых подложках очень большой площади (> 1 м2), а также их специфические полупроводниковые свойства, которые можно изменять в широких пределах, варьируя состав пленки.
...
Наиболее распространенным методом получения гидрированных полупроводников является разложение летучих соединений соответствую-
...
щих элементов (SiH4, GeH4, СН4, NH3 и др.) в ВЧ плазме тлеющего разряда. Процесс проводится при температурах 250...350°С и давлении в рабочем реакторе (1...100) Па. В качестве подложек используются пластины и ленты из обычного термостойкого, а также кварцевого стекла и из нержавеющей стали. Легирование материала осуществляют введением в газовую среду фосфина (РН3) или диборана (В2Н6) непосредственно в процессе осаждения пленок. Электрическая активность вводимых легирующих примесей в аморфных гидрированных полупроводниках существенно меньше 100%. Процесс доведен до уровня широкого использования и при получении многослойных приборных структур осуществляется в многокамерном варианте, практически непрерывно.
...
В последние годы все большее распространение получают традиционные методы осаждения из газовой фазы, с помощью которых удается существенно увеличивать скорость роста пленок, по сравнению с методом тлеющего разряда. В применении к a-Si:H, процесс осуществляют путем термического разложения SiH4, Si2H6, Si3Hg при температурах 300...500°С. Неплохие результаты дает и гидрирование аморфных пленок, напыленных в условиях высокого вакуума путем имплантации в них ионов водорода, а также метод реактивного распыления.
...
Содержащиеся в a-Si:H атомы водорода образуют конфигурации типа sSi-H, =Si-H2, -Si-H3. Соотношение этих конфигураций в пленке в значительной степени зависит от условий выращивания. Полная концентрация водорода в пленках a-Si:H, полученных в плазме тлеющего разряда, колеблется в пределах 7...12% (ат.). При нагреве пленок до температур, превышающих 300 °С, происходит частичная потеря водорода. Оборванные связи в a-Si:H могут находиться в трех зарядовых состояниях: нейтральном, положительном и отрицательном. При этом в нелегированных пленках концентрация заряженных дефектов в 3—4 раза больше, чем концентрация нейтральных. При введении в пленки атомов германия, углерода или азота картина дефектообразования существенно усложняется за счет появления оборванных связей между атомами различных элементов, образующих материал. При этом концентрация дефектов в пленке возрастает с увеличением содержания третьего элемента.
...
Аморфные гидрированные полупроводники являются достаточно высо-коомными материалами. Проводимость нелегированного a-Si:H при комнатной температуре составляет (10~9...10~'°) Ом-1см"'. Легирование фосфором или бором позволяет увеличивать проводимость до Ю-2 Ом-1 *см"'. При температурах, превышающих 250 К, проводимость определяется пе-
...
Нелегированный a-Si:H имеет большую фотопроводимость в видимой области спектра, фоточувствительность (отношение фотопроводимости к темновой проводимости) составляет 104...107. При легировании фотопроводимость возрастает, а фоточувствительность уменьшается. Аналогичные закономерности наблюдаются и в «твердых растворах» на основе a-Si:H, которые обладают меньшей фотопроводимостью и фоточувствительностью, чем сам гидрированный кремний. При температурах выше комнатной основными центрами рекомбинации неосновных носителей заряда в аморфных гидрированных полупроводниках являются оборванные связи, концентрация которых в «твердых растворах» всегда больше, чем в a-Si:H. Ширина оптической запрещенной зоны в аморфных гидрированных полупроводниках возрастает по мере увеличения концентрации в них водорода, и для a-Si:H она составляет 1,6... 1,8 эВ. Введение в пленки a-Si:H германия позволяет уменьшить эту величину до 1,0 эВ, а введение углерода и азота увеличить ее до значений 2,5...3,2эВ и 5 эВ соответственно.
...
При освещении гидрированных полупроводников белым светом наблюдаются существенные изменения их электрических свойств (эффект Стеб-лера — Вронского). К аналогичным последствиям приводит и инжекция в пленки неравновесных носителей. Эти изменения обусловлены в основном изменением плотности состояний в щели подвижности из-за увеличения концентрации оборванных связей. Исходные параметры пленок удается восстановить путем их отжига при температурах 150...200°С. Природа ответственных за эти явления метастабильных состояний пока до конца неясна, и в ее понимание упирается упирается решение проблемы повышения деградационной устойчивости приборов, создаваемых на основе гидрированных полупроводников.
...
