Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι

Transcript

1 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι Σημειώσεις μαθήματος (Μέρος Α, Νανοτεχνολογία) Νίκος Κονοφάος Επίκουρος Καθηγητής Σάμος 2011.

2 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Βασική Κβαντική Φυσική. 2. Νανοδομές, προέλευση και χαρακτηριστικά 3. Μέθοδοι κατασκευής Νανοδομών 4. Τεχνολογία Μικρο και Νανο Ηλεκτρονικής 5. Νανομηχανές και Επικοινωνία στο νανο-επίπεδο

3 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι ΒΑΣΙΚΗ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Ηλεκτρικές Ιδιότητες Των Υλικών. Τα υλικά μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα, που ισοδύναμα, μιλώντας με κβαντομηχανικούς όρους, μεταφράζεται σε σχετική θέση και συγκρότηση των λεγομένων ζωνών αγωγιμότητας και σθένους και την τιμή του εύρους της απαγορευμένης ζώνης. Οι όροι αυτοί ξεφεύγουν από τους σκοπούς αυτού του μαθήματος και δεν θα αναλυθούν περαιτέρω. Τα υλικά με βάση τα παραπάνω χωρίζονται σε: α) Αγωγούς, που είναι κυρίως τα Μέταλλα αλλά και τα κράματά τους. Στους αγωγούς, φορείς του ρεύματος είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται στο κρυσταλλικό πλέγμα και για τον λόγο αυτό τα μέταλλα παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν εφαρμοστεί σε αυτά ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στα ελεύθερα ηλεκτρόνια οφείλεται και η μεταλλική λάμψη των μετάλλων. β) Ημιαγωγούς, όπως το πυρίτιο, που άγουν το ρεύμα κάτω από ορισμένες συνθήκες (λ.χ. σχετικά αυξημένη θερμοκρασία, πρόσπτωση φωτός κ.λ.π.) και για τον λόγο αυτό καλούνται ημι-αγωγοί δηλαδή «μισοί» αγωγοί». γ) Μονωτές ή διηλεκτρικά, στους οποίους όλοι οι φορείς (ηλεκτρόνια) είναι πλήρως και σταθερά δεσμευμένα στα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος και μια συνηθισμένη προσφορά ενέργειας δεν μπορεί να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια, άρα δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. Βασικές έννοιες Κβαντικής Φυσικής. Η γνώση γύρω από τους σχηματισμούς των ηλεκτρονίων διαφορετικών ατόμων καθώς επίσης και των ενεργειακών καταστάσεων στις οποίες μπορούνε αυτά να μεταβούν είναι χρήσιμη για την κατανόηση της δομής του περιοδικού πίνακα των χημικών στοιχείων. Η μελέτη τους είναι επίσης χρήσιμη προκειμένου να περιγράψουμε τους χημικούς δεσμούς οι οποίοι συγκρατούνε τα μόρια μεταξύ τους. Σε μεγαλύτερους σχηματισμούς από ότι σε αυτό το επίπεδο βασιζόμενοι στην ίδια ιδέα μπορούμε να βοηθηθούμε ώστε να εξηγήσουμε τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των lasers και των ημιαγωγών. Ένα κβαντισμένο μηχανικό σύστημα μπορεί να βρίσκεται μόνο σε μερικές καταστάσεις, κάτι το οποίο έχει ως αποτέλεσμα να είναι δυνατές μόνο μερικές ενεργειακές στάθμες. Ο όρος ενεργειακή στάθμη χρησιμοποιείται πιο συχνά όταν αναφερόμαστε σε σχηματισμούς ηλεκτρονίων σε άτομα ή μόρια. Με άλλες λέξεις το ενεργειακό ηλεκτρομαγνητικό φάσμα μπορεί να κβαντιστεί (κάτι το οποίο αποτελεί μία πιο ειδική περίπτωση του συνεχούς φάσματος). Όπως με τα κλασικά δυναμικά, η δυναμική ενέργεια παίρνει τιμές από το 0 έως το άπειρο, οδηγώντας σε μία αρνητική δυναμική ενέργεια για τις καταστάσεις μετάβασης του ηλεκτρονίου. Λέμε πως οι ενεργειακές στάθμες είναι εκφυλισμένες, εάν το ίδιο επίπεδο ενέργειας αποκτιέται από περισσότερες από μία κβαντισμένες μηχανικές καταστάσεις. Τότε αυτές οι ενεργειακές στάθμες ονομάζονται εκφυλισμένες ενεργειακές στάθμες (degenerate energy levels). Στην ατομική φυσική και στην κβαντική χημεία, με τον όρο σχηματισμοί ηλεκτρονίων εννοούμε την τακτοποίηση σύνταξη των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο ή μόριο, ή σε κάποια άλλη φυσική δομή (όπως για παράδειγμα σε ένα κρύσταλλο).

4 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 4 Όπως και άλλα στοιχειώδη σωματίδια, έτσι και το ηλεκτρόνιο υπόκειται στους νόμους και τους περιορισμούς που επιβάλει η κβαντική μηχανική. Τυπικά η κβαντική κατάσταση ενός ηλεκτρονίου ορίζεται από την κυματοσυνάρτηση του, η οποία είναι μια συνάρτηση του χώρου και του χρόνου. Η πιθανότητα να ανιχνεύσουμε το ηλεκτρόνιο σε ένα συγκεκριμένο σημείο με την ενέργεια ανίχνευσης που έχουμε πραγματοποιήσει είναι ανάλογη με τη ρίζα της απόλυτης τιμής της κυματοσυνάρτησης σε εκείνο το σημείο. Τα ηλεκτρόνια είναι ικανά να κινούνται από μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη με πρόσληψη ή εκπομπή κβάντων ενέργειας, στην μορφή φωτονίων. Εξαιτίας της απαγορευτικής αρχής του Pauli, δεν μπορούν να υπάρχουν περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια σε μία δεδομένη ατομική τροχιά, παρ όλα αυτά ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταπηδήσει σε μία άλλη τροχιά, μόνο εφ όσον σε αυτή την τροχιά υπάρχει κάποιο κενό. Η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου μέσα σε ένα άτομο δίνεται από 4 κβαντικούς αριθμούς. Οι 3 από αυτούς είναι ακέραιοι και αποτελούν ιδιότητες της ατομικής τροχιάς στην οποία βρίσκεται το ηλεκτρόνιο. Στην συνέχεια παρουσιάζονται σε πίνακα συνοπτικά οι συμβολισμοί τους, το εύρος των επιτρεπτών τιμών για καθέναν από αυτούς καθώς και μία σύντομη περιγραφή του τι αναπαριστά ο καθένας από αυτούς τους κβαντικούς αριθμούς : Αριθμός Συμβολισμός Επιτρεπόμενο εύρος τιμών Αναπαριστά Κύριος κβαντικός αριθμός Αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός Μανγητικός κβαντικός αριθμός Κβαντικός αριθμός περιστροφής n Ακέραιος 1 l Ακέραιος από 0 έως n-1 m m s Ακέραιος, από -l έως +l, συμπεριλαμβανομένου και του 0 (μηδενός). +½ ή -½ (κάποιες φορές καλούνται «πάνω» και «κάτω») Εν μέρει η συνολική ενέργεια της τροχιάς, και κατ επέκταση η απόσταση της τροχιάς από τον πυρήνα. Δηλαδή το επίπεδο ενέργειας στο οποίο βρίσκεται. Η γωνιακή ορμή της τροχιάς, το οποίο επίσης το συναντάμε και ως ο αριθμός των κόμβων στο σχεδιάγραμμα πυκνότητας. (s=0, p=1...) Προσδιορίζει την αλλαγή που παρατηρείται στην ενέργεια μίας ατομικής τροχιά εξαιτίας ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (Zeeman effect). H περιστροφή αποτελεί μια εγγενή ιδιότητα ενός ηλεκτρονίου και εξαρτάται και από τους άλλους προαναφερθέντες αριθμούς. Το s και το l προσδιορίζουν εν μέρει την μαγνητική διπολική ορμή.

