Публикации: Наноматериалы (рубрикатор)

ФГУП НПК «ВНЦ ГОИ им С.И.Вавилова»

В этой статье, на примерах наиболее передовых исследований в области совершенствования последних разработок микроэлектроники я сделаю попытку показать справедливость нашего представления об истинных направлениях развития нанотехнологий.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ - технология синтеза композитных материалов, наноразмерных (пространственных и пространственно-временных) структур, взаимодействующих с электромагнитными и гравитационными полями на уровнях ниже дифракционного предела.

Для доказательства обратимся к обоснованиям и истории развития нового направления технологий, основанных на квантово размерных эффектах (КРЭ) и 3D синтезированных квантово размерных структурах (КРС) [1]. Названные структуры изучаются новой отраслью химической науки – супрамолекулярной химией (химия за пределами молекулы).Предметами ее исследований являются межмолекулярные взаимодействия, особые взаимодействия между фрагментами супермолекулярных (очень больших) структур, природа связи в ансамблях наночастиц и т.п. Квантовые структуры могут быть получены посредством следующих технологических процессов:

• нанопроизводством на сканирующих зондовых установках
• коллоидными химическими средствами
• управляемым затвердеванием в процессе эпитаксиального роста
• флуктуацией размерами в условных формирования квантовых колодцев

Физики уже накопили большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантовомеханических принципах. Укладывая атомы с точностью до одного-двух слоев, можно создавать искусственные кристаллы, молекулы и атомы с заданными свойствами. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры порядка нескольких нанометров. Можно выделить несколько основных типов микроструктур: квантовые ямы, нити, точки, сверхрешётки.

Член корреспондент РАН Я.Е.Покровский (ИРЭ РАН) так характеризует квантово размерные структуры (конденсированные среды) [10]: при рассмотрении электронных процессов в конденсированных средах наиболее существенна квантовая размерность электронной системы. Критерием здесь является соотношение между де-бройлевской длиной волны электрона L и размерами исследуемого объекта D. Если L<d="" (2d),="" при="" l="">D в двух направлениях объект становится одномерным (1D), а плотность состояний - разрывной функцией энергии. Наконец, при L>D во всех трех направлениях система становится нуль-мерной (0D) c дискретным электронным спектром. Размерность системы может изменяться в зависимости от температуры, магнитного поля и т. д.

Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, - это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb впервые наблюдались эффекты размерного квантования [2, 1].

В настоящее время квантовые эффекты наблюдают на гетероструктурах (контакты между п/п с различной шириной запрещенной зоны) [3...7]. На таком контакте края энергетических зон испытывают скачки, ограничивающие движение носителей и играющие роль стенок квантовой ямы или квантовые точки.

Квантовые ямы [26]

Квантовые ямы создают, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому можно сказать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно приготовить и структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной. Далее, по порядку:

Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити) [27]

В такой структуре два направления (y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой En = (hn/a)²/8m, где a – толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. В оставшемся направлении (x) электроны могу передвигаться свободно. Образованную потенциальную яму надо считать бесконечно глубокой, следовательно, En должны быть малы по сравнению с действительной глубиной ямы Ф. Данное условие приводит к толщине нити порядка нанометров. Полная энергия носителей в квантово-размерной нити, аналогично тонким пленкам, носит смешанный дискретно-непрерывный спектр: E = Enm + p_x 2/2m, где p_x – компонента импульса в направлении нити (x).

Структуры с нуль-мерным электронным газом (квантовые точки) [28]

В такой структуре все направления (x,y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой En = (hn/a) ²/8m, где a – толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. При синтезе потенциальных ям методом управляемого затвердевания пленки материала А выращенного на субстрате созданном из материала В можно производить острова А, т. к . разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP. Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитоксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А. Образованную потенциальную яму надо считать бесконечно глубокой, следовательно, En должны быть малы по сравнению с действительной глубиной ямы Ф. Данное условие приводит к размеру точки порядка нанометров. Полная энергия носителей квантовой точки также носит смешанный дискретно-непрерывный спектр: E = E_nml. Такие структуры особенно интересны тем, что их свойства аналогичны свойствам дискретного атома, поэтому их иногда называют искусственными атомами.

В базовой работе [1] ещё в 1968г предсказывалось: Размерное квантование может также приводить к заметному увеличению ширины запрещенной зоны в полупроводниках и к переходу полуметалла в диэлектрик, к появлению резонансного поглощения света в пленках, к осцилляционной зависимости сопротивления пленки от продольного электрического поля и т. д.

