Методическое пособие 751

УДК 534.242

В.И. Митрохин, В.А. Логинов*, С.В. Железный**, А.Д. Анисимов

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА ВЫСОКООМНОМ АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

Работа посвящена анализу фотоэлектрических характеристик барьеров Шоттки со структурой ВШП на поверхности высокоомной подложки монокристаллического арсенида галлия.

В современной высокочастотной аппаратуре получили широкое распространение частотно-селективные устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые характеризуются следующими преимуществами перед индуктивно емкостными фильтрами:

–широким частотным диапазоном;

–совместимостью с планарной технологией;

–возможностью создания в одном технологическом цикле с интегральными схемами;

–механическая и электрическая надежность и долговечность.

К числу устройств на ПАВ относятся – ультразвуковые линии задержки, полосовые фильтры и резонаторы с высокими селективными свойствами.

Целью настоящей работы было исследование фотоэлектрических свойств барьеров Шоттки с топологией ВШП на монокристаллических подложках высокоомного арсенида галлия.

На рис. 1 и 2 изображены топология и реальная конструкция исследуемой структуры, представляющий собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и отражательные решетки, нанесенные на подложку из полуизолирующего арсенида галлия, имеющего ориентацию плоскости {100} Акустический канал ВШП структуры (ось структуры) совпадал с пьезоактивным направлением <110> монокристаллической пластины.

Топология представленной структуры похожа на топологию классического резонатора на ПАВ [1], с той лишь разницей, что в качестве пьезоэлектрического материала используется полупроводник. Данное изделие является опытным образцом принципиально нового типа оптоакустического преобразователя со свойствами частотной селекции оптических сигналов и создана при участии ОАО «Концерна «Созвездие». Устройство является одновременно и оптическим приемником и резонансным фильтром, выделяющим на фоне оптических помех полезный сигнал. Причем, из-за высокой акустической добротности монокристалла арсенида галлия он обладает высокой избирательностью по частоте оптического сигнала.

60

Рис. 1. Топология оптоакустического преобразователя

Рис. 2. Реальная конструкция оптоакустического преобразователя в корпусе

61

Оптоакустический фильтр по принципу действия способен обеспечивать параметрическое усиление на собственной резонансной частоте в тысячи раз слабых оптических сигналов, замаскированных для обычного фотоприемника помехами и тепловыми шумами. Коэффициент параметрического усиления определяется механической добротностью Q и импедансом нагрузки [2, 3].

В данной работе для описанного изделия были измерены и проанализированы типовые характеристики и параметры классических полупроводниковых фотоприемников, таких как фоторезисторы и фотодиоды. Далее рассматриваемый оптоакустический преобразователь будет называться просто фотоприемником.

На рис. 3 и 4 представлены результаты измерения «темновых» и «световых» вольтамперных характеристик (ВАХ) фотоприемника, а на рис. 5 спектральная характеристики фотопроводимости и внутреннего трения подложки высокоомного GaAs.

62

вание оптического сигнала в фото-ЭДС и акустическую волну. Такие преобразователи позволят расширить частотный диапазон фотоприемника до единиц гигагерц.

Существует также промежуточный вариант повышения быстродействия исследованных в настоящей работе барьеров Шоттки это использование ускоряющего электрического поля, уменьшающего время выноса носителей заряда из областей оптической генерации. Схематически этот способ иллюстрирует рис. 6.

Модулированный свет

R C

+

U~

-

Модулированный свет

+

ОПЗ барьера Шоттки

Рис. 6. Использование ускоряющего поля для повышения быстродействия структуры

Литература

1.Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение / И. Зеленка; пер. с чеш. И. А. Рокоса; под ред. И. С. Реза. – М. : Мир, 1990. – 583 с.

2.Родерик Э. Х. Контакты металл – полупрводник / Э. Х. Родерик; пер. с англ.; под ред. Г. В. Степанова. – М. : Радио и связь, 1982. – 208 c.

3.Пихтин А. Н. Квантовая и оптическая электроника: учебник для вузов /

А. Н. Пихтин. – М. : Абрис, 2012. – 656 с.

Воронежский государственный технический университет

*Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», г. Воронеж

**Воронежский институт МВД России

64

УДК 621.3.049.77

Е.В. Моргунов

НОВЕЙШИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС IBM

Обзорная статья посвящена ознакомлению и краткому анализу последнего поколения чипов производства компании IBM. Ключевой особенностью рассматриваемых чипов является передовой технологический процесс, позволяющий размещать свыше 300 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр.

International Business Machine (IBM) – это транснациональная компания,

специализирующая на продаже компьютерных устройств и программного обеспечения. IBM также является одним из крупнейших исследователей в области нанотехнологий. В 2021 году компания представила первые в мире микросхемы, созданные по 2-нанометровому процессу. Меньше, чем ширина одной нити человеческой ДНК. Передовой процесс позволяется разместить до 333 млн транзисторов на квадратный миллиметр, что в несколько раз больше, чем в 5-нанометровых чипах. По сравнению с 7-нанометровыми микросхемами 2-нано-метровые потребляют на 75 % меньше энергии. На рис. 1 представлена фотография 2- нанометровых транзисторов.

