CC BY
42
-►
Электроника, технологии производства материалов электронной техники
УДК 319.178:245
Л.М. Журавлева
ИЗОТОПТРОНИКА КАК НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Внедрение нанотехнологий наряду с информационными технологиями является необходимым условием научно-технического прогресса. Развитие нанотехнологий и информационных технологий взаимосвязано и обусловлено общими целями повышения качества жизни, перевода экономики на ресурсосберегающие производства, усиления национальной безопасности.
Последние достижения в области наноэлек-троники и ядерных технологий позволили сформулировать новое научное направление - изо-топтроника. Изотоптроника изучает влияние свойств ядер изотопов химических элементов на электронные характеристики структур, которые могут иметь размеры меньше 1 нм. Изотоптро-нику можно было бы назвать субнаноэлектрон-никой, подразумевая при этом область исследований свойств различных материалов, имеющих размеры, соизмеримые с величиной постоянной кристаллической решетки [1]. Название «изотоптроника» состоит из двух слов: «изотопы», обозначающие атомы одного и того же вещества с ядрами, состоящими из одинакового числа протонов и разного числа нейтронов, и «троника» от слова «трогать», т. е. использовать различные свойства вещества, обусловленные разным содержанием нейтронов в ядрах атомов [1, 2, 5].
Цель научных исследований изотоптрони-ки - поиск новых материалов, базирующихся на особенностях изотопического строения вещества, для создания более совершенных устройств передачи, хранения и обработки информации в различных отраслях науки и техники. Основополагающей технологией изотоптроники является ядерная технология. Так, с помощью нейтронного облучения заготовок из изотопически-смешанных веществ можно изменять изотопический состав
химических элементов, получать материалы с новыми электронными и оптическими свойствами и создавать на их основе совершенные оптоэлек-тронные приборы.
Из множества возможных приложений изо-топтроники самым востребованным в настоящее время является применение новых материалов в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСП).
Это наиболее перспективные системы связи для передачи дискретной информации особенно на магистральных направлениях. Главная причина заключается в огромных ресурсах оптических волокон, которые позволяют передавать сигналы в полосе частот в десятки терагерц. Для реализации этих возможностей требуется соответствующая приемо-передающая аппаратура (кодеки и модемы). Элементной базой для них являются высокочастотные транзисторы, диоды, лазеры и фотодетекторы. Поэтому одно из направлений повышения пропускной способности волоконно-оптических линий связи - создание с помощью изотоптроники новых электронных и оптоэлек-тронных приборов.
Последние научные разработки свидетельствуют об огромном прорыве в области электронных и оптоэлектронных устройств. Так, например, уже существующие электронные приборы обладают высоким быстродействием и имеют максимальную рабочую частоту порядка 1 ТГц [2]. Дальнейшее повышение граничной частоты возможно лишь с переходом на низкоразмерные гетероструктуры и принципиально новую технологию изготовления электронных приборов. Низкоразмерные или квантовые структуры - это такие, у которых один (квантовые ямы, рис.1 а), два (квантовая проволока, рис.1 б) или все три разме-
4
.Квантовая яма
Квантовая точка
Рис. 1. Структуры: а - квантовая яма; б - квантовая проволока; в - квантовая точка
ра (квантовые точки, рис.1 в) соизмеримы с длиной волны де Бройля электрона в твердом теле. В таких структурах наблюдается высокая подвижность электронов, которая является следствием локализации носителей заряда за счет потенциальных барьеров гетеропереходов (сопряжения двух полупроводников с разными электронными характеристиками) и квантования электронных состояний.
Особое значение для создания высокоскоростной элементной базы ВОСП имеют совершенство контактных поверхностей гетероперехода и чистота материала. Поэтому от качества изготовления стыкуемых слоев (отсутствия посторонних примесей, флуктуаций размеров квантовой структуры, «шероховатостей», которые равносильны внутренним дефектам) зависят характеристики эффективности электронных и оптоэлектронных приборов.
Получить качественные приборы для ВОСП в промышленных масштабах пока мешают определенные технологические трудности [2], которые можно было бы решить с помощью изотоп-троники.
Известно, что материалы, состоящие из различных изотопов одного и того же химического элемента, обладают разными электронными и оптоэлектронными характеристиками (значениями запрещенной зоны, показателями преломления света, величиной спина, диэлектрической проницаемостью) [3]. Этот факт можно использовать для создания низкоразмерных гете-роструктур из одного материала, легированного собственными изотопами.
Так, с помощью ядерных технологий путем нейтронного облучения определенных слоев заготовки (рис. 2), например, из кремния с есте-
ственным содержанием изотопов можно сформировать фотонные кристаллы и низкоразмерные структуры для оптоэлектронных приборов. Изображенные на рис. 1 структуры можно создать из более тяжелых изотопов кремния (БР9, БР° ) путем облучения нейтронами изотопа БР [4]. Потенциальные барьеры таких «гетеропереходов» при этом оказываются достаточными, чтобы возбудить в таких структурах, например, экситоны.
