научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

НОТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Наноструктуры

И грянул гром

(Продолжение)

Канун 1960 года, Калифорнийский технологический институт. На заседании американского физического общества выступает один из самых оригинальных физиков-теоретиков XX столетия Ричард Фейнман. Название его доклада весьма неожиданное: "Там внизу много места: приглашение в новый мир физики".

Ричард Фейнман

Это выступление ознаменовало начало эры нанонауки, и в частности ее инженерной реализации - нанотехнологий. Доклад без преувеличения был пророческим. Приведем из него два фрагмента.

"...МНЕ ХОЧЕТСЯ ОБСУДИТЬ ОДНУ МАЛОИЗУЧЕННУЮ ОБЛАСТЬ ФИЗИКИ, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений. Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу (т. е. "внизу или внутри пространства", если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира".

"И наконец, рискну предложить еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке - именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира! Что произойдет, когда мы научимся реально выстраивать или укладывать атомы поштучно в заданной последовательности?.. Я уверен (хотя, конечно, на эту тему нельзя пока сказать ничего определенного), что, научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты". Самое интересное заключается в том, что Фейнман практически угадал по времени начало бурного развития нанотехнологий - конец ХХ - начало ХХI веков.

У неспециалиста может возникнуть закономерный вопрос: почему этот мир называют наномиром, откуда появилась эта столь популярная сегодня приставка "нано". Слово "нано" имеет греческие корни (ν?νο?). "Нанос" означает гном, карлик, поэтому можно догадаться, что речь здесь идет об очень малых размерах. Если под "микро" понимаются длины порядка одной миллионной метра, то нанометр в тысячу раз меньше микрометра. Таким образом, это длины, вмещающие всего несколько десятков атомных слоев. Иначе говоря, технологии на наноуровне предполагают манипуляцию единичными атомными слоями (как видим, предсказание Фейнмана сбылось).

Физические закономерности на таких длинах имеют исключительно квантовый характер, и не случайно, что иногда нанотехнологии называют также квантовой инженерией. Примечательно, что при столь малых размерах, например, полупроводников соотношение между объемом и площадью поверхности системы становится таким, что важную роль начинают играть поверхностные эффекты и влияние границы образца на поведение частиц в таких структурах становится ключевым. Таким образом, квантовые эффекты в наноструктурах обусловлены малыми размерами исследуемых систем, и вполне логично такое квантование назвать размерным. Что же стало причиной проникновения человека в этот невероятно сложный и загадочный мир квантовых закономерностей, ведь и без того теория массивных полупроводниковых систем, составляющих элементную базу микроэлектроники, была сложной и во многом интуитивной?

Гетеропереход

В транзисторах предельная рабочая частота возрастает с увеличением так называемого коэффициента диффузии, который определяется подвижностью носителей заряда. В свою очередь подвижность зарядов зависит от среднего времени между актами столкновения. При этом чем больше это время, тем выше подвижность.

С ДРУГОЙ СТОРОНЫ, ОДНИМ ИЗ ГЛАВНЫХ ИСТОЧНИКОВ СТОЛКНОВЕНИЙ являются примеси, существующие в полупроводниках. Следовательно, чем чище полупроводник, тем выше подвижность носителей зарядов. Поэтому создается впечатление, что чем чище будет образец, тем большим будет его быстродействие. Однако для создания транзисторов требуется материал с высокой концентрацией носителей заряда. Между тем свободные носители возникают при заданной температуре только при введении в полупроводник примеси. Как видим, получается заколдованный круг, и снова, как и в случае с лампой, для выхода из создавшейся тупиковой ситуации необходимо было выработать новый, принципиально иной подход к решению этой дилеммы.

И выход был найден после того, как была предложена идея селективно-легированных структур. Сутью этой идеи является пространственное разделение примесей и носителей заряда, которые благодаря этим примесям возникают. Возникшие благодаря введению этой примеси электроны переходят за счет диффузии в расположенную в непосредственной близости тонкую полоску материала, в которую примесь не вводится. Эта полоска, содержащая электроны, но не содержащая примеси, и может служить активным элементом транзистора.

Но для того чтобы осуществить это, необходимо в первую очередь выяснить, какие именно материалы могут образовать гетеропару, обладающую желаемыми свойствами. Одной из первых эту проблему решила группа физиков под руководством академика Алферова. Ими была предложена селективно-легированная структура, использующая свойства гетероперехода GaAs/GaAlAs, на основе которых удалось создать первые полевые транзисторы на гетероструктурах с исключительно малым временем переключения и потребляемой энергией.

 Жорес Алферов

Идея селективного легирования послужила толчком к началу исследований свойств двухмерных электронных систем с уникальными свойствами, характерными лишь для квантовых структур. Чтобы разъяснить сказанное, необходимо с самого начала пояснить, как возникает двухмерный электронный газ в гетероструктурах. Проще всего это продемонстрировать на примере гетеропары GaAs/GaAlAs.

