КВАНТОВАЯ ТОЧКА: В ПОИСКАХ САМООРГАНИЗАЦИИ
До сих пор микроэлектроника развивалась в сторону уменьшения
размеров отдельных элементов, достигаемого совершенствованием
процедур литографии: светом или электронным лучом на поверхности
кристалла «рисуют» некую конструкцию. От начала до конца процесс
осуществляется человеком. Лет десять назад появилась новая
возможность в изготовлении сверхмалых структур, необходимых для
будущей микроэлектроники — идея самоорганизации. Заключается она
в том, чтобы создать такие условия, при которых природа сама
изготовила бы нам нужные объекты.
Об этом корреспондент «НВС» беседует с молодым ученым из
Института физики полупроводников СО РАН к.ф.-м.н. Алексеем
НЕНАШЕВЫМ.
— Само понятие самоорганизации было предложено знаменитым
русским ученым, работавшим в Бельгии, Нобелевским лауреатом Ильей
Пригожиным. Классический ее пример — ячейки Бенара на
поверхности жидкости. Если жидкость снизу нагревать, а сверху
охлаждать, на ее поверхности образуются вихри определенных
размеров, которые выстраиваются в упорядоченную решетку. Мы не
вносим туда никакой структуры — она появляется сама по себе,
поскольку такой режим наиболее эффективен с точки зрения
теплообмена.
В полупроводниковых технологиях идея самоорганизации проявляется
при создании гетероструктур — выращивании слоя одного
полупроводника поверх другого. Например, на подложке из арсенида
галлия (GaAs) выращивается слой материала AlGaAs, смеси арсенида
галлия и арсенида алюминия. Впервые использовать такую пару
материалов предложили в России, в лаборатории Нобелевского
лауреата Жореса Алферова. И оказалось, что эта пара обладает
свойствами, уникальными с точки зрения приложения.
— И в чем эта уникальность заключается?
— Любая граница раздела (или поверхность, которая тоже является
границей раздела вещества с воздухом или вакуумом) имеет
дефектные состояния, которые губительно сказываются на свойствах
материала (особенно оптических). А эти материалы, арсенид галлия
и алюминий-галлий-мышьяк, настолько хорошо друг с другом
сопряжены по параметрам кристаллической решетки, что на их
границе очень мало дефектов. Эту границу легче сделать
атомно-резкой, толщиной в один монослой. Последовательным
выращиванием слоев можно создать структуру, работающую как лазер.
Слой арсенида галлия, который находится между двумя слоями
AlGaAs, служит стоком для носителей заряда, электронов и дырок.
Большая концентрация тех и других в одном слое — как раз те
условия, которые необходимы для лазерной генерации. Так были
созданы первые полупроводниковые лазеры, обладающие возможностью
практического применения (вплоть до лазерных указок).
Но это еще не самоорганизация. Самоорганизация начинается, когда
растущему полупроводниковому слою оказывается энергетически не
выгодно распределиться по поверхности в виде сплошной пленки, и
он распадается на отдельные «островки»: так происходит, например,
при росте германия на кремнии или InAs на GaAs. В процессе роста
островков они влияют друг на друга, и в результате образуется
массив островков, упорядоченный по размерам, а в определенных
условиях — и по взаимному расположению. Это и есть квантовые
точки. Из-за сверхмалых размеров этих объектов в них наблюдаются
эффекты квантования энергии электронов или дырок — отсюда и
название «квантовая точка».
— В повседневном сознании полупроводники неотделимы от
микроэлектроники. Не так давно мне улыбнулся случай пообщаться с
Ричардом Виртом, одним из старейших сотрудников корпорации Intel.
В частности, говорили о перспективах дальнейшей миниатюризации
компьютерной техники. По его мнению, традиционная кремниевая
электроника сохранит свой потенциал в ближайшие 30-40 лет. А
дальше парадигму придется менять. Как раз на долю вашего
поколения эта работа и выпадет. Идеи есть?
— Да, конечно, от одного принципа действия придется переходить к
другому. Ключевым элементом современной электроники является
транзистор — прибор, управляющий электрическим током. Но с
достижением очень малых размеров оказывается, что нужно управлять
уже не током, а переходом отдельных электронов, и дальше
двигаться некуда. Существуют разные идеи, которые, быть может,
сегодня кажутся фантастическими. Но это не потому, что они
противоречат законам физики — просто тот диапазон размеров еще
не настолько освоен. Полет на другие планеты тоже казался
фантастикой до появления первых ракет, после чего это стало уже
технологией. Так же будет и здесь.