Интересными новыми материалами в группе гидрированных некристаллических полупроводников являются так называемые «микрокристаллические» пленки. Наиболее изученным представителем этой достаточно специфической категории пленочных материалов является микрокристаллический кремний — uc-Si:H. Электрофизические и оптические свойства u_c-Si:H существенно отличаются от соответствующих свойств аморфного гидрированного кремния, что обусловлено, в первую очередь, специфическими особенностями его структуры. Микрокристаллический кремний состоит из аморфной и кристаллической фазы. Последняя представлена микрокристаллитами, размеры которых колеблются в пре-
...
делах от десятков до сотен нанометров. Соотношение фаз, размеры и характер распределения отдельных кристаллитов, а соответственно и основные свойства пленок, в значительной степени определяются условиями их получения.
...
Наиболее распространенными методами получения пленок це-Si.H являются: плазмохимическое осаждение из парогазовой смеси SiH4 и Н2; осаждение из газовой фазы путем термического разложения SiH4 и твер-дофазовая кристаллизация аморфного материала. Как и в случае пленок a-Si:H, наиболее распространен метод плазмохимического осаждения. При этом, для увеличения доли кристаллической фазы и размера отдельных кристаллитов, существенно уменьшают объемную долю SiH4 в парогазовой смеси (< 5 %) и увеличивают температуру осаждения до 350...400°С. Увеличению размеров микрокристаллитов способствует и повышение частоты возбуждения плазменного разряда до 50...120 МГц. Более благоприятные условия для контролируемого увеличения доли микрокристаллической фазы в пленке обеспечивает метод осаждения из газовой фазы путем термического разложения силана. В данном случае постепенное увеличение содержание водорода в парогазовой смеси приводит к монотонному увеличению доли микрокристаллической фазы в осаждаемой пленке.
...
Для изучения структурных особенностей микрокристаллических пленок кремния использовались различные методы: рентгеновская дифрак-тометрия; просвечивающая электронная микроскопия; сканирующая туннельная микроскопия; эллипсометрия; рамановское рассеяние; инфракрасная спектроскопия; измерение электронного парамагнитного резонанса. В результате установлено, что пленки ue-Si:H имеют неоднородную структуру и характеризуются наличием кремниевых микрокристаллитов, аморфного a-Si:H и пор. В зависимости от условий получения и последующей термообработки объемная доля кристаллической фазы в пленке Хс может изменяться от нескольких процентов до величины, близкой к 100 %. Содержание водорода в ue-Si:H колеблется в пределах 3...15% (ат.). Микрокристаллиты формируют в пленках колоннообразные кластеры диаметром З0...100нм, располагающиеся перпендикулярно поверхности подложки. Внутри микрокристаллитов водород отсутствует. Он в основном располагается на поверхности кристаллитов, а также в аморфной фазе, пассивируя оборванные связи. Дефекты типа оборванных связей расположены, в основном, на поверхности микрокристаллических колонн. Атомы водорода присутствуют в пленках преимущественно в конфигурации SiH2.
...
Проводимость пленок uc-Si:H изменяется в широких пределах в зависимости от условий их получения и, соответственно, от относительного содержания и размеров присутствующих в них микрокристаллитов, а также от уровня легирования пленок. Проводимость нелегированных пленок p.c-Si:H с параметром ^c, близким к единице, при комнатной температуре, составляет 10"4.. ЛО"5 Ом_1см_1. Путем легирования фосфором или бором проводимость может быть увеличена до 1 Ом^'см"1. Величина дрейфовой подвижности электронов и дырок в нелегированном u.c-Si:H изменяется в пределах 0,5...3 см2В"'с-1, в зависимости от величины Хс. Температурная зависимость проводимости пленок в области температур, превышающих 250...270 К, носит активационный характер. Энергия активации зависит от уровня легирования и изменяется в пределах 0,1...0,6эВ. При температурах ниже 250 К проводимость с понижением температуры изменяется существенно слабее. Колоннообразная структура пленок является причиной анизотропии их электрических и фотоэлектрических параметров. Оптические свойства пленок p.c-Si:H, и прежде всего спектральная зависимость коэффициента поглощения, также являются весьма чувствительной функцией Хс и изменяются в пределах, характерных для a-Si:H (при Хс«: 1) и кристаллического кремния (Хс ~ 1). В отличие от пленок a-Si:H, в пленках uc-Si:H не наблюдаются свето-индуцированные изменения электрических и фотоэлектрических параметров. Благодаря своим специфическим электрическим и оптическим свойствам микрокристаллический кремний является хорошим дополнением к a-Si:H при создании многослойных пленочных структур различного приборного применения. В значительной степени этому способствует и совместимость технологий получения этих материалов.
...