5 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 5 Σύμφωνα με την αρχή του Pauli δύο ηλεκτρόνια σε ένα άτομο δεν είναι δυνατόν να έχουν τα ίδια ακριβώς σύνολα αυτών των τεσσάρων κβαντικών αριθμών. Οι τροχιές και οι υποτροχιές (ενδιάμεσες καταστάσεις) οι οποίες επίσης είναι γνωστές και ως ενεργειακές στάθμες και υποστάθμες) ορίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς. Οι τροχιές με το ίδιο n σχετίζονται και λέγεται ότι βρίσκονται όχι πέρα από την ίδια τροχιά ηλεκτρονίου. Καταστάσεις με το ίδιο n και l λέγεται ότι βρίσκονται όχι πέρα από την ίδια υποτροχιά ηλεκτρονίου, και αυτά τα ηλεκτρόνια τα οποία έχουνε τα ίδια n και l ονομάζονται ισοδύναμα ηλεκτρόνια (equivalent electrons). Εάν οι καταστάσεις επίσης μοιράζονται την ίδια τιμή για το m, τότε λέγεται ότι βρίσκονται στην ίδια ατομική τροχιά. Επειδή τα ηλεκτρόνια έχουνε μόνο δύο πιθανές καταστάσεις περιστροφής, μία ατομική τροχιά δεν μπορεί να περιέχει περισσότερα από 2 (δύο) ηλεκτρόνια (Αρχή του Pauli). Ημιαγωγοί Οι ημιαγωγοί είναι στερεά υλικά των οποίων η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι μεταξύ αυτής ενός μετάλλου και ενός μονωτή, και μπορεί να ελεγχθεί σε μεγάλη κλίμακα είτε μόνιμα είτε δυναμικά ανάλογα με τις ανάγκες μας. Οι ημιαγωγοί είναι πάρα πολύ σημαντικοί τεχνολογικά και οικονομικά. Το πυρίτιο είναι ο πιο γνωστός εμπορικά ημιαγωγός, παρόλο που υπάρχουν δεκάδες άλλοι εξίσου σημαντικοί. Ημιαγωγοί είναι τα στοιχεία της ομάδας IV του περιοδικού συστήματος (Si, Ge), με τον άνθρακα να έχει μια περίεργη συμπεριφορά (οι δύο από τις τέσσερις κρυσταλλικές μορφές του άνθρακα στην φύση, ο γραφίτης και το διαμάντι, έχουν ιδιάζουσες ηλεκτρικές ιδιότητες ενώ οι άλλες δύο, τα φουλερένια και το γραφένιο είναι ίσως τα σπουδαιότερα υλικά σήμερα στην νανοηλεκτρονική). Επίσης υπάρχουν και οι ημιαγωγοί που δημιουργούνται από τις ενώσεις στοιχείων των ομάδων τρία (III) και πέντε (V) του περιοδικού συστήματος και καλούνται ημιαγωγοί III-V, (GaAs, InP) και ημιαγωγοί που δημιουργούνται από ενώσεις στοιχείων των ομάδων δύο (ΙΙ) και έξι (VI) και καλούνται ημιαγωγοί II-VI (ZnS). Ο ημιαγωγός, ακόμα και σε καθαρή κατάσταση (ενδογενής ημιαγωγός, intrinsic semicοnductοr) εμφανίζει ηλεκτρική αγωγιμότητα, αλλά πολύ μικρή. Όπως και σε άλλα στερεά, τα ηλεκτρόνια στους ημιαγωγούς μπορούν να έχουν ενέργεια η οποία κυμαίνεται σε συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες οι οποίες είναι ανάμεσα στην αρχική ενέργεια του ηλεκτρονίου και στην ενέργεια του ελεύθερου ηλεκτρονίου, η ενέργεια δηλαδή που χεριάζετε ένα ηλεκτρόνιο για να φύγει τελείως από το υλικό. Οι ενεργειακές στάθμες σχετίζονται με πολλές κβαντισμένες ενέργειες των ηλεκτρονίων και οι περισσότερες στάθμες χαμηλής ενέργειας είναι γεμάτες έως μια συγκεκριμένη στάθμη η οποία ονομάζεται στοιβάδα σθένους. Οι ημιαγωγοί και οι μονωτές ξεχωρίζουν από τα μέταλλα γιατί η στοιβάδα σθένους τους είναι σχεδόν πάντα γεμάτη κάτω από κανονικές συνθήκες. Η ευκολία με την οποία τα ηλεκτρόνια σε έναν ημιαγωγό μεταπίπτουν από την στοιβάδα σθένους στην στοιβάδα αγωγιμότητας εξαρτάται από το κενό μεταξύ των σταθμών, και είναι το κενό αυτό που ονομάζεται Ενεργειακό Χάσμα (Energy Gap, E g ) που μας προσφέρει ένα στοιχειώδες μέτρο διαχωρισμού μεταξύ μονωτών και ημιαγωγών. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να κινηθούν μεταξύ διακριτών καταστάσεων για να διατηρήσουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα και έτσι εξαιτίας της αρχής του Pauli οι γεμάτες στοιβάδες δεν συνεισφέρουν στην ικανότητα μετάδοσης ηλεκτρισμού. Όμως καθώς η θερμοκρασία ενός ημιαγωγού ανεβαίνει πάνω από το απόλυτο μηδέν οι καταστάσεις των

6 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 6 ηλεκτρονίων αυξάνουν την τυχαία συμπεριφορά τους και μερικά ηλεκτρόνια βρίσκονται σε καταστάσεις στη ζώνη αγωγιμότητας. Τα παραπάνω ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην ζώνη αγωγιμότητας λέγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια ή απλά ηλεκτρόνια. Στο κρυσταλλικό πλέγμα του ημιαγωγού, μπορεί να υπάρξει ένα ηλεκτρόνιο (e) που δεν είναι στη θέση του, γιατί χάρη σε θερμική κινητική ενέργεια ή σ ένα φωτόνιο, ελευθερώθηκε από τον ομοιοπολικό δεσμό σθένους αφήνοντας τη θέση αυτή κενή. Την κενή αυτή θέση (έλλειψη ηλεκτρονίου) την ονομάζουμε οπή. Η οπή είναι μια θετική ανωμαλία στην ουδέτερη δομή τού πλέγματος. Συμπεριφέρεται λοιπόν σαν θετικό φορτίο και δηλώνεται με το p (από το pοsitive). Η οπή συγκεκριμένα, είναι η έλλειψη ενός ηλεκτρονίου από τις ενεργειακές στάθμες ενός ατόμου, οι οποίες κατά τα άλλα είναι πλήρεις. Αυτές οι πλήρεις (ή σχεδόν πλήρεις) ενεργειακές στάθμες απαντώνται στους ημιαγωγούς και στους μονωτές. Η έννοια της οπής είναι ένας απλός τρόπος για την ανάλυση των ηλεκτρονιακών μεταβάσεων στις ενεργειακές στάθμες. Η οπή αυτή καθεαυτή δεν κινείται, αλλά ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί και να καλύψει την οπή, αφήνοντας με τη σειρά του μία άλλη οπή στη θέση που βρισκόταν πριν μετακινηθεί. Έτσι η οπή φαίνεται ότι κινείται και μάλιστα συμπεριφέρεται ως πραγματικό θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Η οπή είναι το μαθηματικό αντίθετο του ηλεκτρονίου, και είναι διαφορετική από το ποζιτρόνιο, το οποίο είναι το αντίστοιχο του ηλεκτρονίου στην αντιύλη. Η οπή θεωρείται ότι έχει σωματιδιακές ιδιότητες χάριν ευκολίας της μέτρησης των ιδιοτήτων της. Είναι ευκολότερο να μετρηθεί η κίνηση ενός σωματιδίου από ένα κενό σημείο στο σύνολο των ενεργειακών σταθμών. Συνεπώς, η οπή που δημιουργείται από την αποπομπή ενός ηλεκτρονίου θεωρείται ότι έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο e+, δηλαδή το θετικό ανάλογο του φορτίου του ηλεκτρονίου. Ακόμη, η οπή κινείται με φορά αντίθετη από αυτήν των ηλεκτρονίων. Τέλος, η οπή θεωρείται ότι έχει μάζα βάσει των δυνάμεων που ασκείται στην οπή και στην επιτάχυνση αυτής. Όπως είναι λογικό, είναι σχεδόν αδύνατο να αντιστοιχίσουμε μία οπή με το ηλεκτρόνιο του οποίου η απουσία την έχει δημιουργήσει. Καθώς το ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί αδέσμευτο μέσα στο πλέγμα, συμβάλλει στην αγωγιμότητα τού κρυστάλλου. Η οπή μπορεί να συμπληρωθεί εύκολα από ένα γειτονικό ηλεκτρόνιο γιατί τα ηλεκτρόνια ταλαντεύονται γύρω από τη θέση ισορροπίας τους κι ένα από αυτά μπορεί να εγκατασταθεί στη θέση τής οπής συμπληρώνοντας τον ατελή δεσμό. Τότε βέβαια μια άλλη οπή θα εμφανισθεί στη δική του προηγούμενη θέση και είναι σαν να μετακινήθηκε η αρχική οπή. Αν τώρα εφαρμοσθεί ηλεκτρικό πεδίο θα έχουμε μετακίνηση φορτίου για δύο λόγους: Από την προσανατολισμένη κίνηση των ελευθέρων ηλεκτρονίων και από την προσανατολισμένη μετατόπιση των οπών. Εύκολα βλέπουμε ότι οι δύο μετακινήσεις φορτίων γίνονται κατ αντίθετη φορά και επομένως τόσο οι οπές όσο και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συμβάλλουν στην αγωγιμότητα του κρυστάλλου κατά την ίδια φορά. Οι λεγόμενοι εξωγενείς ημιαγωγοί δημιουργούνται με την διαδικασία εμπλουτισμού (doping). Η διαδικασία αυτή συνίσταται στην εισαγωγή ενός πεντασθενούς ή ενός τρισθενούς στοιχείου στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού. Η διαδικασία εισαγωγής γίνεται είτε χημικά, είτε με εμφύτευση ιόντων (ion implantation). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ο έλεγχος της συγκέντρωσης των φορέων του ρεύματος δηλαδή της αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Η διαδικασία εμπλουτισμού δημιουργεί τους λεγόμενους ημιαγωγούς τύπου n (από το αγγλικό negative) όταν εισαχθούν πεντασθενή στοιχεία στον κρύσταλλο του καθαρού ημιαγωγού όπως Φωσφόρος (P) ή Αρσενικό (As). Τότε τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του πεντασθενούς στοιχείου δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα τέσσερα του ημιαγωγού (π.χ. Si) και το πέμπτο μένει ελεύθερο να