ИЗВЕСТНО, ЧТО ОДНОЙ ИЗ ВАЖНЕЙШИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКА является ширина его запрещенной зоны (энергетическое "окно" между зонами валентности и проводимости). Так вот если создать контакт между широкозонным GaAlAs и узкозонным GaAs полупроводниками, то на границе перехода возникнет потенциальный барьер. Ясно, что электронам, находящимся в широкозонном полупроводнике, энергетически выгоднее перейти в узкозонный полупроводник (они как бы скатываются в потенциальную яму), отрываясь от примесных центров и приобретая большую подвижность. Если теперь узкозонный полупроводник с двух сторон привести в контакт с широкозонными полупроводниками (GaAlAs/GaAs/GaAlAs), то движение электронов внутри ямы будет ограничено с двух сторон. Иначе говоря, образуется тонкий слой электронного газа, который практически лежит в плоскости. Слово "тонкий" здесь приобретает особое значение, т.к. благодаря этому в системе начинают играть роль квантовые эффекты, которые радикально меняют всю картину физических явлений, происходящих в рассматриваемых системах.

О каких же квантовых эффектах можно говорить, если слой хотя и тонкий, но все же макроскопический? Ведь квантовые эффекты проявляли себя на атомном или молекулярном уровнях, а здесь говорится о квантовании в том случае, когда вдоль толщины тонкого полупроводникового слоя (фактически образуется наноразмерная пленка) расположены десятки, а то и сотни узловых атомов?! Может показаться странным, но именно это обстоятельство и позволяет реализоваться квантовым закономерностям в подобных пленках. Выше мы уже отмечали, что так как квантование уровней носителей заряда связано с наличием малых размеров изучаемой полупроводниковой системы, то естественно назвать это квантование размерным.

Причина возникновения размерного квантования обусловлена фактом наличия малой, так называемой эффективной, массы у носителей заряда в полупроводниках. Введение эффективной массы при описании движения носителей заряда в полупроводниковых структурах стало возможным благодаря наличию трансляционной симметрии (периодичности) кристаллической решетки изучаемого полупроводника. На основе квантомеханического расчета было показано, что описание движения частицы в периодическом поле кристаллической решетки полупроводникового материала можно свести к задаче о движении свободной частицы в объеме полупроводника, но теперь уже с некоторой измененной - "эффективной" массой. При этом необходимым условием введения эффективной массы было условие строгой периодичности потенциала кристаллической решетки.

В случае, например, рассмотренной выше пленки вдоль направления оси квантования содержатся десятки и сотни узловых атомов, поле которых с большой точностью можно считать периодическим и, следовательно, можно ввести эффективную массу вдоль направления размерного квантования. С другой стороны, уже отмечалось, что волновые свойства электрона описываются теорией Де Бройля, согласно которой длина волны электрона обратно пропорциональна ее массе. Можно показать, что эффективная масса электрона в полупроводнике значительно меньше массы свободного электрона. Следовательно, эффективная длина волны Де Бройля в полупроводнике значительно превосходит величину длины волны Де Бройля свободного электрона. Вследствие этого возникновение квантованных состояний уже наблюдается при локализации в областях, линейные размеры которых составляют несколько нанометров. Но в плоскости пленки квантования нет, поэтому движение электрона в ней можно считать свободным и соответственно спектр такого движения является непрерывным.

ТАКИМ ОБРАЗОМ, МЫ ПРИХОДИМ К ВАЖНОМУ ЗАКЛЮЧЕНИЮ, СОГЛАСНО КОТОРОМУ движение электрона в наноразмерной пленке характеризуется энергией, одна часть которой дискретна, а другая - непрерывна. Исключительная важность сделанного вывода заключается в том, что уровнями дискретного спектра можно управлять путем контролируемого роста наноструктуры (например, в случае пленки меняя ее толщину). Последнее обстоятельство приводит к тому, что можно создавать системы с наперед заданными физическими характеристиками.

Если теперь уменьшить размеры массивного полупроводника в двух направлениях, то придем к квантовым проволокам. Движение носителей заряда в квантовых проволоках квантовано уже в двух направлениях. Спектр снова является частично квантовым, а частично - непрерывным. Однако доля квантованной энергии по сравнению со случаем квантовой пленки становится значительно больше. Здесь возможности манипулирования уровнями энергии носителей заряда увеличиваются, т.к. теперь уже, например, в случае проволоки прямоугольного сечения можно менять два геометрических параметра.

Картина становится еще более интересной, если движение частицы ограничить во всех трех направлениях. Тогда спектр энергии будет полностью квантованным. Итак, мы пришли к очень важному результату: в макроскопической системе можно реализовать состояние частицы с полностью квантованным спектром. Вследствие того что подобная ситуация изначально была выявлена в атомарных структурах, такие системы в научной литературе принято называть "искусственными" атомами (другим распространенным названием этих систем является "квантовая точка").

