Отчет «Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфраструктуры наноиндустрии»

1.2.1.4.2. Эффекты упорядочения Процесс упорядочения вызывает появление в системе островков предпочтительных значений их характеристик: размеров, формы, расстояний между островками и их взаимного расположения. Это является результатом минимизации суммарной свободной энергии системы. Распределению островков Ge по размерам в литературе уделяется большое внимание, так как этот параметр системы квантовых точек чрезвычайно важен для практических применений. Среди возможных путей улучшения однородности размеров островков, кроме реализации энергетически наиболее выгодных их форм сужающих распределение по размерам (см. п.4), можно выделить следующие: а — использование отклоненных подложек; б — специального метода организации одновременного синхронного зарождения кластеров [66]. Обоснование этих путей могут служить следующие известные факты и рассуждения. В работе Goldfarb et al. [67] демонстрируются подробности перехода от 2D к 3D росту и начальные стадии образования hut-кластеров. 3D островки появляются в заметно разное время и зарождаются они на несовершенствах 2D слоя Ge, что экспериментально подтверждает устоявшееся мнение о гетерогенном зарождении кластеров. Следовательно, предварительное создание мест, предпочтительных для зарождения кластеров, может явиться полезным приемом для улучшения упорядочения последних. Предварительное упорядочение ступеней на плоскостях, разориентированных от (001), широко используется при создании массивов квантовых точек в системе InAs-GaAs (см., например, одну из последних работ Kim et al. [68] и ссылки в ней). При выращивания островков Ge-на-Si такой подход менее распространен, однако в работе [69] для улучшения упорядочения ступеней на 2D стадии роста авторы использовали не только упорядочение ступеней, связанное с отклонением подложки от сингулярного направления, но и улучшили его путем предварительного наращивания многослойной напряженной сверхрешетки GeSi-Si. В результате сообщается о получении островков Ge с однородностью их распределения как по высоте, так и по площади лучше 10% с одновременным существенным пространственным упорядочением . По данным Johansson, Seifert [70], ширина распределения островков по размерам (InAs/InP) немонотонно зависит от скорости роста. Распределение становится уже с увеличением скорости, достигая минимума. Затем, при дальнейшем увеличении скорости роста, его ширина начинает вновь возрастать. Такое поведение подтверждает важность одномоментного гетерогенного зарождения. С увеличением скорости роста повышается вероятность зарождения островков в самом начале процесса и вследствие этого островки растут в течение равного времени и имеют близкие размеры. Дальнейшее увеличение скорости роста приводит к тому, что пересыщение адатомов на поверхности становится настолько большим, что новые островки зарождаются непрерывно. Вследствие этого момент зарождения вновь "размазывается" во времени, и распределение островков по размерам становится шире. Возможно обеспечить почти одномоментное зарождение островков на всей поверхности подложки, создав в первый момент роста значительное пересыщение адатомов германия. Этого можно добиться, например, кратковременным увеличением плотности молекулярного пучка или кратковременным снижением температуры подложки. Эффект синхронизации зародышеобразования при воздействии периодических кратковременных изменений поверхностного пересыщения на двумерное зародышеобразование был обнаружен при гомоэпитаксии кремния и германия [66]. Позже был предложен и теоретически обоснован оптимизированный метод синтеза таких квантово-размерных структур, как вертикальные сверхрешетки, наносистемы из квантовых нитей или точек и т.п. при циклическом изменении пересыщения во время выращивания каждого атомного слоя пленки [71]. Упорядочение по площади — наиболее слабая форма упорядочения, что связано со слабостью взаимодействия островков на начальном этапе их формирования. Поэтому предварительное создание упорядоченных мест для зарождения нанокластеров является основным путем для получения их последующего пространственно-упорядоченного состояния [48]. Пространст-венное упорядочение островков возрастает с увеличением покрытия (отноше-ния суммарной площади островков к площади подложки), что обусловлено минимизацией отталкивающих сил упругого взаимодействия между сосед-ними островками [72, 76]. Поэтому наиболее пространственно упорядоченные массивы островков