Розкрити основні проблеми фізики напівпровідників в даний час
Фізика напівпровідників та нанотехнології
жүктеу/скачать 52.95 Kb.
|
| 9. Фізика напівпровідників та нанотехнології
Шановні колеги! Останнім часом у нас в країні і в усьому світі дуже велика увага приділяється питанням нанотехнології, наноструктур, нанофізики, нанохімії і навіть, як кажуть, нанонауки. Я думаю, що всі роботи, які ведуться в області наноструктур, а також розвиток цих досліджень пов'язані, перш за все, з тим, що перехід до дуже малим розмірам сприяє виникненню цілого ряду абсолютно нових фізичних явищ, які, у свою чергу, тягнуть за собою дуже важливі фізичні та технологічні зміни. У фізиці напівпровідників цей процес, можливо, почався навіть раніше, ніж в інших областях. Можна сказати, що розвиток напівпровідникової електроніки на основі кремнієвих інтегральних схем з фізичної точки зору, - це, по суті, те ж, що було зроблено в кінці 40-х - початку 50-х рр..: Оскільки її основою є польовий і біполярний транзистор, і всі головні фізичні явища - це ті, що були вивчені і досліджені вже тоді. Разом з тим, сталися гігантські, драматичні зміни, і пов'язані вони з зменшенням розмірів, а також з що виконується до цих пір законом Мура. Тим не менш, технологія і техніка літографії підійшла сьогодні до головного топологическому розміром інтегральних схем, обчислюваному 45-60 нанометрів. Тому вже багато років говориться про те, що настануть принципові зміни, коли подальше зменшення топологічного розміру стане неможливим. Але насправді процес як і раніше йде. Але я хотів би зупинитися на іншому надзвичайно важливому напрямку в розвитку сучасної напівпровідникової електроніки та фізики. Це напрямок, пов'язаний з використанням напівпровідникових гетероструктур, які, до речі сказати, сьогодні дуже активно використовуються і у вирішенні проблем кремнієвих інтегральних схем ультрамалих розмірів, особливо що стосується вирішення принципової проблеми місць з'єднань. У галузі фізики напівпровідникових гетероструктур нанотехнологія і основні фізичні явища, пов'язані з появою малих розмірів, а також принципово нових властивостей, були відкриті більш трьох десятків років тому. Один з наших колег, чудовий японський фізик Ліо Ісак вніс у розвиток цієї галузі фізики величезний конкретний внесок. Варто зауважити, що так звані напівпровідникові надгратки вперше були запропоновані у 62 р. (перша публікація в цій області належить Л. В. Келдишу: на жаль, він представив практично неефективний спосіб отримання надграток шляхом прикладання сильних ультразвукових полів до поверхні кристалів). У 70 р. Ліо Ісак створював перші напівпровідникові решітки, використовуючи вже напівпровідникові гетероструктури. Японський вчений дав, з моєї точки зору, блискуче визначення, яке, я думаю, надзвичайно чітко відображає сутність використання нанотехнології, наноструктур в цілому: він сказав про напівпровідникових гетероструктурах, що це «man made crystals», на відміну від «God made crystals» . Тобто це кристали, зроблені людиною, на відміну від кристалів, зроблених Богом, бо будь-які штучні кристали, одержувані в лабораторії, - це, в кінцевому рахунку, і германій, і кремній, і напівпровідникові з'єднання А3Б5, А2Б6, і багато інших. Це кристали, зроблені Богом, тому що незалежно від того, чи отримані вони в лабораторії, чи отримані вони в природі, - їх властивості визначені. Що стосується напівпровідникових гетероструктур: коли ви, в тому числі і на дуже малих розмірах, міняєте хімічні властивості, склад, а також принципово змінюєте масу властивостей, включаючи і енергетичний спектр електронів, ви створюєте матеріали, яких у природі не існує, що Бог - за тих чи інших причин - не здогадався створити. І в цих кристалах, в цих матеріалах ви принципово отримуєте абсолютно нові властивості. Це стало, взагалі кажучи, реальністю вже в самому кінці 70-х і навіть в кінці 60-х рр.., Коли були отримані перші ідеальні гетероструктури арсенід галію і арсенід алюмінію в нашій лабораторії - і цей напрямок став бурхливо розвиватися. Але потім, я думаю, відбулася надзвичайно важлива річ: коли ми у цих розмірах при дослідженнях напівпровідникових гетероструктур підійшли до розмірів, порівнянних з довжиною хвилі електрона, тоді з'явилася маса нових властивостей. Квантово-розмірні явища стали визначати властивості цих, зроблених людиною, кристалів. І стало можливим існування тих кристалів, які отримали назву «квантові ями», «квантові дроту», а в останні десятиліття - «квантові точки». Виникла нова фізика низьковимірних електронних систем, включаючи квантові точки нуль-розмірних електронних систем. Я хотів би підкреслити, що практично всі досягнення фізики напівпровідників, які мають відношення до розвитку наноструктур ультрамалих розмірів, пов'язані, перш за все, з розвитком технології. Я думаю, що це надзвичайно важливо для всього розуміння розвитку мікроелектроніки, електронних технологій, інформаційних технологій в цілому в другій половині XX ст. Розвиток фізичних досліджень стало можливим по-справжньому лише після того, як технологія отримання напівпровідникових кристалів і матеріалів вийшла на зовсім інший рівень. Оскільки я виріс у Фізико-технічному інституті ім. А.І. Іоффе, де проведення систематичних напівпровідникових досліджень було розпочато в кінці 20-х - початку 30-х рр.., Я прекрасно знаю, як на самому початку 50-х рр.. ставилися до нас, «полупроводніковцам», фізики-ядерники, представники інших напрямів. Я пам'ятаю, як Анатолій Петрович Александров, коли він просив мене зробити напівпровідниковий пристрій для першої радянської атомної човни, говорив: «Жорес, а вони працювати-то будуть?» Адже вважалося, що це напівпровідникова «кухня» і один зразок може сильно відрізнятися від іншого. Ситуація кардинально змінилася після відкриття транзисторів і розвитку германієвої та кремнієвої технології. І вже зовсім іншою вона була тоді, коли ми розвивали дослідження в галузі фізики напівпровідникових гетероструктур. Практично всі, в тому числі й найбільші фізичні досягнення, пов'язані з розвитком технології. Якщо говорити про розвиток нанотехнології в цій галузі, то вона пов'язана, перш за все, з розробкою трьох методів епітаксійного вирощування напівпровідникових структур. Це перший, порівняно дешевий спосіб, за допомогою якого вдалося досягти основних принципових результатів, в тому числі отримати наноструктури з розмірами шарів, що обчислюються одиницями нанометрів. Це технологія так званої рідинної епітаксії, кристалізації напівпровідникових структур з розчинів розплавів. Хімічний склад розчинів розплавів задається дуже просто, а процес кристалізації є по-справжньому делікатним процесом, в якому при дуже точному регулюванні температур, з використанням, в тому числі, і нерівноважних термодинамічних процесів, вдавалося отримувати структури з такими розмірами шарів. Але звичайно, майбутнє пов'язане з двома технологічними методами. По-перше, методу молекулярної епітаксії, в розвиток якого багато було вкладено і Новосибірським інститутом фізики напівпровідників. І цей інститут до цього дня є одним з потужних центрів розвитку цієї технології, визнаних у світі, а також технології, що стала основою промислового виробництва дуже багатьох приладів, систем, масового виробництва світлодіодів (скажімо, масштаби світлодіодів сьогодні, в тому числі і для освітлення, визначаються вже розмірами продажів, які наближаються до 10 млрд доларів). Потужна гілку напівпровідникової індустрії, яка буде рости усе далі і далі і зіграє, за оцінками експертів, до 2030 р. важливу роль у зміні приблизно 50% освітлення на лампах на світлодіодах, на наноструктурах, на наногетероструктурах і заощадить приблизно 10% електроенергії в світі. Основа цього - сонячні батареї на гетероструктурах, і вже підраховано, що до 2030 р. сумарна потужність наземних електричних станцій складе близько 200 гігават, що помітно перевищує сумарну потужність електростанцій Росії на сьогоднішній день. І тут істотну роль грає знову ж технологія мосгідрідной епітаксії, і цей метод став основою індустріального виробництва дуже багатьох матеріалів. Я б хотів підкреслити, що поряд з розвитком реальної нанотехнології і великомасштабним виробництвом тільки на основі напівпровідникових гетероструктур, обсяги продажів всіх матеріалів сьогодні становлять десятки мільярдів доларів, а вплив цієї технології в цілому на розвиток мікроелектроніки та електронних технологій можна назвати гігантським. Зазначу ще й наступну річ: цінність цих напрямків полягає, перш за все, в нових фізичних явищах. Наприклад, така річ, як низькорозмірні електронні системи, стали масовими і в промисловому виробництві, і у фізичних дослідженнях. І якщо, скажімо, на початку 70-х рр.. наші доповіді на міжнародних конференціях були одиничними, то сьогодні дві третини (навіть три чверті) доповідей на напівпровідникових фізичних конференціях - це доповіді, присвячені наногетероструктурах, фізики електронних систем з низькорозмірних