Ссылка на домашнюю страницу магистратуры


Технологии и материалы квантовой электроники

Преподаватель: Олег Игоревич Рабинович
Правка: 15 Дек 2013

Аннотация курса

Основная цель курса – рассмотреть основные полупроводниковые материалы и методы нанотехнологий применительно к созданию элементной базы наноэлектроники, оптоэлектроники, квантовых приборов и устройств.

В первой части курса рассматриваются изменения электрофизических и оптических свойств объёмных материалов при их получении в виде низкоразмерных структур (квантовых ям, проволок и точек) за счёт эффектов размерного квантования. Основное внимание уделено C, Si, твёрдым растворам GeXSi1-X, соединениям и твёрдым растворам A3B5 и А2В6 .

Во второй части курса рассматриваются основные технологии получения квантово-размерных структур: жидкофазная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия, газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений, нанолитография, самоорганизация квантовых проволок и точек.

Применение низкоразмерных структур в приборах микро- и наноэлектроники излагается в заключительной части курса. Рассмотрены излучающие диоды и лазеры для инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областей спектра, фотоприёмники, транзисторы.

Формат курса

Лекции (часов) Обсуждения (часов) Самостоятельная работа (часов) Контроль (часов) Итого (часов)
8 26 47 27 108

Отметим что каждый час классных занятий студент должен прорабатывать в течении трёх часов самостоятельно.

Обзор курса

  1. Электронные системы в низкоразмерных тонких плёнках и гетероструктурах неорганических полупроводников.
    1. Общие сведения о полупроводниковых наноразмерных структурах. Их значение для прикладной науки, микро - и наноэлектроники. Сравнительный анализ перспектив Si, Ge, соединений А3В5, А2В6, А4В4. Гетероструктуры (ГС) и наиболее распространенные системы полупроводниковых материалов на основе твердых растворов А3В5: арсенидов, фосфидов и нитридов элементов третьей группы и их применение. Краткий обзор физических свойств объёмных трёхмерных (3D) полупроводников – зонные энергетические диаграммы электронов, плотности состояний, легирование, статистика носителей заряда, эффективные массы, подвижности и транспорт носителей заряда.
    2. Размерное квантование Двумерные (2D) системы - квантовые ямы (КЯ) в гетероструктурах, волновые функции и спектр электрона в прямоугольной и квазитреугольной яме, двумерные подзоны, условия наблюдения размерного квантования. Одномерные (1D) системы - квантовые проволоки (КП) и нульмерные (0D) системы - квантовые точки (КТ). Спектр и плотность электронных состояний в системах различной размерности (3D, 2D, 1D, 0D) для электронов с параболическим законом дисперсии, экситоны в 3D, 2D, 1D и 0D случаях. Статистика носителей заряда в низкоразмерных (2D, 1D, 0D) системах.
    3. Транспорт носителей в низкоразмерных системах. 2D системы – одиночные КЯ, множественные квантовые ямы (МКЯ), сверхрешётки (СР). Термоэлектронная эмиссия носителей из КЯ. Туннельные эффекты. Двухбарьерные структуры. Коэффициент прохождения, отражения носителей. Квазистационарные состояния электрона в яме. Энергетическая зависимость резонансного коэффициента прохождения. 1D системы – одиночные и множественные КП. Баллистический транспорт. Баллистическая проводимость КП. Транспорт носителей заряда в 3D полупроводниковой среде с набором квантовых точек (КТ)
    4. Оптическое поглощение и спонтанное рекомбинационное излучение в системах различной размерности (3D, 2D, 1D, 0D). Каналы излучательной и безизлучательной рекомбинации. Электрооптические эффекты, квантово-размерный эффект Штарка.
  2. Технологии получения низкоразмерных структур
    1. Современные технологии получения полупроводниковых тонких пленок и наногетероструктур. Физическое осаждение из паровой фазы. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). Молекулярно-лучевая эпитаксия элементарных полупроводников и полупроводников на основе соединений А3В5 и А4В4, осаждение пленок диэлектриков и металлов. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD, его виды, основные закономерности и методика. Эпитаксия из металлоорганических соединений и летучих неорганических гидридов (MOCVD). Наиболее распространенные системы веществ - источников компонент полупроводниковых материалов и твердых растворов. Полупроводниковые гетероэпитаксиальные системы, согласованные по параметру решетки. МОС - гидридная эпитаксия арсенидов и фосфидов на основе соединений А3В5. Рассогласованные гетероэпитаксиальные системы. Особенности выращивания эпитаксиальных пленок нитридов бинарных соединений А3В5. Основные методы диагностики наногетероструктур.
    2. Основы теории зародышеобразования. Основные ростовые процессы на поверхности твердых тел: Адсорбция, поверхностная диффузия и десорбция атомов. в тонких пленках. Понятие критического зародыша. Термодинамическая и молекулярно-кинетическая теории зародышеобразования. Теория Зельдовича – Френкеля. Гомо - и гетероэпитаксия. Механизмы гетероэпитаксиального роста: Франка-ван-дер-Верме, Фольмера-Вебера, Странски-Крастанова. Зародышеобразование при выращивании эпитаксиальных пленок нитридов бинарных соединений А3В5. Теория формирования сплошной пленки. Слияние островков и образование сплошной двумерной (2D) пленки. Модель двумерной кристаллизации Колмогорова.
    3. Квантовые точки. Самоорганизованный рост по механизму Странского-Крастанова. Теория самоорганизованного роста квантовых точек. Системы полупроводниковых материалов для выращивания структур с КТ. Пример полупроводниковых систем InAs/GaAs(100) и Ge/Si(100). Распределения квантовых точек по размерам, средний размер и поверхностная плотность КТ. Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков. Массивы вертикально - связанных КТ. Ионный синтез наноструктур на поверхности и в объёме полупроводников. Формирование нанокристаллов кремния и германия в диоксиде кремния при ионной бомбардировке. Процессы самоорганизации наноструктур при ионном синтезе. Анизотропное распыление поверхности полупроводниковых материалов при воздействии ионных пучков.
    4. Уменьшение размеров наноструктур методами традиционной планарной технологии за счет разработки, создания и применения экстремальных ультрафиолетовых источников излучения со сверхкороткой длиной волны в процессах литографии. Источники экстремального ультрафиолета. Электронная, ионная и рентгеновская литографии. Маски и резисты для разных типов литографий. Сравнительный анализ перспектив ультрафиолетовой, электронной, ионной и. рентгеновской литографий. Нанопечатная литография. Понятие о литографически-индуцированной самосборке наноструктур.
  3. Приборы микро- и наноэлектроники на основе низкоразмерных структур неорганических полупроводников
    1. Полевые транзисторы с двумерным электронным газом: на основе кремниевой МДП-структуры (MOSFET) и на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs с высокой подвижностью электронов в канале (HEMT); их сравнительные характеристики. HEMT на основе AlGaN/GaN гетероструктур для мощных СВЧ устройств.
    2. Биполярные гетеротранзисторы на основе арсенидов, фосфидов и нитридов элементов III группы. Их сравнительные характеристики. Резонансное туннелирование и резонансный туннельный диод: энергетическая диаграмма и объяснение ВАХ.
    3. Излучающие диоды с гетеропереходами и активной областью в виде 3D – слоя. одиночной КЯ, множественных КЯ, массива КТ на основе соединений и твёрдых растворов А3В5: ближняя и средняя инфракрасные области спектра.
    4. Светодиоды с гетеропереходами и активной областью в виде 3D – слоя, одиночной КЯ, множественных КЯ, массива КТ на основе соединений и твёрдых растворов в системах AlGaInP и AlGaInN : видимая область спектра. Излучающие диоды для ультрафиолетовой области спектра на основе системы AlGaInN.
    5. Гетеролазеры с активной областью в виде 3D – слоя и с квантовыми ямами на основе соединений и твёрдых растворов А3В5: геометрия, зонная диаграмма, пороговый ток. Лазеры с боковым и вертикальным выводом излучения. Гетеролазеры с квантовыми точками.
    6. Фотоприёмники. Фотодиоды и фототранзисторы для оптоволоконных линий связи на основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge, встроенными в базовую область. Фотодетекторы и солнечные элементы на основе соединений и твёрдых растворов А3В5.
    7. Квантово-размерный эффект Штарка и его применения в оптических КЯ - модуляторах. Преимущества КЯ - модуляторов над модуляторами с 3D – областями.

