ГОД: 2022 | 2021 | 2020 | 2019 | 2018 | 2017 | 2016 | 2015 | 2014 | 2013 | 2012 | 2011 | 2010 | 2009 | 2008 | 2007 | 2006 | 2005 | 2004 | 2003 | 2002
2003

Лаборатория физико-технологических основ создания приборов на основе полупроводников А2В6.
Впервые в России изготовлен экспериментальный образец линейчатого фотоприемного модуля (ЛФПМ) с форматом 4×288. В каждом из 288 каналов происходит суммирование сигнала по четырем элементам. За счет этого удельная обнаружительная способность ЛФПМ возрастает в N1/2, где N = 4 (число элементов в канале), т.е. в 2раза. Кремниевый мультиплексор позволяет производить поиск дефектных элементов модуля в целом и отключать элементы с повышенным (не сигнальным) током, что позволяет увеличить количество функционирующих каналов. Фотоприемная линейка 4×288, изготовленная на основе гетероэптаксиалього слоя КРТ, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью групповой холодной сварки на индиевых столбах соединена с кремниевым мультиплексором. На рисунке приведена фотография ЛФПМ. Засветка осуществляется через прозрачную в ИК-области спектра подложку из арсенида галлия. Средняя величина температурного разрешения достигает величины 13,9 мК. Количество работающих каналов - 100%.
![]() | ![]() |
Линейчатый фотоприемный модуль 4×288 для ИК-диапазона 8-12 мкм. Размер кремниевого кристалла 9,0×5,8 мм. | Гистограмма температурной чувствительности (NEDT) фотоприемного модуля 4×288 |
Основные параметры модуля приведены в таблице
|

Лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых соединений А3В5.
Сектор физико-технических проблем микросборки многоэлементных фотоприемных устройств.

Лаборатория физико-технологических основ создания приборов на основе полупроводников А2В6.
Исследованы характеристики новой варизонной детекторной структуры, в которой поглощение фотонов происходит в узкозонной области р-слоя Hg1-xCdxTe с x=0.22, а переход находится в широкозонном р-слое с х=0.22+Dx (Dx=0-0.05). Варизонная область между этими слоями является барьером для неосновных носителей. Вычислены величины ампер-ваттной чувствительности (см. рис.1), R0A и спектральная характеристика n+-p фотодиодов при температуре 77 К в одномерной диффузионно-дрейфовой модели, включающей уравнение Пуассона и уравнение непрерывности для электронов с учетом рекомбинации и фотогенерации носителей заряда и встроенного поля, образующегося из-за зависимости параметров зонной структуры от координаты. Исходная система дифференциальных уравнений была решена численно для различных величин высоты и ширины барьера и при различном расположении p-n перехода относительно варизонной области.
Вычисленные зависимости позволяют выбрать необходимую варизонную структуру, позволяющую уменьшать фототоки и темновые токи в десятки раз без ухудшения температурного разрешения (NEDT). При величинах барьера Еb ≥ 0.03 эВ, фототок уменьшается незначительно из-за увеличения концентрации фотогенерированных электронов перед барьером, а генерационно-рекомбинационный и туннельный токи в ОПЗ перехода уменьшаются экспоненциально с увеличением Еb . Это позволяет увеличить обнаружительную способность D*.(см. Рис. 2).

Созданы и исследованы основные характеристики планарного вакуумного УФ-фотодиода с GaN-фотокатодом, работающим в геометрии на отражение. Основой фотокатода являлась гетероструктура с активным слоем из р- GaN (р~1·1017 см-3), выращенная МОС-гидридной эпитаксией на подложке из лейкосапфира. Корпус диода диаметром ~ 30 мм состоял из трех колец из алюмооксидной керамики и двух титановых колец, соединенных между собой активной пайкой медно-серебрянным припоем. На одном из Ti- колец была смонтирована мелкоструктурная плоская медная сетка, служившая анодом. Второе Ti- кольцо использовалось как охранное и для крепления нераспыляемого газопоглатителя. На противоположных торцах цилиндрического корпуса были герметично закреплены окно из лейкосапфира и GaN- фотокатод, смонтированный на металлическом диске. Финишное обезгаживание узлов фотодиода, активирование GaN-фотокатода и холодная индиевая герметизация проводились в трехкамерной сверхвысоковакуумной установке переноса.
Приготовление атомарно-чистой поверхности GaN проводилось в два этапа. На первом этапе окисиды галлия удалялись с поверхности раствором HCl в изопропиловом спирте. Химическая обработка проводилась в атмосфере азота и затем структура переносилась в установку переноса без контакта с воздухом. В установке переноса проводилась термоочистка поверхности GaN при температуре ~ 500oС. После термоочистки концентрация остаточных примесей кислорода и углерода на поверхности, измерявшаяся рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, не превышала 3-5% от монослоя. Атомная структура поверхности, измерявшаяся дифракцией медленных электронов, была упорядоченной и соответствовала GaN(0001)-(1х1). Наибольшая квантовая эффективность GaN-(Cs) фотокатода, равная 26% на длине 250 нм, наблюдалась при нанесении ~ 0.5 ML Cs на поверхность GaN. Темновой ток фотодиода при напряжениях до 100 В не превышал 10-14 А, что на много порядков ниже по сравнению с твердотельными фотоприемниками на GaN.

Проведены исследования температурных деформаций фотоприемных модулей, состоящих из соединенных индиевыми столбами кристаллов InAs и Si при многократном термоциклировании от комнатной температуры до температуры жидкого азота. Показано, что после оплавления соединительных индиевых контактов и создании оптимальной длины расплавленного индиевого столбика в пределах 10 -15 мкм количество термоциклов , не нарушающих контактное соединение более 99 процентов элементов матричного модуля достигает 2000 - 3000 (на исходных модулях после "холодной" сварки давлением число неразрушающих термоциклов не превышало 500 -600 ). Впервые в России создана технология , позволяющая получать воспроизводимые результаты по гибридной сборке ФПУ , выдерживающих многократные термоциклы без применения клеевых композиций или сложных многослойных компенсирующих подложек.

Исследованы вольт-амперные характеристики и спектральные зависимости фото-ЭДС при Т = 4.2 и 300 К в ненапряженных структурах с квантовыми точками (КТ) германия в системе - GaAs/ZnSe/КТ-Ge/ZnSe/Al. Наблюдаемые при комнатной температуре без освещения особенности типа "кулоновской лестницы" на вольтамперной характеристике обусловлены кулоновским взаимодействием электронов при туннелировании через собственные уровни в КТ. Особенности в спектрах фото-ЭДС связываются с поглощением излучения в системе дискретных уровней КТ. На основе экспериментальных данных построена энергетическая зонная диаграмма структуры с КТ.

С развитием широкоформатной электроники актуальной становится проблема получения полупроводниковых пленок с хорошими электрофизическими характеристиками на недорогих нетугоплавких подложках. Используя кристаллизацию аморфных пленок с применением наносекундных импульсных воздействий излучения эксимерного лазера, получены пленки поликремния на подложках из стекла и полиимида. Структурные характеристики пленок были исследованы с применением методик спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР) и высокоразрешающей электронной микроскопии. На рисунке приведены спектры КР исходной пленки a-Si (кривая 1), и пленок, обработанных импульсами эксимерного лазера с плотностью энергии ниже порога плавления пленки a-Si (кривая 2) и чуть выше порога плавления (кривая 3). Для применяемых режимов лазерной кристаллизации были получены нанокристаллические пленки кремния со средним размером кристаллитов (оцененным из смещения пика КР) от 5 до 10 нм. Были исследованы электрофизические свойства легированных и нелегированных пленок: активация примеси при лазерных обработках; температурная зависимость проводимости; время жизни неравновесных носителей заряда.
![]() |
![]() ВРЭМ изображение пленки, содержащей нанокристаллы кремния (подложка полиимид, спектр КР - кривая 2) |
Развитые подходы импульсной лазерной кристаллизации позволяют проводить сканирующие обработки для получения пленок нано- и микрокристаллического кремния на широкоформатных подложках. Полученные результаты представляют интерес для разработки технологии создания приборов широкоформатной микроэлектроники (активных матриц тонкопленочных транзисторов и т. д.) на гибких пластиковых подложках.

Лаборатория физической химии поверхности полупроводников и систем полупроводник-диэлектрик,
Лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5.
Проведены исследования колебательных свойств структур, содержащих слои самоорганизованных квантовых точек (КТ) методами комбинационного рассеяния света (КРС) и ИК спектроскопии. Были исследованы следующие структуры:
Все структуры с КТ были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ростовой моде Странского-Крастанова. Размер и форма КТ контролировались с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ). КТ InAs имеют преимущественно форму пирамид с основанием порядка 10 нм и высотой 1.5 нм. КТ AlAs представляют собой эллипсоиды длиной 4-5 нм и высотой 2-4 нм. Методами ВРЭМ и КРС проведено исследование влияния температуры роста на структурные параметры КТ Ge. КТ Ge, выращенные при T=300oC, имеют форму пирамид с основанием порядка 15 нм и высотой 2 нм. При повышенных температурах (400÷750oC) форма КТ становится куполообразной с характерными размерами основания 20÷100 нм и высоты купола 4÷6 нм.
Анализ спектров КРС позволил провести оценку напряжений и состава КТ Ge в оксиде кремния. Показано, что КТ Ge, выращенные на субмонослойном оксиде кремния, являются полностью срелаксированными, в то время как Ge/Si структуры проявляют присутствие напряжений (exx=-(0.034÷0.019)) и Ge-Si перемешивания (xGe=0.9÷0.4) в зависимости от температуры роста (400÷650oC).
На основе анализа ИК спектров и спектров КРС структур с КТ Ge, InAs и AlAs впервые обнаружен эффект локализации оптических фононов и изучены интерфейсные фононы. В рамках модели диэлектрического континуума проведены расчеты частот оптических фононов, локализованных в КТ, а так же интерфесных фононов как в КТ, так и в слоях матрицы.
Исследовано резонансное (микро- и макро-) комбинационное рассеяние света в структурах с КТ в различных геометриях рассеяния. Наблюдалось уменьшение частоты оптических фононов КТ с ростом энергии возбуждающего излучения. Показано, что вследствие неоднородности КТ по размеру, с ростом энергии возбуждения КТ меньшего размера вносят резонансный вклад в спектры КРС на частотах локализованных фононов, меньших частоты объемного оптического фонона в материале КТ. По спектрам КРС установлено отклонение правил отбора для КРС структурах с КТ в сравнении с правилами отбора, справедливыми для планарных сверхрешеток. В многослойных структурах с КТ наблюдался эффект интерференции акустических фононов, а в структурах с единственным слоем КТ Ge- эффект локализации акустических фононов.

Группа моделирования электронных и технологических процессов микроэлектроники.
На начальных стадиях роста Ge на Si(111), который происходит в соответствии с моделью Странского-Крастанова, смачивающий слой при осаждении с низкой скоростью (~1010 см-2с-1) формируется по многослойному механизму. Островки Ge растут в высоту до трех атомных слоев, после чего продолжается только их латеральный рост до слияния в когерентный слой. С помощью Монте-Карло моделирования показано, что к ускоренному росту островков в высоту может привести дополнительный барьер 0.5-0.6 эВ, который должен преодолеть атом для разрушения димеризации связей при встраивании в край островка. Из сопоставления модельных и экспериментальных данных оценены энергии активации диффузионных атомных скачков на атомарно гладких поверхностях для Ge/Si(111) (E12=1.1 эВ) и для Ge/Ge/Si(111), (E22=1.5 эВ). При этих параметрах получено наилучшее совпадение модельной картины с экспериментальными данными СТМ по плотности, размерам и ориентации островков при одинаковых условиях осаждения и одинаковом количестве осажденного вещества (рис.1).
Для объяснения ограничения роста реальных островков тремя слоями было рассмотрено расположение атомов и направление связей на границах реальных 1-, 2- и 3-хслойных островков. Высказано предположение, что на скорость роста островков в высоту влияет образование димеров на границах островка, причем расположение димеров может зависеть от высоты островка. На островках в 1 и 2 слоя могут возникать только горизонтальные димеры, не препятствующие диффузии адатомов на вершины островков. Но краевые димеры на трехслойном островке могут иметь вертикальное расположение и образовывать вдоль границы островка димерный ряд, аналогично тому, как это происходит на поверхности (001). Такой ряд будет тормозить диффузию атомов на вершину островка (рис.2).
а б в
Рис.1 Сравнение плотности, размеров и ориентации островков на экспериментальной и модельной поверхностях Si(111) равной площади при одинаковых условиях осаждения: а - СТМ изображение островков (светлый слой - третий), б - модельные многослойные островки с "правильной" ориентацией, в - модельные островки без учета влияния димеров с "неправильной" ориентацией. (Различия плотностей - в пределах флуктуаций).
![]() | ![]() |
а | б |
Рис.2 Расположение краевых димеров: а - горизонтальные димеры (зеленые) на границах двухслойного островка, б - ряд вертикальных димеров (сине-зеленые) вдоль границ трехслойного островка.

Предложена принципиально новая архитектура построения многоканальных акустооптических фильтров с использованием запатентованной технологии многоотражательных расширителей пучка (МОРП). Предлагаемое устройство за счет электрооптического или термооптического эффектов может осуществлять независимую фильтрацию и перенаправление (на четыре отдельных волоконных вывода) информационных оптических сигналов на четырех различных длинах волн. Диапазон индивидуальной перестройки каждого из частотных каналов определяется величиной изменения показателя преломления соответствующих полосковых волноводов и, как правило, соответствует нескольким ближайшим частотным каналам. Перестройка одновременно всех частотных каналов в пределах полной полосы фильтрации (С - зоны или L - зоны прозрачности оптического волокна) осуществляется за счет акустооптического эффекта при изменении частоты акустической поверхностной волны. МОРП устройство с оптической апертурой всего 0.58 см обеспечивает уникально узкую ширину линии фильтрации 12 ГГц по уровню 3 дБ и подавление соседних каналов - 29 дБ. Данные параметры обеспечивают принципиальную возможность работы многоканального оптического фильтра со сверхплотной сеткой оптических частот 25 ГГц в волоконно оптических линиях связи (ВОЛС), работающих на базе спектрального уплотнения с возможностью использования до 200 частотных каналов в каждой из зон прозрачности. Расчетное частотное разрешение перестраиваемого четырех-канального акустооптического фильтра в 4 раза лучше, а размеры устройства в 7 раз меньше, чем у лучшего из известных одноканальных акустооптических фильтров компании Фуджицу (Япония)

Изучено возникновение поперечного перераспределения носителей в двумерной системе под действием тангенциального электрического поля и магнитного поля, имеющего тангенциальную компоненту. Показано, что в результате перераспределения носителей возникает холловское напряжение между изолированными электродами, размещенными над и под квантовой пленкой. Найден дополнительный вклад в вертикальное холловское напряжение, обусловленный ориентацией электронных спинов магнитным полем и спин-орбитальным взаимодействием электронов с потенциалом квантовой ямы.

Показано, что в асимметричной двойной квантовой яме возникает взаимодействие оптической и межпдзонной ветвей 2D плазменных колебаний, а также бесстолкновительное затухание оптических плазмонов при резонансе с межподзонным континуумом. При инверсии заселенностей подзон в области резонанса с межподзонным континуумом возможно усиление плазменных волн оптической ветви.

Методами in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной, микроскопии (ОЭМ), ex situ атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии (АСМ, СТМ) проведено изучение морфологических перестроек атомно-чистой поверхности Si(111) после быстрого охлаждения (закалки) от высоких температур до комнатной. На широких террасах, вдали от моноатомных ступеней, обнаружено формирование отрицательных островков, представляющих заглубленные области сверхструктуры (7х7). Методами АСМ и СТМ установлено, что глубина островков составляет 0,08нм, что соответствует генерации вакансий в области (7х7) реконструкции и появлению второго разупорядоченного слоя адатомов на остальной части поверхности, не успевшей перейти в структуру(7х7). Обнаружено, что плотность и размеры островков слабо зависят от температуры закалки, так что доля поверхности, подвергнутой (7х7) реконструкции является постоянной величиной, определяемой временем закалки. Оценки показывают, что формирование отрицательных островков не связано со стоком термодинамически равновесных объемных вакансий на поверхность. Предполагается, что генерация неравновесных точечных дефектов обусловлена сверхструктурным переходом (1х1)®(7х7), протекающим при понижении температуры исследуемого кристалла. При этом формирование стабильных вакансионных структур во втором приповерхностном слое является ключевым для образования дефектных доменов (7х7) структуры.
Рис.1. Типичные АСМ-изображения поверхности кремния (111) после быстрого охлаждения (закалки) от 12500C до комнатной температуры. Темные треугольные островки на террасе представляют собой отрицательные островки глубиной 0,08нм. Стороны треугольников ориентированы вдоль <110> направлений.

Экспериментально исследовано двух- трех и четырехтерминальное сопротивление баллистической проволоки, изготовленной на основе высокоподвижного двумерного (2Д) электронного газа в гетеропереходе AlGaAs/GaAs. Установлено различное поведение мезоскопических флуктаций многотерминальных сопротивлений в зависимости от затворного напряжения и магнитного поля. Обнаружена управляемая магнитным полем корреляция в поведении двухтерминального и четырехтерминального сопротивлений. Она указывает, что квантование кондактанса должно сопровождаться нулевым значением четырехтерминального сопротивления независимо от реального распределения заряда в проволочной структуре и прозрачности потенциометрических пробников.

Предложен и реализован подход, открывающий возможность создания периодичных прецизионных 3D наноструктур, которые могут рассматриваться как латеральные молекулы из квантовых точек. Подход основан на использовании процессов самоформирования, происходящих при отсоединении от подложки сжатых пленок.
Используя процессы самоформирования, созданы периодически гофрированные наноструктуры на основе сверхтонких напряженных полупроводниковых пленок и гетеропленок (SiGe, SiGe/Si, InAs, InGaAs/GaAs,). Масштабируемость системы экспериментально проверена вплоть до размеров 3 нм.
Рис 1. Схематичная иллюстрация метода изготовления простейшей тонкопленочной наногофрированной структуры - выпучивание (гофрировка) сжатого слоя InAs в результате упругой релаксации напряжений при его частичном освобождении от подложки.
Фотографии самосформированных периодически гофрированных SiGe и InGaAs пленок с разными периодами гофрировки. На рис. (а, с) хорошо видны процессы упругого взаимодействия гофрировок и взаимной корреляции, d -электронномикроскопическая фотография гофрировок.
Рис. 2. Слева - схема структуры, в которой напряженный InGaAs слой выращен между двумя жертвенными AlAs слоями (на рис. светлые области), подложка и ограничено верхним слоем - GaAs. Справа - электронно-микроскопические изображения поперечных сечений гофрированных InGaAs и SiGe пленок. (а) - свободная гофрировка; (б)- гофрировка, формирование которой ограничено между подложкой и верхним слоем; (с) - сложная гофрированная система, представляющая собой периодически чередующиеся расщепленные и нерасщепленные области (квантовые барьеры и ямы) трехслойной пленки.
На рис.1 а приведены два ряда самосформированных гофрировок.
Релаксация внутренних напряжений и изгиб пленки (внешние слои растягиваются, внутренние сжимаются), существенно изменяет ширину запрещенной зоны пленок. Деформация ε≈10% существенно изменяют ширину запрещенной зоны в месте изгиба ∆Е ≈1 эВ, создавая квантовую яму. Изменения ширины запрещенной зоны ∆Е в простейшем случае связанны с деформацией ε и величиной деформационного потенциала D соотношением ∆Е=εD. Оценка ∆Е в ультра тонких пленках дает величину ≈1 эВ, т.е. имеющиеся в гофрированных структурах упругие деформации вызывают сдвиги краев зон и приводят к появлению системы потенциальных ям. При уменьшении периода система может рассматриваться как система взаимодействующих квантовых точек.
Приведенные на рис. 1 свободные гофрировки являются хорошо упорядоченными и коррелированными, однако их нельзя отнести к прецизионным. Для достижения прицезионности мы вводили ограничение на амплитуду гофрировок. Для этого на этапе молекулярной эпитаксии в структуру дополнительно вводится, ненапряженный слой, который и ограничивает амплитуду (см. схему рис. 2) и сечение гофрированной структуры.
На рис. 2 с представлено сечение периодически гофрированной системы, образованной из трехслойной пленки (InGaAs/AlGaAs/InGaAs), содержащей два напряженных слоя, разделенных жертвенным слоем частично освобожденным от подложки. В результате травления в локальных областях AlGaAs жертвенного слоя, напряженные InGaAs слои освобождаются от связи друг с другом (пленка "расщепляется"). В процессе самоформирования образуется цепочка, периодически расположенных "нерасщепленных" и "расщепленных" областей, толщина которых и соответственно уровни размерного квантования отличаются. Для исходной пленки толщиной 8 ML ∆ Е превышает величину 1 эВ. Расщепленные области представляют собой квантовые барьеры, а расположенные между ними области трехслойной пленки квантовые ямы. Цепочка квантовых ям и барьеров, сформированная из узкой полоски пленки, представляет собой твердотельный аналог молекулы (молекулы из квантовых точек).
Предложенный нами подход позволяет формировать одиночные периодичные прецизионные наноструктуры разнообразных форм и размеров, что делает реальным в ближайшем будущем создание с их помощью квантовых приборов.


Обнаружено, что при росте слоев GaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии из пучков Ga и аммиака возможно изменение полярности ростовой поверхности GaN. Рост в определенных условиях промежуточного слоя AlN приводил к смене ориентации поверхности GaN(0001) на (000-1) и наоборот. Такая инверсия происходила на всей поверхности пленки. Был проведен рост пленки GaN с чередующимися слоями разной полярности. Одним из возможных механизмов инверсии полярности пленки GaN может быть образование устойчивых связей Ga-Al или Al-Al, в результате чего формируется две соседние плоскости из атомов Ga и Al или Al и Al.
При эпитаксии на различных подложках пленки GaN кристаллизуются главным образом с образованием гексагональной структуры типа вюрцит. Полярность направления <0001> в вюрците обусловлена отсутствием в таком кристалле центральной симметрии. Следствием этого является значительная разница в физических и химических свойствах между плоскостями GaN(0001) - Ga-грань и GaN(000-1) N-грань. Поэтому при эпитаксии GaN от ориентации поверхности роста зависит встраивание примесей, морфология, кристаллическое совершенство растущих слоев и выбор условий роста для получения совершенных пленок GaN. Обнаруженное явление может быть использовано для получения новых оптически активных сред на основе соединений AIIIN.

Сектор люминесцентного анализа полупроводниковых материалов и структур.
В 2003 году закончена разработка технологии роста методом МЛЭ двух типов структур на основе GaAs для мощных СВЧ транзисторов типа MЕSFET и HFET. Структуры используются для производства мощных интегральных СВЧ транзисторов (частотный диапазон 10 - 18 ГГц) на ОАО "Октава" г.Новосибирск. СВЧ параметры получаемых транзисторов превышают параметры транзисторов, изготавливаемых на основе структур других российских производителей.
Дальнейшее улучшение параметров мощных СВЧ транзисторов связано с разработкой новых типов структур. Наиболее перспективными являются AlGaN/GaN гетероструктуры, которые позволяют в 10 раз увеличить СВЧ мощность транзисторов из-за более высоких пробивных напряжений и плотности двумерного электронного газа. Основные проблемы роста транзисторных структур на основе GaN связаны с отсутствием подложки, обеспечивающей получение качественного материала. В настоящее время в Институте исследуется технология выращивания AlGaN/GaN гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием аммиака на подложках сапфира. Из-за значительного различия параметров решетки GaN и сапфира (14%) для получения AlGaN/GaN гетероструктур с низкой концентрацией дефектов кристаллической решетки и высокой подвижностью электронов необходимо использовать переходные слои, включающие нитридизированный слой на подложке, зародышевый слой AlN и буферный слой. В транзисторных структурах буферные слои должны иметь малую проводимость, чтобы не шунтировать канал транзистора.
Процесс нитридизации изучался с помощью дифракции быстрых электронов на отражение. Для определения режимов роста буферных слоев нитрид галлия исследовался методами CV профилирования, эффекта Холла, рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии, вторичной ионной масс-спектроскопии, спектроскопии фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света. На основе полученных экспериментальных данных предложена кинетическая схема процесса нитридизации, а также определены оптимальные условия проведения этого процесса и условия роста полуизолирующих буферных слов. Лучшие из выращенных AlGaN/GaN гетероструктур для СВЧ транзисторов имели высокую концентрацию n=1,7×1013 см-2 и среднюю по мировым меркам подвижность μ=876 см2/Вс электронов в канале при комнатной температуре. На основе этих гетероструктур на ОАО "Октава" были изготовлены транзисторы, которые имеют следующие статические характеристики: напряжение пробоя между затвором и стоком составляет 70 В, а максимальный удельный ток стока при положительном напряжении на затворе равен 50 мА/мм. Важным является то, что при отрицательных напряжениях на затворе транзистор полностью запирается, что свидетельствует о достаточно высоком качестве полуизолирующих буферных слоев.

Лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5.
На основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge созданы фотоприемные элементы для волоконно-оптических линий связи (диапазон длин волн фотонов λ=1.3-1.55 мкм), способные встраиваться в комплекс фотонных компонентов ВОЛС на едином кремниевом чипе. Активным элементом фотодетекторов является база p-i-n диода, в которую встроены 36 слоев нанокластеров Ge (квантовых точек). Слоевая плотность нанокластеров составляет 1.2×1012 см-2, размеры в плоскости роста порядка 10 нм. Фоточувствительные слои сформированы методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках кремния-на-изоляторе и выполнены в виде латеральных волноводов с засветкой торца волноводов в плоскости чипа, что позволило использовать эффект многократного внутреннего отражения для значительного увеличения квантовой эффективности по сравнению с обычной геометрией изготовленных нами ранее приборов, в которых освещалась плоскость p-n перехода. Показано, что максимальная квантовая эффективность реализуется в структурах с длиной волновода L>3 мм (Рис. 1), величине обратного смещения U>3 В (Рис. 2), и достигает значения 21% и 16% на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм соответственно
![]() | ![]() |
Рис.1. Зависимость квантовой эффективности в режиме тока короткого замыкания от длины волновода. | Рис.2. Зависимость квантовой эффективности фотоприемника с длиной волновода L=4 мм от величины обратного смещения. |

Проблема спинового транспорта в полупроводниковых структурах без потери спиновой информации является актуальной для создания приборов и логических схем, использующих спиновую степень свободы. В данной работе проведено теоретическое исследование спинового транспорта в массиве Ge/Si (КТ).
На основе метода сильной связи исследована вероятность переворота спина для резонансного туннелирования через дискретные энергетические уровни в Ge КТ. Как аналог электронного спина, в качестве эффективного спина дырки рассмотрен ее угловой момент. Для вычисления вероятности туннелирования рассмотрен бесконечный кристалл, узлами которого являются Ge КТ. Найдены значения интегралов перекрытия между соседними КТ. В расчеты заложены пирамидальная форма Ge нанокластеров и типичные размеры (высота h =1.5нм, сторона основания l=15 нм).
Получено, что для основного состояния туннелирование осуществляется преимущественно с сохранением спина: на сто событий туннелирования приходится лишь один переворот спина. Для возбужденных состояний вероятность переворота спина возрастает. В среднем на 5-10 событий туннелирования приходится один переворот спина. Исследованы зависимости вероятности переворота спина от размера и от формы КТ (рис.1).
![]() | ![]() |
Рис.1: Зависимость вероятностей туннелирования с переворотом спина и без него от латерального размера КТ ( высота Ge нанокластера h=1.5 нм). | Рис. 2. Распределение спиновой плотности по Ge нанокластеру для основного состояния ( h = 1.5 нм, l = 15 нм). Для наглядности угол отклонения эффективного спина увеличен в 5 раз. |
Получено, что вероятность переворота спина зависит от отношения высоты к размеру основания Ge нанокластера, h/l. Если рассматривать линзообразную форму Ge нанокластера, то вероятность переворота спина оказывается зависящей от локальной кривизны верхней стороны квантовой точки. При увеличении кривизны вероятность переворота спина возрастает. Главной причиной переворота спина является структурная асимметрия Ge нанокластера - SIA (structure - inversion - asymmetry). Спин-орбитальное взаимодействие в данной системе эквивалентно существованию некоторого эффективного магнитного поля, разориентирующего спин. Аналогом такого поля в двумерных системах является поле Рашбы. Действие такого эффективного поля на спин показано на рисунке 2.
На основе данных результатов можно сделать вывод, что при туннелировании через каждую квантовую точку эффективный спин поворачивается на малый угол, величина которого зависит от отношения h/l. В результате конечного числа поворотов состояние со спином вверх |↑> переходит в состояние со спином вниз |↓>.
Получено, что вероятность переворота спина зависит от величины вклада состояний легкой дырки в полную волновую функцию дырки в КТ. Волновая функция дырки в Ge строится из состояний тяжелой дырки и имеет малую долю состояний легкой дырки. Спин тяжелой дырки практически не поворачивается в SIA поле, поскольку g-фактор тяжелой дырки в плоскости основания пирамиды близок к нулю. Спин легкой дырки, наоборот, легко поворачивается, поскольку её g-фактор ~10 в аналогичной геометрии. Поэтому увеличение вклада состояний легкой дырки приводит к повышению вероятности переворота спина. Для возбужденных состояний в Ge квантовой точке вклад состояний легкой дырки возрастает, поэтому вероятность переворота спина также увеличивается.

Лаборатория электронной микроскопии и субмикронных структур,
Лаборатория физики и технологии структур на основе полупроводников А3В5
Исследованы генерационные характеристики двух модификаций полупровод-никовых лазеров с вертикальным резонатором на основе InGaAs квантовых ям. Первый тип лазеров, параметры которого оптимизированы для достижения высокой внешней квантовой эффективности, демонстрирует в импульсном режиме выходную мощность до 10 Вт при Т=300К и 20Вт при Т=250К. Второй тип лазеров, параметры которого оптимизированы для достижения высокой добротности микрорезонатора и работы при пониженных температурах, демонстрирует сверхмалую плотность порогового тока 47 А/см2 и пороговый ток 30 мкА в режиме непрерывной накачки при Т=80К. Ватт-амперные характеристики лазеров представлены на следующих рисунках.
![]() | ![]() |
Рис.1. Ватт-амперные характеристики ЛВР-1 с апертурой А=500мкм | Рис.2 Ватт-амперная зависимость ЛВР-2 с апертурой А=5мкм, измеренная при Т=80К |

Лаборатория молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5
Решена проблема по созданию полупроводниковых гетероструктур с атомарно-гладкими внутренними поверхностями прямым сращиванием и водородно-индуцированным скалыванием по массиву копланарных микротрещин в эпитаксиальном дельта-слое - метод "ePlayCut".
Приготовление атомарно-гладких поверхностей кристаллов скалыванием в вакууме вдоль низкоиндексных плоскостей - хорошо известный процесс. В последние несколько лет интенсивно развивается метод контролируемого скола слоёв кристаллов облучением легкими ионами газов и переноса сколотого слоя на опорную пластину, предварительно соединенную с имплантированной донорной, например, при изготовлении структур кремний-на-изоляторе (КНИ). Развитие наноэлектроники привело к ужесточению требований к свойствам КНИ структур. В частности, толщина отсеченной пленки кремния должна лежать в интервале 5 - 10 нм, а её параметры не должны отличаться от параметров объёмного материала. Нами предложена идея изготовления гетероструктур и разработаны физические основы нового метода контролируемого скалывания с применением эпитаксиальных дельта-слоёв ePlayCut (ePitaxial layer Cut) для получения атомарно-гладкой поверхности перенесенной пленки в гетероструктуре, например КНИ. Метод принципиально важен при создании КНИ-нанотранзисторов с размерами активной области до 10 нм, требующих толщину слоя кремния в несколько нанометров.
Фундаментальная ценность работы заключается в том, что, поверхности кристаллических слоев после водородно-индуцированного скалывания обладают свойствами самоподобных структур (Рис.1). Значения энергий активации блистеринга и расслоения меньше на ~0,25 эВ значений этих же величин для образцов кремния, не содержащих дельта слой, легированный бором, а время отслоения больше. Толщина отслаиваемой тонкой пленки кремния равна глубине залегания дельта слоя при исследованных параметрах дельта слоя и имплантации и варьировалась от 100 до 800 нм.
Измерявшаяся с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) среднеквадратичная величина шероховатости Rms перенесенной пленки кремния с бором значительно меньше Rms поверхности пленок, перенесенных без использования дельта слоя бора, и не превышает 0,2 нм.
Прикладное значение метода состоит в том, что он позволяет получать атомарно-гладкие поверхности перенесенной эпитаксиальной пленки, что принципиально важно при создании гетероструктур из различных материалов для развития нанотехнологий.
Таким образом, разработаны физические основы метода создания полупроводниковых гетероструктур прямым сращиванием и водородно-индуцированным скалыванием по массиву копланарных микротрещин в скрытом эпитаксиальном дельта-слое.
Рис.1 АСМ изображения поверхности кремниевой пленки КНИ структур после переноса с приведенными статистическими параметрами, усредненными по площади квадрата с линейными размером LxL

Завершена работа по моделированию, разработке технологии и изготовлению тестовых транзисторных структур IGBT на напряжение до 1200 В и ток до 50 А на тонких кристаллах БЗП кремния.
Максимальная плотность управляемого тока в транзисторах IGBT ограничена включением паразитного динистора и составляет от 200 А/см2 при напряжении 600 В и до 45 А/см2 при 3300 В. Высокая надежность транзисторов IGBT с частичным обеднением базы - NPT IGBT и простота полевого управления сделали его наиболее перспективным прибором силовой электроники в области напряжений до 1 кВ. Для работы с напряжением >1кВ необходима большая толщина N- базы, что увеличивает сопротивление в открытом состоянии. Актуальным является поиск путей уменьшения толщины N- базы NPT IGBT. Современной тенденцией к уменьшению падения напряжения на IGBT является стремление к уменьшению толщины всего кристалла. В IGBT напряжением до 1200 В необходимы ультратонкие пластины кремния 80-150 мкм, которые чрезвычайно хрупки и для их создания требуется специальное дорогостоящее оборудование.
Целью настоящей работы являлось математическое моделирование, разработка технологии и изготовление тестовых транзисторных структур IGBT на тонких (до 200 мкм) кристаллах на напряжение до 1200 В и ток до 40 А на отечественной кремниевой линейке c проектной нормой 2 мкм и на отечественном же нейтронно-легированном (100) БЗП кремнии диаметром 100 мм, выращенном в ИФП СО РАН, а также измерение электрофизических характеристик IGBT структур, изготовленных по тонкопленочной технологии (толщина N базы 180 мкм). В нашей работе размер активной области кристалла составлял 800х800 мкм2. Напряжение блокирования на материале марки КОФ-80 в основном составило Ubl~600-900 В и до 1200 В на отдельных кристаллах, что позволило определить важнейшие характеристики тестовых IGBT структур (Рис.1,2). (Рисунки Антоновой И.)
Результаты испытаний тестовых структур IGBT подтвердили перспективность тонкокристальной технологии изготовления IGBT транзисторов на основе нейтронно-легированного (100) БЗП кремния и позволили перейти к следующему этапу работы - проектированию и изготовлению 100 А IGBT транзисторов и FRD диодов для силовых модулей. Математическим моделированием показана возможность дополнительного уменьшения падения напряжения в открытом состоянии путем уменьшения толщины кристалла и перехода к вертикальной trench-технологии размещения управляющих МОП транзисторов. Эта технология особенно перспективна для перехода ФГУП "Восток" на изготовление 100 А кристаллов IGBT для силовых модулей.

На колебательно-вращательном переходе R(4,3) моды u3 13CH3F проводились исследования нестационарной оптической нутации (НОН), затухания свободной поляризации (ЗСП) и фотонного эхо (ФЭ), сформированные в поле непрерывного CO2 лазера (на "одетых" уровнях) методом Штарковского переключения уровней. Разработана простейшая модель когерентных откликов, возникающих в среде при подаче штарковского напряжения в виде ступеньки, сделаны выводы о влиянии интенсивности "одевающего" поля на относительные вклады НОН и ЗСП в регистрируемом сигнале. Использованы две методики регистрации когерентных переходных процессов: регистрация полной мощности прошедшего через газ излучения, поляризованного параллельно штарковскому полю, а также предложенная в наших работах методика регистрации переходных процессов в слабой компоненте излучения, поляризованного ортогонально основному насыщающему излучению. В первом случае правила отбора для спектральных переходов соответствуют более простой схеме уровней, и этот подход используется для сопоставления теории с экспериментом. С помощью второй методики исследовано фотонное эхо в широком диапазоне насыщающего излучения и обнаружена зависимость момента появления максимума сигнала и его амплитуды от интенсивности насыщающего излучения. Планируется разработка модели этого явления, служащего примером когерентного контроля процессов в газе в присутствии допплеровского уширения.

В последнее время появился ряд предложений по использованию ридберговских атомов для получения перепутанных состояний двух и более атомов и создания логических элементов квантового компьютера. В этой связи представляет интерес экспериментальное исследование спектров возбуждения малого числа ридберговских атомов.
Нами впервые были исследованы спектры многоатомного возбуждения при двухфотонных микроволновых переходах 37S-38S в ридберговских атомах Na.
Рис.3. Микроволновый спектр возбуждения двухфотонного перехода 37SR38S для случая одного (нижний рисунок) и двух (верхние рисунки) ридберговских атомов натрия, возбуждаемых лазерным излучением в начальное состояние 37S.
Посредством выборки сигналов в системе регистрации на основе селективной полевойонизации и канального электронного умножителя изучены особенности спектров при регистрации от одного до пяти ридберговских атомов, возбуждаемых коротким лазерным импульсом. Обнаружено, что спектр полного многоатомного возбуждения оказывается более узким, чем спектр одноатомного, а в центре линий неполного многоатомного возбуждения образуется провал вследствие малой вероятности таких событий. На Рис.1 проводится сравнение экспериментальных записей спектра перехода для одного атома (нижний рисунок) соспектрами возбуждения двух атомов для различных конечных состояний двухатомной системы


Обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработана концепция лазерного фотохимического разделения изотопов в атомарных парах. Она включает в себя: 1. Обеспечение условий для протекания быстрой химической реакции возбужденных атомов с молекулами газа-реагента. Продукты реакции осаждаются ("выжигаются") на стенках в камере взаимодействия. Для эффективного "выжигания" должны выполняться условия k*×N×τ>1 и k×N×τ<<1, где k*, k -константы скорости реакции для возбужденных и невозбужденных атомов, N -концентрация газа-реагента, τ - время жизни возбужденного состояния. 2. Обеспечение условий для значительных времен взаимодействия атомов с лазерным излучением (использование долгоживущих состояний) и большого числа столкновений (возможность использования слабых линий поглощения и компонент сверхтонкой структуры).
Продемонстрировано практическое разделение изотопов Pb, Zn, Rb различными методами селективного возбуждения.
Показаны основные преимущества фотохимического способа разделения перед фотоионизационным, которые заключаются в следующих моментах. 1. Отсутствует необходимость в: а - большом объеме разделительных камер; б - поддержании высокого вакуума; в - создания сложных оптических систем для наведения и сведения лучей с большими длинами оптических путей; г - создании громоздких систем коллимации атомарных пучков и экстракции ионов; д - использовании течений газа с большими скоростями потоков. 2. Благодаря более высокой концентрации атомов оптическая толщина при использовании фотохимического метода оказывается значительно меньше. Размеры разделительной камеры резко уменьшаются. 3. Появляется возможность прямого возбуждения долгоживущих уровней, включая метастабильные. 4. Становится реальным изотопно-селективное возбуждение атомов при отстройке от центральной части поглощения на несколько доплеровских ширин и использование различных методов возбуждения выделенных состояний. 5. Значительно уменьшаются скорости потока газа. 6. Используются простые методы отделения обогащенных фракций от обедненных.
Обоснована научно-экономическая эффективность выделения значительных количеств изотопически измененного Pb с низкой стоимостью разделения для микроэлектроники и ядерной энергетики.