електронним газом. І серед нових фізичних явищ, якими фізика збагатилася за ці десятиліття, я б у першу чергу назвав одне з унікальних відкриттів другої половини XX ст. Це відкриття дробового квантового хол-ефекту, зроблене Штормером і Цуї і теоретично пояснене Лохліном, що стало можливим тільки завдяки наногетероструктурах, «квантовим ям» високого досконалості, в яких електронний газ можна було отримати з унікально високими подвижностями. Відкриття цього явища при низьких температурах в надсильних магнітних полях призвело до того, що пояснити його виявилося можливим, лише припустивши, що у квантової рідини існують властивості, які не існують для окремо взятих частинок. Голова комітету з фізики, який представляв цю роботу, відзначену Нобелівською премією в 98 р., підкреслив, що в ній не дотримується правило Ландау. Справа в тому, що один з принципів Ландау такий: якщо ви знаєте властивості частинок, то на підставі знання цих властивостей ви можете описати і властивості ансамблю. Голова комітету з фізики сформулював цей принцип так: 1 +1 = 2. Але іноді це просте арифметичне правило не виконується. У фізиці це, як правило, веде до Нобелівських премій. Це сталося і з дробовим квантовим хол-ефектом, бо виявилося, що властивості квантової рідини можна пояснити, лише припустивши, що дробові квантові заряди у часток, у електронів, яких реально у кожного електрона немає, є у ансамблю (Лохлін 4 роки тому говорив про це у своїй лекції під назвою «Кінець редукціонізму», яку він читав у нас в Петербурзі). І це явище, з моєї точки зору, знакова: дробовий квантовий хол-ефект, відкритий в 82 р., і пішли за ним дослідження показують, що насправді і сьогодні в нашій фізиці є явище, яке ми не можемо пояснити. Це наступний крок і дуже яскрава демонстрація фізики наноструктур. Разом з тим, це яскрава демонстрація успіхів нанотехнології. Я добре знаю Штормера, і Цуї, і Лохліна і пам'ятаю, як Штормер завжди пишався не тільки тим, що він відкрив дробовий квантовий хол-ефект, але і тим, що він є автором так званого модуляційного лігування гетероструктур, яке дозволило отримувати квантові наногетероструктурах з дуже високою рухливістю. І це приклад розвитку нанотехнології, яка призвела до драматичних, дуже яскравим новим фізичним явищам і виявилася можливою тільки завдяки розвитку фізики і технології гетероструктур «men make crystals». Сьогодні ми дуже багато чого чекаємо від нанотехнології, дуже багато говоримо про це (зокрема, в посланні президента Федеральним зборам говорилося про це). Насправді вже з кінця 90-х рр.. гасло «Нанотехнології» в США і в ряді інших країн став використовуватися для того, щоб отримувати великі кошти від урядів і держав. І я думаю, надзвичайно важливо ті кошти, які будуть виділятися у нас, використовувати для розвитку наукових досліджень технології, діагностики в цілому. І дуже важливо при цьому розуміти, що конкретні нові явища ми часто не можемо передбачити, тому потрібно надати дуже багатьом лабораторіям країни можливість працювати з досконалими системами молекулярної мосгідрідной епітаксії, а також використовувати найсучасніші діагностичні засоби - тоді, я думаю, у нас, безумовно , з'явиться маса нових результатів, і в цьому, з моєї точки зору, величезну роль грає міжнародне наукове співробітництво. У нас в Росії і в Радянському Союзі подібні традиції існували завжди. На мій погляд, такий стан справ буде зберігатися і далі, і в цій області нас чекають цінні несподівані відкриття. Ви розумієте, що в дуже короткому п'ятнадцятихвилинної виступі я не можу розповідати детально про одну з найцікавіших галузей фізики та технології напівпровідників, якою я особисто займаюся з 62 р. (вже 45 років). Хотів би підкреслити у сьогоднішній доповіді, присвяченому 50-річчя одного з найбільш чудових наукових центрів світу - Сибірського відділення Російської академії наук, - що дослідження фізики напівпровідникових гетероструктур ми ведемо спільно починаючи з 64 р. Тому цей центр треба дуже високо цінувати. Я боюся, що у мене не буде можливості так довго говорити про ювілей Сибірського відділення ... Я дуже радий бути тут вже вдруге в цьому році і хотів би сказати, що Сибірське відділення, ювілей якого ми відзначаємо, у світовому рейтингу наукових організацій стоїть на першому місці серед всіх наукових організацій Росії і обганяє всю Російську академію наук на 40 номерів! Вітаю Сибірське відділення! (Оплески) жүктеу/скачать 52.95 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|