1. Вирощування і легування багатошарових структур типу Si: Er / Si і Gex Si1-x / Si методом сублімації молекулярно-променевої епітаксії
Відомо, що при легуванні шарів кремнію ербієм в них виникають електрично і оптично активні центри ербію, інтенсивність випромінювання яких визначається наявністю в них крім ербія інших домішок, наприклад, кисню, вуглецю, азоту і т.д. Тобто випромінювальні властивості структур можуть сильно змінюватися в залежності від технології їх отримання.
Найбільш помітні успіхи в області підвищення інтенсивності випромінювання в даний час досягнуті із застосуванням технології сублімацонной молекулярно-променевої епітаксії (СМЛЕ). Зауважимо, що технологія СМЛЕ кремнію була вперше запропонована в 60 роках 20 століття співробітниками відділу фізики напівпровідників гіфт В.В.Постніковим і В.А.Толомасовим. Така технологія дозволяє виробляти в широких межах легування шарів кремнію в процесі їх вирощування. Джерелами кремнію і легуючих домішок є бруски кремнію, що містять відповідні домішки, і розігріті до температури випаровування кремнію (близької до температури плавлення). Концентрація домішок в зростаючому шарі визначається (в основному) температурою підкладки і щільністю потоку домішок з джерела. В даний час ця методика досить добре опрацьована і дозволяє вирощувати шари кремнію різного типу провідності з товщиною від одиниць монослоев до десяти і більше мікрометрів з рівнем легування від 10 13 до 10 20 см -3.
Основне завдання для структур кремнію з шарами, легованими ербієм, полягала у визначенні параметрів структур і умов їх реалізації, що забезпечують максимальну інтенсивність електролюмінесценції на довжині хвилі 1,54 мкм. Складність цього завдання полягає, в першу чергу, у відсутності досить проробленою теорії електролюмінесценції для даного об'єкта, що вимагає великого обсягу експериментальних досліджень.
За останні роки в Ніфті ННГУ були виконані дослідження залежності інтенсивності електролюмінесценції від концентрації ербію, дрібних донорних і акцепторних домішок, профілю легування активного шару і його товщини для діодних структур p + / n-Si: Er / n + -типу. Визначено умови та сформульовані рекомендації по досягненню інтенсивності електролюмінесценції помітно перевищує рівень зарубіжних досягнень. Сформульовано нову феноменологическая модель процесів електролюмінесценції в легованих ербієм діодних структурах при пробої назад зміщеного p-n-переходу. Запропоновано новий метод визначення енергетичного спектру глибоких домішкових станів, утворених центрами ербію в забороненій зоні кремнію.
2. Фізичні та технологічні основи створення НВЧ, КВЧ і оптоелектронних напівпровідникових елементів і пристроїв на основі багатошарових субмікронних Si- структур
Діодні і транзисторні структури на базі кремнію є основою більшості напівпровідникових приладів сучасної електроніки. З моменту створення лабораторія напівпровідникової електроніки НВЧ Ніфті ННГУ активно займається розробкою і пошуком умов розширення функціональних можливостей активних елементів надвисоких частот (НВЧ) на базі багатошарових структур кремнію, вирощених методом сублімації молекулярно - променевої епітаксії (СМЛЕ). Результатом цих досліджень стало створення в 80-х роках 20 століття лавинно-пролітних діодів (ЛПД) мм-і субмм - діапазону з параметрами, близькими до рівня світових досягнень того часу. Пізніше були розроблені діоди з накопиченням заряду (ДНЗ), що дозволяють формувати перепади напруги з унікально коротким (до сьогоднішнього дня) фронтом (менше 20 пс при амплітуді до 10 В).
У 90-ті роки минулого століття нами була виявлена генерація обратносмещенного діодами щумового електромагнітного випромінювання з рекордно високою спектральною щільністю потужності шуму (СПМШ) в надширокої смузі частот. Практичним результатом досліджень цього ефекту з'явилися розробки оригінальних шумових діодів і параметричного ряду джерел (генераторів) електромагнітного випромінювання зі спектром типу «білий шум» в діапазоні частот 26-230 ГГц з унікально високою СПМШ в 100-1000 разів перевищує кращі світові досягнення в цій галузі.
