RU2520538C1 - NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE - Google Patents

NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE Download PDF

Info

Publication number
RU2520538C1
RU2520538C1 RU2012146629/28A RU2012146629A RU2520538C1 RU 2520538 C1 RU2520538 C1 RU 2520538C1 RU 2012146629/28 A RU2012146629/28 A RU 2012146629/28A RU 2012146629 A RU2012146629 A RU 2012146629A RU 2520538 C1 RU2520538 C1 RU 2520538C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gaas
tin
layer
quasi
vicinal
Prior art date
Application number
RU2012146629/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012146629A (en
Inventor
Алексей Петрович Сеничкин
Александр Сергеевич Бугаев
Александр Эдуардович Ячменев
Алексей Николаевич Клочков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
Priority to RU2012146629/28A priority Critical patent/RU2520538C1/en
Publication of RU2012146629A publication Critical patent/RU2012146629A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2520538C1 publication Critical patent/RU2520538C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to nanosize semiconductor structures comprising a system of quasi-one-dimensional conducting channels used to make nanoelectronic and nanophotonic devices. The technical result is increase in electron concentration in the active region of the nanostructure. The nanostructure obtained from molecular beam epitaxy contains a monocrystalline semi-insulating vicinal substrate of GaAs (100) with misorientation angle of 0.3°-0.4° in the <011> direction, a buffer undoped layer of GaAs, a tin delta-doped layer which covers the undoped GaAs layer and a silicon-doped contact layer of GaAs. During epitaxy, a system of atomically smooth terraces separated by steps with monoatomic thickness is formed on the surface of the buffer layer. During doping, tin atoms accumulate near the steps as a result of surface diffusion to form conducting nanofibres of tin atoms lying in one plane parallel to each other.
EFFECT: use of tin in GaAs instead of silicon increases electron concentration in the delta layer since tin has a higher solubility limit and does not exhibit amphoteric properties.
5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Предлагаемое изобретение относится к наноразмерным полупроводниковым структурам, содержащим систему квазиодномерных проводящих каналов, используемых для изготовления приборов наноэлектроники и нанофотоники.The present invention relates to nanoscale semiconductor structures containing a system of quasi-one-dimensional conductive channels used for the manufacture of nanoelectronics and nanophotonics devices.

Уровень техникиState of the art

В последние годы разработка и создание устройств на основе квазиодномерных и квазинульмерных систем наряду с тенденцией к минитюаризации является одним из главных направлений наноэлектроники. Эффекты размерного квантования в объектах с линейными размерами меньше десятков нанометров дают возможность улучшения рабочих характеристик изделий полупроводниковой электроники (повышение быстродействия, снижение уровня энергопотребления) и оптоэлектроники, а также создания принципиально новых устройств, основанных на использовании этих эффектов.In recent years, the development and creation of devices based on quasi-one-dimensional and quasi-zero-dimensional systems along with the tendency to miniaturization is one of the main areas of nanoelectronics. Dimensional quantization effects in objects with linear dimensions of less than tens of nanometers make it possible to improve the performance of semiconductor electronics products (increase speed, reduce energy consumption) and optoelectronics, as well as create fundamentally new devices based on the use of these effects.

Существует большое число способов формирования полупроводниковых структур с квантовыми нитями. Широкую группу образуют методы, основанные на использовании двумерных полупроводниковых систем (например, структур металл-диэлектрик-полупроводник, гетеропереходов, δ-легированных слоев) в качестве исходных структур. Для ограничения электронов в еще одном направлении при помощи электронной, ультрафиолетовой или рентгеновской литографии и последующего химического травления (жидкостного или плазмохимического) из двумерной структуры формируются нанополоски контролируемых размеров и формы. Одномерные носители заряда в квантовой яме можно создавать также при помощи металлических контактов специальной формы, выращенных на поверхности образца параллельно плоскости двумерных носителей. Подача различного напряжения на контакты, создающего электростатический потенциал для ограничения движения двумерных электронов, позволяет контролировать ширину нанонити и концентрацию носителей заряда.There are a large number of methods for the formation of semiconductor structures with quantum filaments. A wide group is formed by methods based on the use of two-dimensional semiconductor systems (for example, metal-insulator-semiconductor structures, heterojunctions, and δ-doped layers) as initial structures. To limit electrons in one more direction, using electron, ultraviolet, or X-ray lithography and subsequent chemical etching (liquid or plasmachemical) from a two-dimensional structure, nanobands of controlled sizes and shapes are formed. One-dimensional charge carriers in a quantum well can also be created using metal-shaped contacts of a special shape grown on the surface of a sample parallel to the plane of two-dimensional carriers. The application of various voltages to the contacts, which creates an electrostatic potential for restricting the motion of two-dimensional electrons, makes it possible to control the width of the nanowire and the concentration of charge carriers.

