Спосіб створення наноструктур на поверхні германію

Реферат: Винахід належить до електроніки і може знайти застосування при виготовленні структур субмікронних розмірів (діодів, транзисторів, оптоелектронних приладів, інтегральних схем), що використовуються для передачі, перетворення, зберігання або створення інформаційних та оптичних сигналів. Спосіб отримання наноструктур на поверхні германію полягає у дифузії атомів речовини в полі локальних механічних напружень, де пластину германію обробляють UA 101705 C2 (12) UA 101705 C2 механічним та хіміко-динамічним поліруванням, після чого пластину за кімнатної температури деформують циклами стискання-розвантаження з одночасним ультразвуковим опромінюванням зі створенням наноструктур в області виходу на поверхню дислокаційної півпетлі. Технічним результатом винаходу є можливість низькотемпературного створення впорядкованих наноструктур заданого розміру на поверхні германію. UA 101705 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електроніки, у вужчому сенсі до технології отримання структур субмікронних розмірів (діодів, транзисторів, оптоелектронних приладів, інтегральних схем та інш.), які використовуються дія передачі, перетворення, зберігання або генерації інформаційних і оптичних сигналів. Наноструктури мікронних і субмікронних розмірів є просторово впорядковані конструкції з нанорозмірних атомних кластерів довільної або заданої геометричної форми. Відомий спосіб отримання нанорозмірних кластерів в двовимірних шарах германію за допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа на поверхні підкладки [1]. Для створення наноструктур використовується процес безперервного перенесення поверхневих атомів під дією сильного електричного поля скануючого тунельного мікроскопа при подачі підвищеної стаціонарної нг пруги зсуву між зондом і зразком. При негативному потенціалі на вістрі зонда поверхневі атоми зразка переміщуються до центру взаємодії, створюючи тривимірний острівець нанометрового розміру. Недоліком цього способу є неможливість швидкого створення масивів наноструктур і необхідність використання дорогого обладнання і витратних матеріалів. Відомий спосіб створення наноструктур за допомогою пучків важких іонів [2]. Є декілька можливостей створення наноструктур опромінюванням високоенергетичними важкими частинками. Перша пов'язана з безпосередньою дією на структуру матеріалу енергії пружних і непружних зіткнень частинок. Область, в якій відбувається інтенсивна передача енергії, обмежена радіусом в декілька нанометрів. Таким чином з'являється "трек" - наностворення, що має властивості, відмінні від властивостей матриці, і який може надавати матеріалу нових властивостей. Друга можливість включає двостадійну дію створення локальних радіаційних пошкоджень і потім хімічну обробку, яка і приводить до формування кінцевої структури. Недоліком способу є його низька продуктивність і використання хімічно активних речовин. Найбільш близьким по технічній суті прототипом винаходу, що заявляється, є спосіб створення напівпровідникових наноструктур, оснований на використанні процесів самоорганізації, що відбуваються при релаксації напружених гетероструктур [3]. Основні закономірності зародження острівців в епітаксіальній гетеросистемі визначаються балансом поверхневих енергій плівки і підкладки, а також енергії межі розділу плівка-підкладка і внутрішньої енергії об'єму острівця. Природні механізми, які використовуються цим способом, включають спонтанне зародження і зростання, які дозволяють варіювати розмірами наноструктур тільки в певних межах. Окрім цього, недоліком способу є необхідність використання в процесі створення наноструктур складного і дорогого виробничого обладнання для отримання високих температур (температур плавлення матеріалу) і глибокого вакууму. Задачею винаходу є пошук можливості низькотемпературного створення впорядкованих наноструктур заданого розміру на поверхні германію. Поставлена задача вирішується тим, що у пропонованому способі отримання наноструктур відбувається за рахунок низькотемпературної поверхневої самодифузії поблизу концентраторів механічного напруження, тобто при наявності градієнта хімічного потенціалу. Запропонований новий метод дозволяє створювати при низьких температурах нанометрові структури заданої густини і розміру на поверхні зразка германію. Через простоту виконання, оскільки технологічний процес відбувається при атмосферному тиску і кімнатній температурі, він може бути використаний в низькорозмірних напівпровідникових технологіях. Запропоноване рішення пояснюється кресленнями, де на фіг.1 - пірамідальні острівці, що з'явилися за рахунок дифузійного масопереносу з утворенням лунки в місцях виходу на поверхню дислокаційної півпетлі; справа - вигляд структури зверху, фіг.2 - профілограма поверхні при скануванні зонда атомно-силового мікроскопа (АСМ) у напрямі вершин острівців; точками відмічено границі основи, фіг.3 - сканування зонда АСМ у напрямі нижніх точок