Гетероструктуры и квантовый дизайн: в НИЯУ МИФИ описали электронику будущего

Почти все компоненты современной электроники – транзисторы, светодиоды, фотодетекторы, полупроводниковые лазеры, солнечные батареи – построены на так называемых гетероструктурах. Что представляют собой эти структуры и чем обусловлена их важность для человечества? Почему они стали поводом для вручения Нобелевских премий в прошлом, как их дизайн выглядит сегодня и что с ними ждет электронику «завтра»?

С чего все начиналось: электроны и дырки

Известно, что современная электроника базируется на полупроводниках. Среди неспециалистов распространено мнение, что полупроводники проводят ток только в одну сторону. Это не совсем так: полупроводники или почти не пропускают его, или пропускают в любом направлении – все зависит от температуры, освещения, наличия примесей.

Совсем другое дело – полупроводниковые диоды. Эти устройства действительно работают как клапаны, позволяя току течь только в одном направлении. И достигается это за счет соединения различных материалов.

Именно контакт двух или более веществ разного состава лежит в основе любого электронного прибора. Если он возникает, скажем, между участками одного полупроводника с разным содержанием примесей – это так называемый «p-n переход».

Добавляя в чистый полупроводниковый кристалл примесь, можно увеличить его проводимость на несколько порядков. В зависимости от комбинации веществ, носителями тока в нем будут или отрицательно заряженные электроны (n-тип) или положительно заряженные дырки (p-тип). Примеси внедряют разными способами. Например, для создания биполярных кремниевых транзисторов, миллионы которых содержатся в микропроцессоре типичного компьютера или смартфона, обычно применяют ионную имплантацию – бомбардировку разогнанными ионами в вакууме.

Несмотря на несложную технологию создания, у p-n переходов есть свои недостатки, например, неустойчивость к высоким температурам. Даже в чистом полупроводнике при нагреве рождаются электроны и дырки: это значит, что однажды кристалл «забудет» о наличии в нем примесей, диод начнет пропускать ток в обе стороны, и прибор перестанет работать. А лазеры на p-n переходах – и вовсе работают только при температурах жидкого азота.

На пути к Нобелевской премии

Именно такое несовершенство p-n переходов и общая нужда в полупроводниковых лазерах, работающих при комнатной температуре, побудили ученых к созданию гетеропереходов и гетероструктур.

В гетеропереходе соединяются два кристаллических вещества, причем место контакта должно быть идеальным, без трещин и других дефектов, рассказал инженер Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» Юрий Сибирмовский. «Различие свойств на такой границе рождает множество полезных явлений. И, в отличие от p-n перехода, нагрев слабо влияет на свойства гетероструктур», — пояснил он.

Типичные полупроводники – кремний, германий, соединения АIIIBV (например, арсенид галлия GaAs или арсенид индия InAs, а также InP, GaN). Соединяя эти вещества и их тройные растворы, можно широко варьировать электронные и оптические свойства приборов.

Объединить различные полупроводники в одном приборе впервые предложил в 1947 году изобретатель транзистора Уильям Шокли. А настоящий прорыв в направлении гетеропереходов совершили – независимо друг от друга – советский ученый Жорес Алфёров и Герберт Крёмер в 1960-х годах, впоследствии разделив Нобелевскую премию по физике за 2000 год.

Ученые предложили конструкцию лазера с двойным гетеропереходом, где в тонком центральном слое «заперты» и электроны, излучающие свет, и сам лазерный луч до выхода из кристалла. Именно это решение позволило полупроводниковым лазерам непрерывно работать при комнатной температуре. Сейчас их используют повсеместно – например, в DVD-дисководах и проигрывателях.

В 1960-е годы экспериментальная реализация идеальных гетеропереходов казалась маловероятной. Однако Алфёров с коллегами все же смогли подобрать систему материалов GaAs/AlxGa1-xAs. Эта «гетеропара» стала основой не только лазеров, но и малошумящих транзисторов, которые встраивают в смартфоны для усиления сигнала.

Метод МЛЭ: между наукой и искусством

Ключом к получению идеальных гетеропереходов стало изобретение метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Рост структуры методом МЛЭ происходит за счет испарения сверхчистых исходных материалов из отдельных ячеек на нагретую монокристаллическую подложку в условиях почти космического вакуума.

