Открытие полупроводниковых гетероструктур

 

Передовым в современной микроэлектронике диапазон характеристических размеров полупроводниковых структур составляет 100- 10 нм, что относится к нанометровому диапазону. Именно с этими размерами связывают дальнейшие перспективы развития. Можно заметить, что наноструктура размером 20 нм содержит около 100 атомов по диаметру, хотя и внутренняя часть сохраняет кристаллическую симметрию, все свойства наноструктуры сильно зависят от свойств поверхности, которая составляет ее значительную часть.

Наряду с традиционным путем перехода к наноструктурам имеется иной путь, который приводит к тому же, но более прямым методом. Он восходит к идеям изготовлении искусственных периодических структур, состоящих из различных полупроводников, со слоями, толщиной порядка нескольких нанометров [19-21-22]. В этих структурах открывается возможность управления энергетической структурой, и здесь появляется термин «зонная инженерия».

Реализация этих идей является одним из самых блестящих технических достижений последней трети XX века. Это стало возможным из-за развития техники молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и газовой эпитаксии из металлоорганических соединений. Реальные структуры содержат от нескольких десятков до нескольких сотен тонких, различных по составу полупроводниковых слоев с очень резкими границами, когда переходные слои составляют не более одного или двух моноатомных слоев.

С 1980 года для производства транзисторов и лазеров стали использовать очень тонкие пленки толщиной около 10 нм для изготовления устройств с совершенно новыми и интересными техническими характеристиками. В Японии в тот же год был впервые изготовлен полевой транзистор с высокой подвижностью носителей. Началось энергичное развитие методики в области микроскопии и в следствии были созданы новые туннельные сканирующие микроскопы с высоким разрешением для изучения движения отдельных атомов и молекул. Экспериментальная техника стала очень энергично развиваться в нанометровом диапозоне и наши представления о нано- и микромире стали расширяться. В девяностых годах прошлого столетия в Японии началось осуществление государственных программ по разработкам новой техники для манипулирования отдельными атомами и молекулами с привлечением многих исследователей из многих стран мира [15].

Необходимо отметить достижение российского ученого Жореса Ивановича Алферова в области полупроводниковой нанотехнологии. В 2000 году, совместно с американскими коллегами Гербертом Кремером и Джеком Килби ему присуждается Нобелевская премия за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. В настоящее время вся светодиодная техника базируется на полупроводниковых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них — «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

 

 

Рисунок 7. Нобелевский лауреат Жорес Алферев, полупроводниковые гетероструктуры [23].

 

Под руководством Ж. И. Алферова в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе осуществляются разработки наногетероструктур, которые получают признание по всему миру (рис. 7). В институте ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Важно отметить, что под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова в Институте проблем технологии и макроэлектроники и руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева в Физическом институте имени П. Н. Лебедева достигнуты значительные результаты в нанотехнологических исследованиях.

Использование лазеров на гетероструктурах также позволило уменьшить пороговый ток – минимальный ток, при котором лазер способен когерентно излучать. Впервые уменьшение порогового тока и размеров активной области за счет использования гетеропереходов было получено Ж.И. Алферовым.

Лазер происходит от английского слова «LASER» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), что означает усиление света с помощью вынужденного излучения. Лазер – устройство, использующее вынужденное излучение для создания когерентного потока света то есть излучают волны согласованно с одинаковыми частотами и направлением распространения. Полупроводниковый лазер является самым компактным, экономичным и надежным и поэтому его используют в CD- или DVD-плеерах, лазерных принтерах, а также компьютерах. Виды кабельной связи - телефония, интернет, оптическая благодаря применению полупроводниковых лазеров получили «второе дыхание». Полупроводниковые лазеры прошли многочисленные этапы за 40 лет развития и усовершенствования и широко распространяются по всему миру. То есть увеличению количества лазерных полупроводников способствовало, развитие полупроводниковой промышленности. Лазеры незаменимы, поскольку используют широкий спектральный диапазон от ультрафиолетового до инфракрасного.

Гетероструктурный полупроводниковый лазер работает следующим образом. Через p-n-переход пропускается ток в прямом направлении и возникает два конкурирующих процесса. При попадании электрона и дырки в p-n-гетеропереход излучается квант света, и часть невозбужденных электронов поглощает кванты света, тем самым уменьшая интенсивность и мощность излучения. Увеличивая ток процесс излучения можно увеличить тем самым уменьшая процесс поглощения. В конечном итоге возникает состояние инверсной населенности [24].

Под инверсной населенностью понимается состояние, при котором больше половины носителей заряда – электронов находится в возбужденном состоянии. В этом случае на пути фотонов чаще будут встречаться возбужденные электроны, чем невозбужденные, и поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.

Явление усиления света при его прохождении через среду с инверсной населенностью уровней было открыто в 1951 году советскими физиками В.А. Фабрикантом, Ф.А. Бутаевой, М.М. Вудынским.

В области химических технологий продолжаются фундаментальные исследования и получаются материалы, обладающие интересными физико-химическими и механическими свойствами. Они способны работать в агрессивных условиях использования: при низких и высоких температурах, под интенсивным радиационным излучением, в высоконагруженных средах. На основе нанокристаллических и сверхмикрокристаллических структур можно создать не только металлические, но и интерметаллические материалы с высокими смягчающими свойствами, сверхлегкие и высокопрочные металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, фильтрующих элементах и катализаторах, и, конечно же, в медицине для изготовления прочных, коррозионностойких костных имплантатов.

В 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физико-технического института (МФТИ) в области прикладных нанотехнологических исследований было создана корпорация Нанотехнология-МДТ (Molecular Device Tools for Nanotechnology). В знак уважения эта корпорация Ж. И. Алферову посвятили анодно-окислительный литографический портрет российского ученого, на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомно-силового микроскопа методом локального зондового электрического окисления (рис. 8) [18].

 

Рисунок 8. Анодно-окислительная литография портрета Ж. И. Алферова с использованием атомного силового микроскопа [18].

 

Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 г. № 498 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Цель данной программы — создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В стране накоплена обширная научная база по нанотехнологиям. Однако ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов они не могут самостоятельно развивать исследования и внедрять результаты в производство.