Несмотря на сравнительно короткую историю, гидрированные полупроводники, и прежде всего пленки oc-Si:H и многослойные структуры (в том числе гетероструктуры) на их основе, уже вышли на рельсы достаточно широкого практического использования. Солнечные батареи, фотоприемники, координатно-чувствительные детекторы ионизирующих излучений, тонкопленочные полевые транзисторы, высокоскоростные пространственные модуляторы света, фоточувствительные слои в электрофотографии и лазерных принтерах, мишени видиконов, светодиоды -вот далеко не полный перечень приборных применений гидрированного кремния и родственных ему материалов. Использование гидрированных полупроводников в современной электронной технике расширяется с каждым годом. Наиболее многообещающим направлением эффективного использования этих материалов являются приборы регистрации и
...
отображения информации (плоские экраны, копировальные устройства, принтеры и т. д.). Несмотря на сильную конкуренцию со стороны других материалов, можно оценивать и перспективы дальнейшего существенного увеличения потребления структур на основе a-Si:H и родственных ему материалов для изготовления солнечных батарей, используемых не только в бытовой электронной технике, но и для электроснабжения жилых объектов и создания мощных «солнечных» электростанций. Однако, на пути еще более эффективного промышленного внедрения гидрированных полупроводников в электронное приборостроение стоит ряд нерешенных технологических и материаловедческих проблем. Остановимся на некоторых из них.
...
Одной из основных проблем является создание эффективной технологии получения однородных по толщине и свойствам пленок на подложках большой площади. Состав, структура и свойства гидрированных пленок определяются механизмом физико-химических превращений, имеющих место в плазме тлеющего разряда или просто в газовой фазе (если речь идет о традиционных методах осаждения из газовой фазы) непосредственно в зоне осаждения, а также на ростовой поверхности и существенным образом зависят от условий выращивания. Детальное исследование этих процессов позволит обеспечить воспроизводимые условия роста пленок на всей площади подложки, интенсифицировать и оптимизировать процессы их получения, а также создать высокопроизводительное автоматизированное технологическое оборудование.
...
Одним из наименее изученных является вопрос о структурных особенностях гидрированных пленок и о влиянии «структуры» на фундаментальные электрические и оптические характеристики получаемых композиций. В детальном исследовании этих проблем лежит ключ к получению приборных композиций с воспроизводимыми и оптимизированными структурой и электрофизическими свойствами. Если для пленок a-Si:H к настоящему времени достигнут значительный прогресс в этом направлении, то пленки других гидрированных полупроводников еще существенно им уступают как по своим структурным характеристикам, так и по возможностям воспроизводимого управления их электрическими и оптическими свойствами.
...
Много неясного остается еще в понимании природы и роли водорода в формировании свойств пленок; в понимании особенностей поведения в гидрированных полупроводниках различных остаточных и легирующих примесей; в понимании физико-химических процессов, лежащих в основе деградации приборных структур под влиянием освещения, ионизиру-
...
юшей радиации и других видов внешних воздействий. От четкого понимания всех этих проблем непосредственно зависит решение задачи создания приборных композиций со стабильными рабочими характеристиками.
...
Отдельными и пока недостаточно изученными являются проблемы, связанные с получением микрокристаллических гидрированных пленок с воспроизводимыми и управляемыми структурой и свойствами, а также проблемы создания эффективных приборных композиций на основе квантоворазмерных структур аморфных гидрированных полупроводников.
...
До недавнего времени были известны две полиморфные модификации углерода, широко используемые во многих областях техники, в том числе в электронике — алмаз и графит. Но во второй половине прошлого столетия были теоретически предсказаны, а затем впервые синтезированы еще две модификации углерода - карбин (1967 г.) и фуллерен (1985 г.).
...
После нескольких лет изучения их природы и физико-химических свойств стало ясно, что они, и прежде всего фуллерен, могут найти широкое практическое применение и даже стать основой широкой гаммы важнейших материалов самого разного назначения. Но для этого еще должен быть решен ряд сложных научных и технологических проблем. В силу этого фуллерены в последнее десятилетие привлекают огромное внимание ученых всех развитых стран. С 1992 г. начал издаваться международный журнал «Fulleren Science and Technology*. Опубликовано много обзорных монографий и статей.
...
Карбин представляет собой молекулы углерода, получаемые испарением графита при очень высоких температурах (~ 10000°С) и последующей конденсации и кристаллизации. Он впервые был синтезирован в Институте элементо-органических соединений АН СССР в 1967 г. и представляет собой линейные (одномерные) палочкообразные молекулы углерода с гибридными Sp-связями между атомами. Его практическое применение находится в стадии изучения.
