Это типичный образец продукции, которую мы получаем с помощью метода МЛЭ, т.е. поатомной сборки — здесь представлена микрофотография, полученная методом электронной микроскопии высокого разрешения.

Атомная структура границ раздела эпитаксиальных гетеросистем.

Расстояние между точками на этом снимке равно межатомному. Хорошо видны отдельные атомные слои. На соседней фотографии они показаны при более сильном увеличении. Видны детали атомной структуры отдельных границ раздела. Крайняя картинка показывает, что процесс выращивания структур не прост, так как если его проводить в неоптимальных условиях, то правильной структуры не получить не удастся — будут развиваться морфологические нестабильности поверхности роста и т. д.

Один пример того к чему это приводит практически.

Структура энергетических зон полупроводниковой сверхрешётки.

Здесь показана структура энергетических зон полупроводниковой сверхрешётки. Из-за размерного квантования в сформированных квантовых ямах возникают квантовые уровни. Это классический результат квантовой механики: электрон в квантовой яме. Состояния квантуются и, изменяя параметры слоев, можно менять расстояние между этими двумя уровнями, и здесь показано, как на базе такой структуры можно сделать фотоприёмное устройство.

МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GaAs/AlGaAs Способ изготовления слоев молекулярно-лучевая эпитаксия Число слоев 25-100 Толщина слоя GaAs 10-20 атомных монослоев Толщина слоя AlGaAs 500 ангстрем Точность изготовления 0,5-1 атомный монослой Тип фотоприемной структуры фоторезистор Диапазон фоточусвительности 5-25 мкм (в зависимости от толщины слоя GaAs) Полуширина пика фоточувствительности 1-1,5 мкм Число элементов в матрице 16384 Рабочая температура 60-80 К Фоточувствительность 0,2-0,5 А/Вт

При освещении мы возбуждаем электроны и, если этот уровень находится достаточно высоко к верхнему краю зоны, то он выходит в зону проводимости и создаёт ток во внешней цепи. Здесь необходимо отметить, что мы, в отличие от работ Алфёрова в Петербурге, занимаемся так называемой пассивной фотоэлектроникой: регистрацией слабых сигналов, а в Физтехе создают активные элементы, т. е. лазеры. Под руководством профессора В. Н. Овсюка на базе такой структуры — тут показана правильная полосчатая структура слоев — созданы матричные фотоприёмные устройства с помощью, которых можно детектировать слабые сигналы, не просто детектировать, а формировать изображение. Это иллюстрируется следующей прозрачкой, которая показывает матрицу фотоприемных элементов.

Слева.Фрагмент фотоприёмной матрицы 128X128 с In столбами на каждом элементе. Справа.Тепловизионное изображение с матрицы 128X128. Температурное разрешение — 0,07 К. Спектральный диапазон 7,5-8,5 мкм.

Если вы видели увеличенное изображение глаза мухи, то это очень похоже. Эта матрица формирует ИК-изображение сотрудника нашего Института, который активно работает в этом направлении (Игорь Марчишин — выпускник НГТУ). Что касается фотоприемников - это тоже большая область деятельности, в которой наш Институт является одним из основных в стране, поскольку технология уникальна.

Есть другой пример применения молекулярно-лучевой эпитаксии. Если мы будем говорить о другой ветви дерева, об СВЧ-связи, то прорыв в средствах связи, в том числе и в создании мобильного телефона, был связан с разработкой транзисторов на высокоподвижном двумерном электронном газе. Здесь показано, какая физика легла в основу.

Профиль структуры с двумерным электронным газом, выращенной на установке МЛЭ «Катунь-В».

На этой картинке показана зонная диаграмма для эпитаксиальной системы с высокоподвижным двумерным электронным газом. Показана также геометрия этой системы слой за слоем. Некоторые слои имеют толщину порядка ангстрем — несколько больше боровского радиуса межатомного расстояния. Идея такого подхода состоит в том, что в этом случае удаётся резко повысить подвижность электронов за счёт пространственного разделения ионизованных примесей и носителей заряда. Для обеспечения высокой проводимости слоев нужно довольно много электронов, но если много электронов, то много и ионизированных атомов и, тогда электроны рассеиваются на ионизованных атомах примесей, подвижность резко падает. С помощью такой технологии, это атомная инженерия, удаётся пространственно отделить сильнолегированный слой от проводящего слоя. Активным является здесь слой высокочистого совершенного GaAs. В Институте получены слои с подвижностью при температуре жидкого гелия свыше 1,5 млн. В/см²с. Мировой рекорд, как ни странно, принадлежит Израилю — там работают израильтяне, которые приехали домой из Штатов: 10 млн. В/см²с при температуре жидкого гелия. Но, тем не менее, кроме нашего Института в мире есть может быть 30 лабораторий, где удаётся достигать таких параметров. В результате мы имеем прослойку с проводимостью типа металлической в полупроводнике.

Квантовый интерферометр.

На основе слоев с высокоподвижным двумерным газом электронов в Институте создан так называемый квантовый интерферометр для электронов проводимости. Эти работы ведутся под руководством профессора Д. Квона. Хотя на иллюстрации указан французский соавтор, на самом деле все эти структуры изготовлены полностью у нас в Институте. На фото представлен вид сверху интерферометрической структуры, сделанной с помощью тонких методов электронно-лучевой литографии: двумерный газ существует только в тех областях, которые здесь являются светлыми.

Видно колечко субмикронного размера в центре, которое соединяет, грубо говоря, два моря двумерных электронов. Показаны контактные области. Удалось доказать, что транспорт электронов через такое колечко претерпевает интерференцию. Это понятно из оптической аналогии, хотя для электронов проводимости из-за их малой длины свободного пробега наблюдать их интерференцию чрезвычайно трудно и наблюдение возможно только при температурах порядка десятой или сотой долей градуса Кельвина. Но сами результаты являются очень заманчивыми. Здесь можно наблюдать изумительно красивые для физика, который этим занимается, осцилляции магнетосопротивления от магнитного поля — по величине их амплитуды это тоже в некотором роде мировой рекорд. Этот результат важен для разработки приборов будущего, в которых будут использоваться одиночные электроны, в отличие от классической микроэлектроники, где для передачи бита информации используются от тысячи до сотен тысяч электронов.