НА ПУТИ К НОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Как отмечает заведующий лабораторией полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН доктор физико-математических наук Михаил Викторович Якунин, взаимодействие с новосибирскими коллегами позволило провести эффективные исследования по целому ряду направлений: «У них есть высокие технологии, а у нас — свои идеи и оборудование для измерений. Ранее мы принимали участие в изучении производимых в Институте физики полупроводников структур, сделали много совместных публикаций. На основе этого опыта образовался крупный научный проект».

Заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией молекулярно-лучевой эпитаксии соединений А₂В₆ ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Максим Витальевич Якушев рассказывает: «С учетом результатов физико-химических исследований мы разработали отечественное оборудование для выращивания тонких полупроводниковых пленок теллурида кадмия и ртути (КРТ). Кроме того, была создана технология, позволяющая изготавливать структуры в соответствии со специальным электронным дизайном». КРТ отсутствует в природе и произвести его — непростая задача, необходимо точно соблюдать баланс элементов, а также следить за толщиной и последовательностью разных слоев. Для этого используется перспективный метод молекулярно-лучевой эпитаксии: в сверхвысоком вакууме (гораздо более чистом, чем в космосе) на специальную подложку из кадмий-цинк-теллура, арсенида галлия, кремния или германия падают молекулярные потоки кадмия, ртути и теллура. В результате происходит образование кристаллического слоя КРТ с требуемыми характеристиками, которые контролируются посредством разработанного в ИФП СО РАН метода эллипсометрического мониторинга. «Активное испарение ртути мешает поддержанию вакуума — эту проблему нам тоже удалось решить, — подчеркивает Максим Витальевич. — Однако даже сложной эпитаксиальной технологии недостаточно для производства качественных пленок теллурида кадмия и ртути. Исследователи рассматривали механизмы образования дефектов в этих объектах и таким образом смогли добиться значительного снижения их количества».

Задача сотрудников ИФМ УрО РАН заключалась в выявлении свойств, проявляемых пригодными для применения в области посткремниевой электроники материалами под воздействием экстремальных условий: магнитного поля, сверхнизких температур и высоких давлений. Такой подход дает возможность найти скрытые особенности изучаемых объектов. В частности, внимание ученых привлек теллурид ртути. У двумерных пленок этого вещества, находящихся под влиянием низких температур и сильного магнитного поля, наличествуют квантовые эффекты. Последние позволяют обнаружить уникальные качества электронов и дырок соединения, сведения о которых определяют возможности его использования в самых разных целях. Многослойные структуры на основе теллурида ртути, производимого в Новосибирске, задействуются при создании высокоэффективных инфракрасных приемников. «Чтобы узнать о процессах, происходящих внутри устройств, необходимо изучать свойства материала, — рассказывает Михаил Якунин. — В частности, для исследования процессов туннелирования и взаимодействия между слоями у нас возникла идея создать устройство, которое состоит из двух слоев теллурида ртути, взятых через тонкий барьер. Предполагалось, что разработка облегчит работу ученых, однако, помимо ожидаемой выгоды, она продемонстрировала неожиданные электронные свойства. Кроме того, было установлено, что пространственное разделение структуры новой конструкции усиливает ее чувствительность к различным внешним воздействиям».

Сотрудникам ИФМ УрО РАН удалось обнаружить ряд новых эффектов. К примеру, оказалось, что электронный газ двумерных слоев теллурида ртути характеризуется отрицательной поляризуемостью в электрическом поле, вследствие чего приборы приобретают нестандартные свойства. Михаил Викторович отмечает: «Из Новосибирска мы также получаем очень качественную пленку на подложке, но, чтобы изучать особенности материала, нужно сначала вытравить из нее мезоструктуру, затем нарастить слой диэлектрика, нанести на него металлическое покрытие и таким образом получить своего рода полевой транзистор. Большую помощь в этом оказывает существующий в институте Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов».

Старший научный сотрудник лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН кандидат физико-математических наук Ирина Владимировна Жестовских в рамках проекта занимается исследованием фундаментальных свойств гибридных металлоорганических полупроводниковых перовскитов, которые в будущем могут прийти на смену кремнию в качестве основы для производства оптоэлектроники, солнечных элементов, фотодетекторов и лазеров. Материал привлекает внимание ученых во всем мире, так как отличается высоким коэффициентом преобразования энергии на уровне 25 % КПД и не требует больших финансовых и временных затрат для производства. Тем не менее, как и многие другие органические соединения, он недолговечен и легко разлагается под действием влаги, света, излучения, поэтому готовые устройства будут требовать регулярной замены. Одна из задач науки — понять, как усилить стабильность этого вещества. Специалисты из ИФП СО РАН под руководством заведующей лабораторией физической химии поверхности полупроводников и систем полупроводник — диэлектрик кандидата химических наук Ольги Ивановны Семеновой научились выращивать качественные монокристаллы гибридных перовскитов довольно больших размеров, что дало возможность рассматривать не только их поверхностные, но и объемные характеристики. «Мы впервые исследовали специфику распространения ультразвука в кристаллах в широком диапазоне температур от 5 до 330 кельвинов и обнаружили аномальное поведение упругих свойств вблизи температур фазовых переходов», — рассказывает Ирина Владимировна. Кроме того, сотрудники института показали наличие у монокристаллов уникальных магнитных качеств, которые проявляются в условиях температур, близких к комнатным, при отсутствии магнитного материала в матрице магнитного элемента.