...
Фуллерен] был вначале (1985 г.) смоделирован группой ученых США, а позднее теми же учеными был экспериментально получен так же, как и карбин, из паров графита.
...
Название «фуллерен» связано с именем американского архитектора и инженера ичарда Фуллерена (1892 — 1983), впервые построившего геодезический купол, состоящий из шести- и пятиугольников.
...
Фуллерен представляет собой семейство шарообразных (сферических) замкнутых полых молекул разных размеров. Их поверхность состоит из соприкасающихся шестиугольников (гексаэдров) и пятиугольников (пен-тагонов), в вершинах которых расположены атомы углерода — С.
...
Разные фуллерены этого семейства отличаются числом атомов углерода и соответственно числом многоугольников и диаметром шара (сферы). Общий символ фуллеренов — Сп, где п — число атомов углерода, образующих данный фуллерен. На сегодня известны фуллерены С32, С44,-С60'
...
Наиболее изучена структура, свойства и технология получения фулле-рена С60, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Атомы углерода в вершинах многоугольников соединены ковалентными Sp2 — гибридными связями. Каждый атом связан в молекуле с тремя соседними атомами одной короткой (0,139 нм) и двумя длинными (0,1493 нм) связями. Фуллерен С60 обладает оксаэдрической симметрией.
...
Центр шара свободен от атомов и представляет собой свободную сферу, в которой могут размещаться атомы других элементов. Они играют роль легирующих примесей. В фуллеренах больших размеров в этих порах могут размещаться даже молекулы, в том числе молекулы других фуллеренов малых размеров. Легированные фуллерены называют эндо-эдральными, при легировании металлом — эндометаллофуллеренами.
...
Одним из освоенных методов синтеза эндоэдральных фуллеренов является метод, основанный на реакции ядерных превращений. В этом
...
случае валентные электроны металла передаются фуллереновой оболочке. В результате, внутри фуллерена оказывается положительный ион. От валентности внедренного иона зависят электрические свойства и тип магнитных свойств фуллеренов. На рис. 2.4 показана схема эндометаллофулле-рена МеаС82.
...
Практический интерес представляют фуллерены в кристаллическом состоянии. В этом случае их называют фуллеритами. Фуллериты С60 в кристаллическом состо-Рис. 2.4. Эндометаллофуллерен
...
мешены молекулы фуллерена, между которыми действуют слабые ВдВ связи. С понижением температуры до 255 К происходит фазовый переход ГПК решетки в простую кубическую решетку (Кб). Таким образом, не исключено, что фуллерит, в свою очередь, обладает несколькими полиморфными модификациями. По теоретическим расчетам, в решетках
...
ному занятые электронами. Эти зоны и характер их заполнения электронами определяют электрические и другие свойства фуллеритов.
...
В фуллерите С60, ведущем себя как полупроводник, ширина запрещенной зоны по теоретическим оценкам равна 1,5... 1,8 эВ. Примеси (атомы, ионы, молекулы разной природы) могут размещаться в фулле-ритах в центре полых фуллеренов (поры), на их поверхности, замещая атомы углерода, т. е. образовывать растворы замещения и внедрения и вести себя как доноры и акцепторы.
...
Важное значение, помимо фуллеренов, имеют близкие по механизму образования наноразмерные углеродные трубки (ОНТ), схема которых показана на рис. 2.5. Они были экспериментально обнаружены одновременно с фуллеренами в 1991 г. ОНТ получают при конденсации углеродно-металлического пара путем каталитического пиролиза углеводородов. В простейшем случае ОНТ можно представить как свернутый в цилиндр лист графита моноатомной толщины, в котором атомы углерода расположены в вершинах шестиугольников. ОНТ различаются по диаметру и размещению шестиугольников по длине трубки. На концах нанотрубок образуются шапочки конической или полусферической формы (см. рис. 2.5). Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Многослойные трубки имеют внешний диаметр 4...5 нм и состоят из вставленных одна в другую монослойных трубок все меньшего диаметра (по типу «матрешек»).
...
Области эффективного использования фуллеренов, фуллеритов и на-нотрубок находятся в стадии интенсивного изучения. По прогнозам, они будут чрезвычайно перспективны в электронике и приборостроении, b медицине и других областях.
...
Пленки фуллеритов будут очень эффективны как новый полупроводниковый материал нанометровых размеров для традиционных областей электроники в качестве полевых транзисторов, фотодиодов, в приборах нелинейной оптики.
...
Особое значение имеют использование фуллеренов для увеличения быстродействия электронных приборов при повышенных температурах на основе широкозонных полупроводников (алмаза, SiC и др.), для существенного их использования при повышении теплопроводности -необходимого условия дальнейшей миниатюризации элементов и интегральных схем.
...
В электронике фуллереновые слои должны быть эффективны в качестве буферных прослоек например при гетероэпитаксии пленок алмаза и карбида кремния. Они ускоряют в несколько раз скорость роста этих пленок, понижают температуру их получения, расширяют круг материалов подложек (в силу хорошей адгезии фуллереновых слоев). В эндометалло-фуллеренах, у которых размер имплантированного иона значительно меньше размера внутреннего размера фуллерена (поры), ион металла смещен относительно центра молекулы. Это приводит к наличию в таких молекулах дипольного момента и возникновению поляризуемости. Такие эн-дометаллофуллерены должны обладать сегнетоэлектрическими свойствами.
...
Нанотрубки отличаются высокими значениями модуля Юнга и механической прочности и потому перспективны как наноразмерный материал с высокими механическими свойствами.
...
Необычайно малые размеры фуллеренов (по существу близкие к атомным) требуют расширения круга прямых и косвенных методов изучения их структуры и свойств (в том числе тонких физических методов) и воздействия на них повышенной разрешаемости.
...
Полученные недавно в Институте физики твердого тела РАН данные о существенном изменении свойств фуллеренов под влиянием сверхвысоких давлений, имеющие важное практическое значение, требуют выяснения природы изменений, происходящих при этом, что может инициировать новые пути воздействия на структуру и свойства, и являются одним из примеров, подтверждающих сказанное выше.
...
Вторая половина прошедшего столетия ознаменована грандиозными достижениями в развитии полупроводниковой электроники, и прежде всего микро- и оптоэлектроники. Эти достижения обеспечили невиданный прогресс в вычислительной технике, информатике, радиоэлектронике, энергетике и в других передовых областях науки и техники. Совершенно очевидно, что все эти преобразования были бы вряд ли возможны без выдающихся достижений в развитии материаловедения и технологии полупроводниковых материалов.
...
В XXI век микроэлектроника вошла с производством УСБИС динамической памяти на 1 Гбит и микропроцессоров с тактовыми частотами до 1,2 ГГц. К 2010-2012 гг. предполагается довести эти показатели до 64 Гбит и 10 ГГц, соответственно. Если сегодня размер единичного транзистора в УСБИС составляет 0,18...0,13 мкм, то к 2012 г. предполагается довести эту величину до 0,03...0,035 мкм. Аналогичная тенденция резкого повышения степени микроминиатюризации наблюдается и в оптоэлектронике. Уже сегодня размеры активных областей инжекцион-ных лазеров на квантовых ямах вышли на нанометровый уровень, а впереди активное освоение производства лазеров на основе квантовых точек. Освоение размерного диапазона 1,0...0,1 мкм представляет собой весьма сложную технологическую задачу, но происходит оно с использованием традиционной элементной базы. Совершенно другая ситуация складывается при освоении диапазона линейных размеров менее 0,1 мкм. Здесь возникает фундаментальный физический барьер, обусловленный резкими изменениями практически всех свойств твердого тела, в том числе и электропроводности. При достижении таких размеров в соответствующих объектах начинают в полной мере проявляться квантовые эффекты, что требует совершенно иного подхода к конструированию приборов, которые должны работать на новых физических принципах. Вот почему освоение нанометрового диапазона размеров в современной твердотельной электронике выделено в специальное направление, названное наноэлектроникой.
...
Интенсивное исследование квантовых эффектов в сверхтонких полупроводниковых гетероструктурах уже привело к появлению новых классов полупроводниковых приборов — резонансных туннельных диодов и транзисторов, обладающих потенциально очень высоким быстродействием (предельные частоты до 1012 Гц) и широким спектром других возможностей, а также инжекционных лазеров на квантовых ямах и квантовых точках с уникальными рабочими характеристиками. С обо-
...
снованным оптимизмом оцениваются перспективы создания «одноэлек-тронных» приборов, теоретический предел быстродействия которых составляет сотни терагерц, при энергопотреблении ~10"8 Вт. Активно обсуждаются проблемы создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых должны стать квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантоворазмерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов.
...