дислокаційних ямок; точками виділені їх границі, фіг.4 - сканування через дно ямки і вершину, що знаходиться поряд острівця; точками відмічені границі структури. Для досягнення вказаного у способі практичного результату з монокристалічного злитка германію вирізають диском з внутрішньою ріжучою кромкою зразок необхідних розмірів і форми. Далі кристал обробляють механічним і хіміко-динамічним поліруванням для видалення дефектів у приповерхневому шарі і піддають низькотемпературному (Т=300 Κ) одноосьовому деформуванню циклами стискання - розвантаження. При цій температурі кристали германію можуть деформуватися пластично з зародженням дислокацій тільки у тонкому приповерхневому шарі [4]. У цьому випадку при стисканні кристал деформується в основному пружно, його торцеві поверхні знаходяться в защемленому стані, розподіл напруження по перерізу зразка і на бічних поверхнях стає неоднорідним з підвищеною концентрацією біля ребер. Тому в умовах експерименту на дислокаційну лінію, орієнтовану під великим кутом до поверхні, діє статична сила із складовими паралельно поверхні (як вказано на фіг.1) і уздовж дислокації, що спрямована до поверхні. Для стимулювання дифузійних процесів у зазначених 1 UA 101705 C2 5 10 15 20 25 30 35 напрямках і масопереносу подальше деформування здійснюється з одночасним ультразвуковим (УЗ) опроміненням. Одночасне циклічне деформування стисканням і ультразвукове опромінювання можуть збільшувати коефіцієнти дифузії точкових дефектів (вакансій і міжвузловинних атомів) на декілька порядків величини. При цьому зміна хімічного потенціалу точкових дефектів за наявності градієнта напруження збуджує спрямовані дифузійні потоки уздовж лінії дислокації і в напрямі паралельному поверхні зразка. Наслідком такої дії є самоорганізоване зародження і зростання пірамідальних острівців за рахунок дифузійного переносу атомів з оточнення дислокації в місцях її виходу на поверхню (фіг. 1). Тут же вказаний напрям спаду напруження від концентратора (бічного ребра), по якому слід очікувати переважний рух міжвузловинних атомів, а справа дається вигляд на структуру перпендикулярно до поверхні. Профілограми, отримані скануванням зонда АСМ у напрямі вершин острівців (фіг.2) і нижчих точок дислокаційних ямок (фіг.3), показують рівність висоти острівців і глибини утворених ямок. Сканування через дно ямки і вершину острівця, що знаходиться поряд (фіг.4), виявило рівність площі між прямою середнього рівня поверхні і лініями границь ямки і острівця. Одинакові об'єми дислокаційної ямки і острівця свідчать, що побудова острівця відбувалась за рахунок атомів кристала, що знаходять в об'ємі дислокаційної ямки. Метод, що заявляється, був апробований на серії зразків германію n- і р-типу провідності. 3 Зразки мали форму прямокутних паралелепіпедів з розмірами 3 × 4 × 10 мм . Після вирізання проводили їх хiміко-механічне і хімічне полірування і тим самим видаляли дефектний шар 6 1  завтовшки ~100 мкм. Зразки деформували одноосьовим стисканням з швидкістю   10 c уздовж напряму [110] (більшої сторони зразка) циклами стискання-розвантаження. Максимальне напруження в циклі стискання складало 100 МПа, число циклів було 12. Одночасно з циклічним деформуванням зразок опромінювали ультразвуком з частотою 22,5 кГц 2 при інтенсивності опромінювання 5 Вт/см . Температура зразка при деформуванні не перевищувала 310К. За цих умов вдавалося створювати рівномірні масиви пірамідальних наноструктур. їх концентрацію можна було змінювати за рахунок варіювання густини дилокацій, а висоту - рівнем і тривалістю дії механічних напружень. Джерела інформації: 1. Shklyaev A. A., Shibata M, Ichikawa M. Ge islands on Si(lll) at coverages near the transition from two-dimensional to three-dimensional growth // Surface Science.-1998. - V.416-P. 192-199. 2.Shulga V.I. Comparative study of silicon and germanium sputtering by 1-20 keV Ar ions // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res.-2007. B. 254-P.200-204. 3. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В., Соколов Л.В., Никифоров А.И., Якимов А.И., Фойхтлендер Б. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства // ФТП.-2000. -Т. 34,№11 - С. 1281-1289. 4. Уколов O.I., Надточій В.О., Нечволод М.К. Дифузійно-дислокаційна мікропластичність монокристалів Ge нижче температурної межі крихкого руйнування // Фіз. і хім. твердого тіла.2010. -Т.11,№3. - С.575-579. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 Спосіб створення наноструктур на поверхні германію, що включає дифузію атомів речовини в полі локальних механічних напружень, який відрізняється тим, що пластину германію обробляють механічним та хіміко-динамічним поліруванням, після чого пластину за кімнатної температури деформують циклами стискання-розвантаження з одночасним ультразвуковим опромінюванням зі створенням наноструктур в області виходу на поверхню дислокаційної півпетлі. 2 UA 101705 C2 3 UA 101705 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4