Наука и технологии |
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ, НАНОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ21.09.06
В последние годы работа в данной области физики заняла важное место в деятельности Института физики полупроводников и получены яркие результаты. Часть этих результатов изложена в недавней моей публикации в июльском номере «Вестника Российской академии наук» (т. 76, № 7, 2006 г.) в статье «Нанотехнологии в полупроводниковой электронике». Истоки новых идей — молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — одна из основных технологий современной физики полупроводников и полупроводниковой электроники. Работы по технологии МЛЭ начаты в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии по инициативе академика А. Ржанова и развиты при решающем вкладе члена-корреспондента РАН К. Свиташева и профессора С. Стенина. В последние годы основным направлением развития МЛЭ явились работы по созданию эпитаксиальных структур на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) — основного материала для создания фоточувствительных элементов современных систем инфракрасной техники.
Физики работают на многокамерной сверхвысоковакуумной установке МЛЭ «Обь-М», разработанной и изготовленной под руководством д.ф.-м.н. Ю. Сидорова. Особенностью установки для получения гетероэпитаксиальных структур КРТ (ГЭС КРТ МЛЭ) является применение в процессе МЛЭ созданного в институте метода лазерной эллипсометрии с высоким быстродействием и с рекордными параметрами разрешения по толщине (0.2-0.3 нм) и по составу (до 0.05 мольных долей). Используя высокосовершенные фоточувствительные слои КРТ, в отделе профессора В. Овсюка создают большеформатные матрицы и линейки фотоприемных устройств дальнего ИК-диапазона. Довольно широко известно практическое применение квантовых эффектов — созданные ИК-фотоприемники на основе квантоворазмерных эпитаксиальных гетероструктур AlGaAs/GaAs с возбуждением носителей заряда из слоев с размерным квантованием (квантовых ям). На основе многослойных структур с квантовыми ямами, полученных методом МЛЭ в лаборатории к.ф.-м.н. А. Торопова, созданы матричные фотоприемники размерностью 128×128 и 320×256. Квантовые точки, или нульмерные системы, представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью, которые состоят из массива атомных кластеров или островков нанометровых размеров в полупроводниковой матрице, проявляющих самоорганизацию в эпитаксиальных гетероструктурах, создаваемых методом МЛЭ. Такими структурами занимаются в отделе, возглавляемом д.ф.-м.н. О. Пчеляковым. Дискретный спектр энергетических состояний в таких кластерах подобен энергетическому спектру отдельных атомов, что позволяет говорить об «искусственных атомах», несмотря на большое количество атомов в кластерах (островках). Хотя кластеры (или островки) обладают определенной формой и конечными размерами в единицы или десятки нанометров, для данного типа структур принят термин «квантовые точки» (КТ). В основе метода приготовления эпитаксиальных структур германий-кремний с КТ лежат результаты исследования начальных стадий осаждения германия на атомно-чистую поверхность кремния методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) в сверхвысоком вакууме. Новые методы созданы под руководством д.ф.-м.н. Б. Ольшанецкого. Предсказанное теоретически и наблюдаемое экспериментально в работах д.ф.-м.н. А. Двуреченского с сотрудниками квантование энергетического спектра носителей заряда (дырок) в островках германия формирует особенности в транспорте носителей заряда, на вольт-фарадных характеристиках и фотопроводимости структур с КТ. Так, в субмикронном полевом транзисторе с массивом КТ, реализованном на структуре кремний-на-изоляторе (КНИ) обнаружены осцилляции проводимости канала нанотранзисторов в зависимости от затворного напряжения при температуре измерения от гелиевой вплоть до температуры 150 К, обусловленные квантованием энергетического спектра дырок. Другой важный результат состоит в разработке конструкции и исследовании фотоприемников на основе эпитаксиальных структур кремния с массивом квантовых точек германия.
Работы по созданию материалов и элементов ИК-техники востребованы предприятиями отрасли и являются основой для создания в ближайшем будущем систем «искусственного» (технического) зрения с расширенным, по сравнению с биологическим зрением, спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (отметим, что биологическое зрение человека формировалось в течение миллионов лет). Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
Возможности метода МЛЭ поистине безграничны, в том числе и в создании полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором (ЛВР), которые отличаются от обычных полосковых полупроводниковых лазеров расположением брэгговских зеркал лазерного резонатора параллельно плоскости полупроводниковой пластины. В настоящее время ЛВР демонстрируют предельные возможности не только полупроводниковых излучателей, но и всей лазерной техники: ЛВР характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции — десятки гигагерц и сверхминиатюрностью. Следует подчеркнуть, что именно метод МЛЭ позволяет с высокой точностью выращивать лазерную структуру, содержащую несколько сотен слоев нанометровой толщины и образующих зеркала резонатора, легированные слои для инжекции носителей заряда в области зеркал и активные слои с квантовыми ямами. В качестве основного средства диагностики использован метод дифракции быстрых электронов in situ, который позволяет контролировать с высокой точностью процесс формирования каждого моноатомного слоя выращиваемой гетероструктуры за счет регистрации периодических процессов зарождения, роста и слияния двумерных островков осаждаемого материала. В совместной работе ИФП СО РАН с Институтом физики твердого тела Технического университета Берлина, проводимой д.ф.-м.н. В. Гайслером, сделан важный шаг на пути реализации полупроводниковых однофотонных излучателей при использовании в качестве активной области слоя InAs квантовых точек. Наблюдалось излучение одиночной квантовой точки при токовом возбуждении. В спектре излучения присутствует лишь одна линия, соответствующая рекомбинации экситона одиночной квантовой точки. Ожидается использование полученных результатов при создании в будущем систем квантовых вычислений и квантовой криптографии. Для практического использования эпитаксиальных наногетероструктур разрабатываются также технологии МЛЭ для получения мощных элементов СВЧ-техники гигагерцового диапазона. В настоящее время наш институт вместе с Физико-техническим институтом им. А. Иоффе РАН является основным разработчиком и поставщиком высококачественных эпитаксиальных структур для нужд предприятий отрасли. Эти работы ведутся в институте при активном участии д.ф.-м.н. К. Журавлева и к.ф.-м.н. В. Преображенского. Технология МЛЭ лежит в основе нового метода получения полупроводниковых нанотрубок, который основан на освобождении напряженной полупроводниковой пленки с помощью селективного травления так называемого жертвенного слоя в эпитаксиальной гетероструктуре. Данный метод, предложенный в лаборатории д.ф.-м.н. В. Принца (и получивший в литературе название Принц-технологии) открывает перспективы изготовления отдельных наноструктур сложной формы и их массивов с предельно высокой точностью (до значения, равного толщине отдельного монослоя). По данной технологии изготовлены нанотрубки полупроводниковых материалов для изучения свойств двумерного электронного газа на цилиндрических поверхностях, трубки микронного диаметра для микротермоанемометров и для применения в качестве микро- и наношприцев в клеточной биологии и медицине. Микротермоанемометры на основе трубок со стенками нанометровой толщины обладают большей чувствительностью при измерении пульсаций скоростей в турбулентных пограничных потоках и на два порядка большим быстродействием по отношению к традиционным датчикам газовых потоков. Развитие предложенной технологии будет сопровождаться расширением области применения произведенных по данной технологии нанотрубок и других нанообъектов в электронике, биологии, медицине и других практически важных областях.
Нанотранзистор на кремнии в ближайшем будущем предстанет основным элементом полупроводниковой наноэлектроники. Появление проблем, обусловленных нанометровыми размерами транзисторов и других элементов интегральных схем, стимулирует поиск новых, отличных от объемного кремния материалов и конструкций полевых транзисторов. Единственной альтернативой объемному кремнию в настоящее время являются структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) со слоями кремния субмикронной и нанометровой толщины. В ИФП СО РАН под руководством д.ф.-м.н. В. Попова разработана оригинальная технология отщепления и переноса слоев кремния при прямом сращивании пластин кремния, одна из которых предварительно имплантирована ионами водорода, а другая термически окислена. Отсеченный слой КНИ структур утоньшается путем многократного окисления при температурах 900-1000 градусов Цельсия, и минимальная толщина отсеченного слоя кремния может составлять до 3 нм. Одно из преимуществ использования КНИ в качестве подложек состоит в возможности формирования транзисторов с латеральными затворами на КНИ, когда и канал и затворы создаются из одного и того же слоя кремния, а их форма определяется в случае электронной литографии только рисунком, создаваемым электронным лучом. Такая технология в принципе не осуществима на объемном кремнии. Важной особенностью транзисторов на КНИ структурах является их повышенная температурная и радиационная стойкость, что также делает данную технологию востребованной государственным заказчиком и предприятиями отрасли. В заключение отметим, что развитие нанотехнологий, основными из которых для полупроводниковой электроники являются молекулярно-лучевая эпитаксия и технология создания структур КНИ, вместе с использованием современных методов электронно-лучевой литографии, зондовой нанолитографии и диагностики полупроводниковых нанообъектов методами просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии атомного разрешения и атомно-силовой микроскопии обеспечивает качественно новый уровень разработки элементов кремниевой и гетероструктурной электроники. Оказывается возможным не только улучшение основных параметров известных устройств, но и создание принципиально новых элементов наноэлектроники с использованием квантовых эффектов. Нанотехнологии, использующие эффекты самоорганизации, молекулярной и атомной самосборки («снизу-вверх» по шкале размеров) станут альтернативой развитию существующих методов оптической, электронной и зондовой нанолитографии, применяемых при изготовлении нанообъектов за счет уменьшения размеров макрообъектов («сверху-вниз» по шкале размеров).
По прогнозам, их применение может привести, в конечном счете, к резкому, на несколько порядков величины, уменьшению стоимости изделий наноэлектроники. Именно в поиске новых подходов к решению проблемы воспроизводимого самоформирования сложных наноструктур с необходимыми для практического применения функциями состоит основная задача нанотехнологий в самом ближайшем будущем. А. Асеев, академик, директор ИФП СО РАН Источник: "НВС" |
