Рентгеновская диагностика в изучении особенностей формирования полупроводниковых наноструктур

• Автор: Субботин, Илья Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Раздел 1. Полупроводниковая наноэлектроника на гетероструктурах с

нанометровыми размерами слоев

Раздел 2. Методы получения нанометровых гетероструктур

Раздел 3. Методы структурной диагностики низкоразмерных

гетерокомпозиций

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Раздел 1. Высокоразрешающая рентгеновская диагностика

в различных схемах дифракции

Раздел 2. Рентгеновская рефлектометрия

ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение.- 59 Раздел 1. Наноразмерные гетероструктуры для создания
мощных СВЧ-транзисторов
Раздел 2. Сверхрешетки БьБЮе и структуры с квантовыми точками 2п8е-Сб8е в качестве активной области
полупроводниковых лазеров
Раздел 3. Разбавленные магнитные полупроводники
ОаАз/5-Мп/ОаАз/(1п,Оа)Аз/ОаАз как основа для создания
спинтронных устройств
Раздел 4. Развитие метода двухкристальной рентгеновской
дифрактометрии и анализа экспериментальных данных
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

С середины XX века, когда появились способы манипулировать отдельными атомами и молекулами, развитие науки пошло по пути создания новых, специально сконструированных материалов с заданными характеристиками. Такие материалы легли в основу устройств и приборов квантовой электроники, микро-, опто- и наноэлектроники нового поколения, особенностью которых является использование гетероструктур с нанометровыми размерами отдельных слоев.
Основным методом получения многослойных структур со сверхтонкими слоями является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Этот метод позволяет слой за слоем, чередуя источники определенного сорта ионов или атомов, строить с атомарным разрешением различные структуры, в том числе, и несуществующие в природе. Как показали первые попытки исследования и практического использования структур с размерами менее 100 нм, поведение таких наноструктур качественно отличается от поведения систем с большими размерами. Уменьшение линейных размеров (хотя бы в одном измерении) кардинально меняет характер квантовых состояний электронов, ярко проявляя свойства, присущие системам пониженной размерности. Вследствие такого уменьшения размеров выращиваемых слоев граница раздела между двумя однородными составляющими имеет атомный масштаб. Эпитаксиальный рост на ориентированной атомногладкой поверхности подложки предполагает послойное наращивание полупроводникового соединения, как совпадающего с материалом подложки, так и существенно отличающегося своими характеристиками. Современные технологии роста позволяют создавать структуры с квантовыми точками, которые образуются в кристаллах на принципах самоорганизации, многослойные полупроводниковых гетерокомпозиции (в том числе сверхрешётки) с квантовыми ямами, проволоками и точками.
Однако, несмотря на уникальные возможности МЛЭ в создании структур с резкими границами между слоями, здесь ещё имеется много вопросов. Главная трудность заключается в существовании протяженных переходных областей переменного химического состава. Так, например, размытость гетерограниц
влияет на рассеяние носителей заряда в канале, низкое структурное качество - на подвижность носителей и т.д. Необходимо, чтобы размеры переходных областей были сравнимы с постоянной кристаллической решётки.
Дальнейшее углубление знаний о гетероструктурах со сверхтонкими слоями не может быть осуществлено без детального исследования их строения и знания структурных параметров с высоким разрешением по глубине вплоть до отдельных монослоев, другими словами, детальная информация о структуре отдельных слоев и интерфейсов становится одной из наиболее важных предпосылок для дальнейшего прогресса в этой области.
Развитие технологических методов формирования полупроводниковых гетерокомпозиций, и, прежде всего, молекулярно-лучевой эпитаксии, позволило создавать гетероструктуры с толщиной активной области до одного нанометра. Конструирование новых материалов, совершенствование их структуры и свойств, создание наноматериалов и наносистем на основе молекулярной архитектуры неразрывно связаны с использованием адекватных (атомного разрешения) диагностических средств.
В настоящее время вопрос получения нанокомпозиций с заданными параметрами и характеристиками в силу своей актуальности занимает ведущее положение в развитых странах Запада. По существу решение этой задачи является приоритетным в вопросах дальнейшей экономической безопасности страны. О необходимости создания новых материалов и приборов на их основе свидетельствует то, что в последнее десятилетие в мире наблюдается интенсивное развитие в области научных исследований и промышленного освоения новых материалов СВЧ приборов, лазеров, приборов спинтроники и др.
Прогресс в получении высококачественных гетероструктур может быть достигнут путем оптимизации технологии их выращивания, что невозможно без детального изучения структурных характеристик получаемых гетеросистем.
В ряду методов исследования сложных гетерокомпозиций с нанометровыми размерами слоёв рентгеновские методы диагностики занимают одно из ведущих мест. В силу информативности и высокой чувствительности к структурным

В отличие от интенсивности дифракционного рассеяния (2.1.10) интенсивность зеркального отражения будет определяться не сверткой кривых отражения от образца и кристалла монохроматора, а усреднением коэффициента отражения от исследуемого образца по системе щелей в экспериментальной схеме [А1]:
Р») = 4- Шв„в)РМ-в,р„)Л>, (2.2.4)

где А3 = ^Рр(6)с16 - интегральный коэффициент отражения в отсутствие образца,

Р3{впв) - функция плотности распределения интенсивности излучения по углу в с учетом геометрических эффектов, распределения по длинам волн и свертки с кривой отражения от кристалла монохроматора,
^д»(^»Ря) = |4(^>Ря)| (2.2.5)
коэффициент отражения от исследуемого образца, а расчет амплитуды отражения от К слоев Як(9,ря), как функции параметров рЛ ведется с помощью рекуррентных соотношений, впервые введенных Парратом [67]: г +Я е^"
Я =— (2.2.6)
1 + ГпК
п п
связывающих амплитуды отражения от каждого слоя г„ с амплитудой отражения от предыдущих (я-1)-им слоями (фп- набег фазы рентгеновской волны с учетом преломления и поглощения в этом слое). Амплитуды отражения г, для каждого отдельного слоя определяются коэффициентами Френеля [90]:
(2.2.7)
5,--Ч+.
С2-2-8)

- величина волнового вектора внутриу-го слоя, в - угол падения излучения, X - длина волны, с^и 67) толщина и шероховатость верхней границы у-го слоя.
п--8 -1(А - комплексный показатель преломления материала, где
5 = (г,/2л)>.Хр£ед +/)/Х7Г,М, (2.2.9)
- декремент преломления, а