Кроме того, более 10 лет назад на основе численного решения нестационарного уравнения Шреденгера в [8] показана возможность исследования генерации гармоник в туннельно-связанных квантовых ямах. При этом, резонансный туннельный диод - это первое реальное устройство с квантовой ямой и барьерами. Он был создан Лео Эсаки и Чангом в 1974 году. Идея прибора была предложена раньше. Это сделал Л. Иогансен в 1963 году[1, 32].

Квантово размерные структуры на основе гетеро структур (ГС) In0.2Ga0.8As/GaAs характеризуются числом квантовых ям (ЧКЯ), толщиной квантовой ямы (ТКЯ), толщиной барьерного слоя (ТБС) и толщиной покрывающего слоя (ТПС) [1,9]. В 90-е годы ХХ века появились тепловизионные приборы на QWIP-матрицах с высокой технологичностью, воспроизводимостью, однородностью параметров по элементам с форматом 256х256, 320х240, 320х256, 640х512 и др. Чувствительность довольно высока: у лучших приборов NETD даже ниже 10 мК, типовых – 20 мК, средних – 35 мК. QWIP-матрицы обладают способностью управления спектральной чувствительностью и возможностью перейти в будущем от гибридных структур фокальных матриц к монолитным [11…17].

Расширение области чувствительности этих фокальных фотоприемных матриц, первоначально названных QD оптоэлектронными приборами (наноструктуры с так называемыми квантовыми точками - quantum dots) [8], получившими в последствии название QWIP матрицы, - матрицы ИК-фотоприемников с множественными квантовыми ямами (структура AlGaAs/GaAs), осушествлялось постепенно (см. патенты [19…22]). О принципах расчета области чувствительности таких матриц можно составить представление по публикацям [11,12], а эволюция технологической отработки чувствительных элементов видна из приведенных в Таблице 1 графиков (со ссылками на патенты [19…22]).

Отработка матриц ведется по пути расширения диапазона чувствительности ее элементов и совершенствования параметров чувствительности по ряду технологических направлений, о которых можно составить представление по публикациям [13…18]. Cоздание комплексированных систем расширенного диапазона ИК и терагерцового видения сталкивается с проблемной задачей совмещения изображений двух поддиапазонов, дифракционные пределы которых отличаются на порядок. В статье с соавторами [29] и в докладе [30] приводятся алгоритм, и описывается принцип построения комплексированных систем, в которых за счет разделения потоков излучения ИК и субмиллиметрового диапазонов чувствительности удается реализовать получение совмещенных изображений, формируемых в двух областях чувствительности матричного квантового приемника излучения, с реализацией режима сверх разрешения в дальнем субмиллиметровом диапазоне.

О возможности построения матричных фотоприемников, чувствительных как в ИК, так и в терагерцовом диапазонах спектра электромагнитных колебаний (ЭМК) писали как зарубежные, так и Российские исследователи в 1990…97 г.г. [6…8, 10]. Первоначально наибольший интерес вызывали сверхрешетки - многослойные периодические гетероструктуры с чередующимися слоями полупроводников толщиной 1 - 10 нм. Наиболее простой и совершенной структурой здесь остаются сверхрешетки GaAs/AlGaAs, хотя создание сверхрешеток на основе других комбинаций полупроводников А3В5, А2В6 и напряженных слоев Ge-Si достаточно хорошо освоено. В таких структурах потенциал с периодом сверхрешетки d приводит к размерному квантованию электронного спектра и возникновению узких мини зон в электронной и дырочной зонах, соответственно. Фотоприемники на основе квантово-размерных эффектов (КРЭ), по сравнению с другими аналогичными устройствами, обладают таким уникальным свойством, как возможность варьирования области их спектральной чувствительности путем изменения ширины квантовой ямы (которая определяется толщиной слоя узкозонного полупроводника и выступает в качестве параметра размерности) и ее глубины, зависящей от величины разрыва краев зоны проводимости широкозонного и узкозонного п/п материалов.

