litceysel.ru
добавить свой файл
1





Информационный бюллетень


наноструктуры сверхпроводники фуллерены
http://perst.isssph.kiae.ru




Том 9, выпуск 6 30 марта 2002 г.


В этом выпуске:


И далее ...


НАНОСТРУКТУРЫ







2

IEDM’2001 – кремний forever







3

Удивительное формирование квантовых точек







СВЕРХПРОВОДНИКИ







4

Вихревая структура в пластинке Bi-2212 в наклонном магнитном поле











5

Фуллерены и нанотрубки повышают износостойкость материалов







ФИНАНСИРОВАНИЕ







6

Так не мешало б у японцев нам несколько занять….







7

В Армении будет строиться источник синхротронного излучения










В Барселоне будет построен синхротронный источник







НОВОСТИ ФИЗИКИ
В БАНКЕ ПРЕПРИНТОВ





















КОНФЕРЕНЦИИ



9

4-8 июня 2002. «Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах». Минск














НАНОМЕХАНИКА



Лазер на квантовой шестеренке

п
ока так не называется. Авторы публикации из университета в Иокогаме на благозвучном английском озаглавили статью “MICROGEAR LASER” [1], но приведенные в статье рисунок и фото оправдывают наш перевод, помещенный в заглавии.

Р

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

ис. 1. Схематический рисунок и СЭМ микроизображение лазера на микрошестеренке.

Тем не менее, лазер столь необычной формы и размеров вполне функиональная вещь. Миниатюрные лазеры нужны во множестве областей, в особенности в системах оптоволоконной связи, где вообще идеальным является размер активной части лазера, равный поперечнику оптического волокна. Однако в этом случае становится существенным то, что отношение объема активного элемента к поверхности падает примерно пропорционально размеру элемента. Поскольку энергия накачки при равенстве прочих факторов пропорциональна объему, а выход света через боковые поверхности представляет собой чистые потери, рано или поздно потери на спонтанное излучение через боковые грани становятся лимитирующим фактором. Если нужен лазер лучше, нужно сделать меньше потери.


Кое-какие рецепты, как не дать свету выходить из лазера зря, известны. Один из них – нанести на боковую поверхность дифракционную решетку, так, чтобы в направлении возможного выхода света был эффективный максимум для отражения света обратно. Другой способ, и этот способ как раз используется для лазеров в форме микроскопических дисков – подобрать параметры так, чтобы для боковой грани осуществлялось условие полного внутреннего отражения, чтобы свет ходил внутри диска по цилиндрической поверхности без затухания, как звук в знаменитой Пекинской галерее шепотов.

Авторам представляемого лазера на микрошестеренке удалось совместить оба подхода в едином приборе. Шляпка гриба представляет собой многослойную структуру из напряженных квантовых ям толщиной 5нм, барьеров толщиной 1.2мкм и оптических согласующих слоев в системе GaInAsP. Максимум в спектре

спонтанного излучения для такой структуры приходился при комнатной температуре на 1.55 – 1.58мкм, что соответствует оптимальной длине световой волны для оптоволоконных применений. Далее комбинацией нескольких методов литографии высоко разрешения, используемых обычно при создании микромеханических систем, на шляпке гриба формировалась «бахрома». Диаметр сплошной (ненарезанной) части шляпки составлял 2.2-3.2мкм, а глубина выступов – от 50 до 270нм. Полное число полученных таким образом «штрихов» (зубьев шестеренки) на боковой поверхности нового лазера составляло от 16 до 24. Тем самым на боковой поверхности создавалась отражающая решетка, которая должна была уменьшить потери на спонтанное излучение.

Функционирование созданных таким образом лазеров на квантовой шестеренке испытывали при работе с непрерывной оптической накачкой диодным лазером с длиной волны 0.98мкм. Возбуждающее излучение направляли на структуру непосредственно через шляпку гриба. Генерация была обнаружена в 15 приборах на длине волны 1.60 – 1.67мкм (полное число испытывавшихся приборов не указано). При превышении порога генерации на 20% превышение лазерного излучения над спонтанным составляло 30дБ, а ширина линии - 0.3нм, что ограничено свойствами использовавшегося мультимодового волокна. В статье также приводятся графики интенсивности лазерной генерации от плотности накачки, из которых следует, что пороговая плотность накачки в новом лазере составляет 17мкВт, что, по крайней мере, вдвое ниже, чем у дисковых микролазеров без «бахромы». Обсуждается также использование различных способов модификации боковой поверхности для управления модовым режимом подобных лазеров.


