XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В своей технической деятельности люди по-прежнему используют материалы, изначально данные или искусственно созданные, но их создание ограничено молекулярным уровнем. Нанотехнологии претендуют на новый уровень создания материалов и оборудования, во многих случаях работающих с отдельными атомами. Наибольший интерес к нанометровому диапазону вызван его нижним пределом от 100 нм и ниже до атомного уровня (0,2 нм), поскольку в пределах этого диапазона свойства вещества могут существенно отличаться от их свойств в макроскопических образцах. [3, с. 3-4] Поскольку потенциал традиционной микроэлектроники исчерпан, ее дальнейшее развитие возможно только на основе совершенно новых физических и технических идей. Для их правильного понимания и осмысления необходимы знания последних технологических достижений в области проектирования твердотельных поверхностей и многослойных структур с необходимыми свойствами на атомном уровне [2, с. 7], однако при обращении к нанотехнологиям возникло множество задач, их формул и решений, отличных от задач микроуровня. Таким образом, решение существующих проблем может открыть новые области применения в электронике, машиностроении, оптике, медицине и многих других областях.

Роль поверхности в создании устройств наноэлектроники

Поверхность действует как место, где твердые тела взаимодействуют с различными фазами (газ, жидкость, твердая фаза), что определяет возникновение многих так называемых поверхностных явлений. Наиболее важными из них являются адгезия (cohesion), прилипание (адгезия-сцепление) смачивание, трение, фрагментация (разрушение твердых тел), образование и развитие новых зародышей при осаждении веществ на подложку, адсорбция (прилипание посторонних атомов или молекул в газовой или жидкой фазе к поверхности), химическая адсорбция (после адсорбции происходят химические реакции и образуется стабильный слой новых химических соединений). Особенность атомного и электронного состояний поверхности приводит к появлению характерных паттернов основных квазичастиц. Другими словами, поведение поверхностных электронов, электронно-дырочных пар (включая экситоны) и процессы атомных колебаний будут в значительной степени связаны с объемом. Когда речь заходит о поверхностях, обычно учитывается поверхностный потенциал - параметр, который характеризует изгиб области на поверхности раздела "полупроводник–оксид" в полупроводнике.

Рис.1. Схематичное изображение структуры ”Металл-диэлектрик-полупроводник” с двухслойным диэлектриком (а) и ее энергетическая зонная диаграмма (б)

Метод, используемый для определения поверхностного потенциала, основан на измерении множества параметров поверхности, таких как поверхностная проводимость, поверхностная емкость и т.д. Существуют таблицы и номаграммы, которые можно использовать для построения зависимости поверхностной проводимости полупроводника от поверхностного потенциала. Поверхностная проводимость является довольно сложной функцией поверхностного потенциала полупроводника и степени легирования [3, с.8-9].

Технология тонких плёнок и многослойных структур

Существует два основных метода, которые позволяют формировать наноструктуры. Это технологии, реализующие принцип "сверху вниз", и технологии, основанные на принципе "снизу вверх". Принцип "подхода сверху вниз" предполагает создание структуры желаемого размера и конфигурации путем выборочного удаления материала, ранее нанесенного на подложку. Для этой цели используются традиционные микроэлектронные методы нанесения тонких пленок и формирования слоев, легированных полупроводниками, в сочетании с литографией на фасонной поверхности маски для создания и последующего удаления материала в окне маски путем травления. Визуальная аналогия технологии "сверху вниз" заключается в создании скульптуры из камня путем отсечения "лишних" материалов.

Другой метод "снизу вверх" заключается в формировании желаемой структуры путем избирательного осаждения атомов и молекул на заданную площадь и поверхность подложки. Художник делает то же самое, нанося определенные пигменты на определенные участки поверхности холста [2, с. 66-67].

Традиционный способ пленкообразования:

Химическое осаждение из паровой фазы (chemical vapor deposition)

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Электрохимическое осаждение металлов и полупроводников (гальванопокрытие с электрохимическим осаждением)

Электрохимическое окисление металлов и полупроводников (электрохимическое окисление)

Классическим способом получения чистых поверхностей из многих материалов является испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. В частности, для получения высококачественных тонких пленок и многослойных структур чаще всего используется механизм эпитаксиального выращивания тонкопленочных материалов на соответствующей монокристаллической подложке. Методы молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) или молекулярно-лучевой эпитаксии (MPE), которые позволяют формировать идеальные монокристаллические слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума, стали наиболее распространенными. На рисунке 2 показана типичная реализация этого метода.

Рис. 2 – Схема метода МПЭ

При создании гетероструктур и многослойных структур чрезвычайно важными становятся вопросы, связанные с механизмами роста. Эти структуры требуют высочайшей степени однородности композиций толщиной менее 100 Å. Наиболее важными одноатомными процессами, сопровождающими эпитаксиальный рост, являются следующие:

адсорбция составляющих атомов или молекул на поверхности подложки;

поверхностная миграция атомов и диссоциация адсорбированных молекул;

атомы прикрепляются к решетке ранее выращенной подложки или эпитаксиального слоя;

термическая десорбция атомов или молекул, которые не встроены в кристаллическую решетку.

Схематично описанный выше атомарный процесс изображен на рисунке 3 На этом рисунке эпитаксиальный слой и участок кристаллизации поверхности подложки разделены и взаимодействуют с компонентами падающего луча, попадающего на поверхность. Каждый участок поверхности характеризуется отдельной химической активностью. Таким образом, можно выделить три наиболее важных механизма роста, показанных на рисунке 4 послойный рост, рост островков и послойный рост с островками.

Рис.3 – Схематическое изображение поверхностных процессов: 1 – поверхностная диффузия; 2 - десорбция; 3 - взаимодиффузия; 4 – встраивание в решетку; 5 – поверхностное зародышеобразвание

1. Послойный рост. Используя этот механизм роста, каждый последующий слой мембраны начинает формироваться только после того, как рост предыдущего слоя полностью завершен. Этот механизм роста также известен как рост Фрэнка ван дер Мерве (FM). Когда взаимодействие между подложкой и атомным слоем значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое, происходит послойный рост.

2. Островной рост, или рост Воллмера-Вебера (island growth, Vollmer-Weber, VW). Этот механизм является полной противоположностью слоистому росту. Условием его реализации является то, что взаимодействие между ближайшими атомами имеет преимущество перед взаимодействием между этими атомами и подложкой. При островковом механизме роста вещество с самого начала оседает на поверхности в виде многослойного полимера из атомов.

3. Средним между этими двумя механизмами является рост Странски-Краштанова (Stransky-Krastanov, SK, layer-plus-islandgrows), при котором первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а на нем растет трехмерный островок пленки. Многие факторы могут привести к этому механизму, особенно значительная разница между параметрами решетки пленки и подложки [3, с. 91-93].

Рис.4 – Схематическое представление механизмов роста: a – послойный рост; б – островковый рост; в – рост слоя с островками

Микроволны и их природа

В мировой практике микроволновыми устройствами называют электронные устройства, работающие в диапазоне длин волн менее 1 м или на частоте более 300 МГц. В общем спектре частот, используемых в радиоэлектронике, показанном в таблице 3.1, микроволновый диапазон включает дециметровый (10-1 см), сантиметровый (10-1 см), миллиметровый (10-1 мм) и субмиллиметровый (1-0,1 мм) поддиапазоны. Они соответствуют сверхвысоким (300-3000 МГц), сверхвысоким (3-30 ГГц), чрезвычайно высоким (30-300 ГГц) и сверхвысоким (300-3000 ГГц) частотам.

Физические свойства микроволнового излучения такие же, как у света или радиоволн. Разница в том, что частота, с которой происходит электромагнитное колебание, или длина волны, одинакова, поскольку последнее связано с соотношением частот.

λ = с/f ,

где λ – длина волны; с – скорость распространения волны; f – частота

Частота колебаний электромагнитного поля сильно влияет на его внешние свойства. Однако природа этого явления может быть разной. Причина заключается в пропорциональности длин волн различным физическим объектам. Например, световое или рентгеновское излучение может легко проходить через кристаллы с межатомными расстояниями, меньшими, чем длины волн. Напротив, длинноволновое излучение не может проникать, например, в металлические трубки, даже если они большого диаметра.

Однако в микроволновом диапазоне обычно невозможно применить эти законы в чистом виде. Ранее указывалось, что радиоволны и видимый свет обладают одинаковыми физическими свойствами. Однако никому бы не пришло в голову использовать вольты или амперы для измерения яркости солнечного света. И наоборот, законы оптики трудно использовать при проектировании электрических чайников.

Долгое время ученые пытались вывести единую теорию поля, которая объединяет все известные типы взаимодействий: гравитацию (силу, описывающую притяжение), электромагнетизм, сильное и слабое (у последнего есть проблема в ядре, зачем использовать большое количество частных законов, не так ли проще использовать универсальный? Но проблема в том, что чем более распространен тот или иной закон природы, тем труднее его реально использовать.

Как уже указывалось, микроволновый диапазон - это часть электромагнитного спектра, в которой классическая электротехника больше не работает, а относительно простые законы оптики еще не работают. Поэтому при решении задач электродинамики в заданном диапазоне необходимо либо усложняться, либо адаптировать законы оптики и классической электротехники к микроволнам.

Это приносит плоды. Согласно Максвеллу, в качестве источника магнитного поля можно использовать текущий ток или изменяющееся во времени электрическое поле. В некотором смысле, это похожие вещи, потому что электрический ток - это движение электрического заряда, и каждый движущийся электрический заряд изменяет окружающее электрическое поле, тем самым создавая магнитное поле вокруг себя.

Заключение

Основой современной электроники являются достижения в различных областях фундаментальной науки, главным образом в области физики твердого тела, физики полупроводников и технологии твердого тела. До недавнего времени увеличение функциональной сложности и производительности системы достигалось за счет увеличения плотности размещения и уменьшения размера компонентов. Однако настало время, когда компонентные базы, основанные на использовании различных низкоразмерных структур, являются наиболее перспективными для нового поколения электронных устройств. Поэтому при переходе к наноразмерной системе возникают квантовые эффекты (количественное определение размера, туннелирование, интерференция электронных состояний и т.д.).) начинают появляться, которые будут играть решающую роль в функциональности устройств на их основе.

Список используемой литературы:

Шелованова Г.Н. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники / Г.Н. Шелованова – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

Борисенко В.Е. Наноэлектроника. Теория и практика / В.Е.Борисенко – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013

Шишкин Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства / Г.Г. Шишкин, И.М. Агеев – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

Код для цитирования: Скопировать