Samoorganizované nanostruktury v mikroelektronice

S rozvojem mikroelektroniky jsou již desítky let nerozlučně spojeny různé katastrofické scénáře, které předpovídají, že dříve nebo později nastane konec miniaturizace elektronických struktur. Poukazují především na to, že zmenšování rozměrů se nezbytně musí zastavit v rozmezí desetin nanometru, neboť tato hodnota odpovídá vzdálenosti jednotlivých atomů v krystalu. Za problém bývá označováno i to, že polovodičové součástky přestanou fungovat tak, jak je dnes známe, dle pravidel klasické fyziky. Zmenšíme-li totiž jejich rozměry na nanometrovou úroveň, začnou v nich převládat kvantové jevy.

Je třeba konstatovat, že žádný z těchto katastrofických scénářů doposud nenastal. Ve velkých sériích se nám daří produkovat funkční integrované obvody, u kterých je kanál tranzistorů MOSFET zkrácen na 32 nanometrů. Tranzistory stále fungují klasicky a kritická místa technologií se podařilo obejít užitím netradičních materiálů s výhodnějšími parametry. Jako příklad může sloužit náhrada oxidu křemíku, který dlouhá léta sloužil jako dielektrikum oddělující hradlo tranzistoru MOSFET od jeho kanálu, oxidem vzácného a nepříliš známého prvku hafnia. Tento oxid má totiž několikanásobně vyšší permitivitu a umožňuje nám zvýšit kapacitu hradlového dielektrika, aniž bychom museli ztenčit oxid pod kritickou mez (1 nm). Touto náhradou se výrazně potlačil parazitní proud tekoucí do hradla tranzistoru, který neúměrně zvyšoval statickou spotřebu křemíkových čipů. Ne vše však funguje věčně. Dle prognózy ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [1] se do roku 2020 musí zkrátit délku kanálu tranzistoru na 10 nm tak, aby se vyhovělo Moorovu zákonu. Pokud se to podaří, bude segment mikroelektroniky dál nabízet výrobky s vysokou přidanou hodnotou a udrží si přízeň zákazníků i investorů. Se zmenšením na 10 nm však vyvstává celá řada problémů: nutnost vyvinutí vhodného litografického zdroje, omezení tvorby poruch při výrobě struktur, snížení svodu, zvýšení rychlosti děr v kanálu tranzistorů PMOS, odstranění řady parazitních jevů, které jsou spojeny se zkracováním kanálu apod. Nabízí se tedy otázka, zda skutečně nenastal vhodný čas k tomu, aby se zásadně změnil přístup k výrobě integrovaných systémů.

Shora-dolů nebo zdola-nahoru?

Výroba integrovaných obvodů se od roku 1959, kdy Robert Noyce ve firmě Fairchild realizoval první planární integrovaný obvod, v zásadě nezměnila. Využívá postup shora-dolů (TOP-DOWN), který spočívá v postupném vytváření jednotlivých funkčních vrstev (aktivní oblasti, metalizace, izolační vrstvy) nanášením (depozicí) nebo implantací. Nezbytná definice výsledné třírozměrné struktury je pak realizována paralelním obráběním, které využívá litografických masek a různých druhů leptání (obr. 1a-c). Tento postup klade extrémní nároky na přesnost a zanáší značné množství poruch, které vznikají na rozhraní jednotlivých oblastí. Pokud zmenšujeme rozměry, význam rozhraní a negativní vliv těchto poruch roste.

Obr. 1 Realizace nanosystému metodou shora-dolů

Alternativou postupu TOP-DOWN může být využití schopnosti hmoty spontánně se samoorganizovat a samoseskupovat tak, jak to známe z procesu krystalizace či růstu biologických struktur. Pokud technologové detailně pochopí vlastnosti atomárních sil a chemických vazeb a naučí se je ovládat, bude možné manipulovat s jednotlivými atomy a molekulami a skládat z nich funkční objekty a systémy opačným postupem zdola-nahoru (BOTTOM-UP). Výhodou bude nejenom možnost tvořit elektronické struktury na atomární úrovni, ale i zamezení vzniku poruch na rozhraních.

Obr. 2 Realizace nanosystému metodou zdola-nahoru

Příkladem úspěšné aplikace postupu BOTTOM-UP v mikroelektronice je řízené pěstování polovodičových nanovláken (nanodrátků) metodou VLS (Vapor‑Liquid‑Solid) [2]. Tato metoda, jejíž princip je známý již od roku 1964, využívá katalytického účinku kapiček (Liquid) slitiny zlata a křemíku na rychlost růstu křemíkových vrstev (Solid) pěstovaných z plynné fáze (Vapor). Za normálních podmínek lze z par tetrachlorsilanu (SiCl4) pěstovat křemíkové vrstvy na křemíkové podložce pouze při teplotách vyšších než 800 °C. Kapičky slitiny AuSi, které se umístí na povrchu křemíku, však umožňují lépe zachytit (adsorbovat) atomy křemíku vznikající rozkladem SiCl4. Snižují dále aktivační energii nutnou k růstu křemíkové vrstvy a současně vytvářejí zárodek budoucího nanokrystalu. Nanovlákno se proto pod kapičkou začne tvořit již při nízkých teplotách (>363 °C), kdy volný povrch křemíku atomy Si neadsorbuje. Postup pěstování křemíkových nanodrátků metodou VLS je zobrazen na obr. 2. Povrch křemíkové podložky se nejprve pokryje vrstvou zlata o tloušťce 2 až 10 nm (a). Zahřátím v atmosféře ochranného plynu (vodíku) na teplotu 363 °C se spontánně vytvoří kapičky AuSi (b), jejich velikost je úměrná tloušťce naneseného Au filmu. Růst nanovláken pak probíhá po přivedení par SiCl4 (c) a lze jej přesně řídit po jednotlivých atomových vrstvách. Zavedením par dalších plynů obsahujících bór nebo fosfor lze postupně měnit axiální vodivost nanovláken (obr. 3a). Nanovlákna můžeme také pokrýt povlakem křemíku s odlišnou vodivostí a vytvářet tak radiální polovodičové struktury (obr. 3b). Vhodnou změnou podmínek růstu je možné vytvářet i větvené třírozměrné struktury (obr. 3c). V současnosti umožňuje metoda VLS vypěstovat nanovlákna o minimálním průměru 0,5 nm a maximální délce jednotek mikrometrů. Takto vytvářené nanovláknové struktury je možné přesně umístit do vymezené polohy na čipu, neboť polohu a tvar kapiček AuSi lze řídit standardními litografickými postupy, které se používají při výrobě integrovaných obvodů.

Obr. 3 Různé typy a aplikace nanodrátků

Kvantové drátky

Zatímco v křemíkové destičce se elektrony mohou pohybovat ve všech třech směrech, v nanodrátku je pohyb elektronu ve dvou směrech omezen. Elektron se tedy může pohybovat pouze v jednom rozměru a lze jej tedy lépe ovládat. Omezení pohybu elektronu v prostoru, jehož rozměry jsou srovnatelné s vlnovou délkou elektronu (v polovodiči se jedná řádově o jednotky nanometrů), také vede k tomu, že se začnou více uplatňovat kvantové jevy. Jejich nejtypičtějším projevem je to, že elektrony a díry mohou nabývat pouze diskrétní hodnoty energií, které jsou dány především rozměry struktury. V nanodrátcích se kvantové jevy silně uplatňují, a proto se o nich také hovoří jako o kvantových drátcích (Quantum Wires – QW). Kvantové drátky lze využít pro realizaci celé řady známých polovodičových struktur. Axiální dotace (obr. 3a) umožňuje vytvořit jednorozměrné diody či bipolární tranzistory. Radiální dotace (obr. 3b) pak detektory s pn přechodem, u nichž je poměr plochy k objemu extrémně vysoký, a uplatní se proto s výhodou ve vysoce účinných slunečních článcích. Značná pozornost je věnována vývoji polem řízeného tranzistoru s nanodrátkem NWFET (Nanowire Field-Effect Transistor), což je tranzistor, kde je konvenční kanál planárního MOSFETu nahrazen nanodrátkem. Výhodou tohoto tranzistoru je pozitivní uplatnění kvantových jevů (výhodnější energetické rozložení elektronů, minimalizace jejich interakce s atomy krystalu) a eliminace problémů tzv. krátkého kanálu. Ukázka jedné z možných realizací tranzistoru NWFET je na obr. 3d. Hradlo a dielektrická vrstva jsou v tomto případě netradičně umístěny pod kanálem (nanodrátkem). Polem řízenou strukturu lze také vytvořit pouhým překřížením nanodrátku vodičem či jiným nanodrátkem za předpokladu, že nanodrátek povlečeme vrstvou dielektrika (obr. 3b). Tento postup byl využit pro realizaci prvního programovatelného logického pole zkonstruovaného z nanodrátků [3]. Jeho výhodou je přibližně 100× nižší spotřeba oproti konvenční CMOS struktuře. Současně se očekává, že optimalizovaný obvod tohoto typu by mohl pracovat na kmitočtech blízkých 2 THz.

Kvantové tečky

Zatímco jednorozměrná polovodičová nanovákna jsou perspektivní pro miniaturizaci kanálů polem řízených tranzistorů a tvorbu propojovací sítě, polovodičové nanostruktury s nulovými rozměry, takzvané kvantové tečky (quantum dots – QD), jsou zajímavé pro konstrukci optoelektronických součástek a realizaci prvků pro kvantové počítání. Kvantové tečky jsou v současnosti jednou z nejmenších funkčních struktur využívaných v polovodičové technice. Jedná se o nanometrové, ohraničené oblasti polovodiče s nízkou šířkou zakázaného pásu, které jsou zabudovány v objemu polovodiče s širším pásem zakázaných energií [4]. Elektrony (díry), které se snaží zaujmout co nejnižší energetickou hladinu, jsou tečkami zachyceny a jejich pohyb je ve všech třech směrech omezen stejně tak, jako je tomu u atomů, kde je pohyb elektronů omezen polem kladně nabitého jádra. Elektrony zachycené v kvantové tečce proto vykazují podobné, diskrétní spektrum energetických stavů. Výhodou těchto „umělých atomů“ je, že hladiny energií, na kterých se elektrony mohou nacházet, lze ovládat nejen volbou vhodné kombinace polovodičových materiálů (zde jsou možnosti v praxi velmi omezeny), ale především změnou tvaru a rozměrů teček. Kvantové tečky jsou ideálním centrem pro vzájemnou rekombinaci elektronů a děr, neboť oba nositelé náboje jsou zachyceni v témže místě. Vyznačují se proto extrémně vysokou účinností luminiscence a velmi úzkým (principiálně diskrétním) spektrem emitovaných vlnových délek, které lze měnit pouhou změnou rozměrů tečky.

Obr. 4 Možnosti epitaxního růstu

Pokusy o realizaci kvantových teček postupem TOP-DOWN neumožnily realizaci struktur, které by byly funkční při pokojové teplotě. Důvodem bylo značné množství krystalových poruch, které se tvořily na rozhraní a degradovaly jejich elektrooptické vlastnosti. Očekávané kvantové jevy tak bylo možné sledovat pouze při velmi nízkých teplotách. Průlomem pro vytváření funkčních struktur byl objev samoorganizované tvorby teček, ke které dochází při epitaxním růstu různorodých (heterogenních) vrstev polovodičů z molekulárních svazků (Molecular Beam Epitaxy – MBE) nebo z organokovových sloučenin (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy – MOVPE). Tyto metody umožňují klást nově vznikající vrstvy po jednotlivých atomových rovinách postupným zachycováním atomů z plynné fáze na povrchu podložky (substrátu). Krystalická mřížka nově vznikající vrstvy tak bezprostředně navazuje na krystalickou mřížku substrátu. Charakter vznikajících vrstev pak závisí na tom, jak kladené atomy a atomy podložky navzájem reagují. Pokud se kladené atomy přednostně zachycují na podložce, vrstvy rostou po jednotlivých atomových rovinách (mód Frankův – van der Merveho). Nová vrstva se vždy vytvoří až po dokonalém překrytí povrchu podložky rovinou (monovrstvou – ML) předchozí (obr. 4a). Upřednostňují-li se vázat navzájem, je povrch nerovný, neboť kladené atomy vytvářejí nekontrolovatelně různorodé ostrůvky a třírozměrné objekty (mód Volmer-Weberův – obr. 4b). Pro růst kvantových teček je využíván třetí mód růstu (Stranského – Krastanovowa), kdy je tvorba nanášené vrstvy ovlivněna napětím, které vzniká v důsledku různé velikosti atomů podložky a vytvářené vrstvy. Narůstá-li například vrstva arsenidu india (InAs) na substrátu z arsenidu galitého (GaAs), vzdálenost atomů InAs se v rovině růstu přizpůsobí, ale ve směru růstu se poněkud protáhne (atomy india jsou oproti galiu větší). Vznikající pnutí pak za vhodných podmínek vede k tomu, že po nanesení několika atomových rovin, tzv. smáčecí vrstvy, začínají nanášené atomy upřednostňovat vytváření ostrůvků tak, aby snížily celkovou energii systému (obr. 4c). Na smáčecí vrstvě pak samoorganizovaně vzniká soubor téměř shodných ostrůvků InAs, jejichž tvar a velikost určují parametry užitých materiálů a podmínky růstu. Metoda umožňuje vytvořit kvantové tečky ve tvaru pyramid či čoček s výškou 3–10 nm a průměrem základny 10–60 nm (obr. 5). Volbou vhodných podmínek růstu lze měnit plošnou hustotu teček, strukturováním podložky pak lze definovat jejich umístění. Zatímco vysoké hustoty teček (až 1011 cm-2) jsou nezbytné pro konstrukci vysoce účinných laserů, součástky, které mají pracovat s jednotlivými fotony či elektrony, potřebují, aby tečky vyrůstaly v dostatečné vzdálenosti (více než 100 nm). Kvantové tečky se do funkčních struktur zabudují překrytím rovinnou vrstvou materiálu, jehož vlastnosti jsou blízké použitému substrátu. Při zarůstání mohou tečky měnit svůj tvar, složení i pásovou strukturu. Vhodným složením krycí vrstvy (např. koncentrací In v GaAs) tak lze naladit vyzařovanou vlnovou délku (obr. 6) [5]. Tečky lze periodicky vrstvit a zvyšovat tak jejich objemovou hustotu. V současnosti se již daří pěstovat nad sebou až několik set identických vrstev kvantových teček. Tyto vrstvy pak mohou sloužit k rozšíření spektrálního pásma detektorů a slunečních článků.

Obr. 5 InAs kvantové tečky na GaAs (AFM)

Parametry růstu umožňují ladit vlnovou délku vyzařovanou tečkami v pásmu určeném použitým materiálovým systémem. Nejužívanější jsou InAs tečky zabudovávané do GaAs, pokrývající blízkou infračervenou oblast 900 až 1600 nm, kombinace AlGaInAs/AlInAs na InP podložce pak září na delších vlnových délkách (1500–1800 nm). CdSe tečky v ZnSe svítí zeleně (500–540 nm) a GaInP v AlGaInP červeně (630–690 nm). Z komerčního hlediska je pak velmi perspektivní systém GaN/InN/AlN, který umožňuje pokrýt blízkou ultrafialovou a viditelnou část spektra.

Obr. 6 Vliv překrytí kvantových teček na jejich spektrální charakteristiku

Kvantové tečky zabudované v pn přechodu (obr. 7) tvoří ideální aktivní oblast laserové diody, neboť injektované elektrony a díry, které tečky zachytí, rekombinují rychle a s vysokou účinností. Diskrétní energetické hladiny rekombinujících elektronů a děr jsou pak důvodem toho, že přechod laseru do aktivního stavu je rychlý, neboť pravděpodobnost stimulované emise fotonů je vysoká. Vrstva s kvantovými tečkami tak má přednosti aktivního prostředí užívaného v plynových laserech. Výsledkem je celá řada výhod: extrémně nízké hodnoty prahových proudů (na QD laseru byla dosažena rekordní prahová proudová hustota 6 A/cm2), rychlá odezva (10 až 40 ps), vysoký výkon, účinnost, teplotní stabilita a životnost. Kvantové tečky jsou zejména vhodné pro lasery, které vyzařují na vlnových délkách určených pro komunikace ve vláknových vlnovodech (1300 a 1550 nm). Lasery pro tyto vlnové délky jsou doposud vyráběny na bázi InP a mají špatné teplotní a výkonové vlastnosti. Oproti tomu InAs/GaAs QD laser, který v letošním roce prezentovala firma Fujitsu, je vyroben na levnějším materiálu a je schopen stabilně pracovat na vlnové délce 1300 nm ještě při teplotě 200 °C [6]. Významnou novinkou letošního roku je také InAs/GaAs QD laser vytvořený na křemíkové podložce vědci z University College London [7]. Realizace výkonného optického zdroje přímo na křemíkovém substrátu je totiž podmínkou zavedení optického propojení křemíkových čipů.

Obr. 7 Laserová dioda s kvantovými tečkami

Závěr

Poslední vývoj a výsledky dosažené v oblasti polovodičových nanotechnologií ukazují, že samoorganizované nanostruktury tvoří reálnou alternativu přípravy integrovaných struktur s rozměry řádu jednotek nanometrů. Předpokládá se [1], že vybrané typy samoorganizovaných nanostruktur, jako jsou kvantové nanodrátky a tečky, grafénové vrstvy a uhlíkové nanotrubičky, budou využity v integrovaných polovodičových systémech již v horizontu 10 až 15 let. Perspektivními aplikacemi budou především paměti, logické obvody a propojovací sítě. Do této doby je však ještě třeba vyřešit celou řadu problémů, které jsou spojeny s umisťováním, kontaktováním a integrací těchto nanostruktur na křemíkovém čipu.