Рис. 1. Фотография 2-нанометровых транзисторов

Разработка нового технологического процесса является заметным рывком для компании, которая в последнее время отставала от азиатских конкурентов.

В то время как тайваньская Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC) и

65

корейская Samsung использовали 5-нанометровые технологии, IBM оставались на 10- и 7-нанометровых.

Основой нового чипа является технология нанослоев, в которой каждый транзистор составлен из трех горизонтально расположенных слоев кремния, каждый толщиной всего несколько нанометров и полностью окружен затвором. Технология нанослоев создана для замены технологии FinFET, имя которой дали ребристые гребни токопроводящего кремния, выступающие с поверхности чипа. Ожидаемая продолжительность жизни FinFET была более-менее исчерпана на 7-нанометровом технологическом процессе. Если бы он стал меньше, то транзисторами было бы сложнее манипулировать: происходила бы утечка электронов, даже с трехсторонними затворами. В тоже время TSMC решили остаться с FinFET при разработке нового поколения 3-нанометровых процессоров.

Для дальнейшего расширения возможностей нового процесса IBM использовали технологию нижней диэлектрической изоляции (англ. bottom dielectic isolation, BDI). BDI подразумевает введение диэлектрического слоя под области истока, затвора и стока. Преимущества технологии заключаются в уменьшении утечки по подканалам, невосприимчивости к изменениям процесса и повышении производительности.

IBM также разработали схему много-порогового напряжения (англ. MultipleVoltage, Multi-VT) для 2-нанометрового транзистора. Пороговые напряжения, также известные как напряжение затвора, представляют собой минимальный перепад напряжения между затвором и истоком для создания проводящего пути между клеммами истока и стока. На рис. 2 можно увидеть фотографию пластины.

Рис. 2. Пластина с 2-нанометровыми процессорами

66

Значимость разработки IBM трудно переоценить. В перспективе, внедрение 2-нанометровых процессоров в телефонные устройства может в 4 раза увеличить время автономной работы аппарата по сравнению, например, с такими устройствами на 7-нанометровой технологии как IPhone 11, Samsung Galaxy S10 и другими флагманами на момент написания статьи. Исходя из среднего использования, это означает, что телефон нужно будет заряжать только раз в четыре дня. Новая технология также обеспечивает отличный баланс энергопотребления/мощности. Например, 2-нанометровый процесс обеспечивает 45 % прирост производительности по сравнению с 7-нанометрвым при том же уровне электропотребления. Это эквивалентно 75 %-ной экономии электроэнергии при том же уровне производительности.

Подобной прорыв в энергоэффективности может значительно ускорить развитие областей, в которых особенно важен баланс между потребляемой энергией и мощностью, например, автономные системы, искусственный интеллект и робототехника.

IBM Research уже изучает варианты дальнейшего масштабирования технического процесса до 1 нм. Тем не менее, корпорация еще далека от массового производства 2-нанометровых устройств. Микросхема, продемонстрированная IBM, получена в результате экспериментальных работ, и компания не раскрывает даже примерных сроков начала массового производства чипов.

Литература

1.Грек А. Последние нанометры / А. Грек // Популярная механика, 2021,

№7-8. – С. 13.

2.Full bottom dielectric isolation to enable stacked nanosheet transistor for low power and high performance applications / J. Znang [et al.] // International Electron Devices Meeting (IEDM 2019), San Francisco, 2019. – P. 250-253.

3.Johnson D. IBM introduces the World’s first 2-nm Node Chip [Электронный ресурс] / D. Johnson. – Электрон. текстовые дан, 2021. Режим доступа: https://spectrum.ieee.org/ibm-introduces-the-worlds-first-2nm-node-chip-.

4.Albany N. Y. IBM unveils world’s first chip technology, opening a new frontier for semiconductors [Электронный ресурс] / N. Y. Albany. – Электрон. текстовые дан., 2021. – Режим доступа: https://newsroom.ibm.com/2021-05-06- IBM-Unveils-Worlds-First-2-Nanometer-Chip-Technology,-Opening-a-New- Frontier-for-Semiconductors.

Воронежский государственный технический университет

67

УДК 539.2

Т.В. Свистова, Д.С. Пермяков, С.И. Дуплякина

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Работа посвящена исследованию гетероструктур p-Cu2O/n-ZnO/n-SnO2. Исследованы вольт-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика в фотогальваническом режиме, люкс-амперная характеристика, вольт-фарадная характеристика гетероструктур. Определены основные параметры гетероструктур как солнечных элементов.

