CC BY
15Т
Конференции, семинары, симпозиумы
УДК 681.782
Ю. А. Быстров, Г. Ф. Глинский
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
"ЛЭТИ"
М. А. Васильева, Т. А. Гаврикова, В. И. Ильин
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Пятая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике
Подведены краткие итоги 5-й всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Названы студенты и аспиранты ,работы которых удостоены премий.
Конференция, оптоэлектроника, наноэлектроника, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, СПбГПУ, СПбГЭТУ
Значительные успехи, достигнутые в последние десятилетия ХХ века в технологии получения высококачественных полупроводниковых слоев, толщина которых составляет единицы нанометров, привели к созданию нового класса приборов - приборов наноэлектрони-ки. По сравнению с обычными приборами полупроводниковой микроэлектроники, активные элементы которых измеряются единицами микрометров, приборы наноэлектроники обладают рядом существенных преимуществ. К их числу относятся не только малые размеры, позволяющие увеличить степень интеграции, но и более низкая активная мощность, выделяемая в процессе работы. Последнее обстоятельство позволяет значительно повысить частотный диапазон работы таких приборов, что существенно для микропроцессорной техники.
Анализ процессов, протекающих в приборах наноэлектроники, сопряжен с трудностями, имеющими принципиальный характер. Дело в том, что поведение электронов в полупроводниковых кристаллах с размерами порядка одного микрометра и более аналогично их поведению в объемных кристаллах макроскопических размеров. В этом случае основные электронные свойства полупроводника определяются его зонной структурой, и в частности шириной запрещенной зоны ^. При этом наиболее существенную роль играют энергетические состояния электронов и дырок вблизи дна зоны проводимости Ес и потолка валентной зоны Еу соответственно (Eg = Ес - Еу) (рис. 1). Для кристаллов ука-
70
© Ю. А. Быстров, Г. Ф. Глинский, М. А. Васильева, Т. А. Гаврикова, В. И. Ильин, 2004
Е
Е„
Е
Е„
Рис. 1
занных размеров энергетическим спектр носителей заряда в зоне проводимости и в валентной зоне с большой точностью можно считать непрерывным и при анализе процессов протекания тока в приборах микроэлектроники (диоды, транзисторы и т. п.) ограничиться квазиклассическим приближением, в котором электроны и дырки можно рассматривать как классические частицы (квазичастицы), имеющие сложный закон дисперсии энергии Е^ (Ш - импульс частицы) и движущиеся во внешних полях в соответствии с законами Ньютона.
В полупроводниковых структурах с наноразмерами ограничение движения частиц приводит к эффектам размерного квантования энергии электронов и дырок, что делает применение классической механики неправомерным. Представим себе, что на подложке из широкозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны Egl выращен слой узкозонного
полупроводника с шириной запрещенной зоны Eg2, а на этом слое произведено наращивание широкозонного полупроводника. В такой двойной гетероструктуре профиль дна зоны проводимости и валентной зоны в направлении нормали к гетерограницам будет иметь вид, показанный на рис. 2. Вследствие того, что Eg2 < Egl, границы слоя являются потенциальными барьерами для электронов и дырок узкозонного полупроводника и носители локализуются в пределах 0 < х < ё . При уменьшении толщины ё до значений менее 100 нм энергетический спектр электронов Ее и дырок Е^ в потенциальной яме существенно меняется - вступает в действие эффект размерного квантования. Энергия носителей зарядов в таких однополярных квантовых ямах может принимать лишь дискретный ряд значений Ее и
Ееь (п = 1, 2, ...). Вдоль ямы (в плоскости ху, - см. рис. 2) электрон движется, как свободная частица, а поперечное движение ограничено стенками ямы. Полная энергия движения складывается из квантовой энергии поперечного движения и энергии свободного движения вдоль ямы. В результате в зоне проводимости вместо одной трехмерной зоны появляется набор двухмерных подзон, называемых под-
Е
зонами размерного квантования.
Если движение электрона ограничить близкорасположенными потенциальными барьерами не по одной координате, а по двум, то энергетический спектр будет характеризоваться набором одномерных подзон размерного квантования. Такие структуры называют структурами с квантовыми нитями. Наконец, при ограничении движе-
Е.
Е
Е Ес Е
Рис. 2
х
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 2=====================================
ния во всех трех измерениях формируется квантовая точка. Спектр энергий квантовой точки такой же, как и у атома, - это набор дискретных значений. В целом структуры с квантовыми ямами, нитями и точками называют квантово-размерными, или низкоразмерными структурами, а также наноструктурами.
Наноструктуру изготавливают, изменяя химический состав кристалла на расстояниях порядка нанометра, а сами элементы размерного квантования имеют размеры порядка 5...100 нм. Совокупность способов и приемов, позволяющих получать наноструктуры, называют нанотехнологией (НТ). Наиболее широко применяемыми способами и приемами НТ являются: метод молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазная эпитаксия из металлорганиче-ских соединений, методы нанолитографии, самоорганизация квантовых точек и нитей.
К настоящему времени накоплен огромный материал по свойствам наноструктур. Это теоретические и экспериментальные исследования энергетического спектра электронов и дырок, а также экситонов в этих структурах, оптических свойств, кинетических эффектов в магнитном поле (квантовый эффект Холла); туннелирование через квантово-размерные структуры; использование наноструктур в приборах нано- и оптоэлектроники; наноматериалы и нанохимия; нанотехнология в биомедицине; наномеханика. Всю совокупность исследований свойств наноструктур и доведенных до практического (приборного) использования результатов называют нанонаукой (НН).
До 2000 г. три региона - Северная Америка (в основном, США), Япония и Западная Европа - финансировали работы в области НТ и НН на одинаковом уровне (порядка 200.300 млн дол./год). С 2001 г. США вышли в лидеры (497 млн дол.). Национальная на-нотехнологическая инициатива США представлена пятью направлениями:
• Фундаментальные исследования в области НТ и НН.
• Создание телекоммуникационных сетей высокого качества.
• Развитие инфраструктуры, включающей метрологию и моделирование.
• Этические, правовые и социальные вопросы НТ и НН.
• Образование и подготовка нового поколения специалистов.
Особое внимание уделяется вовлечению как можно большего числа студентов в работы, связанные с НТ и НН. В США планируется к 2005 г. обеспечить участие в учебных курсах и в исследовательских работах до 50% студентов в четверти университетов.
В России также имеется своя программа развития электроники, в которой центральное место занимают вопросы НТ и НН. Конечно, финансирование этой программы по порядку величины не сравнимо с бюджетом нанотехнологической инициативы США. Тем не менее российские научные центры и университеты в исследованиях наноструктур занимают передовые позиции. Достигается это не только благодаря собственным работам, проводимым в основном при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), но и за счет кооперации с зарубежными научными центрами и фирмами.
В рамках 6-й Рамочной программы Евросоюза по научно-технологическому развитию (6РП) в России создана "Национальная контактная точка по НТ и НН" (НКТ "НАНО"), которая является элементом базовой инфраструктуры поддержки сотрудничества Российской
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 2
Федерации и Европейского Союза. НКТ действует на базе Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН*. Основной задачей НКТ "НАНО" является оказание информационной и консультативной поддержки, методического сопровождения совместной исследовательской деятельности с участием российских научных коллективов в составе консорциумов 6РП по НТ и НН, а также совершенствование структуры взаимодействия с ЕС.
В России сделаны первые шаги по организации на федеральном уровне подготовки специалистов в области НТ и НН. Приказом Минобразования РФ № 686 от 02.03.2000 г. утверждено направление подготовки дипломированного специалиста 658300 - Нанотехнология. В 2003 г. утвержден образовательный стандарт направления и примерные учебные планы специальностей 202000 - Нанотехнология в электронике и 073800 - Наноматериалы. В подготовке специалистов для данных областей знаний принимают участие МИЭТ, МИФИ, НГГУ, СПбГЭТУ и другие вузы.
На ученом совете СПбГЭТУ, проведенном 04.12.03, был рассмотрен вопрос о подготовке специалистов по НТ и развитии научных исследований в этом направлении. С докладом "Состояние и перспективы научных исследований и подготовки специалистов в области микро- и наноэлектроники" выступил декан факультета электроники профессор А. В. Соломонов. В докладе было отмечено, что в Электротехническом университете ведутся фундаментальные исследования в этой области: теоретические методы расчета электронных и оптических свойств полупроводниковых квантово-размерных структур и фотонных кристаллов; физика фуллеренов и фуллереносодержащих систем; линейная и нелинейная динамика СВЧ-волновых процессов в магнитных микро- и наноструктурах и др. В области НТ проводятся работы по следующим направлениям: золь-гель-технология гибридных органонеорганических наносистем; ионно-стимулированный синтез нанослое-вых композиций; неравновесный ионно-плазменный синтез нанокристаллического кремния и углеродосодержащих фуллеренов и нанотрубок и т. д. Широкие исследования проводятся по наноматериалам: нанокристаллический кремний, нанослои алмазоподобного углерода, нанослои и композиции органических веществ и др.
