CC BY
57
¡Я ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Открытия на поверхности
полупроводников
пяазмоны
х50
Wv-i-U,^*34^ 1 ML Cs
*'—И0,7 ML Cs 0,6 ML Cs 0,5 ML Cs . .. р,35 ML Cs 0 ML Cs
1 2 3
Потеря энергии (эВ)
A.B. Ржанов — академик АН СССР, организатор и директор Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники СО АН СССР (впоследствии — Институт физики полупроводников СО РАН)
Десять лет назад мало кто мог предположить, что словосочетание «наноэлектроника» прочно войдет не только в научный оборот, но и в лексикон государственных деятелей развитых стран, в том числе и России
Вставшей классической монографии «Электронные процессы на поверхности полупроводников» (1971) академик A.B. Ржанов — первый директор Института физики полупроводников СО РАН, которому недавно присвоено имя ученого, — изложил результаты примерно сорокалетнего периода исследований поверхности полупроводников. Начало этим исследованиям положили работы академика И. Е. Тамма, который теоретически показал возможность существования особых состояний электронов на поверхности кристаллов. В конце 1940-х гг. в процессе
дальнейшего экспериментального изучения был открыт транзисторный эффект — одно из величайших достижений науки XX века.
В предисловии к своей книге A.B. Ржанов, которого мы с полным правом можем назвать одним из основателей физики поверхности полупроводников, сформулировал основные проблемы развития этой области науки и наметил пути их решения, которыми и руководствовались его ученики и последователи.
По мнению ученого, основные результаты в физике полупроводников можно было получить в процессе увеличения химической чистоты и структурного совершенства кристаллической решетки исходных веществ. Таким образом, усилия исследователей в 70—80-е гг. прошлого столетия были направлены на развитие технологии выращивания совершенных монокристаллов полупроводников.
К примеру, в Институте физики полупроводников СО РАН была освоена технология выращивания высококачественных монокристаллов кремния диаметром до 125 мм. Используемый при этом метод бестигельной
4 Спектры энергетических потерь электронов
для различной степени интенсивности покрытия цезием поверхности ОаАв
электрически активных примесей (в концентрации менее 1012 см~3 при содержании электрически неактивных примесей (кислород, углерод) в концентрации, не превышающей 1016 см3). Сегодня эти монокристаллы используются для создания элементов силовой электроники с предельными по величине переключаемой мощности параметрами (сотни кВт) .
Не менее значимые результаты получены в институте и при решении проблем не только химической чистоты и совершенства поверхности полупроводников, но также границ раздела «полупроводник-диэлектрик» и «полупроводник-полупроводник». Важную роль в этом сыграли разработка и применение нового поколения методов и инструментов для изучения электронных свойств и атомной структуры поверхности поистине с фантастическими возможностями по пространственному и энергетическому разрешению.
Важным шагом по оптимизации технологии получения совершенных границ раздела явилось развитие лазерной эллипсометрии. Этот метод, основанный на измерении углов поляризации отраженного света, был доведен в институте до высокой степени совершенства по следующим показателям: чувствительность (доли монослоя), быстродействие (микросекунды) и уровень автоматизации. Применение этого метода и совершенствование техники измерения вольт-фарадных характеристик структур «металл-диэлектрик-полупроводник» позволили разработать технологию, с помощью которой можно получить границу раздела ¡пАв-диэлектрик с исключительно низкой плотностью поверхностных состояний (менее 1010 см^эВ1).
На основе
зонной плавки обеспечивает отсутствие д и с л о к а ц и й, а также низкое содержание
1 д71 Опубликована 1 классическая
монография А. В. Ржанова, посвященная электронным процессам на поверхности полупроводников
Границы раздела кристаллов Ое (а) и 1пЭЬ (б) с пленками оксида на поверхности. Электронный микроскоп с высоким разрешением
элементы для матричных фотоприемных устройств среднего ИК-диапазона (2,5—3,0 мкм), применяемых в тепловизорах медицинского назначения; а в дальнейшем — для ИК-микроскопов и быстродействующих ИК-спектрометров.
Использование поверхностно-чувствительных методов электронной спектроскопии позволило получить впечатляющие результаты в процессе изучения элементарных механизмов фотогенерации электронов полупроводниковыми системами с отрицательным электронным сродством. Эти методы легли в основу технологий, разработанных в ИФП для получения полупроводниковых электронно-оптических преобразователей нового поколения, использующихся в современной технике ночного видения.
Самый мощный импульс развитию физики поверхности полупроводников дали ускоренные темпы совершенствования технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Ее основой является метод последовательного наращивания из молекулярных пучков отдельных атомных слоев кристаллических материалов на поверхности полупроводниковой подложки; при
этих структур Установка млэ «Обь-М»
были разрабо- для выращивания эпитаксиальных
таны фоточув- слоев соединений кадмий-ртуть-
ствительные теллур
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Монослой кремния формируется путем роста и объединения двумерных островков. Отражательная электронная микроскопия
этом с помощью дифракции быстрых электронов и лазерной эллипсо-метрии проводится одновременная диагностика состава и структуры растущих слоев. Исследование и точное определение механизмов формирования отдельных атомных слоев на атомно-чистой поверхности полупроводника дополнительно достигается за счет применения таких сложных и высокочувствительных методов, как: дифракция медленных электронов, отражательная электронная микроскопия, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия.
Комплексное использование всех этих подходов дало возможность применить метод МЛЭ для получения сложных тонкопленочных структур, состоящих из десятков и сотен отдельных слоев атомной и нанометровой толщины. По этой технологии в ИФП созданы многослойные эпитакси-альные структуры с квантовыми ямами, которые используются в ряде устройств современной электроники в сверхвысокочастотных транзисторах, фотоприемных устройствах, миниатюрных полупроводниковых лазерах с вертикальным резонатором и т.д.
Новый этап в развитии физики поверхности полупроводников и ее приложений в современной микро- и наноэлектронике начался в 1990-е гг. Были открыты квантовые эффекты в полупроводниковых системах пониженной размерности: в квантовых ямах, квантовых нитях и квантовых точках, а также в наноструктурах сложной геометрии, включая кольцевые электронные интерферометры и нанооболочки произвольной формы.
На основе эпитаксиальных структур с квантовыми точками германия и арсенида индия были созданы образцы фотоприемных устройств ИК-диапазона, одноэлектронных транзисторов и однофотонных излучателей. Результаты исследований и моделирования процессов переноса носителей
Островковые структуры серебра (а) и германия на поверхности кремния (б). Сканирующий туннельный микроскоп
заряда в многослойных структурах кремний-оксид с квантовыми точками открывает пути для улучшения основных параметров элементов электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств нового поколения, а также для перехода к схемам памяти терабитной емкости.
К приоритетным результатам последнего времени можно отнести разработку в ИФП метода молекулярной самосборки напряженных тонкопленочных структур, выращиваемых методом МЛЭ. Метод получения полупроводниковых нанотрубок открывает перспективы для производства отдельных наноструктур сложной формы и их массивов с предельно высокой точностью (до значения, равного толщине отдельного монослоя!).
По данной технологии уже изготовлены: нанотрубки полупроводниковых материалов, предназначенные для изучения свойств двумерного электронного газа на цилиндрических поверхностях; трубки микронного диаметра, предназначенные для микротермоанемо-метров, а также для использования в клеточной биологии и медицине в качестве микро- и наношприцев.
Дальнейшее развитие подобных технологий будет сопровождаться расширением сферы применения нанообъектов в электронике, биологии, медицине и других практически важных областях. И в этом — немалая заслуга сибирского ученого, академика А. В. Ржанова.
Академик А. Л. Асеев
(Институт физики
полупроводников
им. А. В. Ржанова СО РАН,
Новосибирский научный
центр)
Тридцать лет назад (в 1977 г.) в Томском академгородке был открыт Институт сильноточной электроники Сибирского отделения АН СССР. Так новое научное направление получило официальное признание
Исследования в новой области физики — сильноточной электронике (термин образован от словосочетания «сильные токи») — стали проводиться в 1960-х гг. группой ученых под руководством будущего академика Г. А. Месяца сначала в НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте, а затем в Институте оптики атмосферы. В 1977 г. на базе этого исследовательского коллектива был создан Институт сильноточной электроники СО АН СССР. Новое направление включало в себя такие области физики, как: разработка методов генерирования сверхмощных электрических импульсов, получение потоков заряженных частиц и электромагнитных излучений; физика вакуумного и газового разрядов, а также исследования воздействий мощных потоков частиц и энергии на вещество.
С силой ядерного взрыва
Плоть и кровь сильноточной электроники — мощная импульсная техника. В сильноточных генераторах электрическая энергия сначала медленно накапливается в конденсаторах, затем преобразуется и быстро выводится из них как короткий (длительностью в миллионные или миллиардные доли секунды!) электрический импульс. Напряжение в этом импульсе может достигать миллионов вольт, ток — миллионов ампер, а мощность — нескольких тераватт. (1 ТВт равен 1 млрд кВт; мощность, непрерывно генерируемая Красноярской ГЭС, составляет всего 0,006 ТВт.)
Участники 13-го Международного симпозиума по сильноточной электронике и 7-й Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (2004) на экскурсии в высоковольтном зале, где происходит сборка ступени мегаамперного линейного трансформатора
Томский импульс
