Кремний для электроники: придут ли нанопровода на смену кристаллам?

Непрерывный прогресс в характеристиках различных электронных устройств – от персональных компьютеров до мобильных телефонов – в значительной степени обусловлен постоянным уменьшением размеров кремниевых микросхем. Для их серийного производства хорошо отлажена 0.1-микронная технология. Но дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до масштаба » 10нм требует замены кристаллов кремния другими физическими объектами. В качестве таковых сейчас обсуждаются, например, углеродные нанотрубки, молекулярные переключатели и кремниевые нанопровода. О последних и пойдет речь ниже.

Методика выращивания кремниевых нанопроводов заключается в следующем. На подложку из кремния наносят маленькую каплю жидкого металла (как правило, золота). Эта капля так эффективно адсорбирует Si из паров SiH₄ или Si₂H₆, что становится пересыщенной кремнием, в результате чего из капли растет длинный и круглый монокристаллический нанопровод Si, диаметр которого определяется размерами капли Au (см. рисунок). До сих пор считали, что если на подложку нанести сразу несколько капель Au, то одновременно получится соответствующее количество нанопроводов Si. Поэтому данная методика рассматривалась как весьма перспективная для широкомасштабного изготовления таких нанопроводов с целью их практического использования в наноэлектронике. Однако проведенные в IBM исследования показали, что это не так [1].

Рис.1 (из статьи [3]). Иллюстрация роста нанопроводов Si с использованием капель Au в качестве катализаторов.

В работе [1] процесс роста параллельных друг другу нанопроводов Si на подложке из Si (111) изучен с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Вопреки ожиданиям, авторам [1] не удалось вырастить сразу много длинных однородных по диаметру нанопроводов. Причина этого заключается в том, что неизбежные, пусть даже и совсем незначительные различия в размерах капель Au приводят в конечном итоге к тому, что атомы Au диффундируют с меньших капель на большие, в результате чего рост оставшихся без “золотой крыши” нанопроводов прекращается (см. рисунок). Этот эффект, называемый эффектом Оствальда (лауреат Нобелевской премии по химии в 1909 году) или – в шутку – “капиталистическим принципом”, объясняется уменьшением полной поверхностной энергии при диффузии Au с капли на каплю [2]. В [1] наблюдали и другие вредные последствия диффузии Au, в том числе изменение диаметра каждого нанопровода вдоль его длины.

Выход из этой ситуации предложен в работе [3]: не нужно гнаться за идеальными условиями синтеза (сверхвысокий вакуум и т.д.), как это делали авторы [1], а просто допустить присутствие в атмосфере незначительного количества кислорода. Это позволит блокировать пути диффузии Au, которая, как установлено в [1], происходит по поверхности подложки. Тогда капли Au окажутся независимыми друг от друга, и получится большой массив длинных однородных нанопроводов Si. Таким образом, оказывается, что “очень чисто” – это иногда даже “чересчур чисто”…

Л.Опенов

1. J.B.Hannon et al., Nature 2006, 440, 69
2. W.Ostwald,Z.Phys.Chem 1900,34, 495
3. U.Gosele, Nature 2006, 440, 34

Далее неожиданные результаты этой работы сотрудников IBM комментирует и наш корреспондент, основная работа которого связана с технологией.

Секреты ПЖК-роста кремниевых нанопроволок

Синтез полупроводниковых нанопроволок по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) является одним из основных способов получения монокристаллических нановолосков, которые затем используются для построения различных устройств в рамках технологического направления «снизу-вверх» (“bottom-up”). В подавляющем большинстве работ процессы роста нанопроволок и исследования синтезированного продукта разнесены в пространстве и времени, что существенно ограничивает возможность получения надёжной количественной информации о ПЖК механизме, а некоторые важные детали могут вообще остаться незамеченными. Поэтому исключительный интерес представляют методики, позволяющие вести наблюдение за формированием нанопроволок непосредственно в процессе их роста (in-situ). Именно такой подход был реализован в недавних работах группы учёных из исследовательского центра IBM (Yorktown Heights) [1, 2]. Изучали классическую систему Si-Au, а выращивание нанопроволок производили в сверхвысоковакуумном просвечивающем электронном микроскопе (Hitachi UHV H-9000), либо в камере микроскопа на медленных электронах (LEEM) путём экспозиции подложки Si(111) с двумя монослоями золота в смеси дисилан (20%)-гелий (80%) при давлении 5х10^-4Торр и температуре 600ºС.

Наблюдения в LEEM показали, что нагрев плёнки Au до 600ºС приводит к образованию ансамбля разноразмерных нанокапель, а поверхность между каплями обладает сверхструктурой, характерной для грани Si(111) с одним монослоем золота. Оказалось далее, что при данной температуре атомы Au быстро мигрируют по такой поверхности из малых капель в более крупные и этот процесс (так называемое «оствальдовское созревание») происходит за 2-3 минуты. Аналогичную сверхструктуру наблюдали и на поверхности подложки между растущими нанопроволоками. Поэтому резонно предположить, что и боковая поверхность проволок покрыта примерно одним монослоем Au. Но если это так, то по мере роста проволоки размер капли на её вершине должен уменьшаться, поскольку атомы расходуются на «золочение» боковой поверхности. При этом диаметр проволоки будет непрерывно убывать вплоть до полного прекращения роста, когда израсходуется всё золото из капли. Ясно также, что чем меньше диаметр исходной капли, тем раньше это произойдёт. Указанный эффект отчётливо наблюдался в экспериментах американских физиков [1]. Выросшие проволоки были не цилиндрическими, а конусообразными, причём самые тонкие (у основания) конусы имели меньшую высоту и капли на их вершинах отсутствовали. Таким образом, сколь угодно длинную нанопроволоку из капли данного размера вырастить невозможно.

Рис. 1.

Но самый замечательный эффект, обнаруженный в [1], состоит в том, что атомы золота способны мигрировать из малых капель в более крупные не только по плоской поверхности подложки (до роста), но и с вершины одной нанопроволоки на вершину другой (расположенной рядом) непосредственно при росте! Результатом такого перетока является формирование пары нанопроволок с противоположной конусностью (рис.1, масштабные штрихи - 1мкм). Эксперименты in-situ в электронном микроскопе позволили детально исследовать кинетику процесса - три снимка на рис. 2 показывают уменьшение размера капли «В» при одновременном увеличении капли «А» на соседней нанопроволоке (цифры – время роста в секундах, масштабный штрих – 50нм). При этом было установлено, что скорость аксиального роста конусовидной нанопроволоки не зависит от размера капли (не считая последнего участка быстрого скругления). Авторы [2] связывают это с тем, что в их экспериментах лимитирующей стадией является необратимое разложение молекулы дисилана на поверхности жидкой эвтектической капли.

Рис. 2.

Итак, эпитаксиальный ПЖК-рост кремниевых нанопроволок в очень чистых условиях наталкивается на фундаментальные ограничения, обусловленные высокой миграционной способностью атомов Au. Вместе с тем известно, что при обычной газофазной эпитаксии проволоки растут цилиндрическими, а золото на их боковых поверхностях отсутствует. По-видимому, даже небольших количеств кислорода в ростовой атмосфере достаточно, чтобы эффективно блокировать передвижение атомов золота по поверхности. Получается, что для успешного синтеза нанопроволок технологическая система должна быть чистой, но не чересчур.

                                                                                                            С.Чикичев

1. Nature 2006, 440, 69

2. Phys. Rev. Lett., 2006, 96, 096105

Опубліковано на сайті: 2006-04-16