В рамках проекта также проводятся исследования в области физики сверхвысоких давлений, позволяющие увидеть изменения характеристик веществ при сильном сжатии. Научный сотрудник лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УрО РАН кандидат физико-математических наук Игорь Витальевич Коробейников отмечает: «Практика показывает, что те явления, которые мы наблюдаем при высоких давлениях, можно получить с помощью альтернативных методов. Если вырастить тонкую пленку полупроводникового материала на специальной подложке, то после синтеза в ней сохранится определенное сжатие. В ходе работы мы в первую очередь стараемся понять, какую пользу приносит достижение этого состояния». Внимание ученых привлекли термоэлектрические свойства, связанные с генерацией электрического тока в полупроводниках при возникновении разности температур между его краями. На основе этого эффекта функционируют датчики температуры (термопары), термоэлектрические генераторы и другие простые приборы. Проблема заключается в том, что КПД у них достаточно низкий, поэтому исследователи активно занимаются поиском более эффективных термоэлектриков. Специалистам лаборатории удалось обнаружить существенное повышение термоэлектрических характеристик у некоторых материалов, например, халькогенидов олова и висмута при высоких давлениях. По мнению Игоря Витальевича, это интересный результат, который будет стимулировать проведение работ по созданию технологий получения сжатого вещества для применения в обычных устройствах.

 Еще одно направление проекта — изучение особенностей новых сверхпроводников. Материалы, относящиеся к этому классу, способны пропускать ток без сопротивления, однако для достижения такого эффекта они должны находиться в условиях очень низких температур или экстремальных давлений. Как отмечает главный научный сотрудник ИФМ УрО РАН доктор физико-математических наук Татьяна Борисовна Чарикова, один из представителей семейства соединений-купратов, Nd₂-xCe-xCuO₄, способен проявлять сверхпроводящие свойства при температуре около 24 °К, но при этом обладает необычными внутренними качествами. «Это слоистый сверхпроводник. Его кристалл можно представить в виде стопки бумаги, а каждый лист рассматривать как проводящую плоскость, — рассказывает Татьяна Борисовна. — Разные плоскости связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому при прохождении тока между ними материал ведет себя как полупроводник, при том что вдоль слоев проводимость металлическая». Если направить магнитное поле вдоль слоев монокристалла, то возникнут так называемые джозефсоновские вихри. Сотрудники института установили особенности их образования и динамики в исследуемом купрате, что должно стать одним из этапов на пути к началу применения вещества в качестве элемента будущих устройств, основанных на джозефсоновских контактах, в том числе квантовых компьютеров.

В рамках программы, направленной на поиск материалов для посткремниевой электроники, специалисты ИФМ УрО РАН также изучали свойства селенида ртути и обнаружили эффект, позволяющий добиться повышения производительности считывающих магнитных головок. Помимо этого, рассматривались проблемы, связанные с областью спинтроники и другие вопросы.

Проведение теоретических и экспериментальных исследований — это лишь первый шаг на пути к появлению новой электроники. Кремниевые технологии, развивающиеся по принципу уменьшения размера одного активного элемента, транзистора, сегодня уже приближаются к достижению минимально возможных показателей на уровне нескольких десятков атомов. Рано или поздно развитие в этой области остановится, поэтому весь мир ищет новые пути совершенствования вычислительных устройств. «Когда планируется резкий скачок, необходимо очень глубоко разобраться, с какими объектами вы имеете дело, какие существуют перспективы и ограничения, — отмечает Максим Якушев. — Наш проект является мультинаправленным. Кроме ИФМ УрО РАН, мы работаем с группами ученых из Санкт-Петербургского и Новосибирского государственных университетов, из нижегородского Института физики микроструктур, которые, помимо структур состава кадмий — ртуть — теллур, исследуют и совсем другие полупроводниковые системы. Этот длительный процесс должен привести к нахождению того, что в дальнейшем сможет заменить кремний».