Это свойство открывает возможность в рамках единого процесса на основе двух пар п/п материалов с различной шириной запрещенной зоны получать монолитные матрицы фоточувствительных элементов (ФЧЭ) по крайней мере с двумя различными окнами (областями спектральной чувствительности). При этом выбор пар материалов не имеет принципиального значения. Принцип формирования мультиспектральных приемников на основе структур с квантовыми ямами (КЯ) можно понять из приведенного рисунка 1, заимствованного из работы [7].

Важным направлением отработки таких технологий при создании гетероэпитаксиальных структур является отработка принципов создания квантовых точек и квантовых колодцев с управляемым наноразмерным синтезом самих точек в общей структуре решеточной конструкции. Флуктуации размеров в квантовых ямах нарушает периодичность в двух расширенных направлениях, таким образом создаются образования точек с отличными друг от друга спектральными свойствами. Управление формой и размером достаточно сложно, но затраты оправдываются т.к. этим достигаются чрезвычайно точные спектроскопические черты. Методом МЛЭ, самым низкотемпературным из существующих методов эпитаксии, на основе гетеропары GaAs-AlAs удается получить резкие границы гетеропереходов, локализацию легирующей примеси в заданных активных слоях, почти идеальное согласование параметров решеток и, как следствие, относительно высокое структурное совершенство эпитаксиальных слоев КРС, иллюстрация приведена на Рисунке 2.

Фотопроводимость в КРС определяется переходами носителей заряда (электронов и дырок, находящихся на дне КЯ) в возбужденное состояние (когда они находятся над верхом ямы, над барьером) с последующим их дрейфом во внешнем электрическом поле. При таком возбуждении поглощается фотон падающего излучения. Коэффициент поглощения в КРС для относительно глубоких квантовых ям может в 100 раз превосходить поглощение, наблюдаемое в примесных полупроводниках. Наличие потенциальных барьеров в КРС препятствует протеканию сквозного темнового тока и позволяет варьировать концентрацию легирующей примеси в широких пределах, достигая значений, соответствующих металлической проводимости.

Характерно, что для квантовых приемников, какими являются QWIP матрицы, обычные принципы взаимодействия падающего излучения с чувствительными элементами кардинально отличаются от хорошо известных тепловых приемников излучения. Взаимодействие излучения происходит не на волновом принципе, а на принципе взаимодействия с фотонами (вплоть до единичных). Квант излучения выбивает из экситона квантовой ямы электроны, которые далее транспортируются по полосам проводимости на схемы считывания. По этой причине для повышения фоточувствительности матрицы излучение принимается не по нормали падения, а оно заводится через подложку. Технологически добиваются решения такой задачи путем нанесения призменных дифракционных решеток по разделяющим линиям между квантовыми колодцами.

В России исследования по созданию матричных приемников излучения на КРС в последние годы и годы прошедшего десятилетия проводятся интенсивно [10…12]. Более того, имеются даже коммерческие предложения по интегральным матричным фотоприемным модулям на основе МСКЯ GaAs/AlGaAs с In столбами разработки Института Физики Полупроводников СО РАН. Размер матрицы 320х256 элементов. Фрагменты матриц представлены на Рис. 3. Однако настоящего промышленного выхода добились западные и межконтинентальные фирмы и корпорации. Наибольших успехов достигла корпорация FLIR System. В настоящее время производственные мощности компании FLIR Systems сосредоточены на четырех предприятиях -- в США они располагаются в Портлэнде, Бостоне и Санта-Барбаре, плюс завод в Стокгольме (Швеция). В 2003 году в состав FLIR Systems вошла компания Indigo Systems -- ведущий разработчик и поставщик широкого спектра компонентов систем тепловидения, включая охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы, базовые компоненты камер и готовые камеры.

По каталогам Indigo Corporation можно проследить уровень достигнутых нанотехнологий в области производства QWIP структур. В публикации [33] и на рисунках 4 и 5 приведены данные по 4х цветной QWIP матрице формата 640x512 и 640x128 элементов.

Список использованных источников:

1. Тавгер Б.А., Демиховский В. Я. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках.- Успехи физ.наук, т.96, с.61-86, 1968.

2. В.Я.Демиховский, «Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое?», соросовский образовательный журнал, №5, 1997, С. 80-86.

3. В.В.Капаев, А.В. Тюрин, Генерация гармоник в квантово-размерных структурах в сильном электро-магнитном поле, Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3.

4. М.Херман, «Полупроводниковые сверхрешетки». / Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

5. А.Я.Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков, «Физика низкоразмерных систем». СПб., 2001.