Були побудовані феноменологічні і чисельні моделі процесів генерації в ЛПД в субмм діапазоні, процесів перемикання в ДНЗ з ультракоротким фронтом, а також процесів генерації стохастичних коливань шумовими діодами.
Наукові результати застосовуються в НДДКР, виконуваних лабораторією в області електроніки НВЧ, а також в роботах з біомедичної тематики, виконуваних в кооперації з провідними дослідницькими центами Росії і за кордоном.
3. Взаємодія низкоинтенсивного електромагнітного випромінювання КВЧ-діапазону з біологічними середовищами, а також з організмами людини і тварин.
Вивчення питань змін в живих організмах під впливом електрики було розпочато практично одночасно з відкриттям електрики. Ці дослідження тривали і розвивалися в міру розширення електричного інструментарію. Приблизно з середини 20 століття стали активно розвиватися дослідження в області впливу електромагнітних хвиль НВЧ діапазону. В результаті чого були розроблені нові методи лікування онкологічних захворювань - методи надвисокочастотної (НВЧ) - гіпертермії (або, як називають її за кордоном, діатермії). Вони були засновані на руйнуванні пухлин під впливом високоінтенсивного електромагнітного випромінювання (ЕМВ).
В середині 80-х років минулого століття групою вчених НДІ «Исток» (Росія) під загальним керівництвом академіка Н.Д.Девяткова були розпочаті роботи по вивченню впливу низькоінтенсивного ЕМВ крайневисокіх частот (КВЧ) на біологічні об'єкти. Поняття низької інтенсивності передбачає тут слабкість розігріву опромінюються об'єктів. Практичним результатом цих досліджень стало формування нових методів лікування - методів так званої КВЧ-терапії. Методи грунтувалися на впливі на організм моногармоніческім ЕМІ із заданою довжиною хвилі в КВЧ - діапазоні. При цьому, ефективність лікування значно змінювалася залежно від довжини хвилі ЕМВ.
4. Розробка методів молекулярно-пучкової епітаксії для вирощування багатошарових напівпровідникових структур на основі кремнію, германію та твердого розчину кремній-германій
У лабораторії «Електроніка твердого тіла» для вирощування багатошарових напівпровідникових структур використовується метод молекулярно-пучкової епітаксії (МПЕ), в якому потік атомів кремнію і легуючої домішки формується при випаровуванні через сублімацію прямокутних брусків кремнію, вирізаних із злитків монокристалічного кремнію, легованих заданої домішкою, а потік атомів германію формується при розкладанні газу германа (GeH4), напускає в камеру зростання, на сублімаційні кремнієвому джерелі (при осадженні шарів твердого рас твора кремній-германій) або на «гарячій дроті», виготовленої з танталу (при осадженні шарів чистого германію). Даний метод вирощування епітаксійних шарів здійснюється на підкладках, як у формі прямокутних пластин, що нагріваються пропусканням електричного струму, так і у вигляді дисків діаметром до 100 мм, що нагріваються радіаційно.
Даний метод характеризується наступними основними перевагами:
- потік атомів кремнію і легуючих домішок з сублімує джерела ближче до моноатомной, ніж при випаровуванні з використанням електронної гармати або еффузіонной осередки, що знижує щільність дефектів у шарах і робить позитивний вплив на весь процес епітаксійного росту. За рахунок цього мінімальна температура росту автоепітаксійних шарів Si нижче при випаровуванні з сублимационного джерела, ніж при електронно-променевому випаровуванні кремнію.
