На протяжении последних двадцати лет различные исследовательские группы пытаются объединить полупроводниковые соединения на основе A3B5 с высокоэффективными кремниевыми подложками. Производство A3B5/Si структур имеет высокий рыночный потенциал позволяя найти замену дорогим подложкам из GaAs для оптоэлектронного производства традиционных устройств на основе A3B5 (солнечные батареи, фотоприемники, светодиоды и инжекционные лазеры). Кроме того, технология A3B5/Si становится перспективной в условиях миниатюризации кремниевых интегральных схем и приближения их размеров к своему физическому пределу. Становится возможным увеличивать быстродействие интегральных схем без уменьшения размеров их элементов за счет применения оптоволоконной интеграции лазеров на основе GaAs и фотодиодов с кремниевой схемой обработки сигналов [1–4]. Однако, несмотря на наметившиеся успехи в интеграции A3B5/Si и появление отдельных приборных применений, утверждать о больших успехах в этой области не приходится. В последнее время основные проблемы, возникающие при выращивании A3B5/Si были выяснены и зафиксированы.
Это, в первую очередь, рост полярного полупроводника на неполярной подложке, приводящий к образованию антифазных доменов большой плотности. Указанная проблема была успешно разрешена применением подложек Si, отклоненных от сингулярной плоскости (001) на 4° —6°. Другие проблемы оказались более серьезными. Вследствие разницы параметров решеток пленки и подложки, близкой к 4 % в системе GaAs/Si, плотность дислокаций в пленке GaAs достигает величин 10,9 —1010 см—2. Разница в коэффициентах термического расширения также способствует образованию большого количества дислокаций и появлению трещин в пленке GaAs в процессе ее охлаждения. Эти проблемы до сих пор преодолеваются ведущими исследовательскими группами с переменным успехом с помощью различных методик, таких, как двухступенчатый рост GaAs, термоциклирование после роста, а также выращивание буферных слоев других материалов.
На сегодняшний день только использование градиентных буферных слоев GeSi позволило снизить плотность дислокаций в рабочей части пленки GaAs до 106 см—2 и менее. В результате время жизни неосновных носителей к примеру в GaAs/Si превысило 10 нс. Такие высокие структурные параметры платформы с градиентным переходом параметра решетки от Si к GaAs дают возможность изготовить на ней ряд приборов, работающих на неосновных носителях, таких, как солнечные элементы, светодиоды и инжекционные лазеры со свойствами, приближающимися к параметрам приборов, изготовленных на основе гомоэпитаксиальных структур GaAs/GaAs [5–12].
Объединение GaAs-оптоэлектроники и традиционных кремниевых интегральных схем на одной пластине до сих пор находится в стадии поиска. Большое расстояние (по вертикали) между поверхностями GaAs и Si, превышающее 10 мкм в случае использования градиентных буферных слоев Ge/GeSi/Si, является непреодолимым препятствием для проведения высокоразрешающей фотолитографии и организации контактных соединений между Si и соседними элементами на основе A3B5 на одной пластине. Кроме того, различные приемы высокотемпературной обработки гетероструктур A3B5/Si (отжиги, термо- циклирование), существенно улучшающие кристаллическое совершенство этих платформ, неприемлемы при выращивании GaAs в окнах подложек Si с готовыми элементами интегральных схем. Необходимые для такого объединения эпитаксиальные гетероструктуры A3B5 на подложках Si большого диаметра с толщиной пленки A3B5 не более 0,1 мкм и плотностью дислокаций не более 106 см-2 в ее приповерхностной области —новая цель мировой научной общественности
Анализ научной литературы за последнее время указывает на значительный интерес к данным материалам. Наноразмеры подобных структур определяют их особые физико-химические свойства по сравнению с «объемными» материалами. Использование этих свойств позволит создавать новые приборы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. Модификация классических материалов полупроводниковой электроники, таких как кремний и полупроводники A3B5, совмещение двух технологий с созданием новых перспективных наноматериалов является одним из наиболее перспективных и актуальных направлений в предметной области темы работ [13–19]. Решение этих задач представляет большой практический интерес, поскольку в настоящее время реализация огромных возможностей опто- и микроэлектроники, связанных с использованием новых многокомпонентных и композитных материалов, микро- и наноструктур, в значительной степени сдерживается технологическими трудностями их изготовления. С другой стороны, многие из этих задач интересны с точки зрения фундаментальной физики, а развитые к настоящему времени технологические и экспериментальные методы позволяют проверять справедливость тех или иных теоретических моделей. Поэтому детальное исследование физических процессов в полупроводниковой технологии позволяет выявлять оптимальные режимы получения полупроводниковых наноструктур, необходимых для практических применений [20–25].