7 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 7 κυκλοφορεί στο κρυσταλλικό πλέγμα του ημιαγωγού, «δίνοντας» έτσι έναν παραπάνω φορέα ηλεκτρικού αρνητικού φορτίου. Αν εισαχθούν προσμίξεις από ένα τρισθενές στοιχείο όπως το Βόριο (B), το Αλουμίνιο (Al) ή το Γάλλιο (Ga), τότε δημιουργούνται ημιαγωγοί τύπου p (από το αγγλικό positive). Στην περίπτωση αυτή, δημιουργούνται οπές με μηχανισμό ανάλογο με αυτόν που περιγράφτηκε παραπάνω, αφού τώρα ένα ηλεκτρόνιο λείπει από τον τετραπλό δεσμό, αφήνοντας ένα κενό, δηλαδή έλλειψη αρνητικού φορτίου, σε θέση που περιμένει να «δεχτεί» ένα τέτοιο φορτίο. Οι ημιαγωγοί που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται εξωγενείς ημιαγωγοί σε αντίθεση με τους καθαρούς ημιαγωγούς (ενδογενείς). Στην περίπτωση των μετάλλων χρειάζεται να δοθεί στα ηλεκτρόνια ελάχιστη ενέργεια για να διεγερθούν και να πάνε σε κάποια άλλη στοιβάδα και άρα να κινηθούν. Η κατανομή της ενέργειας των ηλεκτρονίων καθορίζει ποιες στοιβάδες είναι γεμάτες και ποιες άδειες. Η κατανομή αυτή περιγράφεται από το στατιστικό μοντέλο των Fermi-Dirac. Η κατανομή χαρακτηρίζεται από την θερμοκρασία των ηλεκτρονίων και από την ενέργεια Fermi ή αλλιώς επίπεδο Fermi. Κάτω από συνθήκες απόλυτου μηδέν η ενέργεια Fermi μπορεί να θεωρηθεί ως η ενέργεια στην οποία όλα τα διαθέσιμα ηλεκτρόνια είναι «δεσμευμένα». Σε υψηλότερες θερμοκρασίες η ενέργεια Fermi είναι η ενέργεια στην οποία η πιθανότητα ένα ηλεκτρόνιο να είναι «δεσμευμένο» να έχει πέσει στο ½. Η εξάρτηση της κατανομής της ενέργειας ενός ηλεκτρονίου από την θερμοκρασία εξηγεί επίσης γιατί η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού έχει υψηλή εξάρτηση από την θερμοκρασία. Όταν ένας ημιαγωγός λειτουργεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες θα έχει λιγότερα διαθέσιμα ηλεκτρόνια να γεμίσουν τις οπές οπότε οι οπές θα έχουν την συμπεριφορά που αναφέρθηκε.

8 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 8 Εξιτόνια (Excitons) Με τον όρο εξιτόνιο ενοούμε μία δεσμευμένη κατάσταση ενός ηλεκτρονίου και μίας οπής σε έναν μονωτή ή σε έναν ημιαγωγό. Τα εξιτόνια λοιπόν είναι το σύστημα που προκύπτει από την οπή και το ηλεκτρόνιο που έχει ξεφύγει από αυτή την ενεργειακή στάθμη. Το εξιτόνιο προκύπτει από την αλληλεπίδραση μεταξύ του ελεύθερου ηλεκτρονίου και της οπής που έχει δημιουργηθεί. Ως αποτέλεσμα αυτού, το εξιτόνιο έχει ελαφρώς λιγότερη ενέργεια από αυτήν του ελεύθερου ηλεκτρονίου και της οπής. Η κυματοσυνάρτηση της δεσμευμένης κατάστασης η οποία έχει προκύψει είναι υδρογονική, η οποία είναι παρόμοια με αυτή του ατόμου του υδρογόνου, όμως η ενέργεια σύνδεσης είναι κατά πολύ μικρότερη και το μέγεθος είναι αρκετά μεγαλύτερο από αυτό του υδρογονικού ατόμου λόγω της τελικής μάζας των σωματιδίων του υλικού. Τα εξιτόνια μπορούν να διακριθούν σε δύο τύπους, ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού που μελετούμε. Όταν η διηλεκτρική σταθερά του υλικού είναι πολύ μικρή, οι δυνάμεις Coulomb μεταξύ ηλεκτρονίου και οπής γίνονται πολύ δυνατές και τα εξιτόνια τείνουν να είναι πολύ μικρά σε μέγεθος, στην ίδια τάξη με τα διαστήματα μεταξύ των ατόμων. Αυτό το εξιτόνιο Frenkel, όπως έχει ονομαστεί, έχει συνήθως ενέργεια της τάξης του 1.0 ev. Αντίθετα, στους ημιαγωγούς η διηλεκτρική σταθερά έχει συνήθως μεγάλη τιμή και, ως αποτέλεσμα, οι δυνάμεις Coulomb μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών περιορίζονται. Ως αποτέλεσμα έχουμε ένα εξιτόνιο τύπου Mott-Wannier, το οποίο έχει ακτίνα πολύ μεγαλύτερη από τα μεσοδιαστήματα του υλικού, κάτι που σημαίνει ότι τα σωματίδια θα έχουν μεγαλύτερες μάζες. Έτσι, η ενέργεια σύνδεσης είναι συνήθως πολύ λιγότερη από αυτήν του ατόμου υδρογόνου, συνήθως της τάξεως του 0.1 ev. Ένας εναλλακτικός τρόπος να αντιληφθούμε ένα εξιτόνιο είναι ως μία διεγερμένη κατάσταση ενός ατόμου ή ενός ιόντος, με τη διέγερση να μεταφέρεται από το ένα μέρος του υλικού στο άλλο μέσα στο πλέγμα. Πολύ συχνά, υπάρχουν περισσότερες από μία

9 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 9 ζώνες προς επιλογή για το ηλεκτρόνιο και την οπή, γεγονός το οποίο οδηγεί στη δημιουργία διαφορετικών τύπων εξιτονίων στο ίδιο υλικό. Η πιθανότητα του να εξαφανιστεί η οπή, δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο να την καταλάβει, περιορίζεται από τη δυσκολία του να χαθεί η πλεονάζουσα ενέργεια και, ως αποτέλεσμα, τα εξιτόνια έχουν σχετικά μεγαλύτερο χρόνο ζωής από ό,τι θα περίμενε κανείς. Στο οξείδιο του χαλκού έχουν παρατηρηθεί χρόνοι ζωής εξιτονίων αρκετών ms. Άλλος ένας παράγοντας που περιορίζει αυτή την πιθανότητα είναι η χωρική αλληλοεπικάλυψη των κυματοσυναρτήσεων του ηλεκτρονίου και της οπής, ή πιο απλά η πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να κατευθυνθεί απ ευθείας στην οπή. Αυτή η αλληλοεπικάλυψη είναι μικρότερη για ελαφρύτερα ηλεκτρόνια και οπές και για υδρογονικές καταστάσεις υψηλής διέγερσης. Το εξιτόνιο μπορεί να κινηθεί σε οποιοδήποτε σημείο του στερεού υλικού στο οποίο βρίσκεται. Με αυτή την επιπλέον κινητική ενέργεια μπορεί να βρίσκεται ενεργειακά πάνω από το κενό ανάμεσα στην ανώτερη ενεργειακή στάθμη του ατόμου και στη ζώνη αγωγιμότητας. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το εξιτόνιο το οποίο μεταφέρεται μέσα σε στέρεες μοριακές κρυσταλλικές δομές στις οποίες εμφανίζεται. Έχουν προταθεί πολλοί μηχανισμοί κατά καιρούς, δύο όμως είναι οι πιο σημαντικοί. Ο πρώτος έγκειται στην διασκόρπιση της ενέργειας του εξιτονίου μέσω αλληλεπίδρασης με φωνόνια. Ο δεύτερος έγκειται στη μεταφορά της ενέργειας του εξιτονίου μέσω ακτινοβολίας. Τέλος, έχει μελετηθεί και ένας συνδυασμός αυτών των δύο. Εφ όσον το ηλεκτρόνιο έχει φορτίο e- και η οπή, όπως αναφέραμε παραπάνω, έχει φορτίο e+, το συνολικό φορτίο του εξιτονίου είναι μηδενικό. Συνεπώς δε μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο. Τα εξιτόνια είναι σωματίδια με ακέραιο σπιν, άρα υπακούουν στις στατιστικές Bose-Einstein.