Помимо основного результата – действующего лазера, на который работа, собственно, и была нацелена, она является прекрасным примером взаимодействия дисциплин – наноструктуры, микромеханика, нанофотоника.


  1. Appl. Phys. Lett, 2002, 80(2), p.2051

НАНОСТРУКТУРЫ



IEDM’2001 – кремний forever

Краткий обзор результатов важнейшей конференции по микроэлектронике IEDM’2001 представлен в ПерсТ’е (вып. 1/2 с.г.). Подробное рассмотрение материалов IEDM’2001 позволяет сделать вывод, помещенный в заголовке настоящей заметки, с той лишь поправкой, что, если не навсегда, то надолго. Действительно, современная технология кремниевых полевых транзисторов позволяет уменьшать их длину канала (затвора), по крайней мере, до 10нм. При этом нет существенного изменения конструкции, кроме, разве что, перехода на подложки «кремний на изоляторе» (КНИ=SOI). Транзисторы с рекордным быстродействием были изготовлены именно на подобных подложках. Очень важно отметить, что столь короткие каналы формируются не литографическими приемами. Остальные части транзистора (исток и сток) могут быть гораздо (раз в 10) больше. Их размеры как раз определяются возможностями литографии, которая сейчас находится на рубеже 0.1мкм. Здесь мы представим результаты борьбы ведущих фирм мира за лидерство в изготовлении нанотранзистора.

IBM и Intel: союзники или конкуренты?

Интересно наблюдать сражение гигантов микроэлектроники. Возможно, рекорд быстродействия МОП транзистора все-таки принадлежит IBM. Изготовленный ими n-канальный транзистор с длиной затвора 39нм (см. рисунок) имеет предельную частоту усиления по мощности fmax=193ГГц, а частоту единичного усиления fT= 178ГГц. Эти частоты были определены следующим образом. Они измеряли зависимость усиления в децибелах от логарифма частоты. В диапазоне от 7 до 80ГГц это была идеальная прямая. Ее экстраполяция в область больших частот дала указанные значения fmax и fT.


T
EM
изображение поперечного сечения транзистора IBM с измеренной длиной затвора 39нм

Транзистор фирмы Fujitsu fmax=185ГГц имеет при длине затвора 80нм, а у транзистора фирмы Mitsubishi при длине затвора 70нм fmax=135ГГц. SEM фотография последнего транзистора была приведена в предыдущем обзоре. Хоть он и не оказался самым быстродействующим, упомянутые здесь транзисторы имеют ту же самую конструкцию, и повышение быстродействия достигается одинаковыми приемами.

В Intel Corporation был изготовлен подобный же транзистор с длиной затвора 50нм. Но о высокочастотных его свойствах – ни слова. Вот и пойми теперь, кто победил?

Тело лучше заземлить


Главным препятствием на пути понижения рабочих напряжений транзистора стал так называемый эффект плавающего напряжения на теле транзистора (Floating Body Effect). Телом принято называть область под затвором транзистора. Из-за технологических разбросов и накопления заряда пороговые напряжения (напряжения «закрывания» транзистора) для разных транзисторов в микросхеме оказываются разными. Чтобы преодолеть этот разброс приходится использовать достаточно высокое рабочее напряжение, чтобы быть уверенными, что транзисторы определенно закрываются или открываются. Другим способом является подключение к телу транзистора дополнительного бокового заземленного контакта. Более эффективным методом является подключение этого электрода к потенциалу затвора. Однако оба этих способа, уменьшая разброс пороговых напряжений, в то же самое время приводят к увеличению тока утечки и снижению быстродействия.

Один затвор хорошо, а два лучше

Есть, однако, очень эффективный прием снижения разброса пороговых напряжений и заключается он в использовании конструкций с двумя затворами, которые с обеих сторон огибают канал транзистора. Прием очевидный, но осуществить его на деле, оказывается, очень трудной технологической задачей. На конференции была представлена лишь одна работа с двойным затвором – это fin-FET, в котором узкий канал транзистора (брусок=fin) огибается электродом затвора. Но в этой конструкции подвижность носителей значительно снижена из-за рассеяния на стенках бруска, приготовленного в процессе сухого травления.

Надо ли утончать кремний?


Многие проблемы кремниевого транзистора разрешаются, если утончать слой кремния в структуре КНИ. Не надо делать причудливое легирование, достаточно сильно легировать области истока и стока транзистора с резким краем. Пропадает необходимость второго затвора, поскольку Floating Body Effect устраняется. Но все хорошо не бывает. Чем же мы жертвуем в этом случае? А жертвуем мы достаточно большим током транзистора в открытом состоянии Ion, поскольку канал транзистора становится узким. Чтобы обеспечить нужный ток, придется делать транзистор очень широким. При длине канала 10нм его ширина может быть 10мкм! По-видимому, есть все же оптимальная толщина слоя кремния.