занимают большую часть площади подложки. В работе [77] было показано, что последовательное наращивание слоев с островками Ge, которые заращиваются материалом, согласованным с подлож-кой (Si), приводит к улучшению упорядочения островков, как по их размерам, так и по площади. Возмущения полей упругой деформации от кластера проникают на разные расстояния в заращивающий слой в зависимости от объема конкретного островка и от их скопления. На поверхности заращиваю-щего слоя создаются места преимущественного зарождения новых островков на следующем "этаже". Регулируя толщину заращивающего слоя, можно отфиль-тровывать влияние слабых островков. Такие исследования были проведены как теоретически, так и экспериментально и можно привести несколько идентич-ных примеров для системы III—V [16] и Ge-Si [73,77]. Такие многослойные гетерострукутры с квантовыми точками имеют прикладное значение в связи с открывающимися новыми возможностями (например, электронная связь кластеров по вертикали, формирование трехмерных решеток, состоящих из островков-кластеров, часто называемых "искусственными атомами" [74,75]). 1.2.1.4.3. Размеры и плотность островков: возможности управления Практический интерес исследователей концентрируется на системах с размером наноостровков около 10 нм и менее (чистый Ge-на-Si), что в первую очередь связано с их оптическими свойствами. Плотность островков имеет также важное значение, поскольку отклик системы на внешнее воздействие напрямую связан с числом островков, а значит, и с их плотностью. Оба этих параметра (размер и плотность) зависят от таких условий выращивания, как температура подложки и скорость роста. Понижение температуры роста, так же как и увеличение потока Ge, ведет к уменьшению диффузионной длины адатомов Ge на подложке. Соответственно область сбора адатомов для одного островка уменьшается, уменьшаются и его размеры, а плотность возрастает. Abstreiter et al. [78], понизив температуру роста до 550◦C и увеличивая поток Ge, закономерно варьировали плотность островков вплоть до 1010 см−2. Дальнейшее понижение температуры роста до 300◦ C позволило существенно повысить плотность нанокластеров Ge до ~ 3 ∙ 1011 см−2 [79]. Peng et al. [80], используя сурьму как сурфактант, понижающий поверхностную диффузионную длину адатомов Ge, достигли рекордно высокой на сегодняшний день величины плотности островков ~5 ∙ 1011 см−2. Таким образом, управление параметрами процесса спонтанного упорядочения наноструктур на поверхности может быть осуществлено следующими путями: - использование подложек, отклоненных от поверхности (001), и связанные с этим различные способы упорядочения ступеней, являющихся в дальнейшем шаблонами для зарождения островков [69,81-87]; - использование сурфактантов, модифицирующих поверхностные характеристики (поверхностная энергия, длина диффузии адатомов) как подложки, так и эпитаксиального слоя [80,88-91]; - создание на поверхности подложки микрострессоров, инициирующих зарождение островков в определенных местах [92-94]; - литография: создание окон на подложке, ограничивающих область сбора адатомов в островок и отделяющих островки друг от друга [95,96]. Формирование с помощью фотолитографии фасеточных граней, локализующих места зарождения островков [97,98]. Каждое из этих направлений получило свое развитие, но исследования находятся в стадии активного поиска [48]. 1.2.1.5. Формирование массивов вертикально связанных квантовых точек Заращенные островки (квантовые точки) материала 2 в матрице материала 1 представляют собой когерентные упругие включения, создающие дальнодействующие поля упругих напряжений во всей заращенной гетерофазной системе. При повторном осаждении материала 2 на заращенную гетероструктуру возникает принципиально новый режим роста: рост в поле упругих напряжений, со­зданных заращенными точками первого слоя. Поскольку в полупроводниках A3B5 при характерных температурах для МПЭ коэффициенты объемной диффузии атомов основных компонентов на несколько порядков меньше коэффициентов поверхностной диффузии, диффузией в объеме можно пренебречь. Поэтому распределение компонентов гетерофазной системы в объеме заращенной гетероструктуры "заморожено". Это распределение создает статическое поле упругих напряжений, определяющее кинетику поверхностной миграции. Поверхностная миграция состоит из диффузии и дрейфа в поле упругих напряжений. Подобная кинетика роста в открытой системе исследовалась теоретически в работах [99,100] для эпитаксиального роста твердого раствора. Были установлены