Литература

Основные учебники:

  1. Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. В 2-х томах. Мир, 1979
  2. А.Я. Шик и др. Физика низкоразмерных систем. Наука, С-Пб, 2001.
  3. И. Имри Введение в мезоскопическую физику пер с англ. 2002 М., Физматлит, стр. 234.
  4. Питер Ю, Мануэль Кардона. Основы физики полупроводников (пер. с англ. 2002 г., изд. Физматлит, М., стр.560)
  5. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. Новосибирск, изд. НГТУ, 2000.
  6. Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных структур. М., "Логос", 2000.
  7. Л. Ченг, К. Плог. Молекулярно-лучевая эпитаксия. М.: Мир, 1989.
  8. Л. Чу. Молекулярно-лучевая эпитаксия, пер с англ. М.Мир ,1989, стр. 560.

Дополнительные учебники:

  1. М.А. Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. М, Мир, 1979.
  2. В.Ф. Гантмахер. Электроны в неупорядоченных средах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.
  3. Х. Кейси, М.Паниш. Лазеры на гетероструктурах, т.1 и 2, М., Сов. радио, 1981.
  4. Ж. И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //ФТП.-1998.Т.32, №1.- с.3-18.
  5. Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. С-П.: Наука, 2001 – 51 с.
  6. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П.Аливисатоса. – М.: Мир, 2002 – 291с.
  7. M.A. Herman, H. Sitter. Molecular beam epitaxy. Springer, Berlin, 1989.
  8. D. Bimberg, M. Grundmann, N, Ledentsov, Quantum Dot Heterostructures, John Wiley & Sons, 1999, p. 279.
  9. Дж. М. Мартинес-Дуарт, Р.Дж. Мартин-Палма, Ф. Агулло-Руеда Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники М. Техносфера, 2007, стр. 367
  10. Ю. Айхлер, Г-И. Айхлер Лазеры, М. Техносфера, 2008, стр. 439.
  11. Ф. Шуберт светодиоды, Наука-Физ.-мат.лит., 2008, стр. 395

Домашние задания

Будет два домашних задания:

  • реферат и
  • задачи.

Оценка

Работа в классе 10%
Домашние задания 20%
Контролькая работа 20%
Экзамен 50%