10 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι 2. Νανοδομές: Προέλευση και χαρακτηριστικά. Με τον όρο Νανοτεχνολογία νοείται η δυνατότητα ελέγχου ή χειρισμού υλικών σε κλίμακα μέγεθος μικρότερη από 100 nm (ένα νανομέτρο (nm) είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, 10-9 m) με στόχο την παραγωγή δομών με πρωτότυπες ιδιότητες και λειτουργίες που οφείλονται στο μέγεθός τους, στο σχήμα τους ή στη σύνθεσή τους. Στόχος της νανοτεχνολογίας είναι να μελετήσει και να κατασκευάσει δομές οι οποίες είναι συνήθως μεταξύ 1-100nm. Η αρχή της νανοτεχνολογίας είναι απλή: αντί να σμικρύνεται η ύλη μέχρις ότου επιτευχθεί η μικρότερη μονάδα, η τελευταία αυτή αποσπάται από την ύλη. Έτσι δημιουργούνται νέα υλικά διαφορετικού μεγέθους και σχήματος στην νανοκλίμακα, τα οποία χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές ηλεκτρικές, οπτικές, φυσικές και χημικές ιδιότητες. Στο επίπεδο της νανοκλίμακας οι ιδιότητες αυτές των υλικών μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικές από τις ιδιότητες των ίδιων υλικών σε συμβατική κλίμακα. Τά νέα αυτά υλικά οφείλουν τις μοναδικές τους λειτουργικές δυνατότητες στις νανοδομές από τις οποίες προήλθαν. 2. Ιδιότητες των Νανοδομών Σήμερα μπορούμε να κατασκευάσουμε και να εκμεταλλευθούμε τις ιδιότητες σωματιδίων νανομετρικών διαστάσεων που αποτελούνται από μερικές εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα. Τα νανοσωματίδια δεν μπορούν να θεωρηθούν ούτε άτομα ή μόρια αλλά ούτε και κρυσταλλικά στερεά. Για την κατανόηση των νέων και ξεχωριστών ιδιοτήτων τους, αλλά και για την ερμηνεία τους, θα πρέπει ν αναζητήσουμε θεωρίες οι οποίες να περιέχουν στοιχεία τόσο από την ατομική φυσική όσο και από την φυσική στερεάς κατάστασης. Οι νέες δομές που κατασκευάζονται έχουν φυσικές και χημικές ιδιότητες που ποικίλλουν με το μέγεθος και το είδος των σωματιδίων και συνεπώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Δύο είναι οι βασικοί λόγοι για τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους με το μέγεθος:

11 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 11 i) κάθε φυσική ή χημική ιδιότητα των υλικών σχετίζεται μ ένα χαρακτηριστικό μήκος και όταν οι διαστάσεις των στερεών αλλάζουν και γίνονται συγκρίσιμες με τα μήκη αυτά (τα οποία είναι της τάξης του νανομέτρου) τότε θεμελιώδεις διαφορές στις χημικές και φυσικές ιδιότητες των υλικών μπορούν να παρατηρηθούν και ii) το πλήθος των ατόμων της επιφάνειας είναι συγκρίσιμο με τον ολικό αριθμό των σωματιδίων. Θερμικές Ιδιότητες : Κάθε «ορατό» στον φυσικό κόσμο σώμα αποτελούμενο από στοιχειώδη σωματίδια, χαρακτηρίζεται από μία θερμοκρασία «τήξης». Αυτό το οποίο είναι ενδιαφέρον καθώς μειώνουμε το μέγεθος αυτών των σωμάτων και προσεγγίζοντας τις νανοδομές είναι ότι παύουν πλέον να ισχύουν οι κανόνες που ίσχυαν και η θερμοκρασία τήξης ακολουθεί μία φθίνουσα πορεία παράλληλα με τη μείωση του μεγέθους των σωμάτων. Αυτό εξηγείται καθώς μειώνονται οι δεσμοί μεταξύ των μορίων του σωματιδίου όπως προκύπτει και από το ακόλουθο σχήμα και ως εκ τούτου την επακόλουθη χαλάρωση, η οποία επιφέρει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα του σωματιδίου. Επιπρόσθετα έχουν παρατηρηθεί φαινόμενα μεταφοράς ηλεκτρονίων στα συστήματα αυτά ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες κάτι το οποίο δίνει υποσχέσεις για μελλοντικές εφαρμογές στον τομέα της μικροηλεκτρονικής για την κατασκευή τρανζίστορ ενός ηλεκτρονίου (single-electron transistor).

12 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 12 Ηλεκτρικές Ιδιότητες : Με την μείωση του μεγέθους του σωματιδίου πετυχαίνουμε την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, κάτι το οποίο γίνεται λόγω της μείωσης της ακτίνας της μεταξύ τους απόστασης. Η αύξηση αυτή του ενεργειακού χάσματος μεταξύ ενός μεγάλου τμήματος ενός υλικού και μιας νανοδομής του ιδίου υλικού με τη μείωση του μεγέθους του νανοσωματιδίου είναι μία μόνο από τις συνέπειες των φαινομένων κβαντικού περιορισμού (quantum size effects). Οπτικές Ιδιότητες : Μία από τις κυριότερες οπτικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων είναι η παρατηρούμενη όπως στην περίπτωση του πυριτίου εκπομπή φωτός ακόμη και σε θερμοκρασίες δωματίου, σ αντίθεση με τη μικρή έως μηδενική κβαντική απόδοση του κρυσταλλικού πυριτίου στην ίδια περιοχή θερμοκρασιών.

13 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι 3. Μέθοδοι κατασκευής Νανοδομών. Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι κατασκευής νανοδομών οι οποίες είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες. Η πρώτη είναι η Bottom-up τεχνική. Στόχος αυτής της τεχνικής είναι μέσω της χρήσης μικρότερων δομών με στόχο την δημιουργία πιο πολύπλοκων δομών. Γενικότερα η παραπάνω διαδικασία εμπίπτει στην κατηγορία της μοριακής αυτόνομης συγκέντρωσης (molecular self-assembly) όπου στην διαδικασία αυτή τα μόρια συγκεντρώνονται από μόνα τους χωρίς συγκεκριμένη καθοδήγηση από κάποιον εξωτερικό παράγοντα με στόχο να δημιουργήσουν μια δομή με το κατάλληλο σχήμα αλλά και λειτουργικότητα. Η δεύτερη είναι η top down τεχνική. Στην νανοτεχνολογία λέγοντας top down τεχνική εννοούμε την διαδικασία κατά την οποία μεγαλύτερα σε μέγεθος υλικά χρησιμοποιούνται για να κατακερματιστούνε σε μικρότερες δομές με τις κατάλληλες διαδικασίες. Γενικά στις top down τεχνικές δημιουργείται μια γενική εικόνα του συστήματος, καθορίζοντας, αλλά όχι αναλύοντας σε βάθος, το κάθε επίπεδο των υποσυστημάτων. Το σύνολο των μεθόδων ανάπτυξης νανοδομών ανήκει σε μία από τις παραπάνω κατηγορίες. Οι κυριότερες μέθοδοι ανά κατηγορία είναι οι εξής : Τεχνικές Bottom Up : CVD : Chemical Vapor Deposition MBE : Molecular Beam Epitaxy PLD : Pulsed Laser Deposition Τεχνικές Top Down : Ion milling Lithography Συνοπτική παρουσίαση Τεχνικές Bottom Up: CVD : Chemical Vapor Deposition ( Χημική Εναπόθεση Ατμών ) : Μέσα σε ένα θάλαμο κενού τοποθετούμε το σώμα επί του οποίου επιθυμούμε να εναποτεθούν οι ατμοί που θα μας δώσουνε την επιθυμητή νανοδομή. Με μία πηγή χορηγούμε θερμότητα στο εν λόγω σώμα, αυξάνοντας την θερμοκρασία του και βοηθώντας το έτσι λειτουργώντας ως καταλύτης (διαδικασία γνωστή και ως πυρόλυση ) να επικολληθούν πάνω του τα μικροσκοπικά σωματίδια τα οποία διοχετεύονται μέσω των ατμών. Ανάλογα με τη δομή που θέλουμε να φτιάξουμε χορηγούμε ένα σετ κατάλληλων αερίων τα οποία εισερχόμενα μέσα στο θάλαμο αντιδρούν μεταξύ τους και στη συνέχεια το προϊόν της αντίδρασης εναποτίθεται πάνω στο σώμα το οποίο ήδη βρισκόταν επί του θαλάμου. H CVD είναι μια χημική διαδικασία η οποία χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει υψηλής καθαρότητας και υψηλών επιδόσεων στερεά υλικά. Η διαδικασία χρησιμοποιείται συχνά και στην παραγωγή ημιαγωγών για να κατασκευάζονται λεπτά υμένια. Στην διαδικασία αυτή το υπόστρωμα εκτίθεται σε ένα ή περισσότερους ρευστούς καταλύτες ο