Хорошо известно ведущее положение кремния как основного материала микроэлектроники связано с широким набором физико-химических свойств, многие из которых делают его уникальным полупроводниковым материалом. В тоже время применение монокристаллического кремния в электронике сопряжено и с определёнными ограничениями. Одно из них связано с относительно невысокой подвижностью носителей заряда в кремнии, что ограничивает быстродействие приборов на основе кремния. Данная проблема может быть решена в принципе путем замены электрических соединений оптическими. В связи с этим возникает фундаментальная проблема изготовления интегральных схем на основе кремния, объединяющих в едином объеме функции генерации, передачи и обработки электрических и оптических сигналов. Однако на пути использования кремния в оптоэлектронике есть серьёзное препятствие — непрямозонность его электронно-энергетической структуры (дно зоны проводимости в пространстве энергии-импульса не совпадает с потолком валентной зоны). Рекомбинация носителей с излучением фотона с учётом закона сохранения импульса при этом возможна лишь при участии одного или нескольких фононов. Проблема заключается в том, что гораздо быстрее (несколько наносекунд) подвижные носители встречаются с различными центрами безыизлучательной рекомбинации — дефектами или ловушками, выделяющаяся при этом энергия идёт на образование фононов. Основные направления, в рамках которых данная задача может быть решена — либо поиск технологических путей формирования массивного кремния с малой концентрацией безызлучательных центров, либо переход к наноразмерным структурам, снимающих вопрос о непрямой зонной структуре кремния в результате перехода к энергетическому спектру квантовых образований (квантовых ям, нитей, точек). На сегодняшний день наиболее перспективным путём, позволяющим радикально улучшить люминесцентные свойства кремния, является его наноструктурирование [20–30].
Еще одним из возможных применений нанокристаллов Si, базирующимся на процессах протекания в них тока и хранения заряда, является создание быстродействующих устройств энергонезависимой памяти. Несмотря на коммерческий успех, возник ряд ограничений в развитии этой технологии, обусловленный в первую очередь свойствами подзатворного диэлектрика, который, с одной стороны, должен обеспечивать быстрый и эффективный перенос заряда при низких рабочих напряжениях и, с другой стороны, обеспечивать хорошую изоляцию области заряда и долговременное его хранение. Кроме того, использование нанокристаллов делает запоминающие элементы более компактными, в том числе и за счет перехода к использованию одиночных КТ для хранения заряда. Перспективным материалом для современной функциональной и оптоэлектроники является пористый кремний, материал, содержащий в себе нанокристаллы кремния, и нанокомпозиты на его основе [20–34]. Данный материал обладает уникальными оптическими, сенсорными, электрофизическими характеристиками, в том числе видимой фотолюминесценцией. Данный материал достаточно прост и дешев в изготовлении, однако препятствием широкому применению данных материалов является изменение характеристик данного материала с течением времени и значительная зависимость структуры и свойств данного материала в зависимости от методики получения.
В тоже время, полупроводниковые твердые растворы на основе А3В5, в которых можно управлять шириной запрещенной зоны путем изменения состава, получать сверхструктурные фазы и доменную структуру, являются основными материалами полупроводниковой оптоэлектроники. Эти соединения имеют положительную энтальпию образования, что создает возможность спонтанного распада твердого раствора при определенных температурах. Электронные свойства соединений A3B5 превосходят свойства Si. Более высокая подвижность основных носителей арсенида галлия позволяет работать на частотах 250 ГГц. Кроме того, приборы на основе A3B5 генерируют меньше шума, чем кремниевые устройства. Из-за более высокого напряжения пробоя перехода приборы на основе A3B5 могут работать при большей мощности. Однако компоненты, созданные на основе A3B5, потребляют больше энергии, чем их кремниевые аналоги и, несмотря на привлекательные характеристики, стоимость изделий на основе A3B5-технологии продолжает оставаться высокой. Поэтому потребность интегрирования в широких областях составов соединений A3B5 скремниевыми подложками обусловлены требованиями, которые не всегда лежат в области текущих возможностей АЗВ5: а именно возможностью повысить быстродействие в радиоэлектронике, получить способность к легкой эмиссии в оптоэлектронных устройствах и главное снизить энергопотребление. Использование этих свойств позволит создавать новые приборы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Литература:
1. Lorenzo Pavesi // Materials Today. — 2005. — January. — P.18–25.
2. M. A. Green, J. Zhao, A. Wang, P. J. Reece, M. Gal // Nature. — 2001. — Vol.412. — P.805–808.
3. J. Zhao, M. A. Green, A. Wang // J. Appl. Phys. — 2002. — Vol.92, № 6. — P.2977–2979.
4. T. Trupke, M. A. Green, P. Wurfel // J. Appl. Phys. — 2003. — Vol.93, № 11. — P.9058–9061.
5. Seredin P. V., Glotov A. V., Domashevskaya E.P et. al.// Physica B: Condensed Matter. 2010. V. 405. I 12. P. 2694–2696.
