Фотоника и оптоинформатика

Прототипами трехмерных фотонных кристаллов для оптической области электромагнитного спектра являются искусственные опалы, получаемые седиментацией (осаждением) частиц оксида кремния, их термообработкой до спекания в твердую структуру. Такие структуры получили название «инвертированных опалов» и в настоящее время активно синтезируются и исследуются в различных лабораториях. Эти структуры реализованы не только с использованием оксида кремния (рис. 8.10), но и оксидов титана, фуллеренов.

Рис. 8.10. Трехмерная структура из поликристаллического кремния, полученная

с помощью опаловой матрицы

Из низкоразмерных наноструктур можно построить методами саморегулирования более сложные наноструктуры.

Саморегулирование является одной из наиболее общих закономерностей в природе. Оно осуществляется различными путями, но всегда с одной общей целью – обеспечить наибольшую устойчивость системы. В нанотехнологии практическое применение нашли самосборка (self-assembling) и самооргани-

зация (self-organization).

Самосборка (самоупорядочение) – это процесс преимущественной концентрации молекул растворенного в жидкости вещества и формирования специфического расположения этих молекул на твердой поверхности (адсорбции). Ее движущей силой

151

является хемосорбция, которая проявляется в высокоэнергетических реакциях между адсорбатом и адсорбирующей поверхностью. В отличие от сильного взаимодействия между адсорбируемой молекулой и поверхностью, взаимодействие между самими молекулами остается слабым.

Ворганическом и неорганическом мире существует большое количество примеров самосборки.

Пленки мономолекулярной толщины, сформировавшиеся по механизму самосборки, имеют очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и отличаются механической прочностью. Их используют в качестве трафарета для литографических процессов. При этом нанометровое разрешение достигается путем использования зондов сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа.

Молекулярные блоки для самосборки должны содержать три основные функциональные группы: группу, прикрепляющую их к поверхности, промежуточную группу и поверхностную функциональную группу. Эти группы не являются взаимозаменяемыми. Комбинация различных по составу групп постоянно приводит к появлению новых форм самосборки.

Вкачестве групп, прикрепляющих весь молекулярный блок к поверхности подложки, чаще всего используют силаны RSiX3 (R = СН3, С2Н5, ...) Это нужно для образования связей

сгидроксильными (ОН) группами, которые обычно покрывают поверхность кремния и другие технологически важные поверхности. В качестве X-компонента, замещающего в силане водород, используются метакси-группы, хлор или их комбинация. Состав прикрепляющей группы существенно влияет на упорядоченное расположение адсорбированных молекул и на плотность их упаковки. Например, для поверхности арсенида галлия и золота хорошие результаты дает тиол (RSH).

Промежуточная группа определяет взаимодействие всего хемосорбированного молекулярного блока с обрабатывающим его зондом. Отдаление поверхностной функциональной группы

152

от подложки при увеличении размеров промежуточной группы (например, путем повторения СНг-группы в ней) позволяет располагать зонд ближе к пленке и тем самым понижать дозу экспонирования и пороговое напряжение. Фенильные группы, обладая определенной проводимостью, хорошо подходят в качестве промежуточных групп при электронном экспонировании зондом сканирующего туннельного микроскопа.

Поверхностные функциональные группы определяют свойства «новой» поверхности. Например, аминовые группы (NH2) могут быть использованы для прикрепления к ним определенных молекул. Галогены (хлор, йод и др.) имеют большие сечения электронного захвата, что облегчает десорбцию галогенсодержащих фрагментов. Их последующая обработка может осуществляться с целью замены галогенных групп более активными. Поверхности, покрытые алкильными группами, инертны и гидрофобны. По своей химической активности они идентичны парафину, вследствие чего хорошо подходят для масок, использующихся при жидкостном травлении и ограниченно – при сухом травлении.

Одна из концепций создания наноструктур, получившая название «снизу – вверх», состоит в том, чтобы набрать, соединить и выстроить отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход можно осуществить с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций. Такие процессы широко распространены в биологических системах, где, например, катализаторы, называемые ферментами, собирая аминокислоты, формируют живые ткани, образующие и поддерживающие органы тела.