Еще одним методом создания нанонитей является способ, основанный на вытравливании в подложке V-канавок. При эпитаксиальном росте тонкого слоя GaAs на подложке, в которой предварительно вытравлены V-канавки, а затем слоя AlGaAs толщина GaAs в канавке окажется больше, чем в остальной части, и носители заряда будут стремиться локализоваться на квантовых уровнях канавки, так как внутри канавки размерно-квантовые уровни расположены ниже, чем в остальной части GaAs.Another method for creating nanowires is a method based on etching V grooves in a substrate. During the epitaxial growth of a thin GaAs layer on a substrate in which V grooves are preliminarily etched and then an AlGaAs layer, the GaAs thickness in the groove will be larger than in the rest, and the charge carriers will tend to localize at the quantum levels of the groove, since the size of the groove inside the groove quantum levels are lower than in the rest of GaAs.

Рассмотренные методы обладают наряду с простотой и ясностью всеми недостатками, присущими методам литографии и травления. К таким недостаткам можно отнести: неоднородности толщин и формы, всегда сопровождающие процесс травления; дефекты, вносимые в границу раздела во время травления; минимальный размер нанонитей, определяемый разрешением используемого метода литографии и составляющий приблизительно 0,15 мкм, 30 нм, 3÷20 нм для ультрафиолетовой, рентгеновской и электроннолучевой литографии соответственно.The considered methods possess, along with simplicity and clarity, all the disadvantages inherent in lithography and etching methods. These disadvantages include: heterogeneity of thickness and shape, always accompanying the etching process; defects introduced to the interface during etching; the minimum size of nanowires, determined by the resolution of the used lithography method and amounting to approximately 0.15 μm, 30 nm, 3 ÷ 20 nm for ultraviolet, X-ray and electron beam lithography, respectively.

Более удачными и приемлемыми оказались методы формирования нанонитей на вицинальных поверхностях. Вицинальная поверхность (фиг.1, 2) - это поверхность, отклоненная на небольшой угол разориентации α по отношению к грани кристалла с малыми индексами Миллера; вицинальная поверхность является атомно-гладкой и в равновесных условиях состоит из террас (2), образованных поверхностями с малыми индексами Миллера и разделенных эквидистантными моноатомными ступеньками (3). Эпитаксиальный рост на вицинальных подложках, имеющих различную ориентацию, направления и величины углов разориентирования относительно сингулярной грани, позволяет получать периодические структуры нанонитей с контролируемыми размерами, ориентацией и периодом. Благодаря планарной геометрии системы нанонитей, выращенные на вицинальной подложке, удобны для производства полупроводниковых приборов с каналом из одномерных проводящих нитей (полевых транзисторов).More successful and acceptable were the methods of forming nanowires on vicinal surfaces. A vicinal surface (FIGS. 1, 2) is a surface deflected by a small misorientation angle α with respect to the crystal face with small Miller indices; the vicinal surface is atomically smooth and, under equilibrium conditions, consists of terraces (2) formed by surfaces with small Miller indices and separated by equidistant monoatomic steps (3). Epitaxial growth on vicinal substrates with different orientations, directions, and misorientation angles with respect to the singular face allows one to obtain periodic nanowire structures with controlled sizes, orientations, and periods. Due to planar geometry, nanowire systems grown on a vicinal substrate are convenient for the production of semiconductor devices with a channel of one-dimensional conductive threads (field effect transistors).

В патенте [1] предлагается вырастить вертикальную сверхрешетку нанополосок, состоящую из монокристаллических слоев узкозонного полупроводника А (например, InAs) и широкозонного полупроводника В (например, GaAs), на подложке GaAs, отклоненной от плоскости (100) на угол 2° или менее. Формирование массива нанополосок происходит в процессе эпитаксии поочередным осаждением материалов А и В в условиях повышенной поверхностной диффузии осаждаемых адатомов, в режиме послойного роста «потока ступеней» (step flow growth). Количество материала А, высаживаемого на поверхности террас за один цикл, меньше 1/2 монослоя. Соответственно, количество широкозонного материала В - больше 1/2 монослоя так, что в сумме за один цикл высаживается ровно один монослой. После повторения нескольких циклов структура будет представлять собой периодическую систему чередующихся нанополосок полупроводников А и В. Необходимость четкого контроля (с точностью до доли монослоя) количества осаждаемого материала при цикличном послойном выращивании делает эту структуру трудноосуществимой.In the patent [1], it is proposed to grow a vertical superlattice of nanobands consisting of single-crystal layers of a narrow-gap semiconductor A (for example, InAs) and a wide-gap semiconductor B (for example, GaAs), on a GaAs substrate deviated from the plane (100) by an angle of 2 ° or less. The formation of an array of nanobands occurs during epitaxy by alternate deposition of materials A and B under conditions of increased surface diffusion of the deposited adatoms, in the layer-by-layer growth of the “step flow growth”. The amount of material A planted on the surface of terraces in one cycle is less than 1/2 of the monolayer. Accordingly, the amount of wide-gap material B is more than 1/2 of the monolayer so that exactly one monolayer is deposited in a single cycle. After repeating several cycles, the structure will be a periodic system of alternating nanobands of semiconductors A and B. The need for precise control (up to a fraction of a monolayer) of the amount of deposited material during cyclic layered growth makes this structure difficult to implement.

