Экспериментально исследованы низкотемпературные свойства тонких сверхпроводящих плёнок нитрида титана, находящихся в критической области квантового фазового перехода сверхпроводник-изолятор по беспорядку. Хотя в нулевом магнитном поле плёнки однозначно выбирают основное состояние (сверхпроводящее или диэлектрическое), их поведение при помещении во внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости плёнки весьма схоже.

Рис. (а) Магнитополевые зависимости сопротивления для "последней" сверхпроводящей плёнки S1 и "первой" диэлектрической I1 при температуре 60 мК. Верхняя врезка: R(B) при T=650 мК для S1 и T=700 мК для I1. Данные показывают, что по поведению при относительно высоких температурах невозможно предсказать будет ли плёнка сверхпроводящей или диэлектрической при более низких температурах. Нижняя врезка: зависимость магнитосопротивления "первой" диэлектрической плёнки I1 при температуре 60 мК. При R_sat ~ h/e² зависимость ln(1/R_sat - 1/R_sq) является линейной по магнитному полю. Зависимости дифференциальной проводимости (b) и тока (c) от напряжения смещения для образца I2 при различных температурах. При температуре ниже 40 мК происходит переход от "обычного" диэлектрического поведения к пороговому, характеризующемуся абсолютным нулём проводимости при напряжениях меньших критического.

Для плёнок на обеих сторонах перехода наблюдается положительное магнитосопротивление в слабых полях, что указывает на выживание сверхпроводящих корреляций на диэлектрической стороне квантового фазового перехода сверхпроводник-изолятор. Установлено, что в сильных магнитных полях для всех плёнок (и диэлектрических, и сверхпроводящих в нулевом магнитном поле) происходит переход в состояние квантовой металличности, то есть сопротивление насыщается на величине близкой к кванту сопротивления h/e². Впервые обнаружено, что при ультранизких температурах (20 мК и ниже) в диэлектрических плёнках устанавливается коллективное состояние - сверхизолятор - дуальное к сверхпроводящему, возникающее благодаря выживанию сверхпроводящих корреляций и характеризующееся абсолютным нулём проводимости при конечной температуре. Пороговое напряжение для данного состояния является аналогом критического тока для сверхпроводника. Как и сверхпроводящее, это коллективное состояние разрушается при приложении магнитного поля и повышении температуры. Таким образом, впервые показано, что куперовское спаривание ответственно не только за состояние с бесконечной проводимостью, но и за его полную противоположность - состояние с абсолютным нулём проводимости.

На основе полупроводниковой мембраны, отделенной от подложки, изготовлен транзистор с эффектом кулоновской блокады - квантовая точка, соединенная двумя туннельными барьерами с областями истока и стока, рядом с которой расположены два боковых затвора. Полупроводниковая мембрана изготовлена методом селективного травления жертвенного AlAs слоя, отделяющего GaAs подложку от AlGaAs/GaAs гетероструктуры, содержащей двумерный электронный газ.

Рис. Структура кондактанса подвешенного одноэлектронного транзистора как функция затворного VG напряжения и напряжения исток-сток VSD.

Увеличение энергии в 3 раза против предельного ожидаемого результата в e≈10 раз объясняется наличием невытравленных областей между квантовой точкой и областями истока/стока.

В полученном транзисторе наблюдается также блокада туннелирования предположительно не кулоновской природы, проявляющаяся в подавлении кондактанса при малых смещениях исток/сток V_SD ≈50 мВ (см. рис.) вне зависимости от затворного напряжения. Подобное поведение описано в работе, где оно объясняется эффектом фононной блокады, исчезающим при повышении температуры до 400 мК. Однако, в нашем случае такое поведение сохраняется до высоких температур 4,2 К и, таким образом, требует отдельного теоретического изучения.

Проведенные исследования и, в первую очередь, обнаружение большой величины зарядовой энергии подвешенной квантовой точки позволяют заключить, что подобные устройства перспективны с точки зрения создания одноэлектронных приборов, работающих при высоких температурах, а также представляют интерес как структуры с необычными физическими свойствами, обусловленными спецификой фононных мод и электрон-фононного взаимодействия в подвешенных мембранах.

Исследована электронная структура в системе вертикально совмещенных двойных квантовых точек (КТ) GeSi в матрице Si (в массивах "двухатомных" искусственных молекул). Основу экспериментальных методов составляет спектроскопия кремниевых диодов Шоттки со встроенными в базовую область двумя слоями нанокластеров Ge, расположенных коррелированно один над другим в направлении роста.

Рис. (а) Энергия связи дырки в основном состоянии "двухатомной'" молекулы как функция толщины барьерного слоя Si между квантовыми точками Ge. Содержание Ge в нанокластерах с=0.9. Черные квадраты - экспериментальны данные, сплошная линия - теоретическая кривая. Штриховой линией показан расчетный энергетический уровень дырки в одиночной квантовой точке. Круглый маркер - результат измерений для структуры с одним слоем нанокластеров Ge (б) Расчетные вероятности нахождения дырки в нижней (p_b) и в верхней (p_t) квантовых точках Ge_cSi_1-c как функция расстояния между нанокластерами tSi и их состава.

В таких экспериментах измеряются температурные зависимости комплексной проводимости структуры на различных частотах и при различных обратных смещениях, после чего восстанавливаются температурные зависимости темпа эмиссии дырки из связанных состояний в делокализованные состояния валентной зоны и определяется энергия активации скорости эмиссии. Развита математическая модель для определения распределения упругих деформаций, энергетического спектра дырок и пространственной конфигурации дырочных состояний в многослойных гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками GeSi. Основу подхода составляют атомистическая модель поля валентных сил с межатомным потенциалом Китинга, приближение сильной связи и метод свободной релаксации.

Установлено, что при сближении квантовых точек Ge в составе двухатомной искусственной молекулы наблюдаются два эффекта, неожиданные с точки зрения традиционного квантово-механического представления: 1) уменьшение энергия связи дырки в двойной квантовой точке по сравнению с энергией ионизации одиночной квантовой точки Ge (Рис. а); 2) разрушение гибридизованной дырочной орбитали и локализация волновой функции дырки в одной из квантовых точек и последующее восстановление молекулярной орбитали при продолжении сближения квантовых точек (Рис. б). Показано, что первый эффект обусловлен частичной релаксацией упругих напряжений в кристалле, вызванной взаимным влиянием нанокристаллов Ge в матрице Si. Второй - асимметрией потенциальной энергии дырки в двух квантовых точках, возникшей в результате наложения полей упругих деформаций от вертикально совмещенных нанокластеров Ge. Продемонстрировано, что оба эффекта исчезают, когда содержание Ge в квантовых точках, образующих искусственную молекулу, становится меньше 90% вследствие уменьшения деформаций в гетеросистеме.

Проведены исследования электронных состояний в структурах с Ge/Si квантовыми точками (КТ) методом ЭПР. Локализация электронов вблизи КТ реализована в квантовых ямах, формирующихся за счет сложения упругих напряжений в Si, окружающем Ge КТ, в многослойных структурах с когерентными КТ. Главные значения полученного аксиально-симметричного g-тензора совпадают со значениями g-тензора для электронов в Si, g-фактор имеет анизотропную угловую зависимость, соответствующую симметрии одиночной долины зоны проводимости Si, что подтверждает локализацию электронов в напряженных областях Si вблизи Ge КТ. Зафиксирована анизотропия ширины линии ЭПР-сигнала. В магнитном поле, направленном вдоль оси роста структуры наблюдается наиболее узкая линия с шириной ~0.8 Гс. В магнитном поле, лежащем в плоскости роста структуры (001), ширина линии возрастает приблизительно в 4 раза (рис.1). Данный эффект может быть объяснен анизотропией процессов спиновой релаксации, связанной с существованием эффективного магнитного поля Бычкова-Рашба, возникающего вследствие структурной асимметрии Ge квантовой точки. До сих пор подобный эффект наблюдался только для двумерных (2D) асимметричных структур и связан с прецессионным механизмом спиновой релаксации при движении носителя в двумерном слое. В случае системы с КТ эффективное магнитное поле возникает при туннелировании носителей между квантовыми точками. В процессе туннелирования спин электрона поворачивается на малый угол, что приводит к перевороту спина после достаточного количества прыжков между КТ. Перенос заряда осуществляется преимущественно между близко расположенными КТ с сильной туннельной связью.

Рис. В центре рисунка дано схематическое изображение Ge квантовой точки (КТ) в Si с локализованным электроном вблизи вершины КТ. На двух верхних панелях представлены ЭПР-спектры локализованных электронов в зависимости от направления магнитного поля.

Поскольку расположение КТ в плоскости носит случайный характер, то при каждом прыжке направление туннелирования меняется, что приводит к изменению направления эффективного магнитного поля. Частота прыжков между КТ может рассматриваться как характерная частота флуктуаций эффективного магнитного поля. Из анализа угловой зависимости ширины ЭПР-линии была получена характерная частота флуктуаций 1/τ_с=3×10¹¹с^-1. Данное значение и время поперечной спиновой релаксации T₂=10^-7c, полученное из ширины ЭПР-линии, позволили оценить величину эффективного магнитного поля H_BR≈30 Гс. Полученное значение очень близко к величине поля Бычкова-Рашбы в 2D Si/Ge структурах, что говорит о возможной близости констант Бычкова-Рашбы для 2D структур и для структур с КТ.

Рис. Спектры КРС структур с КТ InAs/ Al1-xGaxAs в зависимости от элементного состава матрицы (x=0÷1), измеренные в геометрии рассеяния z(yx)-z с энергией возбуждения лазера 1.92 эВ при T=300K.

Структуры были выращены в ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ростовой моде Странского-Крастанова. В спектрах КРС обнаружены моды, обусловленные рассеянием InAs- подобными оптическими фононами в квантовых точках. Частоты этих мод определены в зависимости от состава матрицы (Рис.). Показано, что с увеличением концентрации атомов Ga в материале матрицы происходит диффузия атомов Ga в КТ, о чем свидетельствует уменьшение частоты InAs- подобного фонона в спектрах КРС. При этом частоты в структурах с номинальным составом КТ InAs/GaAs частота этой моды достигает соответствующего значения в ст руктурах с КТ In_0.5Ga_0.5As/AlAs. Это позволяет сделать вывод, что элементный состав квантовых точек In_1-yGa_yAs может достигать значения 50% (y_Ga=0.5).

С целью определения содержания атомов Al в КТ InAs/AlAs изучены ИК спектры и спектры КРС объемных релаксированных твердых растворов InAlAs с различным содержанием Al. Установлено двумодовое поведение спектра оптических фононов в InAlAs. Определены частоты TO и LO InAs- и AlAs- подобных фононов в InAlAs в зависимости от концентрации Al. На основе этих данных в ближайшее время будет определено содержание алюминия в КТ InAs/AlAs.

Разработана конструкция микрорезонатора, позволяющая существенно увеличить параметр внешней квантовой эффективности излучателя одиночных фотонов. Резонатор содержит два полупроводниковых брэгговских зеркала, обеспечивающих эффективную локализацию энергии в аксиальном направлении, и оксидную апертуру, обеспечивающую локализацию моды в латеральном направлении. Показано, что при добротности микрорезонатора на уровне 10² и диаметре оксидной апертуры ~1 мкм, внешняя квантовая эффективность однофотонного излучателя составляет ~30%, а при использовании брэгговских микрорезонаторов с добротностью на уровне 10³ параметр внешней квантовой эффективности однофотонного излучателя может достигать значений 80%.

Рис. Зависимость плотности InAs квантовых точек от времени роста. На вставках спектры фотолюминесценции квантовых точек и данные атомно-силовой микроскопии.

Важнейшим фактором, определяющим качество современных вычислительных средств, является скорость передачи данных в пределах ЭВМ на уровне платаплата, 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 (ЛВР) представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации в пределах ЭВМ. 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.

Рис. Схематичное изображение оптической системы параллельной передачи информации на основе лазеров с вертикальным резонатором (A). Схема (B) и микрофотография (C) разработанного лазера с вертикальным резонатором, обеспечивающего скорость передачи данных 20 Гбит/с.

Решена задача о рассеянии частицы на трехмерном короткодействующем центре с осциллирующим потенциалом. Показано, что эта задача сводится к соответствующей одномерной дельта-функциональной модели. Изучена динамика и оптические переходы экситона Ванье-Мотта, локализованного в квантовом кольце под действием электрической составляющей внешней электромагнитной волны низкой частоты. Хорошо известно, что в пространственно однородной системе электрическое поле не оказывает влияния на движение центра масс экситона вследствие его электронейтральности. Однако в квантовом кольце, фактически, реализуется задача трех тел, где в качестве третьего тела выступает непосредственно квантовое кольцо. В этом случае электрическое поле внешней волны оказывает непосредственное влияние на центр масс экситона, и, как следствие, приводит к новым правилам отбора для межзонных оптических переходов.

Для описания указанного явления, была использована модель квантового одномерного кольца. Для простоты считалось, что частота внешней электромагнитной волны достаточно мала по сравнению с характерной энергией кулоновского взаимодействия электрона и дырки в экситоне. В этом случае можно пренебречь переходами с возбуждением внутренних степеней свободы экситона и ограничится только переходами с изменением квантового числа, описывающего движение центра масс. По отношению к величине амплитуды внешнего поля рассматривались две различные ситуации - когда амплитуда мала, по сравнению с характерными энергиями экситона и - намного превосходит их. В первом случае, как было показано с использованием теории возмущений, в оптическом спектре межзонных переходов экситона, кроме основного, главного резонанса, существующего и без внешней подсветки, должен наблюдаться набор дополнительных резонансов - сателлитов, появление которых вызвано внешним переменным электрическим полем. Интенсивность сателлитов определяется частотой и амплитудой внешней волны, причем, как и должно быть при условиях применимости теории возмущений, интенсивность сателлитов пропорциональна интенсивности внешнего поля, а частотная зависимость определяется резонансными энергетическими знаменателями. Отдельно был разобран случай резонанса, когда частота внешнего поля близка к разности двух уровней энергии, описывающих движение центра масс экситона. Для описания ситуации больших амплитуд внешней волны использовалось адиабатическое приближение, что позволяет "расцепить" движение центра масс и внутреннее движение экситона. Как было показано, и в этом случае в спектре излучения экситона должна наблюдаться целая серия резонансов, причём их интенсивности могут быть сравнимы по величине. Анализ интенсивности резонансов показывает, что при изменении частоты и амплитуды внешнего поля подсветки возможны осцилляции интенсивностей резонансов как функции от амплитуды и частоты внешнего поля.

Найдены аналитические выражения для асимптотики экранированного кулоновского взаимодействия в нанотрубках. Решение проводилось в рамках приближения самосогласованного поля, т.е. плотность поверхностных электронов на полом цилиндре должна быть достаточно велика. Экранированный потенциал может быть представлен рядом цилиндрических гармоник, который в данном случае совпадает с разложением по мультиполям. Показано, что характеры экранирования нулевой гармоники, отвечающей заряд-зарядному взаимодействию, и всех высших гармоник принципиально различны. Нулевая гармоника (т.е. аксиально-симметричная часть потенциала) выглядит как слабо экранированный закон Кулона: 1/z(ln2z/a)² , где а - радиус нанотрубки, z - расстояние между взаимодействующими электронами вдоль её оси. Этот результат соответствует общей тенденции - эффект экранирования ослабляется с уменьшением размерности системы, поскольку экранирующие частицы движутся по многообразию меньшего числа измерений, а электрическое поле всегда трехмерно. Все высшие гармоники потенциала испытывают экранирование лишь диэлектрического типа: их координатная зависимость от z не меняется, а амплитуда каждой гармоники делится на некоторый фактор, зависящий от её номера. Таким образом, появляется в задаче эффективная диэлектрическая постоянная, своя для каждой гармоники. С увеличением номера гармоники эта эффективная диэлектрическая константа стремится к единице. Причину этого можно понять на классическом языке: поля всех мультиполей, начиная с первого, на больших расстояниях практически перпендикулярны поверхности нанотрубки, так что электроны испытывают лишь азимутальные смещения и не сдвигаются по оси z, Поэтому z- зависимость остаётся такой же, как и для "голого" кулоновского потенциала.

Исследовано влияние электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн на сопротивление двумерного электронного газа в GaAs/AlAs гетероструктурах в сильном магнитном поле. Показано, что в изучаемой двумерной электронной системе в неравновесных условиях, создаваемых микроволновым излучением, возникают гигантские магнетополевые осцилляции сопротивления. Установлено, что при малых плотностях измерительного тока, увеличение микроволновой мощности приводит к абсолютному отрицательному сопротивлению в основном минимуме этих осцилляций, расположенном вблизи циклотронного резонанса. Полученные в работе экспериментальные данные качественно согласуются с теорией многофотонного фотостимулированного примесного рассеяния.

Рис. Зависимости Rxx(B) 2D электронного газа в GaAs/AlAs гетероструктуре, измеренные на холловском мостике длиной 250 мкм и шириной 50 мкм при различных величинах микроволновой мощности на выходе из генератора. Концентрация и подвижность 2D электронов в GaAs/AlAs гетероструктуре при температуре T=4.2 K составляли ne= 7.4×1011см-2, μ = 1.7×106см2/Вс, соответственно. Стрелками указано положение циклотронного резонанса.

Рис. Электронно-микроскопические изображения НК дисилицида железа в матрице Si: а- поперечное сечение (110) семислойной гетеросистемы FeSi2 - Si(001); б- изображение в направлении роста (001)(plan-view image); в - ВРЭМ изображение НК β-FeSi2.

Плотность прорастающих дислокаций в исследованных гетеросистемах не превышала 10⁶ см^-2. Проводимость кремния с встроенными НК, а также концентрация и подвижность носителей заряда в этих гетеросистемах практически совпадают с соответствующими параметрами чистого кремния, что свидетельствует о минимальном рассеянии носителей на НК в температурном диапазоне 300 - 540K и подтверждает их эпитаксиальное встраивание в кремниевую кристаллическую решётку.

Обнаружен новый тип стабильных кластерных структур собственных точечных дефектов в Si, введенных имплантацией ионов эрбия при Т=600^оС, которые, как предполагается, могут быть светоизлучающими. Исследования проведены с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ-JEM4000EX), интенсивного структурного моделирования (HyperChem7.0) и последующих расчетов ВРЭМ изображений (MUSLI). Новый тип кластерных структур представляет собой строго упорядоченную систему близко расположенных <110>-цепочек дивакансий (V₂), каждая из которых окружена двумя расщепленными междоузельными атомами (2I), c осью расщепления параллельной цепочкам дивакансий, выстроенных в направлении <332>, так что в плоскости {113} возникает система чередующихся областей растяжения и сжатия.

Рис. Экспериментальное (а), и расчетные (в, г, д) ВРЭМ изображения упорядоченной структуры (V₂-2I), полученные на основе модели (б). Красным цветом обозначены расщепленные междоузельные атомы, звездочками - места расположения дивакансий. В белой рамке выделен элементарный блок упорядоченного кластера (V₂-2I) .

Такая структура (V₂-2I), состоящая из близко расположенных (на расстоянии третьего соседа) простейших точечных дефектов оказывается стабильной при Т=600^оС, что предполагает частичную компенсацию полей деформаций, связанных с деформациями связей вокруг дефектов (см. рисунок). Дальнодействующее упорядочение деформированных связей вдоль направления <110> может рассматриваться как общее явление для метастабильных нанообъектов, формирующихся в неравновесных условиях.

Разработана воспроизводимая технология формирования массивов однородных элементов с периодом до 80 нм методами электронной литографии остросфокусированным пучком. Для электронного резиста на основе полиметилметакрилата получены отдельные элементы или массивы элементов с минимальным размером 13 нм при скорости создания массива - порядка 500.000 элементов в сек. Разработан метод перенесения массива на рабочие структуры методом плазмохимического травления. Возможности разработанной технологии продемонстрированы на примере создания массивов отверстий с периодом 100 и 80 нм на пленке TiN, представляющий собой регулярную сетку джозефсоновских преходов.

Рис. СЭМ-изображения массивов антиточек размером 31,4 нм и периодом 100 нм (а) и размером 13 нм (б) на пленке TiN после плазмохимического травления маски, созданной методом электронной литографии.

Методами электронной литографии и плазмохимического травления сформированы регулярные массивы нанокристаллов (квантовых точек) на поверхности монокристаллического кремния. Минимальные размеры кристаллитов (40нм) достигались за счет применения плазменного химического травления с охлаждением подложки для минимизации латеральной аморфизации. Остаточный аморфный слой кремния удалялся в процессе термического отжига, а наличие кристаллической матрицы кремния позволило восстановить совершенные по структуре кристаллиты после процессов их формирования. Размеры и геометрические параметры кремниевых нанокристаллов контролировались методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Полученные структуры могут быть использованы для создания макетов оптоэлектронных приборов.

Рис. Организованный массив кремниевых нанокристаллов размером ~70 нм и периодом 120 нм на поверхности кремнии (100).

Интерес к p-GaN(Cs,O) с эффективным отрицательным электронным сродством (ОЭС) обусловлен возможностью создания на его основе эффективных фотоэмиттеров УФ-диапазона. Изучение фотоэмиссии из p-GaN(Cs,O) представляет интерес и с научной точки зрения из-за необычных, по сравнению с другими полупроводниками с ОЭС, свойств p-GaN. Анизотропия электронного спектра и малые величины расщеплений валентных подзон нитрида галлия в центре зоны Бриллюэна, обусловленные влиянием кристаллического поля и спин-орбитального взаимодействия, способствуют "перепутыванию" их вкладов в физические явления.

Рис. Зависимость энергии эмитированных баллистических электронов от энергии фотонов.

В нашем эксперименте баллистические фотоэлектроны эмитировались в вакуум с поверхности (100) полупроводника, активированной до состояния с ОЭС адсорбцией (Сs,O). Энергия баллистических фотоэлектронов в вакууме измерялась методом тормозящего потенциала. Как видно из рисунка, измеренная зависимость энергии электронов от ?w хорошо описывается прямой линией, свидетельствующей об отсутствии значительной непараболичности электронного спектра. Используя хорошо известную эффективную массу электрона в GaN, равную m^* = 0.22 m₀, мы определили эффективную массу дырки, которая оказалась равной m_h,||^* = (0.60+0.15) m₀.

В работе исследованы перспективы применения наноструктурированных КНИ слоёв в качестве сенсоров и, в частности, детекторов органических молекул в биосистемах. Показано, что:

1. Минимальные значения подвижности в структурах КНИ с малой толщиной отсеченного слоя кремния 25-100 нм составляют 200 см²В^-1с^-1 и 50 см²В^-1с^-1 для электронов в аккумуляции и дырок в инверсии соответственно. Ограничения определяются рассеянием носителей заряда на границе сращивания Si/SiO₂ КНИ структур. Полученные значения сравнимы с данными для термически выращенных окислов на объемном кремнии.

Рис. а. Общий вид КНИ-нанопроволочного транзистора, состоящего из сток-истоковых областей площадью S=100×100 мкм2, соединенных между собой нанопроволочками.

Рис. б Сток затворные характеристики тестовых структур на 32 нм слое КНИ в различные моменты времени после обработки в метаноле (1) и йодистом метаноле (2). Для сравнения показаны характеристики при напряжении на внешнем затворе VG1=-50 В (3) и VG1=50 В (4).

2. Методы электронной литографии и газового травления в XeF₂ пригодны для изготовления КНИ нанопроволочных транзисторов с шириной нанопроволочек 200-40 нм (Рис. а), чувствительных к захвату-испусканию одиночных органических молекул в биожидкостях.

3. Обработки в метаноле (после удаления естественного окисла) и йодистом метаноле стабилизируют поверхность нанопроволочных КНИ структур в течение 2-3 часов и позволяют создавать на внешней поверхности структур КНИ с отсеченными слоями кремния n-типа проводимости состояния, близкие к аккумуляции и инверсии соответственно (Рис. б).

Полученные результаты подтверждают перспективность разработанной технологии наноструктурирования ультратонких слоёв кремния-на-изоляторе для создания биосенсоров одиночных органических молекул и вирусов в биосовместимых жидкостях.

Предложен метод межфазной эндотаксии (interface mediated endotaxy - IME), который позволяет получать сравнительно однородные толстые (5-10 нм) слои кремния-германия на изоляторе (КГНИ). Высокие значения дырочной подвижности в 10 нм слоях кремния-германия были подтверждены экспериментально из измерений эдс Холла на холловских структурах (Рис. а). КГНИ структуры покрывались слоем кремния с модуляционным легированием бором в процессе МЛЭ. Подвижность дырок в таких КГНИ структурах оказалась вблизи 200 см²/В с при слоевой концентрации дырок (2ч3)×10¹²см^-2. В аналогичных холловских КНИ структурах без германия подвижность дырок была в 4-5 раз меньше (Рис. б).

Рис. Поперечное сечение и планарная микрофотография холловского мостика (на вставке 1200х1800 мкм) КГНИ структуры (а) и экспериментальные точки холловской подвижности дырок от поперечного поля в структуре полевого КНИ транзистора с германиевой квантовой ямой (б).

Значения подвижности дырок наложены на данные из работы по зависимости эффективной подвижности дырок от поперечного поля в транзисторе с германиевой квантовой ямой шириной 16 нм и покрывающими её 3 нм кремниевыми слоями, выращенными методом МЛЭ и отожженными при Т = 500ч800^оС. Экспериментальные точки подвижности в холловских структурах после обработки при 700^оС обозначены квадратами, а при 800^оС - кружками. Светлые значки соответствуют подвижности в КНИ структурах без германия. В КГНИ структурах, выращенных методом МЛЭ, эффективная подвижность дырок после термообработок при 700ч800^оС в два раза меньше, чем после эндотаксии.

Высокая подвижность дырок при слоевых концентрациях носителей заряда, типичных для пороговых напряжений КМОП транзисторов (E_eff ~ 0.1 МВ/см), делает ультра тонкие КГНИ структуры, полученные методом ИМЭ, перспективными для создания высокопроизводительных СБИС.

Предложено количественное объяснение эффекта гигантской асимметрии магнитосопротивления двумерного электронного газа на цилиндрической поверхности, недавно обнаруженного экспериментально. Эффект наблюдался, когда ток был направлен вдоль направляющей кривой цилиндрической поверхности, и выражался в том, что отношение продольных сопротивлений, измеренных при противоположных направлениях внешнего магнитного поля, было велико (>10³).

Рис. 1. а) Уровни Ландау в изогнутой оболочке в сильно магнитном поле. б) токовые каналы в холловском образце, сформированном на изогнутой поверхности.

Рис. 2. Экспериментальные результаты - сплошные линии, пунктирные - расчетные для сопротивления R56, R35, R26, R23.

При заданных условиях эксперимента максимальное значение нормальной к поверхности компоненты вектора магнитного поля находится между одним из токовых электродов и ближайшей к нему парой потенциальных контактов. Поэтому на одной стороне холловского мостика электрохимический потенциал переносится без изменений через оба потенциальных контакта, и следовательно, сопротивление, измеряемое на этой стороне, равно нулю. В то же время токовые каналы, переходящие с этой стороны образца на противоположную, меняют электрохимический потенциал потенциальных контактов на противоположной стороне, и, соответственно, измеряемое между ними сопротивление отличается от нуля. Зануление продольного сопротивления имеет ту же природу, как и в обычном плоском ДЭГ, однако, так как уровень Ферми никогда не совпадает с одним из уровней Ландау во всем образце с изогнутым ДЭГ, зануление наблюдается во всем диапазоне квантующих магнитных полей. Вышеизложенное объяснение может быть формализовано в рамках подхода Бюттикера-Ландауэра и для данных условий эксперимента дает хорошее согласие с измеренными величинами.

Проведено сопоставление параметров различных конструкций планарных приемных антенн и произведен выбор оптимальной конфигурации. Рассчитаны основные параметры плоской спиральной антенны: диаграмма направленности, входное сопротивление, коэффициент стоячей волны (КСВ), поляризационные характеристики, диапазон рабочих частот и коэффициент перекрытия диапазона, коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления. Выработаны требования к оптимальным параметрам антенны для диапазона 0,2 - 1 ТГц. Разработан способ сопряжения приемной антенны с элементами матрицы микроболометров.

Рис .1. Конфигурация логарифмической спиральной антенны: а) плоская проводящая спираль; б) дополнительная щелевая спираль.

направленность антенны оказывается абсолютно независимой от частоты. Поэтому логарифмические спиральные антенны относятся к классу частотно-независимых антенн. Двухзаходная логарифмическая спираль образуется двумя проводниками (а) или щелями (б) с растущей по мере увеличения угла раскрутки толщиной проводников (щелей) (Рис.1).

Рис 2. Общий вид микроболометричес- кого приемника сопряженного с логарифмической спиральной антенной. 1 - кремниевая подложка, 2 - контактные площадки, 3 - зеркало, 4 - первый несущий слой нитрида кремния, 5 - металлическая разводка, 6 - второй пассивирующий слой нитрида кремния, 7 - омический контакт к терморезистивному слою, 8 - металлическая полоска - поглотитель ТГц излучения, 9 - опорный фланец, 10 - антенна.

Разработанная конструкция спиральной антенны, сопряженной с одним элементом болометрического приемника показана на Рис. 2.

Проведено исследование стимулированного излучения из варизонных структур КРТ. Варизонные структуры на основе КРТ имеют как на свободной поверхности, так и на границе с подложкой слои, с более широкой запрещенной зоной. Эти слои, расположенные с двух сторон активной области обладают меньшей диэлектрической проницаемостью, и поэтому сами структуры являются естественными волноводами для лазерного излучения. Экспериментально наблюдалось стимулированное излучение гетероструктур на основе КРТ при оптической накачке с длинами волн 1,4-4,5 мкм. В экспериментах использовались варизонные образцы КРТ, выращенные на подложках из GaAs и Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Суперлюминесценция таких структур наблюдалась при температурах 77-300 К при импульсной накачке образцов Nd:YAG-лазером(длина волны 1,064 мкм).

Рис. а - спектры стимулированного излучения образца КРТ 051108 (х=0,62, р-типа) на подложке из GaAs при температуре 300 (1) и 77 К (2); на вставке схематично показана геометрия эксперимента. б - профиль распределения CdTe по толщине.

При комнатной температуре стимулированное излучение наблюдалось на длинах волн 1,4-1,7 мкм (Рис.). Полученные экспериментальные данные являются первыми результатами по наблюдению стимулированного излучения на этих длинах волн при комнатной температуре из объемных варизонных структур КРТ на подложках из GaAs и Si.

Разработана технология и изготовлены тестовые структуры кремниевых детекторов (PIN и лавинные диоды) для регистрации ядерных частиц. Базовые операции изготовления основаны на уникальных технологиях, развитых в ИФП СО РАН:

• технология выращивания сверхчистого кремния (не менее 2 кОм×см) методом бестигельной зонной плавки (БЗП) с последующим нейтронным легированием - для создания подложек с высокой однородностью электрофизических параметров;

• технология выращивания сверхтонких полупроводниковых слоев на кремниевых подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) - для формирования резкого p-n перехода с толщиной сильно легированной области 80 нм;

• технология кремниевой микроэлектроники (фотолитография, ионное легирование, химические обработки, нанесение металлов) - для формирования сильно легированной области n-типа собирающего электрода, металлизации и защиты поверхности детектора.

Тестовые структуры детекторов двух типов прошли испытания в ИЯФ СОРАН и используются для регистрации протонов в энергетическом диапазоне 10 кэВ- 3 МэВ на установке газодинамическая ловушка (ГДЛ):
- PIN-диоды с большой активной площадью (1 и 3 см²) и сверхтонким управляющим электродом;
- лавинные диоды малой площади (3×10^-2 см²) оригинальной конструкции с развитой системой охранных колец - прототип линейчатых и матричных детекторных структур.

Испытания по регистрации протонов на ГДЛ показали более высокое энергетическое разрешение (в 3-5 раз) PIN-диодов в сравнении с существующей системой регистрации на базе сцинтиллятора и ФЭУ фирмы Hamamatsu. При регистрации одиночных альфа-частиц с энергией 4.3 МэВ коэффициент умножения лавинных диодов превысил 10³.

В ИГХ СО РАН выращены, обработаны и переданы в ИФП СО РАН два типа сцинтилляционных кристаллов с различным содержанием кадмия для сопряжения и испытаний в тандеме с лавинным диодом.

Для увеличения и стабилизации качества пучка на выходе технологической установки "Луч" (РФЯЦ ВНИИЭФ) рассчитана конфигурация эллиптических фокусирующих киноформных элементов многокомпонентного растра формата 200×200 мм² в приближении реальных световых пучков. Разработана конструкция широкоформатного линзового растра, показанная на Рис. 1, и технология его изготовления.

Рис. 1. Схема расположения элемен тов в многокомпонентном растре формата 200×200 мм2. Различные типы эллиптических линз с фокусными расстояниями в диапазоне 36- 100 м помечены числами.

Рис. 2. Двумерный вид пучка фокусировки с использованием многокомпонентного растра при дифракционном качестве излучения (а) и огибающие в вертикальном и горизонтальном направлениях (б). Размеры показаны в сантиметрах.

Проведен цикл работ для увеличения скорости генерации квантового ключа и дальности передачи оптоволоконной квантовой системы связи на основе фазового кодирования. Разработано новое программное обеспечение для быстродействующей программируемой матрицы. Оно позволяет обрабатывать серию импульсов заданной длины внутри матрицы без вмешательства управляющего программного обеспечения, которое работает на настольных компьютерах. Для этого предусмотрен специальный регистр, через который задается количество импульсов в серии, а также подсхема с достаточно большой буферной памятью для накопления и последующей автоматической передачи через интерфейс USB 2.0 "сырого ключа" в компьютер, к которому подключен соответствующий контроллер. Усовершенствована система управления регулируемого аттенюатора для более точного контроля интенсивности однофотонных импульсов. Эта доработка позволит использовать полную емкость накопительной оптической линии задержки. Реализованы функции загрузки и управления дополнительной программируемой матрицы, встроенной в новой версии однофотонного детектора. Предусмотрена более точная система синхронизации временных интервалов во время квантовой передачи для работы детекторов.

Разработана кинетическая Монте-Карло модель аморфных SiO_x слоев. Модельные слои со стехиометрическим составом SiO₂, имеющие случайное начальное распределение компонент на частично заполненной алмазной сетке (~50%), в результате длительного отжига стремились к формированию цепочек правильных тетраэдров SiO₄, соединенных друг с другом одним атомом кислорода. В таких цепочках реализуется правильный ближний порядок, как для атомов кремния, так и кислорода. При случайном расположении и различной ориентации тетраэдров дальний порядок в такой модельной системе будет отсутствовать аналогично аморфному состоянию SiO₂ слоя. Параметры взаимодействия между атомами выбирались таким образом, чтобы двухвалентный атом кислорода имел 2-х ближайших соседей, преимущественно атомов кремния, а 4-х валентный атом кремния - 4 атома кислорода. При моделировании отжига слоя со стехиометрическим составом SiO₂, число правильно координированных атомов превышало 70%. Отжиг SiO_x слоев с различным содержанием избыточного кремния приводил к повышению доли правильно координированных атомов кислорода до 95%, а собирание избыточного кремния в nc-Si происходило при x < 1.6. Разработанную модель диоксида кремния предполагается использовать для исследования диффузии атомного и молекулярного кислорода, молекул моноокиси кремния, образующихся при высоких температурах отжига, собирания кремния в нанокластеры и формирования вокруг них окисной оболочки.

Рис. Цепочка из двух тетраэдров SiO4, ниже приведен фрагмент сечения модельного слоя: черными кружками указаны атомы кремния, белыми - атомы кислорода, треугольниками отмечены образовавшиеся тетраэдры, наблюдаемые в данном сечении.

Численно изучено светоиндуцированное движение агрегированных металлических наночастиц в поле световой волны. Показано, что деформация структуры наноагрегата под действием наведенных сил является новым специфическим механизмом оптической нелинейности металлических наноструктур. Для ряда нелинейно-оптических процессов - поглощения, рассеяния сильной волны и рассеяния пробного поля - показано, что нелинейность отклика имеет гигантскую величину, а зависимость от частоты возбуждающего излучения имеет знакопеременный характер. В качестве иллюстрации, на рисунке представлены спектры нелинейного рассеяния пробного поля для различных частот поля накачки.

Рис. Зависимость (расчет) нелинейного рассеяния (добавка к сечению, вызванная сильным полем) агрегата из 5-ти наночастиц серебра от частоты пробного излучения. Приведены значения (в электронвольтах) соответствующих частот сильного поля.

Исследованы фотоионизационные маршруты оптического возбуждения атомов таллия с целью получения изотопически модифицированного материала по AVLIS методу. Экспериментально исследованы энергии и квантовые дефекты ридберговских nF_5/2 (n=13÷24) состояний атома таллия, возбуждение которых осуществлялось из основного 6²P_1/2 по двухступенчатой схеме через промежуточное 6²D_3/2 состояние. Применением коллимированного атомного пучка, монохроматического излучения двух узкополосных перестраиваемых лазеров разрешена сверхтонкая и изотопическая структура основного состояния атома таллия и определено энергетическое положение nF_5/2 состояний с точностью 0.03см^-1, превышающей более чем на порядок точность, реализованную ранее. Величина квантового дефекта nF_5/2 не зависит от n в пределах точности измерений и равна Δ=1.0344+0.0008. Значение ионизационного потенциала I_p=49266.55+0.03см^-1 получено для изотопа ²⁰⁵Tl с уровня 6²P_1/2 (F=0). Измеренная в эксперименте от F=0 состояния изотопа ²⁰⁵Tl энергия уровня 6²D_3/2 составила величину 36118.56+0.02см^-1. Полученные изотопически разрешённые спектры ^203,205Tl позволяют разработать технологию получения изотопов таллия для производства медицинских радиофармпрепаратов.