14 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 14 οποίος αντιδρά ή αποσυντίθεται πάνω στην επιφάνεια του υποστρώματος με αποτέλεσμα να σχηματίζει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Συχνά μέσω αυτής της τεχνικής δημιουργούνται και υποπροϊόντα τα οποία αφαιρούνται μέσω της ροής του αέρα μέσω του θαλάμου που γίνονται οι αντιδράσεις. Υπάρχουν διαφόρων ειδών CVD και τις κατηγορίες θα αναφέρουμε παρακάτω: CVD ατμοσφαιρικής πίεσης (APCVD) δηλαδή η διαδικασία γίνεται σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης CVD χαμηλής πίεσης (LPCVD) η διαδικασία γίνεται σε συνθήκες πίεσης χαμηλότερες από αυτή της ατμόσφαιρας. Οι συνθήκες χαμηλής πίεσης τείνουν να μειώνουν να ανεπιθύμητα προϊόντα κατά την διάρκεια της διαδικασία και ταυτόχρονα βελτιώνει την ομοιομορφία του film πάνω στο υπόστρωμα Ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) η διαδικασία αυτή γίνεται σε εξαιρετικά χαμηλές συνθήκες πίεσης (περίπου στα 10-8 torr). Aerosol Assisted CVD (AACVD) Direct liquid injection CVD (DLICVD) Microwave plasma-assisted CVD (MPCVD) Plasma-Enhanced CVD (PΕCVD) η διαδικασία αυτή χρησιμοποιεί πλάσμα για να ενισχύσει την διαδικασία της αντίδρασης. Η PECVD επιτρέπει την εναπόθεση των στοιχείων σε χαμηλές θερμοκρασίες κάτι το οποίο είναι πολύ σημαντικό στην κατασκευή ημιαγωγών. Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD) παρόμοια με την παραπάνω διαδικασία μόνο που το υπόστρωμα δεν είναι σε άμεση επαφή με το πλάσμα. Αφαιρώντας το υπόστρωμα από την περιοχή επιρροής του πλάσματος μας επιτρέπει να κάνουν την όποια επεξεργασία σε θερμοκρασία δωματίου. Atomic layer CVD (ALCVD) Βάζει στο υπόστρωμα πολλές στρώσεις από διαφορετικά υλικά με σκοπό να δημιουργήσει υμένια που έχουν πολλά στρώματα. Hot wire CVD (HWCVD) γνωστή και ως Catalytic CVD (Cat-CVD) ή hot filament CVD (HFCVD). Χρησιμοποιεί ένα ζεστό νήμα πυράκτωσης για να αποσυνθέσει χημικά τα αέρια. Rapid thermal CVD (RTCVD) στην διαδικασία αυτή χρησιμοποιούνται θερμαντικές λάμπες για να θερμάνουν το υπόστρωμα αντί για τα αέρια ή τους τοίχους του θαλάμου μέσα στον οποίο βρίσκεται το υπόστρωμα.

15 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 15 ΜΒΕ : Molecular Beam Epitaxy (Επιταξία μοριακών Δεσμών) : Μέσα σε ένα θάλαμο κενού τοποθετούμε το σώμα επί του οποίου επιθυμούμε να σχηματιστεί η νανοδομή. Στη βάση του σώματος τοποθετούμε ένα μηχανισμό περιστροφής με σκοπό να επιτευχθεί η όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη εναπόθεση σωματιδίων επί αυτού κατά τη διαδικασία της ανάπτυξης της νανοδομής. Στη συνέχει από σωλήνες οι οποίοι βρίσκονται απέναντι από τον στόχο τοποθετούμε τα χημικά στοιχεία βασικά συστατικά της νανοδομής που θέλουμε να παραχθεί. Οι σωλήνες ( Knudsen Cells) με το κάθε στοιχείο θερμαίνονται και κατευθύνονται προς το στόχο με κατευθυνόμενες δέσμες μορίων οι οποίες αντιδρούν πάνω στο στόχο σχηματίζοντας την επιθυμητή νανοδομή. PLD Pulsed Laser Deposition ( Εναπόθεση παλμικού Laser ) : Μέσα σε ένα θάλαμο κενού τοποθετούμε το σώμα επί του οποίου επιθυμούμε να σχηματιστεί η νανοδομή. Με μία πηγή χορηγούμε θερμότητα στο εν λόγω σώμα. Απέναντι του και σε κατάλληλη γωνία τοποθετούμε το υλικό στόχο από το οποίο θα αποσπαστούν τα σωματίδια της επιθυμητής χημικής ένωσης. Από το εξωτερικό τμήμα του θαλάμου εισάγουμε μια ακτίνα Laser (συνήθως στα 248nm) διαμέσου ενός γυάλινου παραθύρου στο εξωτερικό περίβλημα του θαλάμου. H ακτίνα προκαλεί θρυματισμό των σωματιδίων του στόχου, τα οποία στη συνέχεια κινούνται προς το σώμα πάνω στο οποίο θα γίνει η εναπόθεση, παράγοντας την επιθυμητή νανοδομή. Η παραπάνω διαδικασία πρέπει να γίνει σε έναν πολύ θερμό θάλαμο ή διαφορετικά υπό την παρουσία κάποια αερίου (συνήθως οξυγόνο). Ενώ αυτή την διαδικασία είναι πιο απλή, εν συγκρίσει με τις άλλες διαδικασίες, τα φυσικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σχετικά με το πάχος που παίρνει το film και την αλληλεπίδραση στόχου laser είναι εξαιρετικά πολύπλοκα. Όταν η δέσμη του laser απορροφάται από τον στόχο η ενέργεια μετατρέπεται αρχικά σε ηλεκτρική διέγερση και στη συνέχεια σε θερμική, χημική και μηχανική ενέργεια η οποία οδηγεί τελικά σε εξαέρωση, απόσπαση, δημιουργία πλάσματος και ακόμα και σε απόπτωση.

16 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 16 Τεχνικές Top-Down: Ion Milling (Ιοντική Λείανση), Ion milling (ή Reactive Ion Etching or RIE) H RIE είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένα πλάσμα χρησιμοποιείται για να αφαιρέσει υλικό από την επιφάνεια του επιθυμητού υλικού και στη συνέχεια να το εναπoθέσει πάνω στο υπόστρωμα. Το πλάσμα δημιουργείται σε έναν θάλαμο χαμηλής πίεσης από ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Υψηλής ενέργειας ιόντα συγκρούονται με το επιθυμητό υλικό και αντιδρούν μαζί του. Ο εξοπλισμός που απαιτείται για να γίνει η παραπάνω διαδικασία είναι ένας κυκλικός θάλαμος κενού με ένα υπόστρωμα ενσωματωμένο εντός του θαλάμου. Το υπόστρωμα (το οποίο συνήθως είναι γειωμένο) είναι ηλεκτρικά απομονωμένο από τον υπόλοιπο θάλαμο. Στη συνέχεια κάποια αέρια εισέρχονται στον θάλαμο και στη συνέχεια αφαιρούνται από αυτόν μέσω της αντλίας που βρίσκεται στην βάση του θαλάμου. Τα αέρια που χρησιμοποιούνται διαφέρουν ανάλογα με το υλικό και η πίεση που υπάρχει στον θάλαμο μπορεί να είναι από μερικά έως και εκατοντάδες millitorr (κάτι το οποίο πετυχαίνοντας μεταβάλλοντας τον ρυθμό που κινούνται τα αέρια μέσα στον θάλαμο ή μεταβάλλοντας το στόμιο του θαλάμου). Το πλάσμα το οποίο αναφέραμε δημιουργείται εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο με συχνότητα MΗz. Το ταλαντευόμενο πεδίο ιονίζει τα άτομα του αερίου αφαιρώντας τα ηλεκτρόνια από γύρω του δημιουργώντας έτσι πλάσμα. Σε κάθε κύκλο του πεδίου τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται ηλεκτρικά χτυπώντας τόσο στο επάνω όσο και στο κάτω μέρος του θαλάμου αλλά και στο υπόστρωμα. Τα άτομα όταν χτυπούν στα τοιχώματα του θαλάμου απορροφώνται λόγο της γείωσης, όταν όμως χτυπούν πάνω στο υπόστρωμα δημιουργείται μεγάλο αρνητικό πεδίο ενώ το πλάσμα από μόνο του έχει ένα μικρό θετικό φορτίο. Εξαιτίας της παραπάνω μεγάλης διαφοράς στα φορτία τα θετικά ιόντα τείνουν να συγκρούονται πάνω στην επιφάνεια που θέλουμε να κάνουμε το etching. Τα ιόντα αντιδρούν με τα άτομα της επιφάνειας και μερικές φορές διώχνουν κάποια άτομα από την επιφάνεια μεταδίδοντας τους κάποια από την κινητική τους ενέργεια. Lithography (Λιθογραφία ) : Πάνω στο υπόστρωμα τοποθετείται ένα υμένιο με την χημική ένωση από την οποία επιθυμούμε να προέλθει η νανοδομή. Επί του υμενίου εφαρμόζεται ένα φωτοευαίσθητο πολυμερές και πάνω σε αυτό τοποθετούμε μία μάσκα διαφανών και αδιαφανών μερών. Πάνω από τη μάσκα ρίχνουμε φως ώστε να γίνει η επιθυμητή απεικόνιση πάνω στο υμένιο. Το πολυμερές το οποίο έχει απομείνει πάνω από κάποια σημεία του υμενίου, προστατεύει το υμένιο. Τότε χύνουμε οξύ προκαλώντας χημική διάβρωση στο υπόλοιπο τμήμα του υμενίου το οποίο δεν είναι προστατευμένο. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας acetone διαλύουμε και το προστατευτικό κάλυμμα του πολυμερούς αφήνοντας τελικά πάνω από την επιφάνεια του υποστρώματος μόνο την επιθυμητή νανοδομή. Η φωτολιθογραφία είναι μια τεχνική πολύ παλιά (από τότε που δημιουργήθηκαν τα κυκλώματα ημιαγωγών) και είναι ικανή να κατασκευάζει κομμάτια της τάξης των 100nm χρησιμοποιώντας πολύ μικρό μήκος κύματος (προς το παρών 193nm). Η οπτική λιθογραφία απαιτεί την χρήση ενός φωτοευαίσθητου πολυμερούς και μιας μάσκας η οποία σε ορισμένα επιθυμητά σημεία εμποδίζει την προσπέλαση του φωτός. Οι ειδικοί πιστεύουν ότι η κλασική φωτολιθογραφία δεν θα είναι αποτελεσματική ως προς το κόστος κάτω από τα 30nm και θα αντικατασταθεί από την λιθογραφία επόμενης γενιάς (Next-generation Lithography NGL).