В изобретении [2], принятом в качестве аналога, был предложен метод эпитаксиального выращивания на вицинальной подложке массива проводящих нанонитей, состоящих из атомов примеси. Метод включает следующие шаги: формирование вицинальной поверхности ступенчатых атомных террас, нанесение доли монослоя легирующей примеси в виде нанополосок шириной меньше ширины атомных террас, закрытие нанополосок слоем нелегированного полупроводника, отжиг полупроводниковой структуры. Нанополоски легирующей примеси могут быть получены следующим образом: а) за счет падения коллимированного пучка примесей под скользящим углом к поверхности подложки в направлении убывания ступенек, при котором часть поверхности террасы затенена краем предыдущей террасы и не покрывается атомами примеси; б) за счет осаждения атомов примеси при нормальном угле падения, когда атомы примеси заполняют всю поверхность подложки, и последующего воздействия на образец ионного или химического травителя. Поток ионов или молекул травителя направляется под скользящим углом к поверхности образца. Вследствие малого угла падения травителя некоторые области поверхности террас не подвергаются действию травителя, а другие области вытравливаются, формируя нанополоски легированного полупроводника. Недостатком описанного метода получения нанонитей легирующих примесей является применение технически сложного малоуглового роста, а также применение отжига, приводящего к диффузионному размытию распределения нанонитей.In the invention [2], adopted as an analogue, a method of epitaxial growth on a vicinal substrate of an array of conductive nanowires consisting of impurity atoms was proposed. The method includes the following steps: the formation of a vicinal surface of step atomic terraces, the deposition of a dopant monolayer fraction in the form of nanosized strips less than the width of atomic terraces, the closure of nanosized strips with a layer of undoped semiconductor, annealing of the semiconductor structure. Doped impurity nanobands can be obtained as follows: a) due to the collimated impurity beam falling at a sliding angle to the substrate surface in the direction of the steps descending, in which part of the terrace surface is obscured by the edge of the previous terrace and is not covered by impurity atoms; b) due to the deposition of impurity atoms at a normal angle of incidence, when impurity atoms fill the entire surface of the substrate, and subsequent exposure to the sample of an ionic or chemical etchant. The flow of ions or etchant molecules is directed at a sliding angle to the surface of the sample. Due to the small angle of incidence of the etchant, some areas of the terrace surface are not exposed to the etchant, and other areas are etched to form nanosized doped semiconductors. The disadvantage of the described method for producing doped impurity nanowires is the use of technically complex small-angle growth, as well as the use of annealing, which leads to diffusion smearing of the nanowire distribution.

В работе [3] описан метод получения наноразмерной системы нитей, принятой в качестве прототипа к настоящему изобретению. При легировании кремнием вицинальных граней (001) GaAs (1) с углом разориентации 2° можно получать упорядоченные сверхструктуры в виде нанонитей (7), содержащие атомы кремния (фиг.3). Основное отличие от изобретения [2] состоит в использовании явления самоорганизации - упорядоченного внедрения атомов кремния на краях ступеней вицинальной грани. Ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней (3) для адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например, атомов кремния. Если средняя диффузионная длина адатома на поверхности превышает размер террас вицинальной грани L, то эпитаксиальный рост пленки осуществляется за счет присоединения адатомов к краям ступеней без образования зародышевых островков на террасах. Задавая нужный размер террас вицинальной подложки, подбирая условия роста, точно дозируя количество адатомов вещества, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности, в том числе и нити, представляющие собой цепочки атомов, «пристроившихся» на краях ступеней. Авторы [3] продемонстрировали образование кремниевых нанонитей, расстояние между которыми, определяемое углом разориентации 2°, составляет 8 нм. Такие структуры являются в первую очередь двумерными несмотря на квазиодномерный характер распределения примесных атомов, поскольку расстояние между нанонитями меньше боровского радиуса мелкой донорной примеси в GaAs (порядка 10 нм).In [3], a method for producing a nanoscale filament system adopted as a prototype of the present invention was described. When silicon is doped with vicinal (001) GaAs (1) faces with silicon with a misorientation angle of 2 °, one can obtain ordered superstructures in the form of nanowires (7) containing silicon atoms (Fig. 3). The main difference from the invention [2] is the use of the phenomenon of self-organization - the ordered introduction of silicon atoms at the edges of the steps of the vicinal face. A stepped surface is characterized by a burst of potential energy at the edges of steps (3) for adatoms of an epitaxially growing substance, for example, silicon atoms. If the average diffusion length of the adatom on the surface exceeds the size of the terraces of the vicinal face L, then the epitaxial film growth occurs due to the attachment of adatoms to the edges of steps without the formation of germinal islands on the terraces. By setting the desired size of the terraces of the vicinal substrate, choosing growth conditions, accurately dosing the number of adatoms of the substance falling onto the surface, it is possible to form on the surface, including threads, which are chains of atoms "attached" to the edges of steps. The authors of [3] demonstrated the formation of silicon nanowires, the distance between which, determined by a misorientation angle of 2 °, is 8 nm. Such structures are primarily two-dimensional, despite the quasi-one-dimensional character of the distribution of impurity atoms, since the distance between the nanowires is less than the Bohr radius of a shallow donor impurity in GaAs (of the order of 10 nm).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение проводимости канала полевого транзистора, изготовленного на основе структур с квазиодномерными проводящими нанонитями. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, являются:The problem solved by the present invention is to increase the conductivity of the channel of a field effect transistor made on the basis of structures with quasi-one-dimensional conductive nanowires. The technical result that allows you to complete the task are:

а) увеличение концентрации электронов в активной области наноструктуры;a) an increase in the electron concentration in the active region of the nanostructure;

б) формирование массива параллельных квазиодномерных проводящих нанонитей. Нанонити выращиваются на таком расстоянии друг от друга, чтобы основные квантовые состояния соседних нанонитей не перекрывались.b) the formation of an array of parallel quasi-one-dimensional conductive nanowires. The nanowires are grown at such a distance from each other that the main quantum states of neighboring nanowires do not overlap.

Предлагаемая в качестве активной области для полевого транзистора на GaAs структура имеет следующее строение (фиг.4):The structure proposed as an active region for a GaAs field-effect transistor has the following structure (Fig. 4):

а) вицинальная подложка GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> (1);a) the vicinal GaAs (100) substrate with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the direction of the type <011> (1);

б) нелегированный буферный слой GaAs (4);b) undoped GaAs buffer layer (4);

в) 5 - легированный оловом слой с концентрацией примеси (5);c) 5 — doped with tin layer with an impurity concentration (5);

г) закрывающий и контактный слои GaAs (6);d) closing and contact layers of GaAs (6);

Технический результат достигается, во-первых, за счет использования вицинальной подложки GaAs с предельно низким углом разориентации 0.3°÷0.4° и, во-вторых, за счет использования олова в качестве легирующей примеси.The technical result is achieved, firstly, by using a vicinal GaAs substrate with an extremely low misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° and, secondly, by using tin as a dopant.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На чертежах ширина террас и высота ступеней вицинальной поверхности изображены схематично, без соблюдения пропорций. В предлагаемом изобретении для вицинальной подложки GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° ширина террас более чем в 100 раз превышает высоту ступеней.In the drawings, the width of the terraces and the height of the steps of the vicinal surface are shown schematically, without respecting the proportions. In the present invention, for a GaAs (100) vicinal substrate with a misorientation angle of 0.3 ° to 0.4 °, the width of the terraces is more than 100 times the height of the steps.

На фиг.1 представлен схематический вид вицинальной поверхности подложки GaAs (100).Figure 1 presents a schematic view of the vicinal surface of a GaAs (100) substrate.

На фиг.2 представлен схематический вид вицинальной поверхности подложки GaAs (100) в поперечном разрезе (вид сбоку).2 is a schematic cross-sectional side view of the vicinal surface of a GaAs (100) substrate.

На фиг.3 схематично проиллюстрировано явление сегрегации примесных атомов Si или Sn вблизи ступеней вицинальной поверхности GaAs и образование нанонитей примесных атомов. Часть примесей не участвует в образовании нанонитей и остается на террасах.Figure 3 schematically illustrates the phenomenon of segregation of impurity atoms of Si or Sn near the steps of the vicinal GaAs surface and the formation of nanowires of impurity atoms. Some impurities do not participate in the formation of nanowires and remain on the terraces.

На фиг.4 представлена послойная схема наноразмерной структуры с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs, предлагаемой в качестве изобретения.Figure 4 presents a layered diagram of a nanoscale structure with quasi-one-dimensional conductive tin filaments in a GaAs lattice, proposed as an invention.