Все перечисленное стало возможным лишь благодаря вьщающимся достижениям в развитии технологии молекулярно-ггучковой и МОС-гид-ридной эпитаксии, обеспечившим возможность синтеза высококачественных квантоворазмерных композиций широкого круга полупроводниковых материалов. Однако по существу развитие технологии и материаловедения наноструктур лишь только начинается. С материаловедческих позиций наноструктуры являются весьма специфическими объектами, свойства которых в значительной степени определяются свойствами их поверхности и явлениями, разыгрывающимися на границах раздела фаз. Все это определяет специфику межфазных взаимодействий и особенностей поведения примесей и структурных дефектов в наноразмерных многофазных композициях. Ключ к получению недеградирующих наноструктур с контролируемыми свойствами лежит в детальном исследовании всех этих явлений.
...
В настоящее время уже мало кто сомневается в том, что решающую роль в формировании нанокомпозиций типа сверхрешеток, состоящих из квантовых ям, проволок или точек, играют эффекты самоорганизации. Однако для того, чтобы обеспечить, например, получение композиций с однородным распределением необходимого количества квантовых точек контролируемого размера, надо иметь четкое представление о механизме явлений, лежащих в основе самопроизвольного возникновения макроскопического порядка в первоначально однородной системе, т. е. выявить основные движущие силы «самоорганизации». Для различных типов наноструктур причины неустойчивости однородного состояния системы могут существенно различаться и в каждом конкретном случае в этом надо детально разбираться. Только такого рода подходы позволяют с наибольшим эффектом реализовать возможности процессов самоорганизации. В последние годы исследования в этом направлении развиваются весьма успешно. Можно было бы перечислить и ряд других проблем, обусловленных специфическими свойствами нанокомпозиций, но уже из изложенного ясно, что успешное развитие техноло-
...
гии и материаловедения полупроводниковых наноструктур вряд ли возможно без глубокого проникновения в природу явлений, разыгрывающихся в традиционных полупроводниковых средах на атомном (молекулярном) уровне. Это, в свою очередь, требует разработки новых нестандартных методов исследования с использованием сканирующей атомно-силовой и туннельной микроскопии, электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской спектрометрии с применением син-хротронного излучения и ряда других современных подходов.
...
Серьезную конкуренцию наноэлектронике, основанной на использовании традиционных неорганических полупроводниковых материалов, в решении задач создания сверхминиатюрных и сверхбыстродействующих электронных устройств может составить молекулярная электроника. Как показывают исследования последних лет, индивидуальные молекулы ряда ароматических органических веществ, биомолекулы и углеродные нанотрубки обладают электрическими свойствами, которые, как считалось ранее, характерны только для объемных полупроводников. Они являются прекрасными проводниками электрического тока и могут использоваться в качестве переключателей при плотностях тока в миллионы раз больших, чем традиционная медная проволока. На их основе можно создавать мономолекулярные диодные переключатели, молекулярные полевые транзисторы и ряд других приборов. С использованием явлений самоорганизации на основе такого рода молекул можно формировать логические интегральные схемы и схемы памяти, рабочие напряжения в которых намного меньше, чем в традиционных полупроводниковых аналогах.
...
В настоящее время природа явлений, лежащих в основе проявления молекулами столь удивительных свойств, еще далеко не ясна, и в этом направлении развернуты широкомасштабные комплексные исследования. Тем не менее, совокупность полученных экспериментальных данных позволяет говорить о том, что в самом ближайшем будущем может произойти переворот в технике создания компьютеров, основанный на использовании высокоэффективных интегральных схем, где функции составляющих их электронных приборов будут выполнять индивидуальные молекулы. Уже на 2004 г. намечено создание молекулярной памяти объемом 16 Кбит. Если эти достаточно обоснованные прогнозы станут реальной действительностью, индустрия электронного приборостроения получит в свое распоряжение удивительно простую технологию изготовления УСБИС нанометрового уровня, в основе которой будут лежать дешевые химические процессы, осуществляемые в большинстве случаев
...
при комнатной температуре. Широкое внедрение молекулярной электроники в практику электронного приборостроения будет иметь серьезные экономические последствия и приведет к существенному удешевлению электронной аппаратуры.
...
Весьма заманчивые перспективы сулит твердотельной электронике и недавнее открытие «полупроводниковых» и «металлических» полимеров. В настоящее время химики научились делать полупроводниковые полимеры с различной шириной запрещенной зоны. Это создало предпосылки для развития дешевых технологий производства разнообразных, прежде всего, оптоэлектронных приборов. Сегодня на основе полимерных полупроводников создаются светодиоды, перекрывающие диапазон излучения от ИК- до УФ-области спектра; полноцветные гибкие светоиз-лучающие дисплеи; фотодетекторы, солнечные батареи и полевые транзисторы с параметрами на уровне соответствующих аналогов на основе аморфного гидрированного кремния. С умеренным оптимизмом оцениваются перспективы создания на основе металлических и полупроводниковых полимеров интегральных схем. Все это стимулирует расширение фронта работ по синтезу и исследованию свойств этих многообещающих материалов.
