Кремниевые технологии – вершина того, что разработано для микро- и наноэлектроники. Но, по оценкам ученых, функциональные пределы кремниевой элементной базы совсем скоро будут достигнуты. Поэтому уже сегодня ученые всего мира создают структуры, работающие на основе новых физических принципов, в частности, с использованием квантовых эффектов. В рамках проекта-«стомиллионника» Минобрнауки РФ «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» (головная организация – Институт физики полупроводников СО РАН) уже разработаны технологии производства базовых наноэлементов для компьютеров нового поколения, динамически управляемых метаматериалов и плазмонных наноприборов.

Но новое хорошо изобретать с опорой на незабытое старое. Скажем, умеют выращивать в Институте физики полупроводников структуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Задача архисложная: представьте, что разбросанные детские игрушки надо послойно (на уровне отдельных атомов) уложить в коробку так, чтобы не осталось свободного места. Прорыв 2021 года – создание на основе квантовых точек «германий в кремнии» многослойных наноструктур с контролируемыми параметрами, многократно увеличивающих эффективность фотодетекторов и излучателей.

Как известно, квантовая точка – частица с характерными размерами во всех трех измерениях (меньше 100 нанометров), содержащая электроны проводимости. При таких размерах квантовая точка уподобляется по свойствам атому, ее так часто и называют – «искусственный атом». В ней, как и в атоме, существует дискретный спектр энергетических состояний, формирование которого соответствует законам квантовой механики. В научном мире есть два подхода к созданию таких точек: химический синтез (коллоидные квантовые точки) и уже упомянутая молекулярно-лучевая эпитаксия.

Эпитаксиальные квантовые точки формируются в два этапа: сначала – зарождение и последующий рост ансамбля самоорганизующихся нанокристаллов одного материала на подложке из другого при соблюдении определенных условий, затем – заращивание этих квантовых точек материалом подложки в условиях роста кристаллической структуры. В результате квантовые точки оказываются встроенными в кристаллическую матрицу подложки и находятся в поле упругих деформаций. С помощью добавления металлических нанодисков из золота или алюминия разработанные наноструктуры с квантовыми точками германий-кремний удалось модифицировать.
“Выяснилось, что благодаря возникновению сильных плазмонных эффектов (резонансных колебаний электронов) такая многослойная наноструктура имеет уникальные светоизлучающие и сенсорные характеристики. Используя их, удалось повысить квантовую эффективность фотоприемников на основе новых гетероструктур в 40 раз в ближнем инфракрасном диапазоне и в 15 раз в среднем инфракрасном диапазоне”, – отметил в докладе на Общем собрании президент РАН академик Александр Сергеев.
Не подлежит сомнению практическая значимость открытия. Во-первых, инфракрасные фотодетекторы и излучатели применяются повсюду: в системах волоконно-оптической связи, приборах ночного видения и т. д. Во-вторых, столь развитая кремниевая технология поможет в производстве компьютеров и суперсовременных гаджетов.

“Когда я в 1968 году пришел на работу в Институт физики полупроводников, директор академик Анатолий Васильевич Ржанов предложил мне заняться кремнием. Признаться, я был несколько разочарован, считал, что на смену кремнию уже приходят более перспективные материалы. Но прошло более полувека, а кремний так и остался базой полупроводниковой электроники”, – рассказывает один из авторов открытия, заведующий лабораторией ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Анатолий Двуреченский.

