Основные вехи развития МЛЭ и особенности МЛЭ в решении задач твердотельной электроники

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее перспективным направлением микроэлектроники является наноэлектроника. Наноэлектроника находится на стыке физики, химии, материаловедения, биологии, электронной и компьютерной техники. Уже в начале третьего тысячелетия нанотехнологии будут определять уровень развития всего человечества. Нанотехнология предполагает построение электронных устройств из отдельных атомов им молекул. Причем физической основой работы наноэлектронных приборов и устройств является квантовая физика. Нанотехнологии могут широко использоваться также в материаловедении, биологии, в микросхемотехнике и в других разделах человеческих знаний. США и Япония уже в ближайшие годы планируют вложить колоссальные средства в развитие наноэлектроники, т.к. видят в этом основную стратегическую задачу дальнейшего развития человеческого общества.

Объектами профессиональной деятельности выпускников по специальности 202100 являются наноматериалы, нанокомпоненты, элементы и устройства на их основе, технологические процессы их изготовления, методы исследования, моделирование, проектирование и конструирование приборов микро- и наноэлектроники, математическое моделирование процессов и объектов наноэлектроники. Выпускники по специальности 202100 получают фундаментальную подготовку в области полупроводниковой электроники, микроэлектроники и наноэлектроники, что позволит им пользоваться устойчивым спросом на рынке труда, так как они могут работать в научно-исследовательской, проектно-конструкторской, производственно-технической, организационно-управленческой, эксплуатационной и сервисной областях. Высокую востребованность нашим выпускникам придает знание ими основ информационных, производственных, микроэлектронных и нанотехнологий.

Основные вехи развития МЛЭ и особенности МЛЭ в решении задач твердотельной электроники

МЛЭ обеспечивает предельно высокое качество и самих пленок и границ между ними, тем самым она удовлетворяет требованиям, необходимым для создания современных полупроводниковых гетероструктур: одиночных гетеропереходов, изолированных потенциальных ям, периодических и многослойных систем. Поскольку именно структуры с гетеропереходами определяют в настоящее время прогресс в твердотельной электронике, поэтому важно знать и понимать, каким способом могут они реализованы.

По сути дела МЛЭ представляет собой результат усовершенствования старого способа испарения в вакууме, широко применявшегося для изготовления металлических пленок. Использование чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки, различные методы диагностики растущей пленки в сочетании с компьютерной системой управления параметрами процесса — все это вместе взятое привело к созданию качественно новой технологии — МЛЭ.

За последние 40 лет характерные масштабы в твердотельной электронике уменьшились на четыре порядка: от сотни микрометров в первых транзисторах до сотни ангстрем в гетероструктурах с квантовыми ямами. Реализация структур таких масштабов с помощью жидкофазной эпитаксии или газотранспортными методами оказалась весьма затруднительной, тогда как МЛЭ позволяет выращивать пленки любой толщины, вплоть до многоатомных с заданным химическим составом и концентрацией примесей. Методом МЛЭ удается осуществлять гетероэпитаксию разнородных материалов, выращивая, например, соединения А³В⁵ на кремниевых или диэлектрических подложках, что чрезвычайно важно для монолитной интеграции оптоэлектронных и интегрально-оптических системах GaAs с вычислительными модулями. Методом МЛЭ выращивают различные многослойные и периодические структуры (типа квантовых сверхрешеток) с заданными параметрами, что дает возможности управления электрическим спектром носителей заряда.

Как ранее говорилось, вакуумное напыление весьма широко исследовалось в 40-х годах, хотя более совершенная эпитаксия свинца и олова была в 1964 году с помощью молекулярных пучков, создаваемых специальными (эффузионными) ячейками.

Первое систематическое исследование роста сложных полупроводников типа А³В⁵ проведено Гюнтером в 1958 году. С помощью «трехтемпературной» методики он получил стехиометрические пленки сложных полупроводников. В 1968 году, улучшив вакуум в методе Гюнтера, Давэй и Панкэй смогли вырастить эпитаксиальные слои на чистых монокристаллических подложках GaAs. Приблизительно в то же время Артур с целью изучения механизма роста исследования кинетики островков Ga и As на поверхностях GaAs. Это послужило основой дальнейших достижений по выращиванию методом МЛЭ совершенных пленок GaAs и других соединений А³В⁵.

Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов. МЛЭ является в своей основе утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Степень усложнения определяется только целями, поставленными в конкретном исследовании. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла в отличие от других методов, таких как ИСЭ или химическое осаждение, которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ), электронная оже-спектроскопия (ЭОС), вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т.д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с масс-анализатором для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности.

Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается МЛЭ:

а) получение монокристаллов высокой чистоты — за счет роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков вещества;

б) выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах — за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;

в) получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии — за счет ступенчатого механизма роста, исключающего возможность зародышеобразования;

г) получение сверхтонких слоев с контролируемой толщиной за счет точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;

д) создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения и сжатия.