Искусственные атомы пирамидальной формы

Возникает вопрос, как можно использовать эти экзотические на первый взгляд структуры в качестве элементной базы приборов нового поколения?! Чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего обсудить конкретный пример применения указанных систем в качестве активной среды для гетероструктурных лазеров, а именно - лазеров на квантовых ямах.

Вам лазер какого цвета?

Уже сегодня эффективные лазерные устройства на квантовых ямах дошли до рынка и применяются, например, в волоконно-оптических линиях связи. Посмотрим, как устроены и работают эти приборы.

ВО-ПЕРВЫХ, НАПОМНИМ, ЧТО ДЛЯ РАБОТЫ ЛЮБОГО ЛАЗЕРА НЕОБХОДИМО СОЗДАТЬ инверсную населенность энергетических уровней. Другими словами, на более высоком уровне должно находиться больше электронов, чем на низком, в то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная. Во-вторых, каждому лазеру необходим оптический резонатор или система зеркал, которая запирает электромагнитное излучение в рабочем объеме.

Чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты, то есть порции электромагнитного излучения. Затем через валентную зону носители тока должны уходить на другой контакт.

Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно сконцентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних. Можно еще сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На границах этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор. При этом лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами.

Очень важно, что эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Так, при уменьшении размеров ямы минимальные энергии электронов в зоне проводимости и в валентной зоне увеличиваются, поэтому частота, генерируемая лазером, возрастает. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двухмерном электронном газе легче создать инверсную населенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны, они питаются меньшим током, нежели другие полупроводниковые лазеры, и дают больше света на единицу потребляемой энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет. В последнее время во многих лабораториях мира ведутся работы по созданию лазеров на квантовых точках.

Мы здесь представили один из наиболее ярких примеров, показывающих эффективность наноструктур при их использовании в качестве элементов приборов нового поколения. Естественно, что гетероструктурными лазерами эти приборы не исчерпываются. Сегодня уже предложены и интенсивно исследуются фотоэлементы на квантовых ямах, сенсоры, источники белого света и т.д. Квантовые наноструктуры рассматриваются также в качестве базового элемента для квантовых компьютеров. Именно такие ситуации можно реализовать в наноструктурах путем управляемого роста конкретных образцов.

Эпилог

Мы начали эту серию статей с истории тонущего корабля для того, чтобы продемонстрировать яркий пример того, как на первый взгляд кажущиеся очень далекими от практики идеи вдруг находили свое конкретное приложение в повседневной жизнедеятельности человека.

ВЕДЬ ЕСЛИ НА МИГ ПЕРЕНЕСТИСЬ В КОНЕЦ XIX ВЕКА, то для среднестатистического обывателя результаты исследований Маркони или Попова не имели ровным счетом никакого значения. Но уже в 30-е годы XX века невозможно было представить себе жизнь человека без домашнего радио, а корабли отправлялись в плавание, имея на борту надежную радиосвязь с сушей.

Точно так же в конце 40-х мало кого интересовали результаты Бардина, Браттейна и Шокли по твердотельному генератору электромагнитного излучения, пока не стало ясно, что на основе созданного ими полупроводникового транзистора можно не только изготавливать портативные слуховые аппараты, но и создавать электронное оборудование для космических аппаратов. Человечество только начинало в полном объеме оценивать результаты второй электронной революции, когда в журнале "Успехи физических наук" вышла одна из первых обзорных работ по физическим свойствам низкоразмерных полупроводников с управляемым энергетическим спектром.

Технический прогресс происходит стремительно и меняет буквально в течение нескольких лет облик цивилизации. Пять лет назад многие не могли представить себе, что в скором времени можно будет хранить в кармане целую электронную библиотеку, но сегодня флешкой никого не удивишь. Поэтому, быть может, прогресс электроники является наиболее ярким примером того, как зарождающиеся в тиши академических кабинетов и лабораторий оторванные от обыденной жизни теории и опыты в дальнейшем предопределяли технический прогресс в различных областях человеческой жизнедеятельности, будь то медицина или сельское хозяйство. И каждый раз, отмечая очередное достижение в области электроники, необходимо воздать должное трем китам, на которых держится здание современной электроники: лампе, транзистору и гетеропереходу.

Эдуард КАЗАРЯН, академик НАН РА; Айк САРКИСЯН, доктор физ.-мат. наук, профессор

Опубликовано в Инновации
Прочитано 1258 раз
Оцените материал
(1 Голосовать)

Последнее от Айк САРКИСЯН

Другие материалы в этой категории: « АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА ЧИП-НЕВИДИМКА »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх