Самоорганизованные имплантированные наноразмерные структуры в полупроводниках

Явление самоорганизации в кристаллах с дефектами, что реализуется при использовании радиационных методов воздействия на кристаллические структуры.

Отметим основные направления, которые можно выделить среди результатов по радиационной самоорганизации.

1.   Обратимый процесс аморфизация — кристаллизация. В этом случае стимулированный фазовый переход происходит либо в течение одного
непрерывного цикла (в частности, при ионной имплантации), либо при дополнительном радиационном воздействии, т.е., например, кристаллизация
аморфизированных слоев происходит частицами высокой энергии.

2.   Радиационно-стимулированный    процесс    формирования   упорядоченных в пространстве кластеров (в том числе наноразмерных) при внедрении в аморфные подложки (полимерные слои, пленки SiO₂ на кремниевой подложке ионов различных элементов). В этом случае удается получать квантово-размерные упорядоченные структуры, которые уже в настоящее время используются в устройствах наноэлектроники и нанофотоники.

3. Направление, связанное с сознательным использованием структурных дефектов в качестве активных элементов приборных устройств. Все большее внимание привлекают упорядоченные системы де­фектных включений типа дефектов [311] в облученном быстрыми частицами монокристаллическом кремнии, которые, по-видимому, могут рассматривать­ся как собственные нанокристаллы в объемной кремниевой матрице и соот­ветственно демонстрировать квантово-размерные эффекты.

Стоит отметить также, что самоорганизованные наноразмерные структуры, как в ряде случаев это уже проверено экспериментально, могут проявлять дополнительные уникальные свойства, в частности повышен­ную стабильность и радиационную стойкость.

Для устройств наноэлектроники уже сейчас приме­няются системы с погруженными в пленку SiO₂ нанокристаллами кремния и германия, которые служат в качестве элементов энергонезависимой памяти с длительным временем хранения и большой скоростью перезаписи инфор­мации. Эти устройства известны, как МДП-элементы памяти с плавающим затвором.

Механизм формирования нанокластеров в системе SiGe, создан­ных с помощью ионного внедрения, рассматривается с позиций пред­ставлений о формировании таких структур при их создании с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Основным фактором при этом рассмот­рении является механизм релаксации упругих напряжений в сравнитель­но узком диапазоне толщин наносимого из молекулярного пучка слоя Ge (3—8 моноатомных слоев). Этот механизм, по-видимому, реализуется и для имплантированных SiGe структур.

Имплантированные квантовые точки в структуре SiGe

Рис. 1. Схемы механизмов гетероэпитаксиального роста пленок: a)по механизму Франка - ван дер Марве; b) по механизму Волмера-Вебера; c) по механизму Странского-Крастанова.

Для рассмотре­ния результатов по формированию квантовых точек в системе SiGe ионными пучками коротко при­ведем только основные моменты, связанные с механизмом формиро­вания таких структур на поверхнос­ти кремниевой пластины, при ис­пользовании метода МЛЭ либо CVD (рис. 1). Кластеры, способные обладать возможностью реализации квантово-размерных эффектов, об­разуются только при нанесении от 3 до 7 монослоев Ge. При увеличении толщины слоя Ge формируются сплошные структуры.

Несоответствие периодов крис­таллических решеток кремния и герма­ния, составляющее ~ 4%, является при­чиной возникновения в структуре SiGe значительных    упругих    напряжений, релаксация которых при определенных условиях происходит за счет генерации дислокаций. Поля упругих напряжений, возникающие вокруг дислокаций несоответствия, и их взаимодействие приво­дят к перераспределению и пространственному упорядочению дислокаций. Пространственно упорядоченные дислокации являются центрами геттерирования германия, что, в свою очередь, приводит к периодическому распределению областей с его повышенным содержанием — квантовых точек.