В выступлениях членов совета отмечалось, что направление "Наноэлектроника" является логическим развитием направления "Электроника и микроэлектроника", по которому в СПбГЭТУ подготовку специалистов с высшим образованием ведут все выпускающие кафедры факультета электроники: физической электроники и оптоэлектронных приборов; микроэлектроники; электронно-ионной и вакуумной технологии; радиотехнической электроники; оптоэлектроники; электронных приборов и устройств; электронного приборостроения. У них накоплен большой опыт преподавания дисциплин, которые могут составить ядро учебного плана подготовки специалистов по НТ. Кроме того, признано целесообразным, чтобы в этой работе приняли участие выпускающие кафедры других факультетов: радиотехники и телекоммуникаций, компьютерных технологий и информатики.
Значительную роль в развитии исследований и в обеспечении подготовки специалистов в области НТ и НН сыграла и в настоящее время играет федеральная целевая программа
* Веб-сайт НКТ "НАНО-6РП" http://www.fp6-nano.com
"Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки" (ФЦП "Интеграция"). На первом этапе (1997-2000 гг.) программа поддержала развитие научных исследований и образовательного процесса в области НТ и НН. Так, было поддержано развитие исследований и подготовки специалистов на базе учебно-научного центра ФТИ им. А. Ф. Иоффе и кафедры ФППНЭ СПбГПУ. В рамках первого этапа программы подготовлены и изданы учебные пособия в Новосибирске [1] и в Санкт-Петербурге по проекту «Серия учебных пособий "Новые разделы физики полупроводников"» (под общей редакцией В. И. Ильина (СПбГТУ) и А. Я. Шика (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН) [2]-[4]. В настоящее время, на втором этапе программы "Интеграция", реализуется проект «Серия монографий - учебных пособий "Квантовая физика твердых тел и размерных структур"» (под общей редакцией В. И. Ильина (СПбГПУ) и И. П. Ипатовой (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН). Возникла (1997 г.) и укрепилась традиция проведения молодежных конференций по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике. С 1999 г. конференции стали проводиться под эгидой ФЦП "Интеграция" и РФФИ совместными усилиями СПбГПУ, ФТИ им. А. Ф. Иоффе и СПбГЭТУ и получили ранг Всероссийских.
1-5 декабря 2003 г. в Санкт-Петербурге состоялась 5-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Пленарное заседание конференции вел профессор кафедры микроэлектроники СПбГЭТУ Г. Ф. Глинский (фото 1). Проведение конференции было поддержано ФЦП "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг." (проект Т0063 по направлению 2.7 и проект Б004); РФФИ (проект 03-02-26092г); ЗАО "Полупроводниковые приборы" и в
им. А. Ф. Иоффе: С. А. Тарасенко "Спин-гальванические эффекты", И. С. Тарасов "Мощные полупроводниковые лазеры" и М. Ф. Лимонов "Исследования запрещенной фотонной зоны: от спектроскопии к визуализации".
Состоялась стендовая сессия (60 докладов) по разделам: "Объемные свойства кристаллов", "Поверхность, граница раздела", "Гетероструктуры и низкоразмерные системы", "Дефекты и примеси", "Приборы". На пленарных заседаниях заслушаны 52 устных доклада.
Дипломы и премии присуждены пяти студентам и пяти аспирантам. За работы в области оптики твердого тела присуждены премии имени Е. Ф. Гросса. Отдельно дипломом и премией отмечен доклад ученика школы.
рамках "Недели науки" СПбГПУ.
Большую работу провели программный (во главе с акад. РАН Б. П. Захарче-ней, ФТИ им. А. Ф. Иоффе) и организационный (во главе с проф. Л. Е. Воробьевым, СПбГПУ) комитеты. Опубликованы 118 докладов из 26 вузов и научных центров 12 городов - от Санкт-Петербурга до Владивостока [5].
Фото 1
С докладами на конференции выступили приглашенные ученые ФТИ
Дипломом I степени и премией за доклад "AlGaAs/GaAs-смеситель на основе эффекта разогрева двухмерных электронов для тепловизора субмиллиметрового диапазона волн" награжден аспирант Московского педагогического государственного университета Дмитрий Владимирович Морозов (соавтор - аспирант Роман Викторович Ожегов, руководители - ст. науч. сотр. К. В. Смирнов, О. В. Окунев, проф. Г. Н. Гольцман).
