Российские ученые создали наноструктуры, ускоряющие работу электроники

Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» в сотрудничестве со специалистами Института физики металлов СО РАН разработали и изучили наногетероструктуры на основе арсенида галлия, способные повысить быстродействие высокочастотных микросхем. 

Гетероструктура представляет собой выращенный на подложке слоистый материал из различных полупроводников, обычно используемых в электронике. Современный «квантовый дизайн» позволяет создавать их с теми свойствами, которых требует производство новейших электронных приборов. 

Быстродействие приборов можно улучшить, повышая содержание индия в «активном» токоведущем слое материала. Увеличение содержания индия позволяет уменьшить массу электронов в структуре, а также увеличить их скорость, поэтому возрастает и быстродействие электронных приборов. Однако это осложняется механическим напряжением кристаллической решётки у прилежащих слоёв. 

Физики из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» решили проблему, нарастив толстый «переходный» слой и постепенно увеличивая содержание индия в составе активного слоя. В итоге ученые довели его почти до 100% при минимуме механических напряжений. 

Рост образцов проводился методом эпитаксии – послойного выращивания кристаллически совершенных полупроводников на «виртуальной подложке», у которой при росте переходного слоя постепенно меняется параметр кристаллической решетки.

Ученые подобрали оптимальные условия для выращивания: температуру подложки, конструкцию переходного слоя, толщину и состав активного слоя. Поэтому структуры получились высокого качества, с малым рассеянием электронов и малой (всего 2 нанометра) шероховатостью поверхности.

Электронные свойства созданных в НИЯУ МИФИ образцов измерили специалисты ИФМ СО РАН. Для этого они провели исследования при низких температурах (от 1,8 Кельвинов или —271,35 °С) в сильном магнитном поле. Это позволило наблюдать в активном слое квантовые эффекты, связанные с высоким содержанием индия, в частности, колебания магнетосопротивления и квантовый эффект Холла (КЭХ), за открытие которого в 1985 году была вручена Нобелевская премия по физике. 

По мнению специалистов, данные российских ученых, опубликованные в научном журнале «Journal of Magnetism and Magnetic Materials», позволяют прояснить особенности проявления КЭХ в современных наноструктурах.

«Это, в первую очередь, фундаментальное исследование, – поясняет один из авторов статьи, доцент кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Иван Васильевский. – Однако мы видим и потенциал его прикладного применения. Он обусловлен, прежде всего, тем, что подобные структуры имеют высокую подвижность электронов и обеспечивают высокие (до 200 ГГц) частоты работы транзисторов и микросхем».