...
Все вышеизложенное позволяет предполагать, что в обозримом будущем нас ожидают весьма серьезные изменения как в номенклатуре и технологиях получения важнейших материалов электронной техники, так и в номенклатуре и технологиях создания на их основе принципиально новых нанометровых приборных устройств, работающих на новых физических принципах. В первую очередь эти изменения коснутся микро-и оптоэлектроники
...
Микроэлектроника как область электроники, изучающая проблему создания электронных устройств в миниатюрном исполнении, появилась в начале шестидесятых годов. Развитие микроэлектроники показало, что она является одним из важнейших факторов, определяющих не только научно-технический прогресс, но и социальное развитие общества в целом. В частности, рынок электронного оборудования в последние годы динамично развивался со средней исторической скоростью 7 % в год. Это как минимум в два раза превышает среднюю ско-
...
рость роста ВВП в развитых странах, поэтому высказываются прогнозы что электронная промышленность станет самой большой отраслью в мире в XXI в. Так, мировой рынок электронного оборудования превысил 1,2 триллиона долларов, обогнав рынок автомобилей.
...
В настоящее время сложилось следующее распределение изделий микроэлектроники по секторам рынка: микропроцессоры и микроконтроллеры - 38 %; схемы памяти - 28 %; логические ИС — 15 %; аналоговые ИС — 13%; дискретные и оптические — 7%. При этом наблюдается тенденция увеличения доли схем памяти в общем объеме. Рост мирового рынка изделий микроэлектроники, по данным Future Horizons, по отдельным его секторам показан на рис. 2.6.
...
Большинство процессов, определяющих развитие микроэлектроники, носят экспоненциальный характер, что и предопределило бурный рост производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. Закон Мура, наблюдающийся более чем три десятилетия, по прогнозам будет действовать по крайней мере еще одно десятилетие [35].
...
Развитие микроэлектроники сопровождалось ростом степени интеграции при одновременном уменьшении минимального размера элементов интегральных схем. В последние 30 лет минимальный размер элементов ИС уменьшался со средней скоростью 13 % в год. Данный процесс останется неизменным и в следующем десятилетии. Быстрый рост степени интеграции, наблюдавшийся до 80-х годов, заметно снизился в последние годы. Достигнутая степень интеграции превысила 107 транзисторов. На рис. 2.7 представлены данные по достигнутым и
...
прогнозируемым [35] величинам минимальных размеров элементов dmin и степени интеграции п в зависимости от года выпуска.
...
Основными особенностями развития микроэлектроники во второй половине двадцатого века можно считать резкое снижение себестоимости (применительно к
...
элементу обработки единицы информации) при беспрецедентном снижении энергопотребления, с одновременным улучшением характеристических параметров.
...
Гигантский рост производства изделий микроэлектроники основывался во многом на увеличении диаметра полупроводниковых пластин, что само по себе представляло чрезвычайно сложную материаловедческую задачу, требующую решения большого комплекса научно-технических задач на каждом этапе увеличения диаметра. В настоящее время широко применяемый диаметр кристаллографически совершенных монокристаллов кремния, обладающих высокой чистотой и однородностью (менее одного атома примеси на 107 атомов кремния), применяемых в производстве, составляет 200 мм. В ближайшее время планируется, а на отдельных предприятиях уже и осуществляется, переход на еще большие диаметры 300 и 450 мм.
...
Основными результатами, достигнутыми кремниевой технологией на рубеже веков, можно считать: степень интеграции для схем памяти 109 бит и для микропроцессоров 2,1 • 107 транзисторов в кристалле; минимальные топологические размеры для схем памяти 0,18 мкм, микропроцессоров 0,13 мкм; тактовая частота 1,3 ГГц; площадь кристалла 400 мм2 для схем памяти и 340 мм2 для микропроцессоров [36].
...
Увеличение степени интеграции изделий микроэлектроники обусловливает необходимость повышения их надежности, что неразрывно связано с совершенствованием методов производственного контроля интегральных схем. Достигнутый
...
уровень развития технологии, высокая интеграция и надежность ИС и БИС на основе кремния указывают на то, что в качестве основного материала для изготовления интегральных схем на ближайшие 10-15 лет останется кремний. Основными базовыми элементами И С и БИС будут являться структуры металл—диэлектрик-полупроводник (МДП) с диэ
...