Дипломами II степени и премиями награждены аспиранты:
• Антон Владимирович Иконников (Институт физики микроструктур РАН, г. Н. Новгород, руководитель - проф. В. И. Гавриленко) за доклад "Межподзонный циклотронный резонанс дырок и примесное магнитопоглощение в напряженных гетероструктурах Ge/Gej_xSi x ";
• Татьяна Валерьевна Касьянова (Дальневосточный государственный университет, г. Владивосток, руководитель - д-р физ.-мат. наук, зав. лабораторией А. А. Саранин) за доклад "СТМ исследования атомной структуры поверхностной фазы Si (111) - (V7 х V7) - Al".
Дипломами III степени и премиями награждены аспиранты:
• Василий Александрович Забелин (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, руководитель - В. В. Калаев (ООО "Софт-Импакт", Санкт-Петербург)) за доклад "Анализ методов увеличения эффективности светодиодов на базе InGaAlN";
• Марина Викторовна Музафарова (СПбГПУ, руководители - проф., зав. лабораторией С. Г. Конников и П. Г. Баранов (ФТИ им. А. Ф. Иоффе)) за доклад "Многовакансионные комплексы в карбиде кремния". На фото 2 запечатлен момент вручения диплома М. В. Му-зафаровой член-кор. РАН, зав. кафедрой физики твердого тела СПбГПУ Р. А. Сурисом.
Дипломами награждены аспиранты:
• Антон Владимирович Здоровейщев (Нижегородский государственный университет (НГГУ), соавтор - студент Олег Хапугин) за доклад "Влияние модификации поверхностных квантовых точек InAs/GaAs травлением на их морфологию и энергетический спектр";
• Сергей Юрьевич Зубков (НГГУ) за доклад "Морфология и эмиссионные свойства самоорганизованых наноострий на основе оксида Pd";
• Ольга Владимировна Кучерова (СПбГЭТУ ) за доклад "Модификация зонной структуры в гетероструктурах InGaAs/GaAs и InGaAs/InP под действием встроенных механических деформаций";
• Василий Львович Преображенский (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) за доклад "Конфайнмент электронно-дырочной рекомбинации в самоорганизованных нанокристаллах AgBr в кристаллической матрице KBr";
Фото 2
• Михаил Анатольевич Пятаев (Мордовский государственный университет (г. Саранск)) за доклад "Баллистический электронный транспорт через трехтерминальное наноустройство";
• Дмитрий Сергеевич Сизов (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) за доклад "Исследование особенностей механизмов инжекции и рекомбинации носителей в светодиодных структурах на базе GaN";
• Павел Анатольевич Шиляев (НГГУ) за доклад "Морфология слоев кремния на сапфире, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии".
Дипломом I степени и премией за доклад "Температурная зависимость динамики горячих носителей в InP квантовых точках" награжден студент Артем Малеев (СПбГУ, руководитель - доц. И. В. Игнатьев).
Дипломом II степени и премией награждены студенты:
• Михаил Барзилович (СПбГПУ, руководители - ассист. В. Л. Зерова, проф. Д. А. Фир-сов) за доклад "Внутризонная релаксация оптически возбужденных электронов в тун-нельно-связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs";
• Мария Тимонова (Новосибирский государственный университет, руководители - проф. А. В. Двуреченский, науч. сотр. ИФП СО РАН А. В. Ненашев) за доклад "Моделирование локализации волновых функций дырок в массиве квантовых точек Ge/Si".
Дипломом III степени и премией награждены студенты:
• Ирина Соболева (МГУ им. М. В. Ломоносова, руководитель - науч. сотр. А. А. Федя-нин) за доклад "Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной фотонной зоной на основе анизотропного мезопористого кремния";
• Алексей Спицын (СПбГЭТУ, руководитель - проф. Г. Ф. Глинский) за доклад "Зонная структура и пространственное распределение поля в 1D-, 2D- и ЭБ-фотонных кристаллах".
Впервые в практике конференций был представлен доклад школьника. Дипломом III степени и премией за доклад "Моделирование кинетических явлений в GaN" награжден Олег Рябков, ученик 11-го класса Вологодского многопрофильного лицея (руководитель - канд. физ.-мат. наук, заместитель директора лицея по научно-методической работе А. Г. Дрижук).
