Наножартылайөткізгіштер

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 13 бет
Таңдаулыға:

Е. А. Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті

Химия факультеті

Реферат:

Қарағанды 2014 жыл

Жоспар

КІРІСПЕ

НЕГІЗГІ БӨЛІМ

Жартылайөткізгіштер
Жартылайөткізгіш электрониканың пайда болу тарихы
Нанотехнологиялардың жетістіктері
Молекулалық - сәулелік эпитаксия
Изолятордағы кремний
өндірісінің жаңа технологиялары

ҚОРЫТЫНДЫ

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР

КІРІСПЕ

Аз өлшемді құрылыс физикасы қатты заттардың заманауи физика аумағында өзекті және анағұрлым тез дамып жатыр. Бұл аумаққа қызығушылықтың тууы жаңа фундаменталды ғылыми мәселелер мен физикалық құбылыстармен байланысты. Ашылған құбылыстар негізінде жаңа кванттық қондырғылар мен кең функционалдық мүмкіндіктері бар опто- және наноэлектроника, техника өлшегіштері, жаңа буынның ақпараттық технологиясы, байланыс құралдары жүйесінің негізінде перспективті келеді. Аз өлшемді жүйелерді зерттеу нәтижелері жаңа, қазіргі таңда кеңінен қолданылатын құбылыстар, соның ішінде екі өлшемді электронды газдағы Холл бүтін санды және бөлшектік квант эффектісі, квази екі өлшемді электрондар мен тесіктің вигнерлік кристалдануы, жаңа квазибөлшек пен бөлшектік заряды бар электрондық қозуларды табу, жоғары жиілікті блоховск осцилляциясы және тағы басқа құбылыстардың нәтижелері болып табылады. Гетероауысулардағы заманауи жартылайөткізгіш лазерлер аз өлшемді жүйелерді пайдалануға негізделген (кванттық нүктелермен және кванттық жіптермен өзіндік ұйымдастырылған кванттық шұңқырлардың құрылысы) . Бұл аумақта анағұрлым жетістік физикада үш рет Нобель сыйлығын алған (1985 жылы Холлдың квант эффектісін ашуы; 1998 жылы Холлдың бөлшектік квант эффектісін ашылуын; 2000 жылы заманауи ақпараттық технология негіздеріне салынған еңбектері үшін) .

Бұл аумақтағы даму инженерлік аймақ құралдары мен инженерлік толқындық функциясын құрастыру мен сәйкес қосымшалар немесе жаңа физикалық құбылыстарды табу мен зерттеуге қажетті электронды спектрі мен қасиеттері бар заманауи нана құрылыстардың жоғары технологияларды пайдалану мүмкіндіктері ашылды (тор үсті, кванттық шұңқыр лар, нүктелер мен жіптер, кванттық контактілер, атомдық кластерлер және т. б. ) .

Осылайша құрастырылған наноқұрылыстар алдын - ала қасиеттермен берілген жасанды материалдар болып табылады.

Ешқандай күмәнсіз, алуан түрлі аз өлшемді құрылысты пайдалануға негізделген элементтік база жаңа буынның электронды техникасының анағұрлым перспективті болып табылады. Дегенмен, нанометрлік масштабті жүйелерге ауысу кезінде қатты денедегі квазибөлшектердің квантомеханикалық табиғаты анық байқала бастайды. Нәтижесінде принципиалды жаңа жағдай пайда болады. Бұл кезде кванттық эффектілер (өлшемдік канттық, конфайнмент, туннелдеу, электрондық күйдің интерференциясы) физикалық процестерде осындай объектілер мен осы негізге құралдарды функцияландыруда кілт рөл атқарады.