ного диэлектрика транзисторов в МДП-технологии. Поскольку основным направлением развития современной МДП-технологии является уменьшение толщины подзатворного диэлектрика, то значительно возрастает влияние на работу МДП-приборов таких процессов, как туннелирование, интерференция электронов в тонких слоях, инжекция носителей заряда в диэлектрик, электрический пробой. С уменьшением толщины двуокиси кремния возрастает и нестабильность характеристик, описывающих эти процессы. На энергетический профиль зонной диаграммы существенное влияние оказывает структурно-примесный состав переходного слоя кремний — двуокись кремния [37]. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-системах, связанных с влиянием сильных электрических полей. Воздействие инжекции носителей на диэлектрик МДП-систем в таких полях приводит к изменению зарядового состояния диэлектрика, повышению плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик и активизации деградационных процессов в электрически активных дефектах.
...
Далее основное внимание при рассмотрении проблем повышения качества материалов, структур и технологических процессов МДП-БИС будет отведено физическим процессам и явлениям, протекающим в сильных электрических полях, в том числе и при инжекции носителей, а также будут систематизированы основные данные о сильнополевой туннельной инжекции в МДП-структурах, о процессах зарядовой нестабильности, о дефектности и механизмах накопления зарядов в диэлектрических слоях МДП-структур, применительно к инжекционным методам модификации, исследования и контроля, что позволило бы более объективно показать их возможности, особенности применения и интерпретации получаемых результатов.
...
В сильных электрических полях в МДП-структурах в зависимости от полярности на границе раздела Si—Si02 или M-Si02 образуется треугольный потенциальный барьер и происходит квантомехани-ческии туннельный перенос электронов сквозь потенциальный барьер по Фаулеру—Нордгейму. При малых толщинах оксида может осуществляться прямое туннелирование через слой диэлектрика. Граница между прямым туннелированием и туннелированием по Фаулеру-Нордгейму лежит в диапазоне 3,5...4 нм.
...
Зависимость плотности туннельного тока сильнополевой инжекции от напряженности электрического поля при туннелировании по Фаулеру-Нордгейму описывается следующим выражением:
...
где Jn — плотность тока туннельной инжекции; q — заряд электрона; w0 — масса покоя электрона; т*
...
Это выражение получено в предположении параболической зависимости энергии электрона от волнового вектора и не учитывает: зависимость эффективной массы электрона от энергии под потенциальным барьером в запрещенной зоне двуокиси кремния; тепловое размытие распределения электронов по энергии в металлическом или полупроводниковом электродах; снижение высоты потенциального барьера за счет влияния сил зеркального изображения. Учет этих факторов существенно усложняет аналитическое описание зависимости плотности туннельного тока от напряженности электрического поля на инжектирующей границе раздела, не приводя, однако, к значительным изменениям общего вида зависимости. Поэтому в большинстве практических случаев используется зависимость (2.1).
...
Из данного выражения могут быть определены эффективная масса электрона и высота потенциального барьера на инжектирующей границе. Для границы Si—Si02 значения эффективной массы и высоты потенциального барьера, полученные различными авторами, варьируются в пределах т*
...
ного процесса показал, что экспериментальные данные хорошо аппроксимируются теоретической кривой, полученной в предположении параболической зависимости энергии электрона от волнового вектора, при т* = 0,5т0 .
...
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-структур с термической двуокисью кремния в качестве диэлектрика хорошо спрямляются в координатах Фаулера—Нордгейма в диапазоне полей
...
6...10МВ/см. В полях, больших 10 МВ/см, величина тока увеличивалась сильнее, чем следовало бы из зависимости (2.1). В области полей <6
...
К. Хеберт и Е. Ирен показали, что для тонких пленок двуокиси кремния толщиной 4...7 нм при рассмотрении процесса инжекции электронов необходимо учитывать также интерференцию электронов. В этом случае плотность туннельного тока определяется как произведение Jn (см. формулу 2.1) и коэффициента В, учитывающего эффект интерференции электронов и являющегося функцией от функции Эйри (Ai) и ее производной:
...
При уменьшении толщины подзатворных диэлектриков необходимо учитывать не только интерференционные явления, но и влияние изменения высоты потенциального барьера в зависимости от толщины пленки оксида. Для диэлектрических слоев двуокиси кремния с толщиной более 10 нм можно считать высоту потенциального барьера постоянной и равной для электронов 3,2 эВ и для дырок 3,8 эВ [37]. С уменьшением толщины двуокиси кремния до нескольких нанометров высота эффективного потенциального барьера падает и становится равной для электронов 2 эВ при толщине диэлектрика 2 нм. Уменьшение толщины
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы