Тема 5. Применение полупроводниковых материалов в современной микро- и наноэлектронике

Важнейшая область применения полупроводниковых материалов — микроэлектроника. Основным материалом современной электроники является кремний. В 2001 г. доля работ по применению кремния в микро - и наноэлектронике составила порядка 40% от суммарного массива по этому веществу. На основе кремния создаются большие и сверхбольшие интегральные схемы. В последние годы достижения в технологии позволили существенно повысить их быстродействие. В больших масштабах используют полупроводниковые материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы).

В 2006 году японскими учеными была разработана технология получения «жидкого» (аморфного) кремния. «Жидкий» кремний можно распылять по подложке для получения тонкой пленки, готовой для последующей обработки, и использовать в струйных принтерах для печати транзисторов. Такая технология позволяет значительно удешевить и ускорить процесс. Считаются также, что этот способ окажет значительное влияние на методы изготовления полупроводниковых чипов в будущем. Другими возможными областями использования данной технологии могут стать производство OLED-экранов и солнечных элементов. Кроме того, уже сегодня один из видов нового процесса используется при производстве ЖК-панелей для проекторов. Высокая пространственная точность печати с использованием струйных технологий привела к появлению 3D-принтеров, способных «распечатывать» детали для бомбардировщиков, живые ткани и даже самих себя, создавая собственные копии – новые принтеры. Однако до последнего времени возможности создания новых устройств методами струйной печати ограничивались невозможностью создания таким образом полноценных электронных схем с кремниевыми полупроводниками. Технология, основанная на использовании «жидкого» кремния, вероятно, позволит преодолеть и этот барьер.

Основным элементом полупроводниковой наноэлектроники в ближайшем будущем предстанет нанотранзистор на кремнии. Появление проблем, обусловленных нанометровыми размерами транзисторов и других элементов интегральных схем, стимулирует поиск новых, отличных от объемного кремния материалов и конструкций полевых транзисторов. Единственной альтернативой объемному кремнию в настоящее время являются структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) со слоями кремния субмикронной и нанометровой толщины. Важной особенностью транзисторов на КНИ структурах является их повышенная температурная и радиационная стойкость, что также делает данную технологию весьма востребованной.

Еще одна инновация, связанная с кремнием – получение черного кремния. Черный кремний получают с использованием новой технологии лазерной модификации поверхности, которая радикально изменяет светопоглощающие свойства материала. Технология позволяет в два раза увеличить количество поглощаемого кремнием света.

Чрезвычайно сильное поглощение попадающих на поверхность нового материала лучей происходит не только с видимым светом, но также и инфракрасным, невидимым для обычного кремния, что позволяет говорить о значительном расширении возможностей применения кремния и конструировании новых типов цифровых светочувствительных детекторов и улавливания солнечной энергии.

Запатентованный SiOnyx процесс фемтосекундной лазерной гравировки позволяет создавать на поверхности различных материалов светопроводящий слой толщиной 300 нм, применимый в создании детекторов и фотоэлектрических источников тока.

Если процесс производства черного кремния окажется выгодным, он будет легко внедрен в инфраструктуру производства полупроводниковых устройств, обеспечивая появление новых компактных светочувствительных и эффективных дополнений к их функциям.

Следующий важнейший проводник – германий. Германий используется в производстве инфракрасной и волоконной оптики, и, помимо полупроводниковых диодов и триодов, в производстве терморезисторов, фотоэлементов с запирающим слоем, термоэлементов, пленочных сопротивлений.

Кроме того, на основе германиевых наноструктур, европейскими учеными был создан наноматериал, который может применяться в суперкомпьютерах для охлаждения микрочипов. Этот материал обладает минимальной теплопроводностью. Эффективность чипов на базе этого наноматериала получается сравнимой с современными кремниевыми устройствами.

Из традиционных материалов микроэлектроники на третьем месте по своему значению держится арсенид галлия (GaAs). Он используется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах, мобильных телефонах.

Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в комбинации с арсенидом алюминия (AlAs) или тройными растворами Al_xGa_1-xAs (гетероструктуры) можно вырастить с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Из-за практически идеального согласования постоянных решёток слои имеют малые механические напряжения и могут выращиваться произвольной толщины.

Характерной особенностью развития микро- и наноэлектроники в наши дни является широкое использование двойных полупроводниковых соединений, типа GaN, ZnO, CdS. Все три материала активно используются в лазерной технике.

Нитрид галлия (GaN) широко используется для создания светодиодов, сверхвысокочастотных транзисторов. Кроме того, корпорация BAE Systems получила заказ на разработку твердотельного усилителя мощностью 160 ватт. Его предполагается использовать в новейших радиолокаторах, системах связи, устройствах для создания радиопомех и других видах электронной аппаратуры, генерирующей высокочастотные радиосигналы микроволнового диапазона. В более далекой перспективе такие устройства можно будет применять для создания направленных излучателей микроволн, которые иногда называют электромагнитными пушками.

Для генерации микроволновых сигналов мощностью в сотни ватт применяются не полупроводниковые, а вакуумные устройства, лампы бегущей волны. Усилитель, который должна разработать фирма BAE Systems, будет использовать транзисторы на нитриде галлия. Нитрид галлия выдерживает куда большие температуры, нежели арсенид галлия, и сохраняет работоспособность при более высоком электрическом напряжении. Поэтому он хорошо подходит для использования в мощных выпрямителях микроволнового диапазона.

Все эти преимущества известны уже давно, однако до сих пор транзисторы на нитриде галлия используются лишь в маломощных устройствах, например, в лазерных диодах для дисковых проигрывателей. Для создания твердотельного выпрямителя с требуемыми параметрами необходимо разработать технологию выращивания высокочественных монокристаллов нитрида галлия с заданными электрическими свойствами, а это очень непростая задача.

Следующее соединение, используемое в микро- и наноэлектронике – оксид цинка (ZnO). Оксид цинка, имеющий близкую к GaN ширину запрещенной зоны, характеризуется рекордной энергией связи экситона (60 мЭв), обладает высокой стойкостью к облучению, податлив к химическому травлению и относительно дешев, что делает его привлекательным для применения в микроэлектронике. Благодаря своим уникальным оптическим, акустическим и электрическим свойствам оксид цинка широко изучался. Он нашел применение при изготовлении прозрачных электродов в солнечных элементах, в газовых сенсорах, в варисторах, в устройствах генерации поверхностных акустических волн.

Сульфид кадмия (CdS) полезен в оптоэлектронике, он используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его применяют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности). Монокристаллы сульфида кадмия используются как детекторы элементарных частиц. Сульфид кадмия так же является основным материалом солнечных батарей.

Большой интерес представляют молекулярные соединения - фуллерены, как относительно новая форма существования углерода в природе. Данное соединение является высокосимметричным и состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр, и напоминает футбольный мяч. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. По этой причине были проведены исследования возможности использования фуллерена в качестве нового материала в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Преимуществом фуллерена является малое время фотоотклика (единицы наносекунд). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость пленок фуллеренов, и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях.

Углеродные нанотрубки являются одной из самых интригующих наноструктур. Они существуют в двух основных формах - одностенные и многостенные нанотрубки. Одностенная углеродная нанотрубка может быть представлена как лист из графита моноатомной толщины, свернутый в трубку, такой листовой графит называют графен. Многостенные нанотрубки состоят из нескольких одностенных трубок, концентрически вставленных одна в другую, их типичный размер составляет 10-40 нм. Нанотрубки имеют обширный перечень привлекательных свойств. Они могут вести себя как полупроводники и проводники, проводят электричество лучше меди, имеют теплопроводность лучше, чем у алмаза, по механической прочности составляют конкуренцию многим известным материалам. Нанотрубки могут использоваться как отдельные функциональные элементы (T-, Y- образные нанотрубки могут работать как транзисторы). Комбинируя нанотрубки и снабжая их управляющими полевыми электродами, можно создавать разнообразные наноэлектронные приборы. Изготовлены прототипы выпрямительных диодов на контакте металлической и полупроводниковой нанотрубок, полевых транзисторов на полупроводниковых нанотрубках, одноэлектронных транзисторов на металлических нанотрубках. Кроме того, они имеют широкое применение в оптоэлектронике при изготовлении недорогих дисплеев, которые отличаются повышенной четкостью изображения и более низким энергопотреблением, что является особенно важным фактором при производстве портативных устройств.

Одна из основных технологий физики полупроводниковой электроники – молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Благодаря возможности метода МЛЭ были созданы полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР), которые отличаются от обычных полосковых полупроводниковых лазеров расположением брэгговских зеркал лазерного резонатора параллельно плоскости полупроводниковой пластины. В настоящее время ЛВР демонстрируют предельные возможности не только полупроводниковых излучателей, но и всей лазерной техники: ЛВР характеризуются низкими значениями порогового тока, высокой частотой токовой модуляции — десятки гигагерц и сверхминиатюрностью.

Важнейшим фактором, определяющим качество современных вычислительных средств, является скорость передачи данных в пределах персонального компьютера (ПК) на уровне плата - плата, чип-чип. Наиболее перспективным вариантом увеличения скорости является использование быстродействующих оптических систем, обеспечивающих скорости передачи до 10 Гбит/с и выше. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации в пределах ПК. В рамках широкого международного сотрудничества разработаны и изготовлены ЛВР, обеспечивающие скорости передачи данных 20 Гбит/с. Использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических информационных систем с быстродействием на уровне 1 Тбит/с.