Противоположная концепция формирования наноструктур обозначается «сверху – вниз». При таком подходе процесс начинается с обработки макромасштабного объекта или структуры и состоит в постепенном уменьшении их размеров. Один из широко распространенных процессов этого класса называют литографией. Он состоит в облучении образца, покрытого слоем,

153

чувствительным к такому воздействию, через некоторый шаблон. Затем этот шаблон удаляется, а на поверхности с помощью химической обработки формируют наноструктуру.

Процесс, иллюстрирующий использование самосборки для создания нанометровых элементов на кремниевой подложке, показан на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Квантовая яма из арсенида галлия на подложке (а); квантовая проволокаиквантоваяточка, полученныеметодом литографии(б)

Перед нанесением пленки подложку очищают и пассивируют водородом в растворе HF. Затем ее окунают в раствор органосиланового мономера и высушивают, чтобы сформировать на ее поверхности мономолекулярную пленку из молекул, один конец которых закреплен на подложке, а другой образует новую поверхность. Приготовленную таким образом мономолекулярную пленку, типичная толщина которой составляет около 1 нм, обрабатывают по требуемому рисунку низкоэнергетическими электронами, инжектируемыми с зонда сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Напряжение при этом выбирают в диапазоне 2–10 В. После этого образец окунают в раствор с коллоидными частицами палладия, которые прикрепляются к необлученным областям пленки. Затем образец снова высушивают и помещают в ванну для электролитического осаждения никеля. Островки палладия на поверхности служат

154

каталитическими центрами для осаждения никеля. За счет бокового роста никелевых островков на палладии промежутки между палладиевыми островками заполняются, и образующаяся толстая пленка никеля имеет сплошную бездефектную структуру. Приготовленную таким образом профилированную металлическую пленку используют в качестве маски при последующем травлении. На практике разрешение при этом составляет 15–20 нм, хотя с теоретической точки зрения минимальный размер элементов интегральной микросхемы ограничен лишь размерами используемых для самосборки молекул.

Монокристаллическую пленку из одного материала, воспроизводящую постоянную решетки монокристаллической подложки из другого материала, называют сверхрешеткой (superlattice). Когда оба материала имеют идентичные или очень близкие постоянные решеток, они образуют так называемые псевдоморфные (pseudomorphic) сверхрешетки. Среди полупроводников таких материалов очень мало. Между тем равенство постоянных решеток не является строго необходимым условием для псевдоморфного роста одного материала на другом.

В пределах некоторой ограниченной толщины наносимой пленки возможно «заставить» осаждаемые атомы занимать позиции, соответствующие расположению атомов в подложке, даже если это расположение отличается от равновесного расположения атомов в объемном материале пленки. При этом образуется напряженная (strained) сверхрешетка, структура которой, однако, совершенна. Формирование напряженной сверхрешетки в случае, когда постоянная решетки у материала подложки меньше, чем у материала пленки, схематически проиллюстрировано на рис. 8.12. Напряжения в такой пленке возрастают по мере увеличения ее толщины. По достижении некоторой критической толщины они релаксируют посредством образования дислокаций несоответствия, высвобождая накопленную в напряженном состоянии энергию и понижая полную энергию системы. Кристаллическая решетка наносимого материала приоб-

155

ретает свой естественный вид, и при дальнейшем поступлении материала на подложку пленка растет с уже релаксированной (relaxed) решеткой. Критическая толщина пленки зависит от величины рассогласования постоянных решеток и модулей упругости материалов пленки и подложки при температуре осаждения. В принципе, не превышая критической толщины, можно сформировать напряженную сверхрешетку из любого полупроводника на подложке с тем же типом кристаллической решетки.

Рис. 8.12. Образование напряженной и релаксированной эпитаксиальной пленки

Полупроводниковые сверхрешетки состоят из чередующихся слоев двух полупроводников (рис. 8.13), различающихся составом или типом проводимости. Период повторения слоев составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров.

