CC BY
16
Солодовник Максим Сергеевич - e-mail: [email protected]; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; доцент.
Агеев Олег Алексеевич - e-mail: [email protected]; научно-образовательный центр «Нано-технологии»; д.т.н.; профессор; чл.-корр. РАН.
Balakirev Sergey Vyacheslavovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street, build. Е, Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634371767; the department of nanotechnologies and microsystems; cand. of eng. sc.; assistant.
Eremenko Mikhail Mikhailovich - e-mail: [email protected]; the department of nanotechnol-ogies and microsystems; student.
Chernenko Natalia Evgen'evna - e-mail: [email protected]; the department of radio engineering electronics; student.
Solodovnik Maxim Sergeevich - e-mail: [email protected]; the department of nanotech-nologies and microsystems; cand. of eng. sc.; associate professor.
Ageev Oleg Alexeevich - e-mail: [email protected]; Research and Education Center "Nanotechnologies"; dr. of eng. sc.; professor; corr. member of RAS.
УДК 621.38-022.532 DOI 10.23683/2311-3103-2019-2-184-193
Н.Е. Черненко, С.В. Балакирев, М.М. Еременко, М.С. Солодовник
МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ Ga-As-ZnO В УСЛОВИЯХ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Представлены результаты теоретических исследований процессов фазообразования в системе Оа-Лз^пО с учетом особенностей процессов молекулярно-лучевой эпитаксии ОаЛз с целью исследования возможности использования тонких пленок ZnO для инициации самокаталитического роста нитевидных нанокристаллов ОаЛз. Представлены результаты расчетов двойных и тройных фазовых диаграмм состояний, возможных в рассматриваемой системе в диапазонах температур и давлений, характерных для этапов предросто-вой подготовки и непосредственно роста в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии арсенидов. По результатам термодинамического анализа процессов фазообразования была определена совокупность возможных промежуточных и конечных продуктов реакций взаимодействия между компонентами в рассматриваемой системе материалов. Определены и составлены уравнения основных и промежуточных химических реакций, протекающих в системе. Рассчитаны температурные зависимости изменений свободной энергии Гиббса AG(T) для основных и промежуточных реакций между основными компонентами рассматриваемой системы: кристаллическим ОаЛз (подложка), атомарными (молекулярными) потоками Оа и Лз из парогазовой фазы и аморфными (поликристаллическими) пленками ZnO на поверхности подложек ОаЛз. Результаты исследований показали, что пленки ZnO в условиях, характерных для молекулярно-лучевой эпитаксии арсенидов, ведут себя подобно собственному окислу ОаЛз, однако имеют большую температурную и химическую стабильность. Показано, что ZnO в рассматриваемом диапазоне условий может вступать в реакции не только кристаллическим ОаЛз подложки, но и ростовыми компонентами, в т.ч. с образованием летучих соединений. При этом в области низких температур (менее 400 °С) могут сосуществовать реакции как с непосредственным выделением элементарного ъп, так и многостадийные, с первоначальным образованием ряда арсенидов цинка и последующим их разложением под действием возрастающей температуры и/или при взаимодействии с ростовыми компонентами. Показано, что в области 500°С доминируют реакции с выделением элементарного ъп. При повышении ростовых температур более 550 °С энергетически более выгодными становятся реакции, все продукты которых являются летучими. Проведенный анализ показал возможность (с точки зрения термодинамики) использования наноразмерных пленок ZnO в качестве инициирующего подслоя для
формирования каталитических центров Ga и последующего роста нитевидных нанокри-сталлов GaAs, однако учет кинетических факторов эпитаксиального процесса требует дополнительных исследований.
Молекулярно-лучевая эпитаксия; арсенид галлия; фазообразование; термодинамика; оксид цинка.
N.E. Chernenko, S.V. Balakirev, M.M. Eremenko, M.S. Solodovnik
INTERPHASE INTERACTION IN THE SYSTEM Ga-As-ZnO DURING GaAs MOLECULAR-BEAM EPITAXY
Our paper presents the results of the study ofphase formation processes in the Ga-As-ZnO system, taking into account the peculiarities of GaAs molecular beam epitaxy, with the aim of studying the possibility of using thin ZnO films to initiate self-catalytic growth of GaAs nanowires. The results of calculations of double and triple phase diagrams in the system under consideration in the ranges of temperatures and pressures characteristic of the stages ofpre-growth preparation and directly growth in the technology of molecular beam epitaxy of arsenides are presented. According to the results of thermodynamic analysis of phase formation processes, a set of possible intermediate and final products of interaction reactions between the components in the material system under consideration was determined. The equations of the main and intermediate chemical reactions occurring in the system are determined and compiled. The temperature dependences of changes in the Gibbs free energy AG(T) are calculated for the main and intermediate reactions between the main system components under consideration: crystalline GaAs (substrate), atomic (molecular) Ga and As fluxes from the vapor gas phase, and amorphous (polycrystalline) ZnO films on the GaAs substrate surface. The obtained results showed that ZnO films under conditions typical of molecular beam epitaxy of arsenides behave like native GaAs oxide, however, they have greater thermal and chemical stability. It is shown that ZnO in the range of conditions under consideration can react not only with crystalline GaAs substrates, but also with growth components, including with the formation of volatile compounds. In the region of low temperatures (less than 400 °C), reactions with both direct release of elemental Zn and multistage can coexist, with the initial formation of a series of zinc arsenides and their subsequent decomposition under the action of increasing temperature and/or when interacting with growth components. It was shown that in the region of 500°C, reactions with the elemental Zn excretion dominate. With an increase in growth temperatures of more than 550 °C, the reactions become energetically more favorable, all products of which are volatile. The analysis showed the possibility (from the point of view of thermodynamics) of using ZnO nanoscale films as a initiating sublayer for the formation of Ga catalytic centers and the subsequent growth of GaAs nanowires, but taking into account the kinetic factors of the epitaxial process requires additional research.
Molecular-beam epitaxy; gallium arsenide; intrinsic oxide; phase formation; thermodynamics; gallium oxide; arsenic oxide.
Введение. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы являются одними из наиболее многообещающих кандидатов на роль активных элементов приборных структур наноэлектроники, фотоники, сенсорики и MEMS/NEMS [1-6]. Благодаря своим уникальным структурным, транспортным, оптическим и электрическим характеристикам они могут быть использованы как для улучшения существующих систем, так и создания новых типов устройств [7-12]. Для этих задач наиболее предпочтительными, в свою очередь, выглядят самокаталитические нитевидные нанокристаллы, формируемые по механизму пар-жидкость-кристалл [13-16]. В отличие от гетерокаталитического роста, в самокаталитическом механизме образование капель катализатора происходит непосредственно в ростовом процессе, что требует создания специфичных условий на поверхности, инициирующих формирование капель одной из ростовых компонент. Для этого на поверхности целенаправленно формируют тонкие (от единиц до десятков нанометров) слои гетерогенного материала, который способствует образованию жидкой фазы. В большинстве случаев в качестве такого подслоя выступает тонкая пленка SiOx [17, 18]. Од-
нако наличие на поверхности инициирующего подслоя SiOx и его частичное разрушение в ходе ростовых процессов может негативно сказываться на электрофизических характеристиках получаемых нитевидных нанокристаллов [19].
Целью данной работы является исследование процессов фазообразования в системе Ga-As-ZnO в условиях, характерных для процесса молекулярно-лучевой эпитаксии, для обоснования возможности использования наноразмерных пленок ZnO в качестве инициирующего подслоя для формирования самокаталитических нитевидных нанокристаллов GaAs.
Методика исследований. Исследование процессов фазообразования в системе Ga-As-ZnO проводилось с использованием программного пакета для термодинамических расчетов FactSage 6.3. Для этого проводилось рассмотрение процессов взаимодействия кристаллического GaAs и ростовых компонент Ga и As4 из парогазовой фазы с поликристаллическими и аморфными пленками ZnO с учетом возможных промежуточных реакций и продуктов взаимодействия компонент. Первоначально проводился расчёт двойных и тройных фазовых диаграмм в системе Ga-As-ZnO с последующим анализом возможных продуктов реакций. Затем определялись и сравнивались температурные зависимости изменений свободной энергии Гиббса AG(T), на основании чего устанавливались наиболее вероятные промежуточные и основные (суммарные) уравнения химических реакций. Применение подходов равновесной термодинамики для анализа процессов молекулярно -лучевой эпитаксии в общем случае является оправданным в приближении квазиравновесного их характера [20]. Анализ процессов проводился при в диапазоне давлений 10-7-10-5 na, характерных для молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs на различных этапах процесса, и температурах в диапазоне 100-1000 °С. Для упрощения восприятия результатов расчетов стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций опущены.
Результаты и обсуждение. Результаты анализа двойных фазовых диаграмм для системы GaAs-ZnO, рассчитанных в диапазоне значений температур 0-1000 °С и давлении 10-5 Па, позволили записать следующие уравнения, описывающие
взаимодействие пленки ZnO с поверхностью GaAs:
ZnO + GaAs = Zn + Ga2Of + As2(As4)t (1)
ZnO + GaAs = Zn + Ga2Of + AsOf. (2)
ZnO + GaAs = Zn + Ga2O3 + As2(As4)f. (3)
ZnO + GaAs = Zn3As2 + Ga2O3. (4)
ZnO + GaAs = Zn + Ga2O3 + ZnAs2. (5)
ZnO + GaAs = Zn + Ga2Of + As2O3. (6)
Температурные зависимости изменения энергии Гиббса АО(Г) для данных реакций представлены на рис. 1. Как видно из приведенного рисунка, в области низких температур (вплоть до 250 °С) наблюдается протекание только реакции (4) с образованием на границе раздела ZnO/GaAs оксида галлия и арсенида цинка ZnзAs2. При 250 °С наблюдается активация и преобладание реакции (5), сопровождающейся выделением металлического Zn.
Реакции (1) и (6) начинаются при 430 °С и 420 °С и обусловлены началом взаимодействия Ga2O3 с GaAs [21, 22]. Вероятность реакций (1) и (4) примерно одинакова и существенно меньше реакции (5). Однако при температуре 560 °С начинает доминировать реакция (1), что согласуется с данными, полученным нами ранее в работах [21, 22]. При данной температуре в результате взаимодействия ZnO с поверхностью GaAs все продукты реакции, включая Zn, находятся в газообразном состоянии.
Рис. 1. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса АО(Г) для реакций
взаимодействия 2п0 с GaAs
Смена реакции взаимодействия в системе 2п0-0аАБ (4) на (5) обусловлена началом процессов термической диссоциации арсенидов цинка по реакциям:
2п3А$2 = гп + гпАБг. (7)
гпАБг = гп + А82(А84)|. (8)
гпзА82 = гп + А82(А84)Т. (9)
На рис. 2 представлены зависимости AG(T) для данных реакций. Анализ полученных зависимостей показывает, что при 250 °С начинает проходить в прямом направлении реакция (7). Образующийся в процессе 2пАб2 затем, в свою очередь, начинает разлагаться при 280 °С до элементарных гп и АБ. Причем, начиная с 310 °С, доминирует реакция (9) и наблюдается прямое разложение 2п3аб2 на элементарные составляющие.
Рис. 2. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса АG(T) для реакций
разложения соединений 1пА''у
Реакции взаимодействия арсенидов цинка с ZnO имеют вид:
ZnO + Zn3As2 = Zn +AsO|. ZnO + ZnAs2 = Zn +AsO|.
(10) (11)
Зависимости АО(Т) для данных реакций приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, реакции (10) и (11) начинаются при 320 °С - существенно позже активации процессов термической диссоциации, описываемых выражениями (7)-(9). При этом преимущественно будет идти реакция (10), протекающая равновероятно с реакцией (9).
1500 1000 500
-3000 -3500
1 - ZnO+Zn3As2=Zn+AsO 2 - ZnO+ZnAs =Zn+AsO
2
1
I
Т. С
Рис. 3. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса ЛО(Т) для реакций взаимодействия 2пО с переходными соединениями 2пЛ'у
Для исследования процессов химического взаимодействия ZnO с ростовыми компонентами в процессе МЛЭ GaAs проводилось построение и анализ тройных фазовых диаграмм в системе Ga-As-ZnO в диапазоне температур 25-600 °С и давлении остаточной атмосферы 10-5 Па. На рис. 4 приведена диаграмма состояний Ga-As-ZnO, полученная при температуре 600 °С.
Рис. 4. Диаграмма состояний в системе Оа-Л'-2пО при температуре 600 °С
и давлении 10-5 Па
На основании проведенного анализа наиболее вероятных продуктов реакций взаимодействия в рассматриваемой системе записывались уравнения химических реакций взаимодействия ZnO с ростовыми компонентами.
Взаимодействие пленки ZnO с потоком молекулярного As описывается следующими реакциями:
гиО + аб4 = 2иЗл82 + АЮТ. гиО + аб4 = гиЛБ2 + Л80|. гиО + аб4 = ги + AsOT.
(12)
(13)
(14)
На рис. 5 изображены зависимости АО(Т) для данных реакций. Анализ полученных зависимостей показывает, что взаимодействие между гиО и молекулярным мышьяком начинается при 370 °С и протекает преимущественно по реакции (14), обе составляющие продуктов которой - ги и АбО - находятся в газообразном состоянии. Доминирование реакции (14) над (12) и (13) обусловлено, видимо, процессами термической диссоциации соединений цинка с мышьяком, описываемых выше уравнениями (7)-(9).
Рис. 5. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса ЛО(Т) для реакций взаимодействия 2п0 с потоком
Реакция гиО с ва из паровой фазы может протекать двумя путями:
гиО + ва = ги + ва20|. гиО + ва = ги + ва2О3.
(15)
(16)
Анализ полученных температурных зависимостей энергии Гиббса для указанных реакций, представленных на рис. 6, показывает, что реакции (15) и (16) могут протекать в прямом направлении во всем рассматриваемом температурном диапазоне. Однако, как и в случае с реакциями между гиО и аб4, с большей вероятностью будет наблюдаться реакция (15), сопровождающаяся образованием сразу двух летучих компонент. Излом в области 144 °С соответствует фазовому переходу цинка температуре плавления.
На основании полученных результатов для реакций гиО с ростовыми компонентами можно записать основные результирующие реакции на поверхности гиО при одновременной подаче потоков ва и аб4 в процессе МЛЭ ваЛБ:
гиО + ва + аб4 = ги + ва2О(г) + аб2(аб4)т. гиО + ва + аб4 = ги + ва2О3 + аб2(аб4)т. гиО + ва + аб4 = гизЛБ2 + ва20|. гиО + ва + аб4 = гиЛБ2 + ва20|.
(17)
(18)
(19)
(20)
Рис. 6. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса ЛО(Т) для реакций взаимодействия 2пО с потоком Оа
Результаты расчета зависимостей АО(Т) для реакций (17)-(20) представлены на рис. 7.
Из рисунка видно, что при температурах процесса до 470 °С преимущественно будет протекать реакция (19). При дальнейшем увеличении температуры будет преобладать реакция (18) с образованием Ga2O3 [21].
Как и в случае собственного окисла, при рассмотрении взаимодействия в системе Ga-As-ZnO также необходимо учитывать, что одновременно с реакциями взаимодействия между ZnO и объемным GaAs и его составляющими из паровой фазы могут протекать реакции образования GaAs из молекулярных потоков и его термической диссоциации [21].
Рис. 7. Температурные зависимости изменения энергии Гиббса ЛО(Т) для реакций взаимодействия 2пО с ростовыми компонентами
Заключение. Таким образом, проведен анализ термодинамических закономерностей процессов фазообразования в системе Ga-As-ZnO при МЛЭ GaAs. Было показано, что ZnO взаимодействует как с объемным GaAs, так и с ростовыми компонентами с образованием летучих соединений. Было показано, что пленки ZnO ведут себя аналогично пленкам собственного окисла GaAs, однако, в отличие от них, имеют большую химическую и термическую стойкость. При этом образование газообразных продуктов реакций начинает преобладать при температурах процесса выше 550 °С и протекает по сходим с собственным окислом механизмам.
Исследование выполнено за счет гранта Президента РФ (проект МК-477.2019.8). Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования и Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Thelander C., Agarwal P., Brongersma S., Eymery J., Feiner L., Forchel A., Scheffler M., Riess W., Ohlsson B., Gosele U., Samuelson L. Nanowire-based one-dimensional electronics // Nano Today. - 2006. - Vol. 10. - P. 28-35.
2. Hayden O., AgarwalR., Lu W. Semiconductor nanowire devices // Nano Today. - 2008. - Vol. 3.
- P. 12-22.
3. Liang D., Kang Y., Huo Y., Chen Y., Cui Y., Harris J.S. High-Efficiency Nanostructured Window GaAs Solar Cells // Nano Letters. - 2013. - Vol. 13. - P. 4850-4856.
4. Mozharov M., Kudryashov D.A., Bolshakov A.D., Cirlin G.E., Gudovskikh A.S., Mukhin I.S. Numerical simulation of the properties of solar cells based on GaPNAs/Si heterostructures and GaN nanowires // Semicondors. - 2016. - Vol. 50. - P. 1521-1525.
5. Shyemaa Shehata, Fradin C., LaPierre R., Couteau C., Weihs G. Self-Directed Growth of AlGaAs Core-Shell Nanowires for Visible Light Applications // Nano Letters. - 2007. - Vol. 7, No. 9. - P. 2584-2589.
6. Togonal S., et al. Core-Shell Heterojunction Solar Cells Based on Disordered Silicon Nanowire Arrays // Journal of Physical Chemistry C. - 2016. - Vol. 120. - P. 2962-2972.
7. Chen R., Tran T.D., Ng K.W., Ko W.S., Chuang L.C., Sedgwick F.G. Chang-Hasnain C. Nanolasers grown on silicon // Nature Photonics. - 2011. - Vol. 5. - P. 170-175.
8. Huang B., Yang Y., Lin T., Yang W. A simple and low-cost technique for silicon nanowire arrays based solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2012. - Vol. 98. - P. 357-362.
9. Zhao, et al. III-Nitride nanowire optoelectronics // Progress in Quantum Electronics. - 2015.
- Vol. 44. - P. 14-68.
10. Karimi M., et al. Room-temperature InP/InAsP Quantum Discs-in-Nanowire Infrared Photodetectors // Nano Letters. - 2017. - Vol. 17. - P. 3356-3362.
11. Svensson J., et al. Diameter-Dependent Photocurrent in InAsSb Nanowire Infrared Photodetectors // Nano Letters. - 2013. - Vol. 13. - P. 1380-1385.
12. Ren, et al. Influence of pitch on the morphology and luminescence properties of self-catalyzed GaAsSb nanowire arrays // Applied Physics Letters. - 2016. - Vol. 109. - P. 243102.
13. Johansson J., Wacaser B., Thelander K. D., Seifert W. Growth related aspects of epitaxial nanowires // Nanotechnology. - 2006. - Vol. 17. - P. 355-361.
14. Dubrovskii V.G., Sibirev N.V. Effect of nucleation on the crystalline structure of nanowhiskers // Technical Physics Letters. - 2009. - Vol. 35. - P. 380-383.
15. Hochbaum I., et al. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion // Chemical Reviews.
- 2010. - Vol. 110. - P. 527-546.
16. Wang H., et al. A top-down approach to fabrication of high quality vertical heterostructure nanowire arrays // Nano Lett. - 2011. - Vol. 11. - P. 1646-1650.
17. Colombo. Ga-assisted catalyst-free growth mechanism of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy // Physical Review B. - 2008. - Vol. 77. - P. 1-5.
18. Yua S., Miaoa G., Jina Y., Zhanga L., Songa H., Jianga H., Lia Z., Lia D., Sun X. Growth and optical properties of catalyst-free InP nanowires on Si (100) substrates // Physica E. - 2010.
- Vol. 42. - P. 1510-1543.
19. García Núñezn, Braña A.F., López N., García B.J. GaAs nanowires grown by Ga-assisted chemical beam epitaxy: Substrate preparation and growth kinetics // J. of Crystal Growth.
- 2015. - Vol. 430. - P. 108-115.
20. Безрядин Н.Н., и др. Влияние финишной подготовки поверхности арсенида галлия на спектр электронных состояний n-GaAs(100) // ФТП. - 2012. - №6. - C. 756-760.
21. Солодовник М.С. Фазообразование в системе Ga-As-O в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2017. - № 4 (189). - C. 201-211.
22. Агеев О.А., Балакирев С.В., СолодовникМ.С., Еременко М.М. Влияние взаимодействия в системе Ga-As-O на морфологию поверхности GaAs при молекулярно-лучевой эпитаксии // Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58, № 5. - C. 1011-1018.
REFERENCES
1. Thelander C., Agarwal P., Brongersma S., Eymery J., Feiner L., Forchel A., Scheffler M., Riess W., Ohlsson B., Gosele U., Samuelson L. Nanowire-based one-dimensional electronics, Nano Today, 2006, Vol. 10, pp. 28-35.
2. Hayden O., Agarwal R., Lu W. Semiconductor nanowire devices, Nano Today, 2008, Vol. 3, pp. 12-22.
3. Liang D., Kang Y., Huo Y., Chen Y., Cui Y., Harris J.S. High-Efficiency Nanostructured Window GaAs Solar Cells, Nano Letters, 2013, Vol. 13, pp. 4850-4856.
4. Mozharov M., Kudryashov D.A., Bolshakov A.D., Cirlin G.E., Gudovskikh A.S., Mukhin I.S. Numerical simulation of the properties of solar cells based on GaPNAs/Si heterostructures and GaN nanowires, Semicondors, 2016, Vol. 50, pp. 1521-1525.
5. Shyemaa Shehata, Fradin C., LaPierre R., Couteau C., Weihs G. Self-Directed Growth of AlGaAs Core-Shell Nanowires for Visible Light Applications, Nano Letters, 2007, Vol. 7, No. 9, pp. 2584-2589.
6. Togonal S., et al. Core-Shell Heterojunction Solar Cells Based on Disordered Silicon Nanowire Arrays, Journal of Physical Chemistry C, 2016, Vol. 120, pp. 2962-2972.
7. Chen R., Tran T.D., Ng K.W., Ko W.S., Chuang L.C., Sedgwick F.G. Chang-Hasnain C. Nanolasers grown on silicon, Nature Photonics, 2011, Vol. 5, pp. 170-175.
8. Huang B., Yang Y., Lin T., Yang W. A simple and low-cost technique for silicon nanowire arrays based solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2012, Vol. 98, pp. 357-362.
9. Zhao, et al. III-Nitride nanowire optoelectronics, Progress in Quantum Electronics, 2015, Vol. 44, pp. 14-68.
10. Karimi M., et al. Room-temperature InP/InAsP Quantum Discs-in-Nanowire Infrared Photodetectors, Nano Letters, 2017, Vol. 17, pp. 3356-3362.
11. Svensson J., et al. Diameter-Dependent Photocurrent in InAsSb Nanowire Infrared Photodetectors, Nano Letters, 2013, Vol. 13, pp. 1380-1385.
12. Ren, et al. Influence of pitch on the morphology and luminescence properties of self-catalyzed GaAsSb nanowire arrays, Applied Physics Letters, 2016, Vol. 109, pp. 243102.
13. Johansson J., Wacaser B., Thelander K. D., Seifert W. Growth related aspects of epitaxial nanowires, Nanotechnology, 2006, Vol. 17, pp. 355-361.
14. Dubrovskii V.G., Sibirev N. V. Effect of nucleation on the crystalline structure of nanowhiskers, Technical Physics Letters, 2009, Vol. 35, pp. 380-383.
15. Hochbaum I., et al. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion, Chemical Reviews, 2010, Vol. 110, pp. 527-546.
16. Wang H., et al. A top-down approach to fabrication of high quality vertical heterostructure nanowire arrays, Nano Lett, 2011, Vol. 11, pp. 1646-1650.
17. Colombo. Ga-assisted catalyst-free growth mechanism of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy, Physical Review B, 2008, Vol. 77, pp. 1-5.
18. Yua S., Miaoa G., Jina Y., Zhanga L., Songa H., Jianga H., Lia Z., Lia D., Sun X. Growth and optical properties of catalyst-free InP nanowires on Si (100) substrates, Physica E, 2010, Vol. 42, pp. 1510-1543.
19. García Núñezn, Braña A.F., López N., García B.J. GaAs nanowires grown by Ga-assisted chemical beam epitaxy: Substrate preparation and growth kinetics, J. of Crystal Growth, 2015, Vol. 430, pp. 108-115.
20. Bezryadin N.N., i dr. Vliyanie finishnoy podgotovki poverkhnosti arsenida galliya na spektr elektronnykh sostoyaniy n-GaAs(100) [Effect of finishing preparation of gallium arsenide surface on the spectrum of electronic States of n-GaAs(100)], FTP [Physics and technology of semiconductors], 2012, No. 6, pp. 756-760.
21. Solodovnik M.S. Fazoobrazovanie v sisteme Ga-As-O v usloviyakh molekulyarno-luchevoy epitaksii [Phase formation in the Ga-As-O system under molecular beam epitaxy], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 4 (189), pp. 201-211.
22. Ageev O.A., Balakirev S. V., Solodovnik M.S., Eremenko M.M. Vliyanie vzaimodeystviya v sisteme Ga-As-O na morfologiyu poverkhnosti GaAs pri molekulyarno-luchevoy epitaksii [nfluence of interaction in the Ga-As-O system on the surface morphology of GaAs in molecular beam epitaxy], Fizika tverdogo tela [Solid state physics], 2016, Vol. 58, No. 5, pp. 1011-1018.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Е.А. Рындин.
Черненко Наталия Евгеньевна - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347922, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп. Е; тел.: +78634371767; кафедра радиотехнической электроники; студент.
Балакирев Сергей Вячеславович - e-mail: [email protected]; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; ассистент.
Ерёменко Михаил Михайлович - e-mail: [email protected]; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; студент.
Солодовник Максим Сергеевич - e-mail: [email protected]; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; доцент.
Chernenko Natalia Evgen'evna - Southern Federal University, e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street, build. Е, Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634371767; the department of radio engineering electronics; student.
Balakirev Sergey Vyacheslavovich - e-mail: [email protected]; the department of nanotech-nologies and microsystems; cand. eng. sc.; assistant.
Eremenko Mikhail Mikhaylovich - e-mail: [email protected]; the department of nanotech-nologies and microsystems; student.
Solodovnik Maxim Sergeevich - e-mail: [email protected]; the department of nanotech-nologies and microsystems; cand. of eng. sc.; associate professor.
УДК 661.665.1 DOI 10.23683/2311-3103-2019-2-193-200
В.С. Климин, А.А. Резван, И.Н. Коц, Р.В. Томинов, Ю.Н. Варзарев,
Ю.В. Морозова
ФОРМИРОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННОГО ЭМИТТЕРА НА ОСНОВЕ SiC МЕТОДОМ АТОМНО-СЛОЕВОГО ТРАВЛЕНИЯ
Представлена технология получения графеновых пленок на поверхности SiC с использованием комбинации методов фокусированных ионных пучков и плазмохимического травления в фторсодержащей среде. Для формирования наноразмерных структур с боковыми размерами 280 нм использовался метод фокусированных ионных пучков. Наноразмерные структуры были сформированы на поверхности карбида кремния ионным пучком. Для этой цели использовали растровый электронный микроскоп с ионной колонкой Nova NanoLab 600 (компания FEI, Нидерланды). Рабочий вакуум при экспонировании пучков поддерживался на уровне 1 + 2*10'4 Па. Впоследствии был помещен в рабочую камеру. В камере структуры на карбиде кремния обрабатывались во фторидной плазме. Глубина структур составляла 900 нм. SF6 использовался для травления атомарного приповерхностного слоя. Режимы обработки структуры при плазмохимическом травлении следующее PR = 2 Па, потоки газа NAr = 70 см3/мин, NSF6 = 15 см3/мин, мощность емкостного источника плазмы составляла WRE = 20 В, мощность источника индуктивно-связанной плазмы W¡CP = 300 В. Время травления 1 минута. Анализ АСМ-изображений показывает, что диаметр структур составляет 0,87 ± 0,15 мкм. Исследование топологии поверхности на каждой итерации проводилось с помощью сканирующей электронной микроскопии. Электрические характеристики были измерены с помощью атомно-силовой микроскопии. Показано, что увеличение напряжения с 5 до 20 В приводит к увеличению тока с 0,15 ± 0,03 нА до 6,3 ± 0,4 нА, а увеличение электрического поля с 60 до 180 МВ/см приводит к увеличению плотности тока с 96,32 ± 8,81 А/см2. Полученные зависимости показывают, что структуры, образованные комбинацией методов фокусированных ионных пучков и плазмохимического травления, могут иметь автоэмиссионные характеристики.
Карбид кремния; полевой эмиттер; фокусированный ионный пучок; атомно-слоевое травление; нанотехнологии.