Солнечная энергетика является не только неиссякаемым, но и безальтернативным выбором для человечества, так как использование твердого и жидкого топлива, либо природного газа негативно сказывается на экологии. Но, к сожалению, у солнечной энергетики есть не только достоинства. В настоящее время солнечная энергетика имеет ряд недостатков. Это – низкий показатель преобразования падающего света в электроэнергию; другими словами – коэффициент полезного действия (КПД), а также высокая стоимость вырабатываемой ими энергии и необходимость наличия накопителей электроэнергии достаточной емкости. Одним из путей повышения повышение КПД солнечных элементов является использование гетероструктур на основе металлооксидных материалов [1].

Использование металлооксидных полупроводников с различными электрофизическими свойствами и значениями ширины запрещенной зоны, которые охватывают практически весь диапазон солнечного спектра, дает возможность создать многослойные пленочные гетероструктуры для наиболее эффективного использования излучения солнца. Преимуществами солнечных элементов на основе металлооксидных пленок являются возможность использования материалов, не требующих высокого уровня очистки, недорогого оборудования, низкая токсичность производства и компонентов, работа солнечных элементов в широком диапазоне температур [2].

Целью работы является синтез и исследование гетероструктур на основе пленок металлооксидных полупроводников p-Cu2O/n-ZnO/n-SnO2, как перспективных структур для солнечной энергетики и прозрачной электроники.

Исследуемые гетероструктуры были синтезированы методом спрейпиролиза на стеклянных подложках. Слой n-SnO2 : Sb (1,5 %) наносился на разогретую подложку из концентрированного водного раствора хлорида олова (SnCl2 ∙ 2H2O) c добавлением хлорида сурьмы (SbCl3). Буферный слой n-ZnO был создан методом спрей-пиролиза из водного раствора ацетата цинка

68

(Zn(CH3COO)2 ∙ 2H2O). Экспериментальным путем были выбраны оптимальные температуры подложек для SnO2 и ZnO – 420 °С, которые замерялись пирометром HoldPeak hp1500. Раствора наносили при помощи аэрографа OPHIR AC004A. Давление воздуха для аэрографа создавали безмасляным поршневым компрессором AS186. Слой Cu2O наносился методом электролиза из раствора, содержащего сульфат меди (CuSO4 5H2O), молочную кислоту (C3H6O3), гидроксид лития (LiOH), дистиллированную воду. Режимы осаждения: плотность тока 2 – 4 мА/см2, температура раствора 40 С, время нанесения 5 – 20 мин. Контакты к узкозонной части гетероструктуры в виде тонкой пленки меди созданы методом термического испарения, электрическим контактом к широкозонной части гетероструктуры служила пленка SnO2 [3].

Толщина пленок измерялась на интерференционном микроскопе МИИ-4 и составила для пленки ZnO – 0,3 мкм, SnO2 – 1 мкм, Cu2O – 0,6 мкм.

Электросопротивление, концентрация и подвижность носителей заряда металлооксидных пленок измерялись с помощью эффекта Холла по методу Ван дер Пау в магнитном поле 0,63 Тл. Пленки ZnO обладают удельным сопротивлением ρ = 1,19 Ом∙см, подвижностью носителей заряда µ = 3,53 см2/В∙с, кон-

центрацией носителей заряда n = 2∙1017 см-3. Для пленок SnO2 ρ = 0,007 Ом∙см,

µ = 6,78 см2/В∙с, n = 6,53∙1019 см-3, а у пленок ρ = 59,56 Ом∙см, µ = 5 см2/В∙с, n = 3,2∙1016 см-3. Оценена ширина запрещенной зоны металлооксидных пленок. Для ZnO ширина запрещенной зоны составляет 3,2 эВ, для SnO2 – 3,3 эВ, для

Cu2O – 2,1 эВ.

Тип проводимости пленок определяли с помощью термозонда и эффекта Холла. Установлено, что пленки оксидов цинка и олова имеют n-тип проводимости, а пленки оксидов меди – p-тип.

Пленки диоксида олова и оксида пригодны для производства низкоомных прозрачных покрытий, а пленка оксида меди, имеющая p-тип проводимости и небольшую ширину запрещенной зоны, может использована в качестве светопоглощающего слоя солнечного элемента.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) измерялись на зондовой установке при комнатной температуре стандартным методом по точкам с использованием источника напряжения DC Power Suply HY3005 и цифрового мультиметра MASTECH M3900 в режиме амперметра - вольтметра.

При измерении ВАХ предусмотрена возможность имитации солнечного света. В качестве источника излучения использовались вольфрамовая лампа накаливания мощностью 150 Вт и источник света – прожектор галогенный 500 Вт IEK ИО500 белый IP54. Измерение освещенности проводили цифровым из-

мерителем освещенности MASTECH LUXMETER MS6610.

На рис. 1 приведены вольт-амперные характеристики структуры p-Cu2O/n-ZnO/n-SnO2, измеренные в интервале напряжений от – 10 до + 10 В без воздействия света (Е = 0 лк) и при разной освещенности (Е = 100 – 1600 лк).

69