17 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 17 Πιο συγκεκριμένα η παραπάνω διαδικασία χρησιμεύει για να αφαιρούμε συγκεκριμένα κομμάτια από το φωτοευαίσθητο πολυμερές που αναφέραμε. Στη συνέχεια μέσω κάποιον χημικών που χρησιμοποιούνται διαβρώνεται η επιφάνεια του στοιχείου που έχουμε πάνω από το υπόστρωμα δημιουργώντας έτσι ένα κύκλωμα. Ουσιαστικά είναι σαν να τυπώσαμε ένα κύκλωμα πάνω στο στοιχείο μας. Τέλος υπάρχουν και άλλων ειδών λιθογραφίες οι οποίες είναι οι: X-ray lithography Electron-Beam Direct-Write Lithography (EBDW), η οποία χρησιμοποιεί μία δέσμη από ηλεκτρόνια για να σχηματίσει το κύκλωμα Extreme ultraviolet lithography (EUV), είναι μία φωτολιθογραφία και αυτή χρησιμοποιώντας υπεριώδες φώς (13.5 nm). Είναι η πιο διάσημη NGL τεχνική. Charged-particle lithography, όπως ion- ή electron- προβολή λιθογραφίας Nanoimprint lithography (NIL), και οι παραλλαγές της, όπως οι Step-and-Flash Imprint Lithography, LISA and LADI είναι πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες αναπαραγωγής nanopatterns. Αυτή η τεχνική μπορεί να συνδυαστεί με contact printing. Scanning probe lithography (SPL) Περισσότερα για την λιθογραφία και τις εφαρμογές της στο επόμενο κεφάλαιο.

18 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική Ι Μέθοδοι κατασκευής με Αυτοδιάταξη Η αυτοδιάταξη (Self-assembly) είναι η θεμελιώδης αρχή που δημιουργεί μια δομική οργάνωση σε όλες τις κλίμακες από τα μόρια μέχρι τους γαλαξίες. Ορίζεται ως μια διαδικασία στην οποία τα προϋπάρχοντα μέρη ή τα διασπαρμένα συστατικά ενός προϋπάρχοντος συστήματος διαμορφώνουν κάποιες καινούριες δομές. Η αυτοδιάταξη μπορεί να χαρακτηρισθεί είτε ως στατική διαδικασία είτε ως δυναμική. Η στατική είναι όταν όλο το σύστημα είναι σε ηρεμία και δεν απελευθερώνει ενέργεια. Η δυναμική είναι όταν το σύστημα απαιτεί την απελευθέρωση ενέργειας. Το πιο καλά μελετημένο πεδίο είναι η μοριακή αυτοδιάταξη, αλλά τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι η αυτοδιάταξη είναι δυνατή και με δομές της τάξεως των milli- και nano- μέτρων. Η μοριακή αυτοδιάταξη είναι το πιο γνωστό πεδίο στον τομέα και είναι η ένωση των μορίων χωρίς την καθοδήγηση ή διαχείριση από μια εξωτερική πηγή. Υπάρχουν δύο τύποι αυτοδιάταξης, η ενδομοριακή (intramolecular) και η διαμοριακή (intermolecular). Συχνότερα ο όρος μοριακή (molecular) αυτοδιάταξη αναφέρεται στην διαμοριακή αυτοδιάταξη, ενώ η ενδομοριακή αποκαλείται συχνότερα ως folding. Η μοριακή αυτοδιάταξη (Molecular self-assembly) είναι μια στρατηγική για την κατασκευή νανοδομών που περιλαμβάνει το σχεδιασμό των μοριακών και υπερμοριακών οντοτήτων έτσι ώστε η μορφολογική συμπληρωματικότητα να τα αναγκάζει να «συγχωνευθούν» δημιουργώντας τις επιθυμητές δομές. Η αυτοδιάταξη έχει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων ως στρατηγική: Πραγματοποιεί πολλά από τα πιο δύσκολα βήματα στην νανοκατασκευαστική χρησιμοποιώντας πολύ υψηλές τεχνικές της συνθετικής χημείας. Επίσης οι δομές στόχος είναι περισσότερο θερμοδυναμικά σταθερές ενώ τέλος τείνει να παράγει δομές οι οποίες είναι λιγότερο ελαττωματικές από αυτές που παράγονται με άλλες μεθόδους. Στην αυτοδιάταξη, το μεμονωμένο συστατικό περιέχει από μόνο του αρκετή πληροφορία ώστε να χτίσει από μόνο του ένα πρότυπο για μία δομή που συντίθεται από πολλαπλές ίδιες μονάδες. Η τελική επιθυμητή δομή ενσωματώνει το σχήμα και τις ιδιότητες των μορίων που έχουν χρησιμοποιηθεί, συγκρινόμενη με τις παραδοσιακές τεχνικές όπως η λιθογραφία όπου η επιθυμητή τελική δομή πρέπει να είναι κατασκευασμένη από ένα μεγαλύτερο block υλικού. Η αυτοδιάταξη κατά συνέπεια αναφέρεται σαν μία 'bottom-up' τεχνική κατασκευής, συγκρινόμενη με την λιθογραφία η οποία είναι μια 'top-down' τεχνική. Η σύνθεση των μορίων για την αυτοδιάταξη συχνά αναμιγνύει μια χημική διαδικασία γνωστή και ως convergent synthesis. Τα Microchips του μέλλοντος ίσως φτιάχνονται με μοριακή αυτοδιάταξη. Ένα δείγμα από νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes) τα οποία έχουν αναπτυχθεί πάνω σε πυρίτιο, ένα βήμα πριν την υλοποίηση πλήρως αυτοδιοργανωμένων συσκευών.

19 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 19 4.Τεχνολογία Μικρο και Νανο Ηλεκτρονικής Σήμερα, τα ηλεκτρονικά κυκλώματα και συστήματα κατασκευάζονται με την τεχνική των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (Integrated Circuits- IC). Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα αποτελείται από ένα μικρό κομμάτι κρυσταλλικού πυριτίου (chip) διαστάσεων της τάξης του mm που περιέχει συνδεσμολογημένα παθητικά και ενεργά στοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές, διόδους, τρανζίστορ κ.λ.π.). Τα σπουδαιότερα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, σε σύγκριση με την τεχνολογία των διακριτών στοιχείων, είναι τα παρακάτω: 1. Χαμηλό κόστος λόγω μαζικής επεξεργασίας. 2. Μικρό μέγεθος και μικρό βάρος. 3. Σημαντική αύξηση της αξιοπιστίας (Reliability). 4. Βελτιωμένη απόδοση. Κατασκευή ολοκληρωμένων Οι ανάγκες των εφαρμογών οδήγησαν στην ανάπτυξη δύο διαφορετικών μεθόδωντεχνολογιών για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, που είναι γνωστές με τα ονόματα: μονολιθική τεχνολογία και υβριδική τεχνολογία αντίστοιχα. Μονολιθικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (monolithic integrated circuits) είναι εκείνα στα οποία όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος δημιουργούνται κατασκευάζονται πάνω σε ένα μονοκόμματο μικρό κομμάτι πυριτίου, που ονομάζεται κορμός (βάση die), και φυσικά υπάρχει πλήρης αδυναμία αποχωρισμού ενός εξαρτήματος. Για το λόγο αυτό τα μονολιθικά κυκλώματα αναφέρονται συχνά και σαν πλήρως ολοκληρωμένα. Υβριδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (hybrid integrated circuits) είναι εκείνα, στα οποία διάφορα διακριτά ηλεκτρονικά εξαρτήματα προσκολλώνται σε ένα κοινό κεραμικό υπόστρωμα και διασυνδέονται μεταξύ τους είτε με επιμεταλλώσεις είτε με λεπτά σύρματα (διαμέτρου 2-3x10-2 mm). Είναι προφανές, ότι τα υβριδικά ολοκληρωμένα χρειάζονται κάποιες εργασίες συναρμολογήσεως, έτσι η βασική τους διαφορά από τα κοινά ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι το ότι τα επί μέρους εξαρτήματα δεν έχουν ξεχωριστά καλύμματα, ακροδέκτες κλπ. και το ότι περικλείονται όλα σε ένα κοινό σφραγισμένο περίβλημα. Ας σημειωθεί εδώ, ότι ένα μονολιθικό ολοκληρωμένο μπορεί να αποτελεί τμήμα ενός υβριδικού ολοκληρωμένου. Συνάγεται λοιπόν το συμπέρασμα ότι τα υβριδικά ολοκληρωμένα έχουν μεγαλύτερο κόστος παραγωγής λόγω της αδυναμίας πλήρους αυτοματοποιήσεώς της. Επίσης καλύπτουν τις ανάγκες ενός μικρότερου συγκριτικά αριθμού καταναλωτών για πιο πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Σε αντιστάθμισμα του μεγάλου κόστους παραγωγής τα υβριδικά ολοκληρωμένα απαιτούν λιγότερο επίπονη σχεδίαση και διαμόρφωση του κυκλώματος τους. Βασικά στάδια κατασκευής των μονολιθικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι ολόκληρη η διεργασία της κυρίως κατασκευής γίνεται σε συνθήκες απόλυτης καθαρότητας (στεγανά δωμάτια, ειδικές στολές χειριστών κλπ.), ώστε να αποφεύγονται κατά το δυνατόν οι ανεπιθύμητες μολύνσεις από διάφορες προσμίξεις. Οι χώροι αυτοί που ονομάζονται «Καθαρά Δωμάτια» (clean rooms), είναι σχεδιασμένοι και λειτουργούν κάτω από πολύ αυστηρές προϋποθέσεις και κανονισμούς που αφορούν την καθαριότητα τόσο των υλικών και εξαρτημάτων που βρίσκονται σε αυτούς όσο και του προσωπικού που εργάζεται εκεί.