На фиг.5 представлена схема наноразмерной структуры с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs, выращенной согласно заявляемому изобретению.Figure 5 presents a diagram of a nanoscale structure with quasi-one-dimensional conductive tin filaments in a GaAs lattice grown according to the claimed invention.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Схема наноструктуры на GaAs, предлагаемой в качестве активной области для полевого транзистора, представлена на фиг.4. Каждый слой наноструктуры осуществляет следующие функции:A diagram of a GaAs nanostructure proposed as an active region for a field effect transistor is shown in FIG. 4. Each nanostructure layer performs the following functions:

вицинальная подложка (1) GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> задает среднее расстояние между нанонитями олова при последующем дельта-легировании равным среднему расстоянию между ступенями (ширине террас); нелегированный буферный слой GaAs (4) предназначен для получения на его поверхности как можно более идеальных атомно-гладких террас;GaAs (100) vicinal substrate (1) with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the <011> type direction sets the average distance between tin nanowires during subsequent delta doping equal to the average distance between steps (terrace width); the undoped GaAs buffer layer (4) is designed to produce as perfect atomically smooth terraces on its surface as possible;

δ-легированный оловом слой с концентрацией примеси больше 2×10-2 см-2 (5) служит для получения упорядоченной периодической сверхструктуры, содержащей нанонити атомов олова. Слоевая концентрация обеспечивает перекрытие примесных волновых функций внутри нанонити и формирование одномерных электронных состояний; закрывающий и контактный слои GaAs (6) служат для «закрывания» высаженных при δ-легировании атомов и формирования омических контактов с малым удельным сопротивлением, что необходимо для создания полупроводниковых устройств.A δ-doped tin layer with an impurity concentration greater than 2 × 10 -2 cm -2 (5) serves to obtain an ordered periodic superstructure containing nanowires of tin atoms. Layer concentration provides overlapping impurity wave functions inside nanowires and the formation of one-dimensional electronic states; the closing and contact layers of GaAs (6) serve to “close” the atoms deposited during δ doping and to form ohmic contacts with a low resistivity, which is necessary to create semiconductor devices.

Особенности выбора определенного угла разориентации вицинальной подложки заключаются в следующем. Для подложек GaAs (100) с разориентацией в направлении типа <011> поверхность представляет собой ступени высотой в один монослой (в данном случае один монослой равен 1/2 от постоянной решетки арсенида галлия приблизительно 0.283 нм), разделенные террасами с точной кристаллографической ориентацией типа (100). Ширина террас, или расстояние между ступенями L=0.283/tg(α) нм, где α - угол разориентации. Для формирования на вицинальной поверхности системы примесных нанонитей путем присоединения адатомов к краям ступеней, средняя диффузионная длина адатома на поверхности должна превышать размер террас вицинальной грани. Иначе эпитаксиальный рост пленки будет осуществляться за счет образования зародышевых островков на террасах, легирующая примесь будет распределена на поверхности однородно. С другой стороны, сильное уменьшение ширины L также нецелесообразно, поскольку соседние нити олова (в результате флуктуации ширины террас) могут оказаться слишком близко друг к другу с неизбежным значительным перекрытием волновых функций электронов проводимости с образованием двумерной системы (боровский радиус электрона на мелкой примеси в GaAs составляет приблизительно 10 нм). Предлагаемый угол разориентации α=0.3°÷0.4° соответствует периоду структуры L~40÷50 нм и обеспечивает формирование массива нанонитей с максимально возможной плотностью, при которой еще возможно существование квазиодномерных проводящих нитей.Features of the choice of a certain angle of misorientation of the vicinal substrate are as follows. For GaAs (100) substrates with misorientation in the <011> type direction, the surface consists of steps one monolayer high (in this case, one monolayer is 1/2 of the lattice constant of gallium arsenide approximately 0.283 nm), separated by terraces with an exact crystallographic orientation of the type ( one hundred). The width of the terraces, or the distance between the steps L = 0.283 / tg (α) nm, where α is the disorientation angle. To form a system of impurity nanowires on the vicinal surface by attaching adatoms to the edges of steps, the average diffusion length of the adatom on the surface should exceed the size of the terraces of the vicinal face. Otherwise, the epitaxial growth of the film will be due to the formation of germinal islands on the terraces, the dopant will be uniformly distributed on the surface. On the other hand, a strong decrease in the width L is also impractical, since the neighboring tin filaments (as a result of fluctuations in the width of the terraces) may turn out to be too close to each other with the inevitable significant overlap of the wave functions of the conduction electrons with the formation of a two-dimensional system (the Bohr radius of an electron with a small impurity in GaAs is approximately 10 nm). The proposed misorientation angle α = 0.3 ° ÷ 0.4 ° corresponds to the period of the structure L ~ 40 ÷ 50 nm and ensures the formation of an array of nanowires with the highest possible density, at which the existence of quasi-one-dimensional conducting threads is still possible.