критерии усиления флуктуаций состава твердого раствора с толщиной эпитаксиальной пленки, что является начальной стадией процесса самоорганизации структур с периодической модуляцией состава твердого раствора. Было показано, что усиление флуктуаций состава в процессе роста в открытой системе возникает в более широком интервале температур, чем спинодальный распад в условиях равновесия в замкнутой системе. Если в процессе осаждения материала 2 на структуру с заращенными точками ввести прерывание роста, то осажденный материал будет стремиться прийти к частичному равновесию, т. е. к равновесной поверхностной морфологии при "замороженном" распределении материала в объеме гетерофазной структуры. Ранее было известно [32], что в многослойной системе точек InAs в матрице GaAs точки располагаются коррелированно друг над другом. Однако в этих работах рас- стояние между слоями точек заметно превышало размер самих точек. В таком случае корреляция в расположении точек не изменяет их электронной структуры. Чтобы получить возможность управления и оптимизации электронной структуры квантовых точек с целью их применения в оптоэлектронике, была разработана технология получения массивов электронно-связанных квантовых точек [6,102 - 105]. С этой целью с использованием метода МПЭ применялось поочередное осаждение InAs и GaAs, причем количество осаждаемого GaAs выбиралось таким образом, чтобы InAs-пирамида была заращена только частично. Тогда в следующем цикле осаждения точки InAs, вырастающие над точками первого слоя, оказывались электронно связанными с точками первого слоя [6]. Аналогичные результаты при росте вертикально связанных точек методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений были получены в работе [106]. 1.2.2. Полупроводниковые сверхрешеточные структуры Термин «сверхрешетка» обычно используют для периодических структур, состоящих из тонких слоев двух полупроводников, повторяющихся в одном направлении. Период по толщине обычно составляет от нескольких до десятков нанометров, что меньше длины свободного пробега электронов, но больше постоянной кристаллической решетки. Такой периодический потенциал сверхрешетки существенно изменяет зонную структуру исходных полупроводников, создавая минизоны в пространстве волнового вектора и энергетические подзоны. В этом отношении сверхрешетку можно рассматривать как новый синтезированный полупроводник, не существующий в природе, который обнаруживает необычные электронные и оптические свойства. В основном можно различать два типа таких «искусственных» сверхрешеток. Это композиционные сверхрешетки, или сверхрешетки с гетероструктурами, состоящие из периодической последовательности двух полупроводников разного химического состава, и легированные сверхрешетки, представляющие собой последовательность слоев п- и р-типа с возможными безпримесными слоями между ними, выращенных в гомогенном массивном полупроводнике. Потенциал сверхрешетки создается в композиционных сверхрешетках за счет периодического изменения ширины энергетической запрещенной зоны в направлении роста кристалла; в nipi-кристаллах он обусловлен электростатическим потенциалом ионизованных примесей, который может быть частично компенсирован подвижными электронами и дырками, находящимися в слоях п- и р-типа соответственно. Кроме явлений, характерных для композиционных сверхрешеток, в nipi -кристаллах можно ожидать присутствия ряда, других особенностей, связанных с электростатической природой потенциала сверхрешетки. Низшая электронная и высшая дырочная подзоны отделены друг от друга (непрямой полупроводник в реальном пространстве). В зависимости от конструкции кристалла электронно-дырочная рекомбинация может быть подавлена почти полностью. Как следствие этого эффективная ширина запрещенной зоны и концентрация электронов и дырок могут изменяться в таких сверхрешетках в широких пределах за счет либо оптического возбуждения, либо введения в кристалл носителей. В настоящее время полупроводниковые сверхрешетки представляют собой одну из наиболее быстро развивающихся областей физики твердого тела. Они являются объектами особого интереса для физиков. Композиционные сверхрешетки и особенно легированные сверхрешетки с их широкими возможностями перестройки представляют собой важный новый класс полупроводников, оказывающий большое влияние не только на физику твердого тела, но также на современную технологию электронных приборов Первая искусственная полупроводниковая сверхрешетка была выращена с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — метода тонкопленочной технологии, получившего развитие в конце 60-х годов [107]. В этом методе кристалл выращивают в сверхвысоком вакууме с помощью атомарных или молекулярных пучков требуемых компонент, направляемых из высокотемпературных эффузионных ячеек на нагреваемую монокристаллическую пластину — подложку. Пучки осаждают вещество со скоростью приблизительно один атомный слой в секунду. Рост кристаллических слоев в этом процессе происходит за счет химических реакций веществ пучка с поверхностью подложки. Испробовав несколько различных материалов и технологий, Чанг, Есаки и др. [108] достигли успеха в выращивании с помощью МЛЭ композиционной сверхрешетки в системе GaAs—AlxGa1-xAs. Это не было случайностью. Во-первых, А1, имеющий такую же валентность и ионный радиус, что и Ga, будучи введен в решетку GaAs, не вызывает заметных искажений кристаллической структуры, создавая одновременно достаточную амплитуду сверхрешеточного потенциала в зоне проводимости, что удобно для изучения динамики электронов. Во-вторых, для указанных полупроводников была отработана технология МЛЭ, которая в то время являлась единственной технологией, позволяющей удовлетворить жестким требованиям, необходимым для создания сверхрешетки. Первоначальные структуры состояли из нескольких сотен нелегированных слоев GaAs и AlxGa1-xAs (0,15 <x<0,35) с периодами, имеющими в различных образцах значения от 5 до 20 нм. Первые эксперименты на сверхрешетках GaAs— AlxGa1-xAs проводились для изучения особенностей переноса носителей [109] и для демонстрации квантовых свойств электронов в прямоугольных ямах, образованных краями зон в этих сверхрешетках [110]. С тех пор достигнут значительный прогресс в таких вопросах, как доказательство двумерного характера подзон в опытах по резонансному комбинационному рассеянию [111] и осцилляциям Шубникова — де Гааза [112], создание сверхрешеток со сверхтонкими слоями [113] и использованию сверхрешеточных эмиттеров в инжекционных лазерах [114]. В дальнейшем использование модулированного легирования в сверхрешет-ках GaAs-AlxGa1-xAs [115] обогатило установившуюся было картину прямо-угольных ям и расширило круг изучаемых физических явлений, включив в него новые фундаментальные эффекты, такие как квантовый эффект Холла [116], состояние с близким к нулю сопротивлением [117] и локализация электронов двумерного электронного газа (2-МЭГ) в сильных магнитных полях [118]. Обнаружение уникального взаимного расположения краев зон на гетерогранице InAs — GaSb [119] привело к открытию нового типа композиционных сверхрешеток [120], примером которых является комбинация материалов GaxIn1-xAs и GaAsySb1-y [121]. В этой системе край валентной зоны GaSb лежит выше по энергии, чем край зоны проводимости InAs, — ситуация, весьма необычная для бинарных соединений с близкими постоянными решетки. Изменяя независимо состав тройных соединений GaxIn1-xAs и GaAsySb1-y, можно менять указанное взаимное расположение зон, создавая или ликвидируя их перекрытие. Одновременно возможно обеспечить точное согласие постоянных решетки. Эти особенности привели к появлению сверхрешеток с новыми свойствами, недостижимыми в системе GaAs—AlxGa1-xAs. Поскольку состояния зоны проводимости в слоях GaxIn1-xAs сосуществуют с состояниями валентной зоны в соседних слоях GaAsySb1-y, возможен переход электронов из вторых слоев в первые при достаточно малой их толщине. Это приводит к переходу полупроводник — полуметалл в сверхрешетках [122, 123] и к возможности обратного перехода при наложении магнитного поля [124]. После большой предварительной работы по повышению до атомного уровня точности контроля за распределением примесей при МЛЭ вдоль оси роста стало возможным создание первых легированных сверхрешеток [125]. Исходные образцы таких новых искусственных полупроводниковых структур состояли из тонких (5 нм < d <300 нм) слоев GaAs, легированных Si (n) и Be(p), в некоторых случаях разделенных тонкими прослойками с собственной проводимостью (i-GaAs). Многие особенности электронных свойств легированных сверхрешеток GaAs, предсказанные в работе [126], были продемонстрированы в детальных экспериментах [127]. На основе полумагнитных полупроводников [128] был предложен принципиально новый тип сверхрешеток — так называемые «спиновые сверхрешетки» [129]. В них эффективный сверхрешеточный потенциал приблизительно прямоугольной формы может меняться от нуля до некоторого предельного значения, зависящего от внешнего магнитного поля, температуры и уровня «спинового легирования» материала. Спиновое легирование легко осуществляется путем замены малой доли компонент кристалла на парамагнитные ионы. Поэтому для создания спиновой сверхрешетки надо периодически легировать исходный кристалл парамагнитными ионами так, чтобы изменять лишь эффективный g-фактор электронов проводимости. Было предложено создать подобные спиновые сверхрешетки в системе Hg0,99Mn0,01Se—Hg0,976Cd0,024Se. Роль парамагнитного элемента («спиновой примеси») здесь играет Mn, а концентрация немагнитной добавки Cd выбрана так, чтобы вещества имели одинаковую ширину запрещенной зоны. Первые спиновые сверхрешетки, называемые также сверхрешетками из разбавленных магнитных полупроводников [130], были выращены в системе Cd1-xMnxTe—Cd1-yMnyTe [131, 132]. Они обнаружили даже больше интерес-ных свойств, чем ожидалось на основании теоретических предсказаний [129]. Добавление к двум полупроводникам, составляющим сверхрешетку, третьего, например включение в систему InAs—GaSb слоев AlSb, создает новую степень свободы по сравнению с обсуждавшимися выше сверхрешетками [133]. Подобные трехкомпонентные системы, называемые также политипными сверхрешетками, обладают рядом характеристик, недостижимых в двухкомпонентных системах. Очевидно поэтому, такие системы существенно расширяют перспективы применения искусственных сверхрешеток. Существующее разнообразие полупроводниковых сверхрешеток требует классификации. Такая классификация должна подчеркивать характерные черты конкретных сверхрешеток и помогать в выборе материалов для создания желаемых сверхрешеточных структур.

Похожие:

	Урок 4 Класс: 11. Тема урока: «Способы организации баз данных: иерархический,... ...		2. Поля Цель курса получение студентами знаний об этапах разработки баз данных; о перспективных направлений развития баз данных
	А. Л. Исаев, А. М. Чеповский введение в теорию баз данных Введение в теорию баз данных: Учебно-методическое пособие по курсам «Вычислительная техника и информационная технология» и «Базы...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Создание информационной инфраструктуры школы, как основы формирования икт-компетентности педагога в образовательном процессе»
	Тема: "Концептуальное и логическое проектирования баз данных" Курсовой проект предназначен для практического освоения проектирования реляционных баз данных (БД). В работе используется трехуровневый...		Методические рекомендации по курсу базы данных подготовки бакалавриата... Цель данного курса дать основные понятия теории баз данных и подходы к проектированию реляционных баз данных. Представить современные...
	Конкурсная документация открытого конкурса «Создание научно-технической... Якутского государственного университета, основанная на портальных технологиях (2 этап), включая создание баз данных для поддержки...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Место урока в теме – урок проводится в ходе изучения темы “Информационные системы”, после изучения понятий базы данных, видов баз...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Место урока в теме – урок проводится в ходе изучения темы “Информационные системы”, после изучения понятий базы данных, видов баз...		Исследование методов информационной защиты баз данных в социально-экономической сфере Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева
	Конспект урока по информатике Тема: «Связывание таблиц базы данных»... Воспитательная: воспитание аккуратности, наблюдательности и упорства в достижении цели		Программа дисциплины опд. Ф. 10 «базы данных» Курс относится к общепрофессиональному циклу дисциплин и имеет целью овладение знаниями в области применения баз данных в автоматизированных...
	Т. К. Гоманова к э. н., доцент кафедры «Банковское дело» В статье рассмотрены теоретические и практические аспекты развития банковской инфраструктуры России в современных условиях. Проанализированы...		Урока. Тема урока «Отмена крепостного права» План урока Актулизация... Работа с информационными средами на основе баз данных и баз знаний, позволяющие осуществить как прямой, так и удаленный доступ к...
	Инновационная экономика. Агарунов Даниил Семенович, Бурнашев Константин... Венчурные компании являются основной составляющей инновационной инфраструктуры, ведь они объединяют инновации с капиталом. Россия...		Создание и использование комплексных баз и банков данных Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, изучающая вопросы хранения, передачи обработки и анализа информации с помощью...