20 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 20 Το πρώτο στάδιο της κατασκευής ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος είναι η σχεδίαση του κατάλληλου γραμμικού κυκλώματος. Αυτό είναι σημαντικό, γιατί τα στοιχεία που μπορούν να πραγματοποιηθούν με την ολοκληρωμένη τεχνολογία και ειδικότερα οι πυκνωτές και οι αντιστάσεις, έχουν σημαντικούς περιορισμούς δομής και προδιαγραφών σχετικά με τα κοινά αντίστοιχα στοιχεία του εμπορίου. Κάθε ηλεκτρονικό λοιπόν κύκλωμα π.χ. διαφορικός ενισχυτής απαιτεί προκειμένου να πραγματοποιηθεί σαν μονολιθικό ολοκληρωμένο ορισμένες διαφοροποιήσεις και προσαρμογές, ώστε να γίνει συμβατό με τις δυνατότητες κατασκευής. Κατόπιν ακολουθεί η σχεδίαση του πραγματικού τυπωμένου κυκλώματος, που αντιστοιχεί στο γραμμικό. Το σχέδιο αυτό αποτελεί αντιγραφή του γραμμικού κυκλώματος, στην οποία έχουν ληφθεί υπ όψη οι πραγματικές διαστάσεις, σχήμα και χωρική διάταξη των διαφόρων εξαρτημάτων. Λόγω δε της μεθοδολογίας κατασκευής τα σχέδια αυτά είναι για ένα ολοκληρωμένο πολλά και διαδοχικά επικαλυπτόμενα. Αρχικά κατασκευάζονται σε μεγάλη κλίμακα (μεγέθυνση) συνήθως 250:1 και κατόπιν υφίστανται δύο διαδοχικές σμικρύνσεις (1:25 και 1:10). Η σχεδίαση σε μεγέθυνση κάνει εφικτή την επίτευξη ικανοποιητικής ακρίβειας σχεδιασμού, η οποία διατηρείται με τις κατοπινές φωτογραφικές σμικρύνσεις. Η σχεδίαση του κυκλώματος γίνεται με επικόλληση αδιαφανών ταινιών του προτύπου (pattern) πάνω σε φθορίζουσα οθόνη, που οδηγείται από ηλεκτρονικό μικροϋπολογιστή (pattern generator). Η τελευταία αυτή τεχνική χρησιμοποιείται κυρίως στα LSI. Σαν τελικό βέβαια αποτέλεσμα και από τις δύο μεθόδους λαμβάνεται ένα αρνητικό φιλμ με διαστάσεις όσες του πραγματικού ολοκληρωμένου, από το οποίο βγαίνουν αντίγραφα, που χρησιμοποιούνται στα επόμενα στάδια κατασκευής. Το βασικό υλικό από το οποίο ξεκινά η διαδικασία κατασκευής του μονολιθικού ολοκληρωμένου είναι ένα κομμάτι μονοκρυσταλλικού πυριτίου, που συνήθως το μέγεθός του επαρκεί για ένα μεγάλο αριθμό ολοκληρωμένων. Το κομμάτι αυτό ονομάζεται «μπισκότο» (wafer). Τα ολοκληρωμένα παρασκευάζονται ταυτόχρονα επάνω στο μπισκότο και αποχωρίζονται στο τέλος της διαδικασίας. Η μεθοδολογία κατασκευής, που χρησιμοποιείται σήμερα, βασίζεται στην επίπεδη τεχνολογία, που έχει αναπτυχθεί για την κατασκευή των τρανζίστορ και έχει βιομηχανικά γενικευτεί εξ αιτίας της δυνατότητας που έχει, να δίνει διατάξεις χαμηλού κόστους και υψηλής ποιότητας. Στο βασικό υλικό μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν προστεθεί κατάλληλες προσμίξεις σε είδος και ποσοστό, ώστε αυτό να αποτελεί ημιαγωγό τύπου n ή p ανάλογα με το προορισμό του. Στο βασικό αυτό υλικό προστίθενται κατά περιοχές και με διάφορες τεχνικές διαχύσεως κατάλληλες προσμίξεις, που επιτρέπουν τη δημιουργία τμημάτων τύπου διαφορετικού από τον αρχικό. Οι περιοχές αυτές είναι κατ αρχήν ηλεκτρικά απομονωμένες μεταξύ τους λόγω των περιοχών απογυμνώσεως, που δημιουργούνται στις επαφές των δύο τύπων. Ο καθορισμός της εκτάσεως και του ποσοστού των περιοχών, που εμφυτεύονται στο αρχικό υλικό, γίνεται με διάφορες τεχνικές. Σαν βασική όμως ιδέα, η συγκέντρωση του διαχεόμενου υλικού επηρεάζει το ποσοστό προσμίξεων, η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η διάχυση και ο χρόνος, που διαρκεί, επηρεάζουν το βάθος διαχύσεως, ενώ το πλάτος (έκταση) της περιοχής διαχύσεως ρυθμίζεται με τη χρήση διαφόρων επιστρωμάτων διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ) και τη φωτοχημική δημιουργία πάνω σ αυτά κατάλληλων ανοιγμάτων. Αν τώρα δημιουργηθούν στη συνέχεια στις περιοχές αυτές διαδοχικά περιοχές p τύπου και n τύπου και προστεθούν μεταλλικοί ακροδέκτες σε κάθε τμήμα-περιοχή σχηματίζονται ουσιαστικά δύο BJT n-p-n. Η κατασκευή τρανζίστορ και διόδων με τη μέθοδο που προαναφέρθηκε, δεν παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες ή καλύτερα δεν απαιτεί ιδιαίτερα μεγάλη έκταση και δεν εισάγει αυστηρούς περιορισμούς. Αντίθετα η κατασκευή αντιστάσεων και πυκνωτών

21 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 21 είναι μια διαδικασία πιο απλή ίσως, αλλά υπάρχουν σοβαροί περιορισμοί στις γεωμετρικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των διατάξεων αυτών. Όσον αφορά τώρα στους πυκνωτές επίπεδης τεχνολογίας υπάρχουν διάφοροι τύποι τους. Συνηθισμένος τύπος πυκνωτών ολοκληρωμένων είναι οι πυκνωτές τύπου varicap. Είναι γνωστό από τα σχετικά με την δίοδο varicap (varactor), ότι μια δίοδος μπορεί να δράσει και να θεωρηθεί σαν πυκνωτής, του οποίου το διηλεκτρικό είναι η περιοχή απογυμνώσεως και ο οπλισμός είναι οι μη απογυμνωμένες περιοχές p- και n- τύπου αντίστοιχα. Ο πυκνωτής αυτός μάλιστα μπορεί να ελέγχεται ως προς τη χωρητικότητα του και μέσω της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του (πόλωση της διόδου). Από την προηγούμενη περιγραφή δομής, κατασκευής και λειτουργίας των διαφόρων διατάξεων έγινε φανερή η μεγάλη σημασία που έχει η δημιουργία στην επιφάνεια του ολοκληρωμένου ενός στρώματος οξειδίου του πυριτίου κατάλληλου πάχους καθώς και η δυνατότητα δημιουργίας πάνω στην επιφάνεια αυτή του πυριτίου ή του οξειδίου του πυριτίου- κατάλληλων ανοιγμάτων, μέσω των οποίων γίνονται οι διάφορες διαχύσεις ή πραγματοποιούνται οι μεταλλικές επαφές. Είναι επίσης προφανές ότι η γεωμετρία και οι διαστάσεις των ανοιγμάτων αυτών καθορίζουν και το σχήμα και το μέγεθος των ολοκληρωμένων εξαρτημάτων. Το επίστρωμα οξειδίου δημιουργείται με έκθεση της επιφάνειας σε υγρή ατμόσφαιρα θερμοκρασίας C για μια ώρα περίπου. Το πάχος του προκύπτοντος SiO 2 είναι περίπου 1-2 μm και ιδιαίτερη φροντίδα λαμβάνεται για να μην εισχωρήσουν ακαθαρσίες στη μάζα του. Η δημιουργία των ανοιγμάτων γίνεται, όπως προαναφέρθηκε, φωτοχημικά, Τελικό στάδιο της κατασκευής είναι η προσθήκη των εξωτερικών ακροδεκτών, που συνήθως είναι από αλουμίνιο ή επαργυρωμένοι, και το ερμητικό σφράγισμα του ολοκληρωμένου. Για το σφράγισμα αυτό χρησιμοποιούνται πλαστικές ύλες ή όπου απαιτείται καλύτερη ερμητικότητα και αυστηρότερες απαιτήσεις μονώσεων κεραμικά υλικά. Συχνή είναι επίσης η χρησιμοποίηση μεταλλικών αεροστεγών θηκών με κυλινδρικό σχήμα. Σχεδόν πάντα το σύνολο είναι αδιαφανές, ώστε να αποφεύγονται παρασιτικά φαινόμενα λόγω φωτισμού των εξαρτημάτων. Παράδειγμα εξαιρέσεως είναι τα ολοκληρωμένα προγραμματιζόμενων μνημών μονής προσπελάσεως με δυνατότητα διαγραφής (EPROM-Erasable Programmable Read Only Memory) των μικροϋπολογιστών, που έχουν διαφανή επικαλύμματα, ώστε να μπορούν να σβήνουν με την επίδραση δέσμης υπεριώδους φωτός. Στο σχήμα 10.1 συνοψίζονται οι διαδικασίες που περιγράφηκαν παραπάνω. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΤΩΝ Ο.Κ. Από όσα πολύ συνοπτικά αναφέρθηκαν παραπάνω, για την τυπική δομή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό ημιαγώγιμων στοιχείων (διόδων, διπολικών τρανζίστορ και FET), είναι φανερό ότι η μονολιθική κατασκευή των σημερινών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) είναι αποτέλεσμα της εξέλιξης των πρώτων τεχνικών με τις οποίες κατασκευάζονταν απλές μορφές επαφών ημιαγωγών και συνδυασμών τους. Πράγματι, στην πρώτη περίοδο κατασκευής ημιαγώγιμων στοιχείων, η σύγκριση των πλεονεκτημάτων τους ως προς τις ηλεκτρονικές λυχνίες επικεντρωνόταν στις φυσικές διαστάσεις και στην ευκολία και αξιοπιστία της χρήσης τους, ενώ οι αντίστοιχες τεχνικές σχετίζονταν άμεσα με το είδος των στοιχείων που κατασκευάζονταν.