Выбор олова в качестве легирующей примеси для GaAs связан со следующими его особенностями по сравнению с кремнием:The choice of tin as a dopant for GaAs is associated with its following features compared to silicon:

а) тенденция олова к сегрегации на поверхности роста, обладающей ненасыщенными связями. По сравнению с кремнием это свойство олова приводит к увеличению концентрации примесных атомов вблизи ступеней, уменьшению размытия профиля распределения примеси по сечению нанонити;a) the tendency of tin to segregate on a growth surface with unsaturated bonds. Compared to silicon, this property of tin leads to an increase in the concentration of impurity atoms near the steps, to a decrease in the blurring of the impurity distribution profile over the nanowire cross section;

б) больший предел растворимости олова;b) a greater solubility limit of tin;

в) олово не проявляет амфотерности, присущей кремнию, которая снижает коэффициент использования электрически активной примеси.c) tin does not exhibit amphotericity inherent in silicon, which reduces the utilization of electrically active impurities.

В силу указанных различий применение олова для создания проводящих квантовых нитей в арсениде галлия представляется предпочтительным с точки зрения ожидаемых характеристик в сравнении с кремнием: концентрация электронов в нанонитях повышается, возрастает проводимость канала полевого транзистора.Due to these differences, the use of tin to create conductive quantum filaments in gallium arsenide seems preferable from the point of view of expected characteristics in comparison with silicon: the electron concentration in nanowires increases, and the conductivity of the field-effect transistor channel increases.

Предложенная наноструктура выращивается в установке молекулярно-лучевой эпитаксии. Процесс изготовления образца можно разделить на следующие стадии:The proposed nanostructure is grown in a molecular beam epitaxy unit. The sample manufacturing process can be divided into the following stages:

1. Предростовая подготовка вицинальной подложки (1) с заданным углом и направлением разориентации. После удаления окисла поверхность подложки не является достаточно гладкой. Кроме того, на поверхности подложки могут оставаться следы некоторых примесей, в частности углерода, приводящие при определенных условиях к фасетированию поверхности, то есть образованию микрообластей с отличной от исходной ориентацией.1. Pregrowth preparation of the vicinal substrate (1) with a given angle and direction of disorientation. After removal of the oxide, the surface of the substrate is not smooth enough. In addition, traces of certain impurities, in particular carbon, may remain on the surface of the substrate, leading under certain conditions to faceting the surface, that is, the formation of microregions with a different orientation from the original.

2. Выращивание буферного слоя (4) арсенида галлия, обеспечивающего создание максимально совершенной ступенчатой поверхности с гладкими террасами, подготовка его поверхности к осаждению примеси.2. Growing a buffer layer (4) of gallium arsenide, which provides the creation of the most perfect stepped surface with smooth terraces, preparing its surface for the deposition of impurities.

3. Легирование поверхности. Высаживание олова целесообразно проводить с умеренной скоростью, чтобы избежать взаимодействия атомов олова друг с другом с образованием металлической фазы. Кроме того, целесообразно выдержать некоторую паузу после легирования, чтобы предоставить дополнительное время адатомам олова, мигрирующим по поверхности подложки, для «встречи» с краями ступеней вицинальной грани.3. Alloying the surface. It is advisable to plant tin at a moderate speed in order to avoid the interaction of tin atoms with each other with the formation of a metal phase. In addition, it is advisable to withstand a certain pause after doping to provide additional time for tin adatoms migrating over the surface of the substrate to “meet” with the edges of the steps of the vicinal face.

4. Заращивание высаженных цепочек атомов олова в режимах, обеспечивающих активацию атомов легирующей примеси, с одной стороны, и предотвращающих диффузию и сегрегацию атомов олова во время заращивания, с другой. Заращивание высаженных на края ступеней атомов олова арсенидом галлия следует проводить с максимальной скоростью, минимальной температурой подложки, при достаточно большом отношении потоков мышьяка к галлию. Эти меры необходимы для предотвращения диффузии и сегрегации олова во время заращивания. С другой стороны, атомы олова должны находиться в кристаллической решетке, замещая атомы галлия, чтобы оставаться электрически активной мелкой донорной примесью. При чрезмерно низкой температуре эпитаксиального роста возможно образование слишком большого количества дефектов роста типа галлиевых вакансий. Это в свою очередь может привести к большой концентрации глубоких уровней и ухудшить электрические свойства выращенных структур.4. The growth of planted chains of tin atoms in the modes that ensure the activation of dopant atoms, on the one hand, and prevent the diffusion and segregation of tin atoms during overgrowing, on the other. Gallium arsenide planted on the edges of the steps of tin should be grown at a maximum speed, minimum substrate temperature, and a sufficiently high ratio of arsenic to gallium fluxes. These measures are necessary to prevent tin diffusion and segregation during overgrowing. On the other hand, tin atoms must be in the crystal lattice, replacing gallium atoms in order to remain an electrically active shallow donor impurity. At an excessively low epitaxial growth temperature, too many growth defects such as gallium vacancies can form. This in turn can lead to a large concentration of deep levels and degrade the electrical properties of the grown structures.