— Каким образом можно управлять отдельными электронами?
— Одна из идей, известных в научной литературе — клеточные
автоматы. Само понятие пришло из работы Джона фон Неймана «Теория
самовоспроизводящихся автоматов». Представьте, например, некую
плоскость, заполненную клеточками наподобие школьной тетради. Эта
система эволюционирует шаг за шагом, причем на каждом шаге
меняется состояние каждой клетки, и следующее состояние
определяется состоянием в предыдущий момент не только самой
клетки, но и ее соседей. Оказалось, что в такой системе возможны
образования, способные строить из клеток заданные конструкции, в
частности, копии самой себя. Такую конструкцию фон Нейман назвал
«универсальным клеточным автоматом».
Эта модель может быть реализована из тех же транзисторов — чипы
такого рода создавались для некоторых специализированных
вычислений. Но клеточный автомат можно строить и из квантовых
точек. Одна клетка — набор квантовых точек, расположенных в углах
квадрата. В каждой клетке помещается по два электрона. Электроны
отталкиваются друг от друга, стараются «выскочить» за пределы
клетки, поэтому располагаются в противоположных углах по одной
или другой диагонали. Эти два состояния можно рассматривать как
«0» или «1».
Если расположить рядом две таких клетки, они станут друг с другом
взаимодействовать — электроны одной клетки будут чувствовать
электроны другой и стремиться выстроиться с учетом того, как
расположены их соседи. Из подобных элементарных ячеек, в
принципе, можно собрать схему, которая будет делать вычисления. В
чем их преимущество? Во-первых, там не течет ток. Значит,
устройство не будет постоянно греться. А именно необходимость
отвода тепла является одним из основных факторов, ограничивающих
быстродействие компьютеров. Кроме того, их можно сделать очень
маленькими — сегодня квантовые точки достигают размера порядка
10 нанометров. Такой объект уже не сделать с помощью
литографических процедур — тут без самоорганизации не обойтись.
Конечно, мы пока не умеем располагать их в нужном порядке — как
правило, самоорганизующиеся объекты либо образуют беспорядочный
массив на поверхности растущего кристалла, либо, в лучшем случае,
из них строится периодическая решетка. Последнее уже неплохо,
поскольку, имея периодическую решетку, можно попробовать убрать
каким-то образом все лишнее и получить «правильную» структуру.
Есть и другие пути. Если воздействовать на поверхность кристалла
электронным лучом или иголкой сканирующего туннельного
микроскопа, можно получить место преимущественного зарождения
«островка» растущего материала. Таким способом можно создать
некий «рисунок» из квантовых точек, что уже несколько ближе к
практическому применению.
Безусловно, пока это малоосвоенная область. Но даже
неупорядоченные слои квантовых точек являются перспективными для
современных технологий. Ведется работа по созданию
одноэлектронного транзистора с рабочим элементом в виде квантовой
точки. Фотоприемники на основе квантовых точек могут применяться
в инфракрасной области для волоконно-оптических линий связи. В
лазерах на базе квантовых точек привлекает возможность рекордного
снижения порогового тока, чем достигается экономичность и
температурная стабильность прибора. В этих областях квантовые
точки могут найти применение в самом недалеком будущем.
— Тема кандидатской диссертации была посвящена именно квантовым
точкам?
— Работа называется «Моделирование электронной структуры
квантовых точек германия в кремнии». Задача была передо мной
поставлена еще во время учебы на физфаке НГУ моим научным
руководителем профессором А. Двуреченским. Для того, чтобы
надежно интерпретировать экспериментальные результаты и
предсказывать, каких изменений в свойствах квантовых точек
следует ожидать при варьировании их размера, формы и других
параметров, нужна достаточно реалистическая модель квантовой
точки, которую можно заложить в компьютер. Кроме самой
математической модели, потребовалось выбрать либо додумать методы
расчета, которые бы позволили из этой модели что-то получить.
Метод вычисления распределения упругой деформации пришлось просто
разработать самому.
— В чем его суть?
— Деформация возникает из-за того, что германий и кремний
различаются по параметру кристаллической решетки — у германия она
на 4% больше. И когда мы осаживаем германий на кремний, он
оказывается напряженным, поскольку втиснут в кристаллическую
решетку кремния. Наличие этой упругой деформации как раз и
является движущей силой, приводящей к самоорганизации квантовых
точек в процессе роста — выращенной пленке становится
энергетически выгодно разбиться на островки, так как тем самым
уменьшается энергия упругих деформаций.
Для вычисления распределения деформации уже известными методами
необходимо рассматривать довольно большой фрагмент
кристаллической решетки, что требует весьма большого
вычислительного ресурса. Мой метод позволяет держать в памяти
только информацию, относящуюся к самому германиевому островку, а
деформацию окружающего его бесконечного объема кремния учитывать
с помощью так называемых функций Грина.
— И что представляет собой результат?
— Во-первых, получен энергетический спектр носителей заряда
квантовой точки. Следующей задачей стало изучение экситонных
комплексов.
Я занимаюсь именно квантовой точкой германия в кремнии,
в ней накапливаются дырки. Для электронов германий представляет
потенциальный барьер — им просто энергетически не выгодно
накапливаться в германии. Но если в островке германия скопились
дырки, они притягивают к себе электроны как заряд
противоположного знака, собирают их вокруг квантовой точки. Это и
есть экситонный комплекс или просто экситон, если в наличии
имеются только один электрон и одна дырка.
Оказалось, что поля упругих деформаций, возникающие в этой
системе, создают в кремнии две потенциальные ямы для электронов,
над и под германиевым островком. Благодаря этому электроны
оказываются разделенными в пространстве, что приводит к
интересному эффекту. Если добавлять электроны по одному, они
будут «прыгать» в ямы поочередно: первый — вверх, второй — вниз
и т.д.
Другой интересный эффект проявляется как отрицательная
фотопроводимость. Как правило, при подсветке полупроводникового
материала количество носителей заряда увеличивается — за счет
поглощения фотонов образуются дополнительные электрон-дырочные
пары, и легче проходит ток. Это обычная положительная
фотопроводимость. Но в образцах кремния с германиевыми квантовыми
точками фотопроводимость при освещении может падать. Этот
неожиданный эффект был экспериментально обнаружен в нашей
лаборатории неравновесных полупроводниковых систем д.ф.-м.н.
А. Якимовым. Довольно редкое явление объясняется именно
особенностями устройства экситонных комплексов. Оказывается,
электроны и дырки, возникающие при подсветке, очень быстро
захватываются квантовой точкой. При этом образующийся экситонный
комплекс способен «прихватить» еще и дополнительные электроны из
окружающей кремниевой матрицы, в результате чего количество
носителей заряда не увеличивается, а уменьшается. Качественное
объяснение было сделано еще до расчетов, а расчеты позволили
доказать, что это действительно так.
— Какие перспективы открывают эти результаты для дальнейших
исследований?
— Они дают основу для продвижения к пониманию свойств массивов
квантовых точек. Например, в изучении проводимости вдоль слоя
квантовых точек. Перенос заряда происходит путем перескока
носителя заряда (в нашем случае — дырки) с одной квантовой точки
на соседнюю или даже более удаленную. В системе без напряжения
такие прыжки происходят с одинаковой вероятностью в обе стороны.
Но при подаче напряжения прыжки вдоль поля становятся более
вероятными, чем против поля. В результате происходит
направленное движение дырок, т.е. электрический ток. Такой
механизм называется прыжковой проводимостью, и массив квантовых
точек — один из объектов, на котором можно изучать ее
закономерности. Для этого нужно знать состояние носителей заряда
в квантовых точках, их энергетический спектр, насколько далеко
распространяется волновая функция носителей заряда… Эти
характеристики были изучены с помощью численного моделирования
отдельно взятой квантовой точки. Теперь можно переходить к
рассмотрению целого массива или слоя.
Есть и другие задачи. Сейчас стало модным слово «спинтроника»,
под которым подразумевается использование в качестве носителя
информации для вычислений не заряда или тока, а спина электрона.
Спин — чисто квантовое свойство, отсутствующее у классических
объектов. Электрон может находиться в двух спиновых состояниях,
которые тоже можно рассматривать как «0» или «1». Есть
предложение использовать квантовую точку в качестве носителя
электрона, спин которого будет содержать информацию. Но пока это
относится к области далеких перспектив.
— Однако принципиальных препятствий нет?
— Вроде бы не обнаружено. Идея квантовых вычислений не
противоречит законам физики, так что можно надеяться, что рано
или поздно технология достигнет уровня, позволяющего строить
квантовые компьютеры.
— И это будет как раз та самая новая парадигма?
— Одна из возможных.
Юрий Плотников, «НВС»
Фото В. Новикова
стр. 6
|
