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 НИЯУ 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».