Согласно изобретению был выращен следующий образец наноструктуры (фиг.5). На вицинальной подложке (1) GaAs с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011> были выращены нелегированный буферный слой GaAs (4) толщиной 0.8 мкм, дельта-легированный оловом слой (5) со слоевой концентрацией 5×1012 см-2, нелегированный закрывающий слой GaAs толщиной 40 нм (6), легированный кремнием с концентрацией 4×1018 см-3 контактный слой GaAs толщиной 15 нм (8). Получены значения подвижности µ=1700 см2/В·с и концентрации электронов n=2,7×1012 при комнатной температуре; относительная погрешность составляет 10%. Коэффициент анизотропии сопротивления для слабых полей (в области линейной зависимости скорости дрейфа электронов от приложенного поля) равен приблизительно 2 при комнатной температуре и возрастает до 2,5 при температуре 77 К. Анизотропия сопротивления сохраняется и в сильных электрических полях, что наглядно демонстрируют наличие квазиодномерного потенциального рельефа.According to the invention, the following nanostructure sample was grown (FIG. 5). An unalloyed GaAs (4) buffer layer with a thickness of 0.8 μm and a delta-doped tin layer (5) with a layer concentration of 5 × 10 12 cm were grown on a GaAs vicinal substrate (1) with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the <011> type direction -2 , undoped GaAs closing layer 40 nm thick (6), silicon-doped with a concentration of 4 × 10 18 cm -3 GaAs contact layer 15 nm thick (8). The mobility values µ = 1700 cm 2 / V · s and the electron concentration n = 2.7 × 10 12 at room temperature were obtained; the relative error is 10%. The resistance anisotropy coefficient for weak fields (in the region of a linear dependence of the electron drift velocity on the applied field) is approximately 2 at room temperature and increases to 2.5 at a temperature of 77 K. The anisotropy of resistance also remains in strong electric fields, which clearly demonstrate the presence of a quasi-one-dimensional potential relief.

Источники информацииInformation sources

1. Hiroyuki Sakaki. "Grid-Inserted quantum structure". ЕР 0427905 (22.05.1991).1. Hiroyuki Sakaki. "Grid-Inserted quantum structure". EP 0427905 (05.22.1991).

2. S.Fernandez-Ceballos, G.Manai, I.V.Shvets. "Method of forming conducting nanowires". US 7569470 (4.08.2009).2. S. Fernandez-Ceballos, G. Manai, I.V.Shvets. "Method of forming conducting nanowires." US 7569470 (August 4, 2009).

3. Z.M.Wang, L.Daweritz, K.Н.Ploog. "Controllable step bunching induced by Si deposition on the vicinal GaAs (001) surface". Surface Science, v.459, p.L482-L486 (2000).3. Z. M. Wang, L. Daweritz, K. N. Ploog. "Controllable step bunching induced by Si deposition on the vicinal GaAs (001) surface." Surface Science, v. 459, p. L482-L486 (2000).

Claims (1)

Наноразмерная структура с квазиодномерными проводящими нитями олова в решетке GaAs, включающая монокристаллическую полуизолирующую вицинальную подложку GaAs (100) с углом разориентации 0.3°÷0.4° в направлении типа <011>, буферный нелегированный слой GaAs, дельта-легированный слой, закрывающий нелегированный слой GaAs и контактный легированный кремнием слой GaAs, отличающаяся тем, что в качестве примеси для дельта-легированного слоя используется олово. Nanoscale structure with quasi-one-dimensional conducting tin filaments in a GaAs lattice, including a single-crystal semi-insulating vicinal GaAs (100) substrate with a misorientation angle of 0.3 ° ÷ 0.4 ° in the <011> direction, an unalloyed buffer GaAs layer, a delta-doped layer that covers an unalloyed GaAs layer and contact silicon-doped GaAs layer, characterized in that tin is used as an impurity for the delta-doped layer.
RU2012146629/28A 2012-11-02 2012-11-02 NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE RU2520538C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012146629/28A RU2520538C1 (en) 2012-11-02 2012-11-02 NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012146629/28A RU2520538C1 (en) 2012-11-02 2012-11-02 NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012146629A RU2012146629A (en) 2014-05-10
RU2520538C1 true RU2520538C1 (en) 2014-06-27

