Конаков Антон Алексеевич, к.ф.-м.н., доцент, и.о. зав. каф. квантовых и нейроморфных технологий физического факультета
Читателю канала, чтобы ознакомиться с представленной статьей, требуется воспользоваться компьютером, ноутбуком, планшетом или смартфоном. Существование всей этой техники невозможно было бы без развития микроэлектроники. А сама микроэлектроника строится на использовании полупроводниковых материалов.
Полупроводники – это материалы, которые при одних условиях ведут себя как изоляторы, а при других – как проводники. Если полупроводник очищен от примесей и поддерживается при низкой температуре, то его сложно отличить от хорошего диэлектрика. Но если в него добавить много примеси и использовать при комнатной температуре, то его сопротивление заметно упадет. Возможность управления сопротивлением полупроводников с помощью легирования и является ключевым фактором, позволившим использовать их в современной технике. К основным полупроводникам относятся простые химические вещества – элементы IV группы таблицы Менделеева кремний (Si) и германий (Ge), а также бинарные соединения, образованные их «соседями» – элементами III и V (например, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP), а также II и VI групп (селенид кадмия CdSe, оксид цинка ZnO).
Однако технический прогресс ограничивается не только созданием приборов, работающих с электрическим током и напряжением. Важную роль в нашей жизни играют приборы оптической электроники, позволяющие преобразовывать свет в электрический ток и обратно. К таким относятся лазеры и светодиоды (преобразует электрический ток в свет) и различного рода фотодетекторы (преобразуют свет в электрический ток). Все эти приборы невозможно представить без использования полупроводников, одним из основных свойств которых является возможность преобразования электрического тока в свет.
Ключевым элементом полупроводниковой технологии с 1950-х гг. и по настоящее время является кремний. Si привлекателен ввиду своего широкого распространения в природе (его массовая доля в земной коре составляет порядка 27,7 %), относительной нетоксичности, устойчивости к химическим воздействиям, наличия отработанных технологий получения как моно-, так и поликристаллических массивных образцов, возможности получения высокочистого Si заданного качества. Все эти факторы, безусловно, способствовали ранее и благоприятствуют в настоящее время развитию кремниевой технологии в микроэлектронике.
Однако использование кремния в оптических приложениях затруднено ввиду фундаментальной особенности его электронных свойств – непрямозонности его энергетической зонной структуры. На пальцах объяснить это можно так. В таких полупроводниках, как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) или селенид цинка (ZnSe) электроны, участвующие в переносе тока, могут терять свою энергию, испуская квант света. Такая энергия соответствует энергии так называемой запрещенной зоны полупроводника. Если таких электронов будет много, то полупроводник будет излучать свет. Такие полупроводники, способные излучать кванты света с энергией, соответствующей ширине запрещенной зоны полупроводника, называют прямозонными. На их основе и изготавливают лазеры и светодиоды.
В кремнии же процесс излучения света существенно затруднен: вероятность того, что электрон в кремнии испустит квант света, стремится к нулю. Такие полупроводники называются непрямозонными. К ним, помимо кремния, относится германий, арсенид алюминия (AlAs), фосфид галлия (GaP) и некоторые другие материалы. Многочисленные попытки преодоления непрямозонности кремния до сих пор не привели к серьезному сдвигу и внедрению кремния в оптоэлектронику. Это связано с различными факторами, как технологическими, так и принципиальными с фундаментальной точки зрения: кремний является “сильно непрямозонным” материалом – чтобы излучить квант света, электрону нужно набрать примерно 2.2 эВ дополнительной энергии (в 90 раз больше тепловой энергии при комнатной температуре).
Традиционно используемый в электронике кремний обладает кубической кристаллической структурой – чередующиеся атомы в кристалле расположены в вершинах куба. Такой кремний принято называть кубическим. Но существуют и другие типы структур (их физики и химики называют политипами), в которых может кристаллизоваться кремний, в частности, гексагональные (когда атомы расположены в вершинах шестиугольной призмы) или ромбоэдрические (атомы расположены в вершинах ромбоэдра). Нашим научным коллективом в Университете Лобачевского теоретически предсказано, что в гексагональных и ромбоэдрических политипах кремния уменьшаются как ширина запрещенной зоны, так и величина энергии, которую необходимо добавить электрону, чтобы он мог излучить квант света. Последняя становится по величине порядка 1 эВ, то есть значительно меньше, чем в кубическом кристалле. Несмотря на то, что кремний во всех изученных структурах остается непрямозонным полупроводником, уменьшение разницы между шириной запрещенной зоны энергией прямой энергетической щели позволяет надеяться на лучшие оптические свойства гексагональных и ромбоэдрических модификаций по сравнению с кубической.
По аналогии с исследованием политипов кремния мы теоретически изучили электронную структуру ромбоэдрической фазы германия – другого полупроводника IV группы, также активно используемого в электронике. Нашей научной группой в ННГУ предсказано, что ромбоэдрический германий является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны порядка 0.5 эВ. В то же время традиционно используемый кубический германий является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.7 эВ. Таким образом, изменение укладки атомных слоев в германии может полностью «выпрямить» его электронную структуру, то есть позволяет создать материал, который потенциально может быть использован в оптических приложениях. Такой материал, согласно нашим теоретическим расчетам, должен излучать в инфракрасной (ИК) области спектра и может быть применен, например, в ИК-фотодетекторах или в схемах, где информация передается с использованием света (например, в оптических вычислителях).
Наконец, возникает вопрос, можно ли такие материалы получить экспериментально или это только фантазии, красивые забавы физиков-теоретиков? Оказывается, что можно. Современная полупроводниковая технология достигла такого уровня, что можно управлять не только составом, но и кристаллической структурой в процессе роста материала. Это требует определенных усилий, чаще всего с измененной кристаллической структурой можно получить лишь относительно небольшие объекты (с характерными размерами порядка десятков и сотен нанометров). Но даже таких размеров оказывается достаточно, чтобы получить излучение, на порядки превышающее излучение обычного кремния.
Современная физика - удивительная область знаний, в которой переплетены серьезные математические расчеты, захватывающие эксперименты и уникальные технологии. Именно это триединство позволяет получать научные результаты мирового уровня, а также менять мир вокруг нас к лучшему.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