В случае фотонно-кристаллического волокна (рис.1 б) требуемые различия в показателях преломления света п в отдельных элементах ФКВ (основе волокна и квантовых проволоках оболочки) можно достичь, если в результате облучения нейтронами заготовки создать слои из диоксида кремния с разной концентрацией тяжелых изотопов БР, БР° [4], определяющей оптоэлектронные характеристики облученных слоев. Для производства твердотельного ФКВ можно облучать нейтронами заготовку из стекла до образования изотопа БР1. Этот изотоп распадается до фосфора, небольшая концентрация которого значительно повышает разницу в коэффициентах преломления света сердцевины и основы волокна.
Для этого один или два размера облучаемого нейтронами пятна должны иметь порядок нескольких нанометров. В результате облучения, например, торцевой части заготовки будут образовываться горизонтальные или вертикальные (или одновременно и те, и другие) полоски с повышенным содержанием тяжелых изотопов, разделенные между собой необлученными слоями с естественной концентрацией изотопов (рис. 2). В зависимости от размеров облучателей и их расположения можно формировать в заготовке любые квантовые структуры.
Потоки нейтронов
Оболочка оптического / волокна
где
а = 0,08
/л/Е.
(4)
Стержни
Рис. 2. Схема облучения оптического волокна
Таким образом, благодаря использованию изотопических свойств материалов и ядерных технологий можно предложить новый способ изготовления наноструктур с помощью нейтронного облучения. При этом отлаженные на протяжении нескольких десятков лет технологии нейтронного облучения в промышленном масштабе могут гарантировать высокую точность изготовления размеров оптоэлектронных приборов и чистоту материалов.
Наибольший практический интерес для облучения полупроводниковых материалов (8^ Ge, GasAs и т. д.) представляют собой тепловые нейтроны с энергией Е в диапазоне от 0,025 до 1 эВ [5].
Тепловые нейтроны Н вступают в реакцию поглощения с ядрами мишени Х по следующей схеме [5]:
Ах+^ ^х + у, (1)
где Z - атомный номер вещества; А - массовое число; у - излучение, которое уносит основную часть освободившейся энергии.
Концентрацию изотопов кремния, например, можно подсчитать следующим образом [5]:
Ы) = N. а, ф, (2)
где N1 - выход /-го изотопа после облучения; N. -концентрация /-го изотопа до облучения; а. - сечение реакции поглощения /-го изотопа; / - время облучения.
Применительно к изотопам кремния выход
из изотопа в результате ядерной реакции может составлять N1 = 10~3Ы, где N = 0,9218 -концентрация изотопа в естественном состоянии кремния.
После подстановки в формулу (2) получим величину интегрального облучения ф/:
ф/=103/а., (3)
Для Е = 0,025 эВ в случае кремния имеем а. = 0,506 б (10-24 см2), ф/ = 20 х 1020 н/см2.
При среднем значении интенсивности потока нейтронов ф = 1017 н/см2 с время облучения составит 5,56 ч.
С помощью формулы Лоренц-Лоренца [4] можно рассчитать относительный коэффициент преломления Дп облученной и необлученной областей заготовки. Так, увеличение концентрации тяжелых изотопов в Ю-3^. раз соответствует значению Дп = 0,007. Теоретически разница между показателями преломления сердцевины и оболочки волокна, необходимая для соблюдения эффекта полного внутреннего отражения, может быть сколь угодно малой. Практически все зависит от свойств лазера (угла расходимости лазерного излучения, который для различных лазеров колеблется от 0,1 до 6 градусов).
В случае изготовления изотопических «гетеропереходов» нейтронным облучением разница в запрещенных зонах стыкуемых слоев полупроводника, состоящих из разных изотопов, может составлять в зависимости от материала от десятых долей эВ (материалы с изотопами водорода, например, LiH и LiD) до десятых долей ТэВ (изотопы кремния). Перспектива использования изотопической структуры вещества для создания «гетеропереходов» объясняется, во-первых, тем, что изотопически-смешанный состав заготовки в результате облучения можно менять в широких пределах. Так, концентрацию того или иного тяжелого изотопа можно поднимать до 100 %. Во-вторых, свойства материалов сильно зависят от изотопического состава. Так, величина сечения поглощения нейтронов (2) для разных изотопов одного и того же химического элемента, например, кадмия, индия и др. могут отличаться на два порядка [4]. Это свидетельствует о больших возможностях моделирования новых материалов с помощью изотоптроники.
В случае использования кремния один слой квантовой ямы (см. рис. 2) будет иметь естественную концентрацию изотопов преимущественно 8Р, а в другом слое все изотопы 8Р будут переведены в результате облучения нейтронами в 8Р9. Конкретная величина потенциального барьера в образованном «гетеропереходе» ДЕ зависит от размеров ядер изотопов и величин кулоновских
взаимодействий внутри атома. Известно [3], что наибольшей разницей запрещенных зон АЕ для кремния обладают, например, изотопы вР и вР. Эта разница видна из модели кулоновского взаимодействия, где сила, препятствующая отрыву валентного электрона в зону проводимости, обратно пропорциональна расстоянию (радиусу ядра). Более тяжелый изотоп вР, имеет ядро с числом нейтронов на один больше, чем у изотопа вР. Поэтому радиус ядра у вР больше, а величина запрещенной зоны меньше, чем у вР. Существуют и другие причины, изложенные в [3]. Следует отметить, что дальнейшее утяжеление ядра кремния приводит к сжатию ядра и уменьшению радиуса [3]. Так, для кремния наибольшая разница АЕ составляет 0,1 ТэВ. Согласно теории прямоугольных потенциальных ям конечной глубины можно утверждать, что независимо от величины потенциального барьера в яме будет существовать хотя бы одно связанное состояние частицы, например, экситона. Причем энергия связи такой частицы увеличивается обратно пропорционально ширине ямы [2]. Этот факт позволяет считать, что изотопические квантовые структуры, полученные с помощью ядерных реакций, можно использовать для возбуждения электронов и создавать на их основе электронные и оптоэлектронные приборы. Такие устройства будут обладать всеми характеристиками наноструктур. Кроме того, они будут отличаться высокой чистотой и однородностью материала за счет того, что легирование осуществляется не «чужеродным» элементом, а собственным изотопом, имеющим близкие значения постоянной кристаллической решетки.
Для изготовления с помощью ядерных технологий изотопических низкоразмерных структур необходимо обеспечить определенные параметры облучения. Это такие характеристики, как сфокусированность нейтронного потока, дифракционные искажения, степень разрешения (однородности) нейтронов по энергии АЕн и т. д. Наибольшее значение для достижения высокой точности изготовления геометрических размеров и отсутствия дефектов имеет величина АЕн. Ее влияние, например, на точность размеров можно оценить по длине поглощения нейтронов Ь. Величина Ь равна:
1
Ь
К -а,
(5)
Используя формулы (4) и (5), можно рассчитать разницу АЬ для величин энергий Е ± АЕн. Так, современные монохроматоры могут иметь разрешение по энергии нейтронов АЕн = 10-9 эВ. После подстановки в соответствующие формулы получим, что величина АЬ, определяющая точность изготовления геометрических размеров низкоразмерных структур с помощью нейтронного облучения, составит значение порядка ± 5 нм.
Наиболее интересным механизмом реализации оптоэлектронных приборов на низкоразмерных стуктурах можно считать экситонный [2].
Рассмотрим возбуждение экситонов в таких структурах применительно к изотопической квантовой яме.
Экситонами называют электрон-дырочные пары, в которых электрон и дырка соединены кулоновскими силами притяжения (рис. 3). Такая частица возникает в результате поглощения фотона, не влияет на электропроводность вещества, поскольку не обладает электрическим зарядом. Возникновение экситонов значительно облегчается в низкоразмерных структурах (наблюдается даже при комнатной температуре), т. к. локализация в ограниченной области усиливает эффекты перекрытия волновых функций электронов и дырок. В случае, когда боровской радиус г экситона намного меньше ширины квантовой ямы, экситон сжимается, усиливаются кулоновские силы. Это приводит к увеличению энергии связи Асв между электроном и дыркой, что сказывается на устойчивости экситонов в квантовых ямах по отношению к сильным электрическим полям.
Экситоны могут быть описаны в рамках водо-родоподобной модели, где энергии связанных со-
где К = 5,04 х 1022 ат/см3 - число атомов кремния в 1 см3.
'КСИТ01 Рис. 3. Орбиты экситонов
стояний Еэкс определяются известным уравнением Шредингера [2]. Так, для кремния энергия эксито-на (равная энергии фотона, необходимой для его создания) и его радиус будут составлять соответственно на нижнем уровне квантования 12,1 ТэВ и 3,13 нм. Величина Есв для объемного материала равна разнице между величиной запрещенной зоны Ес и Еэкс. Экситоны гораздо легче и чаще наблюдаются в собственных полупроводниках, чем в легированных другими элементами, поскольку в последних свободные носители частично экранируют кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой. Поэтому вероятность возбуждения экситонов в изотопических структурах, легированных собственными изотопами, должна быть выше. В очень многих полупроводниках рекомбинация электронов и дырок происходит без излучения фотона. Процесс рекомбинации осуществляется посредством центров рекомбинации в виде внутренних дефектов. Более чистые изотопические материалы могут повысить эффективность фотолюминесценции, что важно, например, для лазерных диодов.
Важной характеристикой экситона является стабильность, которая определяет время «жизни» частицы. От нее зависят многие параметры оптоэлектронных приборов (оптических модуляторов, устройств хранения информации и т. д.). Во многом стабильность экситона определяется величиной энергии связи. Значение Е , в свою
г св
очередь, зависит от глубины квантовой ямы, ширины ямы а и подвижности частиц (электрона и дырки) в полупроводнике.
Для моделирования оптоэлектронных устройств с заданными параметрами необходимо иметь методику расчета Есв экситонов в зависимости от характеристик квантовых структур (сочетания изотопов химического элемента, ширины ямы а, разницы между величинами запрещенных зон ДЕ, зависимости величин потенциальных барьеров ямы для электрона Уэ и дырки и Уд от ДЕ). Такая методика позволит аналитическим путем находить характеристики ямы, которые могли бы обеспечить максимально возможную величину ЕсВ. Так, на основании работы [6] можно предложить следующий алгоритм нахождения энергии связи экситона:
1) определение разницы в величинах запрещенных зон Е между слоями в «гетеропереходах», образующих квантовую яму (см. рис. 3) ДЕ = Е - Е ;
С1 сг2
2) вычисление высоты барьера для электрона Уэ и дырки Уд (их значения зависят от конкретных материалов, например, для сочетания GaAs - AlGaAs У = 0,85ДЕ, У = 0,15ДЕ);
эд
3) подстановка их в известное уравнение Шредингера применительно к потенциальной яме ограниченной высоты для расчета волновых функций электрона и дырки Уд(^);
4) после решения численным методом урав-
1-т-1-'-Г
Тяжелые дырки
_1_
14
12
10
"1—1—I—'—Г
Легкие дырки
Бесконечно глубокая яма
_1_
_1_
_1_
200 300 и Ю0 200
Ширина ямы, нм Ширина ямы, нм
Рис. 4. Зависимость энергии связи от ширины ямы
СП
о
со к ш о
о.
ф
X
о
нений для волновых функций уэ(г) и расчет значений энергий низшего уровня для электрона Еэ и дырки Ед;
5) нахождение энергии связи как разности между энергией электрон-дырочной пары и энергией экситона Е , Е = (Е + Е ) - Е ;
экс' св 4 э д экс'
6) построение зависимости Есв = f(a);
7) определение величины a, соответствующей максимальному значению функции, т. е. max Есв.
В качестве примера на рис. 4 изображены зависимости энергии связи от ширины ямы a для сочетания полупроводников Al^Ga^As - GaAs [6].
Вид этих кривых свидетельствует о том, что зависимости Есв = f(a) имеют явный нелинейный характер с максимумом в области 3-4 нм. При дальнейшем уменьшении ширины ямы энергия Есв падает за счет эффекта туннелирования. Выбор конкретного материала для квантовой структуры зависит от требуемых характеристик
экситона. В этом случае предпочтение следует отдавать прямозонным полупроводникам, таким, как галлий арсенид. Несмотря на небольшую разницу в величинах запрещенных зон для изотопов кремния, этот химический элемент может быть использован для создания низкоразмерных структур, например, фотонно-кристаллического волокна, где важно обеспечить необходимую разницу в коэффициентах преломления основы ФКВ и квантовых проволок.
Дальнейшее развитие изотоптроники позволит расширить список перспективных материалов для наноэлектроники и оптоэлектроники и продвинет создание элементной базы не только для телекоммуникационных систем связи, но и для других стратегически важных направлений науки и техники, например, квантовых процессоров и систем передачи квантовой информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Журавлева, Л.М. Ядерная нанотехнология низкоразмерных изотопически-смешанных структур [Текст]/Л.М. Журавлева, В.Г. Плеханов//Наноинду-стрия.-№ 4.-2009.-С. 28-30.
2. Мартинес-Дуарт, Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники [Текст]/Дж. М. Мартинес-Дуарт, Р. Дж. Мартин-Палма [и др.].-М.: Техносфера, 2007.-368 с.
3. Tsoi, S. Nanotechnologies for microelectronics [Текст]/8. Tsoi, H. Alawadhi, X. Lee// Physical Review.
-2004.-Vol. 70.-P. 193-201
4. Журавлева, Л.М., В.Г. Плеханов Способ изготовления оптического волокна: патент РФ №2302381 от 09.12.2005.
5. Мухин, К.Н. Экспериментальная ядерная физика [Текст].-СПб.-М.-Краснодар: Лань, 2008.-318с.
6. Greene, Ronald L. Energy levels of Wannier excitons in GaAs-Ga^ Al^ As quantum-well structures [Текст]ЖопаЫ L. Greene//Physical Review. -Vol. 29.-№ 4.