22 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 22 Με την έννοια αυτή στην αρχή υπήρξε η τεχνική μέθοδος της «ανάπτυξης ή εκβλάστησης της επαφής» με την οποία κατασκευάζονταν οι απλές δίοδοι pn και τα τρανζίστορ, με κυριότερο μειονέκτημα την αδυναμία μαζικής παραγωγής. Ακολούθησε η μέθοδος της «επαφής κράματος» η οποία, αν και έλυσε ως ένα βαθμό τις απαιτήσεις μαζικής παραγωγής των αντίστοιχων στοιχείων, δεν μπόρεσε να λύσει το πρόβλημα της ακρίβειας των διαστάσεων και, συνεπώς του αυστηρού καθορισμού των χαρακτηριστικών και των επιδόσεων των αντίστοιχων στοιχείων. Η μέθοδος αυτή, χωρίς να έχει εγκαταλειφθεί τελείως ακόμα και σήμερα, οδήγησε στη μέθοδο ανάπτυξης επαφών με διάχυση, κύριο πλεονέκτημα της οποίας είναι η μεγάλη ακρίβεια που προσφέρει στον έλεγχο των προσμίξεων, ενώ ο συνδυασμός της με λιθογραφικές τεχνικές έδωσε τη δυνατότητα επίτευξης ακόμα μικρότερων διαστάσεων και οδήγησε τελικώς, στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αναπτύσσοντας μεγάλο αριθμό επαφών σε διαφορετικά επίπεδα (επιπεδική τεχνική - planar) στο ίδιο κομμάτι κρυστάλλου (μονολιθική κατασκευή). Παραλλαγή της επιπεδικής αυτής τεχνικής ανάπτυξης των επαφών αποτελεί η αντικατάσταση της διάχυσης με την εμφύτευση ιόντων προσμίξεων, με την οποία βελτιώθηκε ακόμα περισσότερο η ακρίβεια εμπλουτισμού των ημιαγωγών με κατάλληλες προσμίξεις. Παρακάτω περιγράφονται συνοπτικά τα βασικά χαρακτηριστικά των μεθόδων αυτών και δίνονται σχηματικά οι διάφορες φάσεις (στάδια ) εφαρμογής τους. Μέθοδος ανάπτυξης επαφής (Junction growing) Το κυριότερο χαρακτηριστικό της πρώτης αυτής μεθόδου ανάπτυξης διόδων και τρανζίστορ είναι ότι κάθε επαφή pn σχηματίζεται κατά τη φάση ανάπτυξης των αντίστοιχων τύπων ημιαγωγών. Συγκεκριμένα, με τον καθαρισμό ενός πολυκρυστάλλου Si λαμβάνεται ένας κατά το δυνατόν καθαρός κρύσταλλος (μονοκρύσταλος) Si, ο οποίος τήκεται θερμαινόμενος μέσα σ ένα κατάλληλο θάλαμο, οπότε, εισάγοντας σ αυτόν ένα τρισθενές ή πεντασθενές στοιχείο υπό μορφή αερίου, ο τηγμένος κρύσταλλος εμπλουτίζεται από άτομα του στοιχείου αυτού και γίνεται αντιστοίχως, τύπου p ή τύπου n. Εισάγοντας τώρα ένα μικρό δείγμα είτε του αρχικώς καθαρού είτε του εμπλουτισμένου με προσμίξεις κρυστάλλου Si στον τηγμένο (λειωμένο) ημιαγωγό και τραβώντας το προς τα έξω αυτό παρασύρει μαζί του το λειωμένο υλικό το οποίο κρυσταλλώνεται γύρω του με την ίδια κρυσταλλική δομή (μέθοδος Czochralski). Με τον τρόπο αυτό αναπτύσσεται ο ημιαγωγός του ενός τύπου, π.χ. p, οπότε διοχετεύοντας (σε αέρια μορφή) το άλλου τύπου στοιχείο - με μεγαλύτερη όμως συγκέντρωση από τη συγκέντρωση του πρώτου στοιχείου - ο αναδυόμενος στη συνέχεια ημιαγωγός θα είναι πλέον αντίθετου τύπου, π.χ. n. Δηλαδή τελικώς σχηματίζεται ένα κρυσταλλικός «δίσκος» επαφής pn, ή διπλής επαφής π.χ. pnp, ο οποίος κόβεται σε κομμάτια, καθένα από τα οποία χρησιμοποιείται για την κατασκευή αντιστοίχως διόδων ή τρανζίστορ.

23 Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική 23 Φάσεις κατασκευής μονολιθικού IC Circuit design Circuit layout Photomask fab Καθαρισμός 1η Si wafer Λείανση επιταξία Απομ Β Ε Μετ. επ. Διηλ. Α έλεγχος Κοπή Συσκευασία Σχήμα 10.1 Φάσεις κατασκευής Ολοκληρωμένου κυκλώματος. Μέθοδος επαφής κράματος (Alloy Junction) Στη μέθοδο αυτή τοποθετείται πάνω σ ένα κρύσταλλο ημιαγωγού, π.χ. τύπου n, ένα μικρό κομμάτι υλικού 3σθενούς στοιχείου, συνήθως Ινδίου (In), και στη συνέχεια θερμαίνονται μέχρις ότου το υλικό αυτό, λειώνοντας, να εισχωρήσει στον κρύσταλλο έως κάποιο βάθος. Με τον τρόπο αυτό μέσα στον αρχικό κρύσταλλο σχηματίζεται ένα κράμα υλικών που όταν επανακρυσταλλωθεί θα είναι πλέον ημιαγωγός τύπου p, οπότε έχει ουσιαστικά κατασκευασθεί μια επαφή pn. Με παρόμοιο τρόπο, τοποθετώντας δηλ. αντίστοιχα υλικά και από τις δύο πλευρές του αρχικού κρυστάλλου κατασκευάζονται και τρανζίστορ. Επιπεδικές τεχνικές κατασκευής επαφών (επιπεδική τεχνολογία) Οι αδυναμίες των προγενέστερων τεχνικών ανάπτυξης επαφών ημιαγωγών για την κατασκευή διόδων και τρανζίστορ σε συνδυασμό με την πρόοδο της γνώσης και της τεχνολογίας οδήγησαν στις λεγόμενες «επιπεδικές» τεχνικές, όπου η ανάπτυξη των διαφορετικού τύπου ημιαγωγών γίνεται σ ολόκληρη την έκταση των αρχικών κρυστάλλων. Με τον τρόπο αυτό υπάρχει πλέον δυνατότητα μαζικής παραγωγής (με παράλληλη σημαντική μείωση του κόστους), υψηλή ακρίβεια και έλεγχος των συγκεντρώσεων των προσμίξεων και, τελικώς, καλύτερες επιδόσεις των κατασκευαζόμενων στοιχείων. Α) Με διάχυση (Diffusion) Ως πρώτη επιπεδική τεχνική αναφέρεται η μέθοδος ανάπτυξης μιας επαφής pn με διάχυση, με την οποία επιχειρείται η διάχυση αντίθετου τύπου υλικού στη μια πλευρά της επιφάνειας ενός ημιαγωγού συγκεκριμένου τύπου. Διακρίνονται δύο μέθοδοι με τις οποίες επιτυγχάνεται αυτή η διάχυση. Σύμφωνα με την πρώτη, στη μια επιφάνεια ενός κρυστάλλου ημιαγωγού, π.χ. τύπου n, τοποθετείται και πάλι ένα κομμάτι υλικού τύπου p. Στη συνέχεια ο κρύσταλλος και το υλικό