6. В.П.Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин, «Основы наноэлектроники». : Учебное пособие

7. Гордиенко А.Н. Технология квантово-размерных структур, СПбГПУ

8. Sa'ar; Amir; Shappir; Joseph, Voltage tunable integrated infrared imager, USP 20070063219 March 22, 2007

9. Булыгина Е.В и др. Наноразмерные структуры:классификация, формирование и исследование, Конспект лекций.

10. Я.Е.Покровский, Физика конденсированных сред, РФФИ

11. Акиншина Г.В. Расчет интервала технологического допуска для гетероструктур ИК-фотоприемников. Россия, Ставрополь, Ставропольский государственный университет. Материалы I Международной научно-технической конференции "Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании"
12. Акиншина, Галина Владимировна Математическое моделирование структур с множественными квантовыми ямами непрямоугольного асимметричного профиля для формирования ИК-фотоприемников с заданными свойствами : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.18 Ставрополь, 2006
13. Певцев Е., Чернокнижин В. Матричные ИК-приемники для малогабаритных тепловизионных камер.//Электронные компоненты. 2001, № 1, с. 32 – 36, 2001, № 2, с. 30 – 34, 2001, № 3, с. 12 – 20.
14. В.Н. Овсюк и др, Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона, Новосибирск: Наука, 2001, 376с.
15. А. Коломыйцев, Д. Карнеев На подступах к объекту. Секреты охранного тепловидения – I , 23.05.2008,
16. Дмитриев Е., Фотоприемники для работы в мультиспектральных оптоэлектронных системах. Проблемы создания, журнал "Электроника: Наука, Технология, Бизнес" , Выпуск № 8/2005
17. Кравченко А.Ф.,Овсюк В.Н. Электронные процессы в твердотельных системах пониженной размерности, 2000, ИЗД-ВО Сибирского отделения Российской академии наук , Ихтик
18. Nano-Optoelectronics Concept, Physics and Devices, edited by M. Grundmann (Springer-Vering, Berlin, 2002)
19. Nishino Hiroshi. Photodetector, Patent JP2002320148, 2002-10-31 (Priority number: JP20010126282 20010424)
20. Gunapala, Sarath D. ; et al. Multi-quantum-well detector for low-background applications USP 20020074542, June 20, 2002
21. Perera, A.G. Unil ; et al. Heterojunction far infrared photodetector. USP 20050258415, November 24, 2005
22. Priority JP20010126282 20010424
23. Здоровейщев А. В., Влияние физико-химической модификации покровного слоя на морфологию и фотоэлектронные спектры квантовых точек inas/gaas, выращенных газофазной эпитаксией, Нижний Новгород, 2006 г., автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук,
24. Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроникиФОТОНИКА 2008
25. Акчурин Р.Х., Берлинер Л.Б., Малджы А.А., Мармалюк А.А. Влияние знакопеременных деформаций на образование дислокаций несоответствия в многослойных гетероструктурах InGaAs/GaAs, формируемых методом МОС-гидридной эпитаксии, Секция «Физика низкоразмерных систем (квантово-размерные гетероструктуры и наноструктуры)», Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии. VII Международная конференция. Кисловодск – Ставрополь: СевКавГТУ, 2007 – 510 с
26. В.И. Зубков. Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 3
27. Л.К. Орлов, Н.Л. Ивина., Физика твердого тела, 2004г., т.46,вып 5
28. Квантовые точки, Нанометр
29. Г. С. Мельников, В. М. Самков, Ю. И. Солдатов, Н. А. Клишо, Э. Д. Панков , В. В. Коротаев., Реализация режима сверхразрешения при комплексировании тера­Герцового и ИК-диапазонов на qwip-матрицах // Изв. вузов. Приборо­строение. 2008. Т. 51, № 9. С. 47—54.
30. Г.С.Мельников, Н.А.Клишо, В.М.Самков, Ю.И.Солдатов, Э.Д.Панков, В.В.Коротаев. Метод реализации режима сверх разрешения на двух диапазонных QWIP матрицах., Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники Фотоника-2008
31. Интегральные матричные фотоприемные модули на основе МСКЯ GaAs/AlGaAs, ИФПСОРАН
32. Л.В Иогансен ЖТФ 32, 4, 406 (1962); 33, 11, 1323 (1963);
33. Roy Szweda, QWIPs – Multi-spectral mine clearance and medical, Indigo Corpjration