Family

ID=50629340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012146629/28A RU2520538C1 (en) 2012-11-02 2012-11-02 NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2520538C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650576C2 (en) * 2016-10-07 2018-04-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) Nanodimensional structure with alloying profile in form of nanowires from tin atoms

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0427905A2 (en) * 1989-11-13 1991-05-22 Research Development Corporation Of Japan Grid-inserted quantum structure
US7421001B2 (en) * 2006-06-16 2008-09-02 Pbc Lasers Gmbh External cavity optoelectronic device
US7566898B2 (en) * 2007-03-01 2009-07-28 Intel Corporation Buffer architecture formed on a semiconductor wafer
US7569470B2 (en) * 2005-05-27 2009-08-04 The Provost Fellows And Scholars Of The College Of The Holy And Undivided Trinity Of Queen Elizabeth Near Dublin Method of forming conducting nanowires
US7687799B2 (en) * 2008-06-19 2010-03-30 Intel Corporation Methods of forming buffer layer architecture on silicon and structures formed thereby

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0427905A2 (en) * 1989-11-13 1991-05-22 Research Development Corporation Of Japan Grid-inserted quantum structure
US7569470B2 (en) * 2005-05-27 2009-08-04 The Provost Fellows And Scholars Of The College Of The Holy And Undivided Trinity Of Queen Elizabeth Near Dublin Method of forming conducting nanowires
US7421001B2 (en) * 2006-06-16 2008-09-02 Pbc Lasers Gmbh External cavity optoelectronic device
US7566898B2 (en) * 2007-03-01 2009-07-28 Intel Corporation Buffer architecture formed on a semiconductor wafer
US7687799B2 (en) * 2008-06-19 2010-03-30 Intel Corporation Methods of forming buffer layer architecture on silicon and structures formed thereby
RU2010139514A (en) * 2008-06-19 2012-03-27 Интел Корпорейшн (Us) METHODS FOR FORMING THE BUFFER LAYER ARCHITECTURE ON SILICON AND THE STRUCTURES FORMED BY THEM

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Z.M.Wang еt al. "Controllable step bunching induced by Si deposition on the vicinal GaAs (001) surface". Surface Science, v.459, p.L482-L486 (2000). *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2650576C2 (en) * 2016-10-07 2018-04-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) Nanodimensional structure with alloying profile in form of nanowires from tin atoms

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012146629A (en) 2014-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8878259B2 (en) Super lattice/quantum well nanowires
Zhang et al. Site-controlled VLS growth of planar nanowires: Yield and mechanism
De La Mata et al. Twin-induced InSb nanosails: A convenient high mobility quantum system
Pan et al. Free-standing two-dimensional single-crystalline InSb nanosheets
Yi et al. ZnO nanorods: synthesis, characterization and applications
Wallentin et al. Doping of semiconductor nanowires
Vogel et al. Fabrication of high-quality InSb nanowire arrays by chemical beam epitaxy
Thelander et al. Electron transport in InAs nanowires and heterostructure nanowire devices
Thelander et al. Effects of crystal phase mixing on the electrical properties of InAs nanowires
Deb et al. GaN nanorod Schottky and p− n junction diodes
Messing et al. Growth of straight InAs-on-GaAs nanowire heterostructures
WO2015022777A1 (en) Tunnel field-effect transistor, method for manufacturing same, and switch element
US8183566B2 (en) Hetero-crystalline semiconductor device and method of making same
JPWO2017057329A1 (en) Tunnel field effect transistor
Seidl et al. Regaining a spatial dimension: Mechanically transferrable two-dimensional inas nanofins grown by selective area epitaxy
Yao et al. Facile five-step heteroepitaxial growth of GaAs nanowires on silicon substrates and the twin formation mechanism
Nikoobakht et al. 1D n–p heterojunctions of zinc oxide on gallium nitride: a structural characterization
Gao et al. Recent advances in Sb-based III–V nanowires
RU2520538C1 (en) NANOSIZE STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN FIBRES IN GaAs LATTICE
Aroutiounian et al. The Ostwald ripening at nanoengineering of InAsSbP spherical and ellipsoidal quantum dots on InAs (100) surface
RU126511U1 (en) NANO-DIMENSIONAL STRUCTURE WITH QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTING TIN THREADS IN A GaAs LATTICE
Wu et al. Ordered quantum-ring chains grown on a quantum-dot superlattice template
Seidl et al. Postgrowth Shaping and Transport Anisotropy in Two-Dimensional InAs Nanofins
Pham et al. Structural, optical and electrical properties of well-ordered ZnO nanowires grown on (1 1 1) oriented Si, GaAs and InP substrates by electrochemical deposition method
Zhang et al. Horizontal InAs nanowire transistors grown on patterned silicon-on-insulator substrate

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181103