Дипломами награждены студенты:
• Максим Дурач (СПбГПУ, соавтор - студентка Анастасия Русина) за доклад "Экситон-ные поверхностные поляритоны в полупроводниковой трехслойной системе";
• Инна Калашникова (СПбГПУ, соавтор - студент Вячеслав Поляков) за доклад "Фотолюминесценция в ступенчатых InGaAs/AlGaAs и туннельно-связанных GaAs/AlGaAs квантовых ямах";
• Николай Матросов (МГУ им. М. В. Ломоносова) за доклад "Особенности стабилизации уровня Ферми и задержанной фотопроводимости в полуизолирующем Pbj_xSnxTe(In)";
• Алексей Соколов, Игорь Штром (СПбГУ, соавтор - студент Александр Ефремов) за доклад "Влияние электрического поля на фотолюминесценцию многослойных структур с квантовыми точками InAs";
• Антон Софронов (СПбГПУ) за доклад "Спиновая ориентация дырок при протекании тока в теллуре";
• Антон Строганов (МИЭТ, соавтор - аспирант Учеб.-науч. центра "Зондовая микроскопия и нанотехнология" И. И. Бобринецкий) за доклад "Атомная структура и электрические свойства пучков однослойных углеродных нанотрубок";
• Федор Сычев (МГУ им. М. В. Ломоносова) за доклад "Материалы с запрещенной фотонной зоной на основе пористого кремния и цирконата титаната свинца";
• Даниил Толмачев (СПбГПУ) за доклад "Исследование фосфоров, перспективных для рентгеновской томографии методами оптического детектирования магнитного резонанса по люминесценции и туннельному рекомбинационному послесвечению";
• Тимур Хамзин (Новосибирский государственный университет) за доклад "Влияние условий зарождения пленок GaN на их полярность при молекулярно-лучевой эпитаксии";
• Роман Чербунин (СпбГУ) за доклад "Кинетика фотоиндуцированного эффекта Фарадея в гетероструктурах на основе GaAs в электрическом поле".
Премией имени Е. Ф. Гросса награждены:
• за доклад "Влияние электрического поля на электронные состояния и вероятности оптических переходов в одиночных квантовых ямах" - аспирант СПбГЭТУ Олег Сергеевич Комков (руководитель - проф. А. Н. Пихтин);
• за доклад "Управление лазерным лучом с помощью фотонных кристаллов на основе искусственных опалов" - студент Михаил Рыбин (СпбГУ, соавтор - студент Антон Са-мусев, руководитель - ст. науч. сотр. М. Ф. Лимонов).
Конференция традиционно прошла в здании Научно-образовательного центра ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН. Организаторы конференции благодарны сотрудникам НОЦ за создание всех условий для успешной работы конференции. Информация о проведении следующей конференции будет помещена на сайте: http://www.spbstu.ru/rphf/conf2004.html.
Библиографический список
1. Драгунов В. П., Неизвестный И. Г., Гридчин В. А. Основы наноэлектроники: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. 332 с.
2. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах // Л. Е. Воробьев, С. Н. Данилов, Е. Л. Ивченко и др.; Под ред. Л. Е. Воробьева. СПб.: Наука, 2000. 160 с.
3. Оптические свойства наноструктур / Л. Е. Воробьев, Е. Л. Ивченко, Д. А. Фирсов, В. А. Шалыгин; Под ред. Л. Е. Воробьева и Е. Л. Ивченко. СПб.: Наука, 2001. 188 с.
4. Физика низкоразмерных систем / А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин, С. А. Рыков. СПб.: Наука, 2001, 156 с.
5. Пятая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой оп-то- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 1-5 декабря 2003 г.: Тез. докл. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 128 с.
Y. A. Bystrov, G. F. Glinsky
The Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI" M. A. Vasilieva, T. A. Gavricova, V. I. Ilyin
The Saint-Petersburg state politechnical university
The Fifth Russian Yang Researches Conference of Semiconductor Physics and Semiconductor Opto- and Nanoelectronics
A short review of results "The Fifth Russian conference of Semiconductor physics and Semiconductor opto- and nanoelectronics" (Saint-Petersburg, 1-5 December 2003).
Conference, optoelectronics, nanoelectronics, FTI named by A. F. Ioffe, SPbPU, SPbETU "LETI"
Статья поступила в редакцию 25 марта 2004 г.
