Для практического использования полупроводниковых наноструктур в различных электронных устройствах необходимо научиться добавлять в полупроводники донорные и акцепторные примеси так, чтобы они были однородно распределены на масштабе нескольких нанометров, и чтобы при этом можно было с хорошей точностью контролировать их концентрацию. Известные методы, такие как ионная имплантация и твердотельная диффузия, не позволяют этого добиться.

В работе [1] сотрудники University of California at Berkeley и Lawrence Berkeley National Laboratory предложили новый способ “нанолегирования” кремния. Он заключается в следующем. На поверхность кристалла Si наносят монослой органических молекул, содержащих атомы легирующего элемента (например, бора при дырочном легировании или фосфора при электронном легировании).

Толщина такого монослоя составляет около 1 нм. Затем проводят быстрый (несколько секунд) термический отжиг при температуре около 1000 ºС, в результате чего молекулярные структуры разрушаются, и примесные атомы проникают в Si. Профиль распределения примесей по глубине регулируется температурой и длительностью отжига, а их концентрация – химическим составом материала монослоя и размером его молекул (чем он меньше, тем больше концентрация).

Схематическое изображение процесса легирования кремниевой подложки бором из органического монослоя, который наносят после стравливания поверхностного слоя SiO₂. Здесь RTA – стадия быстрого термического отжига (rapid thermal annealing).

Авторы [1] с успехом использовали этот метод для легирования нанопроводов Si толщиной около 30 нм, а также для изготовления полевых транзисторов в структурах кремний-на-изоляторе. В принципе, он применим и к другим типам полупроводников, позволяя контролировать электрические характеристики разнообразных полупроводниковых наноматериалов.

1. J.C.Hor et al., Nature Mater. 7, 62 (2008)