- формування потоку атомів кремнію з досить високою інтенсивністю, що забезпечує швидкість росту до
5 мкм / год і в той же час низька фонове легування зростаючого шару (≤ 2 ∙ 10 13 см -3) забезпечується за рахунок мінімального розігріву кріплять власників джерела кремнію;
- легування шарів Si і SiGe широким спектром домішок (B, Al, Ga, Sb, As, P) в широких межах (від 2 ∙ 10 13 до 1 ∙ 10 20 см -3) шляхом випаровування домішки з сублімує джерела. Такий вид легування не вимагає використання спеціальних джерел, окремих від джерела потоку кремнію. Причому потік легуючої домішки з сублімує джерела формується з високою стаціонарністю, що дуже важливо для відтвореного легування протягом тривалого процесу вирощування структур;
- процес формування потоку атомів германію значно простіше в порівнянні з випаровуванням германію за допомогою електронно-променевої гармати і не створює крапель в потоці і дозволяє вирощувати шари в локальних областях підкладки.
5. Розробка методів епітаксійного вирощування гетероструктур з шарами германію на Si (100); шарами твердого розчину кремній-германій, як на кремнієвій так і на діелектричній (сапфір) підкладках для мікро- і оптоелектроніки
Даний напрямок лабораторії тісно пов'язане з розвитком кремнієвої оптоелектроніки, з можливістю інтеграції оптоелектронних та електронних приладів. Для цього необхідні ефективні джерела і приймачі випромінювання, сумісні з кремнієвої технологією. В якості світловипромінюючих приладів на довжині хвилі λ = 1,54 мкм великі перспективи пов'язують з кремнієвими епітаксійних нано-, гетероструктурами (ГС) Si / Si 1-X GeX. легованими домішкою ербію. З іншого боку, важливим є створення фотодетекторов на основі шарів германію, вирощених на Si (100). Такі фотодетектори можуть детектувати оптичні сигнали на довжинах хвиль 1,3-1,55 мкм. Ще одним перспективним практичним застосуванням шару Ge на кремнієвій підкладці є його використання в якості буферного шару для вирощування GaAs на Si -підкладка, тобто епітаксіальний шар Ge на Si можна розглядати як віртуальну дешеву підкладку для виготовлення оптичних приладів на базі GaAs.
а) приладові структури на основі слоевGeнаSi (100)
Для створення гетероструктур такого типу розроблений низькотемпературний (TS = 300 - 380 º C) метод осадження з моногермана (GeH 4) з розкладанням його в камері високовакуумної установки на гарячій дроті. Без використання додаткових товстих буферних шарів (з градієнтним розподілом змісту Ge або низькотемпературних буферних шарів) можливе вирощування шарів з гранично гладкою морфологією (RMS
0,6 нм на скане 10 × 10 мкм при товщині шару Ge 0,3 мкм), низькою щільністю проростають дислокацій (<10 6 см -2 ) и резкой границей раздела слоя с подложкой. Такие структуры планируется использовать в приборных приложениях (например, фотодетекторах на λ = 1,3 - 1,55 мкм).
б) светоизлучающие структури на основі слоевSiGeнаSi (100)
в) структури кремнію-на-сапфір (КНС)
Розроблено низькотемпературний метод зростання субмікронних слів Si на сапфірі для використання в мікроелектроніці. Розроблений високотемпературний предепітаксіальний отжиг сапфіра R -среза і подальше зростання шару кремнію при низьких температурах (500 - 600 º C) дозволяють значно знизити щільність мікродвойніков в КНС-структурах, формувати гладку морфологію поверхні шару.
Крім того, розроблений метод вирощування шарів твердого розчину SiGe на КНС-структурах в одному технологічному циклі (при мінімальній товщині шару Si рівній 0,1 мкм), що відкриває широкі можливості для виготовлення на них приладів, що працюють в СВЧ-діапазоні.
Гетероструктури з легованими атомами ербію шарами твердого розчину Si 1-X GeX. вирощеними на тонкому (
0,1 мкм) подслое кремнію на сапфірі в одному технологічному циклі, демонструють високу інтенсивність фотолюмінесценції з наявністю тонкої структури її спектра на λ = 1,54 мкм, порівнянну з фотолюмінесценцію таких же шарів, вирощених на підкладках Si (001).
603950, г. Нижний Новгород, просп. Гагаріна, 23, корп.3
Тел. +7 (831) 462-31-20, факс +7 (831) 462-31-36