Благодаря сверхвысокому вакууму и скорости роста около одного атомного слоя в секунду МЛЭ позволяет чрезвычайно точно контролировать химический состав и обеспечивать атомно гладкие границы между слоями гетероструктур. «Эпитаксия предоставляет колоссальную свободу в управлении составом слоев и комбинировании веществ. Здесь наука граничит с искусством, ведь из нескольких химических элементов можно сконструировать бесконечное множество самых разных гетероструктур», — утверждает Юрий Сибирмовский.

Схема процесса молекулярно-лучевой эпитаксии

Гетероструктуры в электронике

Вопрос о гетероструктурах особенно актуален для разработки транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT – high electron mobility transistor), крайне популярных в СВЧ-электронике: в системах спутниковой связи, радарах, мобильных устройствах.

Главное преимущество HEMT – скорость движения электронов, которая обеспечивает высокую частоту переключения транзистора и позволяет выйти за пределы нескольких десятков ГГц. Это достигается за счет добавления в систему материалов с высокой подвижностью электронов (GaAs, InAs) и расположения примеси за пределами проводящего слоя.

Однако размеры кристаллических ячеек InAs и GaAs не совпадают. Рост чистого InAs на подложках GaAs вызывает трещины и не дает получить работающий прибор. А подложки самого InAs недостаточно прочны. Поэтому важной задачей для физики гетероструктур стала разработка буферных слоев, позволяющих вырастить бездефектный слой InyGa1-yAs с как можно большей долей InAs. Это так называемые псевдоморфные HEMT-структуры, или PHEMT-структуры – именно на них сейчас держится большинство коммерческих СВЧ-усилителей.

Возможное решение здесь – постепенно менять долю InAs в процессе роста от подложки до проводящего слоя. Такие гетероструктуры называют метафорфными (или MHEMT-структурами). Изучая их, специалисты ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из ИСВЧПЭ РАН выяснили: наилучший эффект дает не плавное, а ступенчатое изменение состава с комбинациями сверхрешеток – узких слоев толщиной в несколько нанометров.

Решение – в квантовом дизайне

Для решения этой и других задач коллектив Лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии и нанолитографии ИНТЭЛ под руководством доцента НИЯУ МИФИ Ивана Васильевского предложил принципы квантового дизайна гетероструктур на основе перехода к составным функциональным слоям.

«Узкие проводящие слои выступают для электронов «квантовыми ямами». Электроны захватываются в эти узкие слои, при этом их свойства изменяются по законам квантовой механики. Если изменение химического состава однородной квантовой ямы уже не улучшает характеристики материала, выход – в усложнении конструкции за счет добавления различных неоднородных по составу нанослоев или сверхрешеток», — рассказал Иван Васильевский.

Ученый добавил, что эффективно повышать подвижность электронов без потери их высокой концентрации можно за счет, например, нановставки InAs внутри квантовой ямы или AlAs – снаружи ее.

«За время работы лаборатории мы спроектировали и вырастили сотни разных HEMT, PHEMT и MHEMT гетероструктур на основе InGaAs и тщательно изучили их свойства, что вызвало живой интерес ученых всего мира и сделало МИФИ одним из лидеров по числу публикаций в этой области. Полученные результаты успешно показали себя на практике, в разработке малошумящих СВЧ транзисторов и других приборов», — отметил Иван Васильевский.

По мнению ученого, несмотря на весь богатый опыт промышленного применения, этот материал еще не дошел до предела своих возможностей. Конкуренцию же в деле развития «электроники будущего» ему составляют материалы вроде графена, GaN, SiGe, SiC. Они обещают новые частотные диапазоны, большие мощности и работу при высоких температурах.

Однако для создания качественных и недорогих приборных структур на их основе требуются масштабные исследования, недаром недавние Нобелевские премии по физике были вручены именно за работу с графеном (2010 год) и нитридом галлия (2014 год).

Не оставляет без внимания эту тему и НИЯУ МИФИ. В 2018 молодые специалисты ИНТЭЛ получили премию Правительства Москвы за разработку СВЧ-усилителя из GaN с теплоотводом на основе графена.

Выгодной альтернативой переходу на новые материалы может оказаться как раз квантовый дизайн гетероструктур на основе арсенидов и фосфидов: он не требует дорогих подложек, освоения новых методов роста кристаллов и усложнения технического процесса.