По его словам, ключевой тренд в области фундаментальных исследований и технологий современной микро- и наноэлектроники – интеграция кремния с другими материалами, что ведет к расширению функциональных характеристик новых базовых элементов схем.
“Мы давно работаем со структурами германий-кремний и умеем создавать упорядоченные, строго контролируемые массивы квантовых точек, способные к детектированию и излучению света в инфракрасном диапазоне. Объединив нашу технологию с последними достижениями в области плазмоники (плазмон – квазичастица, квант плазменных колебаний), мы добились многократного увеличения фотолюминесценции германий-кремниевых квантовых точек. Эти структуры создавались методами формирования упорядоченных ансамблей квантовых точек для усиления поглощения или излучения света. Затем они были совмещены с двумерными периодическими металлическими решетками субволновых нанодисков либо с отверстиями в металлической пленке. Металлические метаповерхности позволили преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны, что и привело к повышению квантовой эффективности”, – объяснил Двуреченский.
В исследованиях принимали участие специалисты Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Научно-практического центра по материаловедению НАН Белоруссии. Что важно, разработанные наноструктуры совместимы с электронными микросхемами. Именно плазмонные наносхемы могут привести к дальнейшей миниатюризации оптических устройств и обеспечить связь между фотоникой и электроникой.
“Наличие таких проектов, как «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», ведет к объединению не только научных ресурсов, но и технологий, приборной базы, – отмечает директор ИФП академик Александр Латышев. – Нас окружает цифровая трансформация. В основе всех достижений лежит элементная база, в частности, транзистор. Современные тенденции связаны с уменьшением геометрического размера транзистора. Уже создаются микросхемы, основанные на 50 миллиардах транзисторов”.
Здесь пролегает и дорога к квантовому компьютеру: согласно эмпирическому закону основателя Intel Гарольда Мура количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. Аналогично правилу «удвоения» подчиняется не только объем памяти компьютера, но и другие показатели его производительности. За период с 1970 года по 2015-й размеры транзисторов уменьшились в 717 раз. Если бы с такой скоростью развивался, скажем, железнодорожный транспорт, поезд шел бы сегодня из Москвы в Новосибирск 4 минуты. Стоит упомянуть, что транзистор на квантовых точках командой Двуреченского уже создан.

Ольга Колесова

Фото: Поиск​

Похожие новости

  • 22/04/2021

    Сибирские физики нашли способ многократно увеличить эффективность фотодетекторов и излучателей в инфракрасном диапазоне

    ​Об этом рассказал президент Российской академии наук академик Александр Сергеев на общем собрании РАН. Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН разработали наноструктуры с квантовыми точками «германий в кремнии» с контролируемыми параметрами и модифицировали эти структуры металлическими метаповерхностями.
    798
  • 19/04/2021

    Русский космос: Фабрика солнца

    ​​Технология выращивания полупроводниковых структур в условиях космического вакуума уже в совершенстве отработана сотрудниками Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН и позволит создавать солнечные батареи нового поколения без вреда для земной экологии.
    520
  • 17/09/2020

    ИФП СО РАН создает научный и технологический базис для электроники будущего

     Коллаборация российских исследователей под руководством специалистов Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН займется изучением физики квантовых эффектов как основы для элементной базы вычислительной техники будущего.
    1049
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    847
  • 30/10/2020

    Прикоснуться к живой истории: в ИФП СО РАН рассказали об академике Ржанове

    ​В Институте физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН прошло торжественное заседание Ученого совета, посвященное столетию со дня рождения основателя Института, академика Анатолия Васильевича Ржанова.
    821
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1148
  • 02/09/2020

    РАН обсудит утрату права на экспертизу работы крупнейших научных и учебных центров

    ​Сегодня президиум Российской академии наук (РАН) соберется на «экстренное заседание», посвященное угрозе значительного урезания полномочий академии. Разработанный Минобрнауки проект правительственного постановления освобождает ряд организаций от обязательной научной экспертизы со стороны РАН — речь идет прежде всего о Курчатовском институте, а также подведомственных правительству МГУ, СПбГУ и НИУ ВШЭ.
    814
  • 07/08/2020

    Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды

    ​​Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ совместно с российскими и зарубежными коллегами открыли новое фазовое состояние нанолокализованной воды — воды, отдельные молекулы которой расположены в полостях кристаллической решетки кордиерита.
    889
  • 28/12/2016

    Издательство Elsevier опубликовало книгу новосибирских учёных

    В издательстве Elsevier вышла книга, посвященная полупроводниковым структурам в области физики. В создании сборника приняли участие сибирские ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, а также их коллеги из России и стран Европы, Америки, юго-восточной Азии.
    1870
  • 27/04/2021

    Итоги Международного круглого стола «Новые механизмы взаимодействия между институтами гражданского общества российско-казахстанского приграничья: навстречу Российско-Казахстанскому форуму гражданских инициатив»

    «Пришло время усилить роль народной дипломатии через взаимодействие неправительственных организаций России и Казахстана». Об этом было сказано на Международном круглом столе «Новые механизмы взаимодействия между институтами гражданского общества российско-казахстанского приграничья: навстречу Российско-Казахстанскому форуму гражданских инициатив».
    422