6. Середин П. В. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 3. С. 46–52.
7. Seredin P. V., Domashevskaya E. P., Lukin A. N., Arsent'ev I. N., Vinokurov D. A., Tarasov I. S.
8. Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. С. 1072.
9. Э. П. Домашевская, П. В. Середин, Э. П. Домашевская [и др.] // Поверхность: Рентгеновские и синхротронные спектры. — 2008. — № 2. — С. 62–65.
10. Середин П. В., Домашевская Э. П., Терновая В. Е.и др. // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. В. 10. С.2054–2057
11. Seredin P. V., Glotov A. V., Domashevskaya E.P et. al. // Applied Surface Science. 2013. V. 267. P. 181– 184
12. П. В. Середин, Э. П. Домашевская, А. Н. Лукин [и др.] // Физика и техника полупроводников. — 2008. — Т. 42, № 9. — С. 1072–1078.
13. P. V. Seredin, E. P. Domashevskaya, I. N. Arsentyev [et al.] // Phys. Status Solidi C. — 2009. — V. 6, N 7. — P. 1694– 1696.
14. Середин П. В., Терновая В. Е., Глотов А. В.и др. // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 10 С. 2046–2049
15. Domashevskaya E. P., Kashkarov V. M., Seredin P. V. et. al. // Materials Science and Engineering: B. 2008. V. 147. I 2–3. P. 144–147.
16. 15.П. В. Середин, А. В. Глотов, Э. П. Домашевскaя [и др.] // Физика и техника полупроводников. — 2009. — T. 43, № 12. — C. 1654–1661.
17. П. В. Середин // Конденсированные среды и межфазные границы. — 2010. — Т. 12. № 3. — С. 258–267.
18. П. В. Середин, А. В. Глотов, В. Е. Терновая [и др.] // ФТП. — 2011. — Т. 45, № 4. — С. 488–499.
19. П. В. Середин, А. В. Глотов, В. Е. Терновая, Э. П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников. — 2011. –Т. 45, № 11. — Р. 1489–1497.
20. П. В. Середин, А. В. Глотов, Э. П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников, — 2012. — Т. 46, вып. 6. — С. 739–751.
21. Moshnikov V. A., Gracheva I., Lenshin A. S., Spivak Y. M., Anchkov M. G., Kuznetsov V. V., Olchowik J. M.//Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. Т. 358. № 3. С. 590–595.
22. Леньшин А. С., Мараева Е. В.// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 6. С. 9–16.
23. Соцкая Н. В., Долгих О. В., Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Котлярова Е. А., Макаров С. В.//Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. № 5. С. 643–652.
24. Kashkarov V., Nazarikov I., Lenshin A., Terekhov V., Turishchev S., Agapov B., Pankov K., Domashevskaya E.// Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1557–1560.
25. Левицкий В. С., Леньшин А. С., Максимов А. И., Мараева Е. В., Мошников В. А. //Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. 2012. № 4. С. 48–53.
26. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Спивак Ю. М., Мошников В. А.//Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 383–392.
27. Травкин П. Г., Воронцова Н. В., Высоцкий С. А., Леньшин А. С., Спивак Ю. М., Мошников В. А. //Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 4. С. 3–9.
28. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Середин П. В., Спивак Ю. М., Мошников В. А.// Физика и техника полупроводников. 2011. т. 45. № 9. с. 1229–1234.
29. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Турищев С. Ю., Смирнов М. С., Домашевская Э. П.//Журнал технической физики. 2012. Т. 82. № 2. С. 150–152.
30. Kashkarov V., Lenshin A., Agapov B., Turishchev S., Domashevskaya E.//Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1656–1660.
31. Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Yu.M., Moshnikov V. A.// Materials Chemistry and Physics. 2012. Т. 135. № 2–3. С. 293–297.
32. Домашевская Э. П., Леньшин А. С., Кашкаров В. М. и др.//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2012. № 2. С. 11.
33. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Голощапов Д. Л., Середин П. В.и др..// Неорганические материалы. 2012. Т. 48. № 10. С. 1091.
34. А.С. Леньшин, В.М. Кашкаров, П.В. Середин, Д.А. Минаков, Б.Л. Агапов, М.А. Кузнецова, В.А. Мошников, Э.П. Домашевская. Исследования морфологических особенностей роста и оптических характеристик многослойных образцов пористого кремния,выращенных на подложках n-типа с эпитаксиально нанесенным p+-слоем. Физика и техника полупроводников, 2012, том 46, вып. 8, с. 1101-1107
35. Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Середин П. В., Агапов Б. Л., Ципенюк В. Н. //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2012. № 9. С. 80.
36. Domashevskaya E. P., Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Shabanova I. N., Terebova N. A.// Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012.