Широкое применение находят два типа сверхрешеток:

композиционные и легированные. Композиционные сверхрешет-

ки – это гетероструктуры из чередующихся слоев различного состава и ширины запрещенной зоны, но с близкими значениями постоянной решетки. Легированные сверхрешетки – это периодическая последовательность слоев n- и p-типа одного и того же полупроводника.

Дополнительный периодический потенциал сверхрешетки изменяет зонную структуру исходных полупроводников. Поэтому

156

нение свойств полупроводника на гетеропереходе дает возможность целенаправленно управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых полупроводниковых материалов. Гетеропереходы используются для совершенствования существующих полупроводниковых приборов и создания принципиально новых приборов различного назначения.

8.4.Применение квантовых структур

вприборах оптоэлектроники

Оптоэлектроника – научно-техническое направление, в котором исследуются и используются эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации.

К основным элементам оптоэлектроники относятся транзисторы, полупроводниковые источники некогерентного (светодиоды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупроводниковые фотоприемники. В основе действия многих вариантов перечисленных приборов лежат р– п-переходы. Более эффективными для оптоэлектроники являются гетеропереходы на границах контакта двух различных по химическому составу полупроводников. Особенно широко используются в оптоэлектронике гетеропереходы на основе соединений элементов III и V групп таблицы Менде-

леева: Si–Ge, GaAs–Ge и т.д.

Транзисторы

Транзисторами (триодами) называются устройства, предназначенные для усиления и генерирования электромагнитных колебаний. Термин «транзистор» (от англ. transfer – переносить и resistor – сопротивление) означает трехэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим. Действие транзистора можно сравнить с действием плотины, которая, перегораживая реку (по-

158

стоянный источник), создает перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды огромной мощности, т.е. энергией мощного постоянного источника.

В основу первого поколения транзисторов был положен эффект эмиссии электронов из нагретого катода и управления потоком этих электронов в вакууме с помощью электрического поля. Термоэлектронная эмиссия была открыта американским изобретателем Т.А. Эдисоном (1889) и исследована английским физиком О.В. Ричардсоном (Нобелевская премия, 1928). На основе описанного эффекта был создан активный схемный элемент – радиолампа, позволяющая выпрямлять и усиливать электрический сигнал, атакже генерироватьэлектромагнитные колебания.

усиливать его. Это позволяет использовать триод в электронных схемах в качестве усилителя

и генератора сигналов. Поэтому триод относят к активными схемным элементам в отличие от пассивных – резисторов (электрические сопротивления), конденсаторов (электроемкости), катушки индуктивности.

159

К пятидесятым годам прошлого столетия ламповая электроника полностью исчерпала возможности удовлетворять запросы потребителей электронной техники. Возникла принципиально иная электроника, основанная на особых свойствах полупроводниковых структур.

В основе полупроводниковых транзисторов лежат р–n -пере- ходы. Большая разновидность транзисторов разделяется на две группы– биполярные и полевые (униполярные). Протекание тока в полевом (униполярном) транзисторе обусловлено носителями заряда только одного знака – электронами или дырками (основные носители). В биполярном транзисторе ток обусловлен движением зарядов обоих знаков.

Вуниполярном транзисторе ток протекает в узком канале и регулируется внешним полем, перпендикулярным току. Поэтому подобные транзисторы называются еще и канальными или полевыми. Регулирующее поле создается специальным электродом – затвором, который может работать на основе р– п-перехода.

Вструктуре любого транзистора есть три вывода – это

затвор (база), исток (эмиттер) и сток (коллектор) (рис. 8.15).

Управление током в выходной цепи осуществляется либо за счет изменения входного тока, либо входного напряжения. При этом даже небольшое варьирование входных величин может приводить к существенному изменению выходного напряжения

итока. Если пропустить через участок «затвор – исток» слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз, а усиленный ток потечет через участок «исток – сток». Таким образом, при помощи изменения напряжения на затворе можно регулировать ток между истоком и стоком. В этом смысле затвор является аналогом сетки лампового триода (см. рис. 8.14);

исток и сток – аналоги катода и анода. Усиление тока связано с тем, что внешние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей заряда в полупроводнике и оказывать существенное влияние на его электропроводность.

160