Как «приконтачиться» к КНИ


Тонкий слой кремния в КНИ приводит еще к одной проблеме - к нему трудно приконтачиться. В современных омических контактах к стоку и истоку есть достаточно большая переходная область, что и обеспечивает малое сопротивление контакта. Оказывается, что ширина переходной области превосходит ширину слоя кремния. Выход заключается в наращивании слоя кремния в областях стока и истока, так называемые поднятые контакты (raised source/drain).

Семь раз промоделируй, один раз сделай

Не стоит говорить, что моделирование является мощным инструментом оптимизации конструкции транзистора. Укорочение канала транзистора до 0.1мкм и ниже привело к тому, что диффузионно-дрейфовые уравнения выходят за рамки условий их применимости. Поля сильные, рассеяние слабое – движение баллистическое, либо квазибаллистическое. Необходимо переходить к использованию решения кинетического уравнения Больцмана методом Монте-Карло, на который сейчас и переходят. Однако, этот метод имеет один недостаток: мы обязательно должны знать функцию распределения частиц, вбрасываемых в расчетную область из контактов. Контакт истока и стока с каналом транзистора фактически представляет собой переход от сильного легирования к слабому. На геометрической границе функция распределения отличается от равновесной. Можно зайти вглубь контакта, где функция распределения весьма близка к равновесной, но тогда мы включаем зону сильного рассеяния в расчетную область. По методу Монте-Карло программа будет слишком долго считать. Пока не совсем ясно, как выйти из этого затруднения.


В тонком канале транзистора важно также учитывать и поперечное квантование. Для канала толщиной 10нм сдвиг порогового напряжения уже составляет величину 0.1В.

Удивительное формирование квантовых точек без зародышей при гетероэпитаксии SiGe на Si(100)

Появляется все больше публикаций о методах формирования квантовых точек. Проблема – сложная. Требуется создать некий объект размером 1-2 или даже 10нм по всем трём осям (и не в единичном экземпляре, а 1010 однородных точек на каждом см2).

Уже лет 7 всем казалось, что механизм образования, в общем и целом, понятен – всё происходит по Странскому-Крастанову: первые несколько монослоёв (2-3 в случае роста чистого Ge на Si(100), и до 20-30…, если речь идёт о твёрдом растворе SiGe с небольшим содержанием Ge) растут ровными и гладкими, а потом системе становиться выгодно зародить поверх этого подстилающего слоя трёхмерные островки. На эту тему написано несметное число работ. И вдруг недавно [1] два американских исследователя (P.Sutter из Colorado School of Mines и M.G.Lagally из University of Wisconsin-Madison) публикуют четыре странички (с картинками), где недвусмысленно доказывают, что при эпитаксии Six1-x (x<0.4) на Si(100) нанопирамидки с гранями {105} возникают без всяких зародышей за счёт непрерывной эволюции ступенчатых бугорков. Картину формирования наноточек авторы наблюдали in-situ в микроскопе на медленных электронах (LEEM – low energy electron microscopy) с возможностью нагрева подложки до 1250С (при очистке) и двумя газовыми источниками. В качестве исходного источника использовали дисилан и дигерман, структуры синтезировали при 700С со скоростью 6-8 монослоёв в минуту. При этом LEEM однозначно засвидетельствовал, что события развиваются по следующему сценарию.


Сначала изображение (LEEM-контраст) вообще исчезает, потому что первые несколько монослоёв хоть и гладкие (по z шероховатость не более атомного поперечника), но сильно изрезаны по x и y, а для дифракции медленных электронов на длине когерентности необходимо иметь трансляционный порядок. А затем на экране, как из тумана, начинает проступать двумерно-квазипериодическая совокупность тёмных ячеек, окаймлённых сеткой белых линий (съёмка ведётся в светлом поле). Известно, что степень потемнения определяется плотностью моноатомных ступней (чем темнее, тем гуще ступеньки). Период наблюдаемой структуры оказался обратно пропорциональным концентрации Ge в твёрдом растворе.

Но самое замечательное наблюдение состоит в том, что, фактически не меняя своих латеральных размеров, по мере роста SiGe ячейки становились всё темнее и темнее. Это значит, что каждый нанобугорок становился всё более «уступчатым» под действием прибывающих атомов Si и Ge, т.е. угол наклона боковых граней у него непрерывно увеличивался от 0 до