Біршама дейгейде наноқұрылыстарды түрлі тағайындаулар үшін дайындау мен өңдеу жетістіктері технологияның даму деңгейімен анықтайды. Бұл атомдық дәлдікпен қажет кофигурациясы мен өлшемі бьар наноқұрылымдарды алуға, сол сияқты дайындау процесін бақылау (in situ) мен оның негізіндегі технологиялық процестерді қамтитын наноқұрылымдардың қасиеттерінің кешенді диагностикасымен анықталады.

Көптеген болжамдарға сәйкес нанотехнологияның дамуы ХХІ ғасырдың бейнесін анықтауға, атом энергиясының ашылуы, лазер мен транзисторды ашу ХХ ғасырдың ашылуларына ұқсас дамыды.

Менің жұмысымның мақсаты - нанотехнологияның жетістіктерін зерттеу.

Мақсаты:

Жартылайөткізгіш қасиеттерін зерттеуде және оның жұмыстағы негізгі мәнін ашудағы ғылыми ұйымдастырушылықтың салымын көрсету.
Қазіргі уақытта физикасының негізгі мәселелерін анықтау.
қолдану аумағы мен оның дамуын көрсету

1. Жартылайөткізгіштер - өткізгіш пен диэлектрик арасындағы орталық өткізгіш. Оған көптеген химиялық элементтер (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк және т. б. ), балқымалардың көп мөлшері мен химиялық қосылыстар кіреді. Бізді қоршаған барлық бейорганикалық заттар жартылайөткізгіш заттар болып табылады. Табиғатта ең көп таралған жартылайөткізгіш элемент жер қыртысының шамамен 30 % - ын құрайтын кремний болып саналады. басты ерекшелігі олардың физикалық қасиеттерінің сыртқы әсерден температураның өзгеруі мен қоспаның аз мөлшеріне тәуелді болады.

Жартылайөткізгіштің температурасын мақсатты түрде өзгерте отырып немесе оны легирлеп (қоспаны қоса отырып) оның физикалық қасиеттері, жиірек, электрөткізгіштік қасиетін басқаруға болады.

Метал, жартылайөткізгіш және диэлектрик үшін аймақтық диаграмма құрылады. Ең бірінші, рұқсат етілген аймақты бөлетін рұқсат етілмеген аймаққа мән беру керек (рұқсат етілмеген энергия аймағы) . Диэлектриктердің рұқсат етілмеген аумақ ені жартылайөткізгіштерге қарағанда көп, ал металдардардың рұқсат етілген аумағы араласқан, сондықтан оның рұқсат етілмеген аумағы жоқ. Рұқсат етілмеген энергетикалық аралықты анықтайтын рұқсат етілген аумақ ені жартылайөткізгіштің маңызды параметрі болып табылады. Жартылайөткізгіш электроникасында жиі қолданылатын германий, кремний және галий арсениді - рұқсат етілмеген аумақ ені сәйкесінше 0, 7; 1, 1 және 1, 4 эВ.

Жоғарғы рұқсат етілген аумақ өткізу аумағы деп талады. Бұл аумақта орналасқан электрондар үлкен энергияға ие болады және жартылайөткізгіш көлемінде араласып электрлік өріс әсерінен оны өзгерте алады. Жартылайөткізгіштің электрөткізгішті осы электрондармен анықталады. Төменші рұқсат етілген аумақ валентті аумақ деп аталады. Бұл аумақтың энергетикалық деңгейлері әдетте атомның сыртқы электрон қабатымен - сыртқы тұрақты орбитамен (валент электрондармен) толтырылуы мүмкін. Валентті аумақтағы бос деңгейлердің болуында электрондар өз энергиясын электрлік өріс әсерінен өзгертуі мүмкін. Егер бұл аумақ деңгейлері толған болса, онда валент электрондары жартылайөткізгіштің электрөткізгіштігінің пайда болуына қатыса алмайды.

2. Жартылайөткізгіш электрониканың пайда болу тарихы

Заттардың электрді әр түрлі өткізуі адамдарға 190 жыл бұрын белгілі болды. 1821 жылы ағылшын химигі Хэмфри Дэвиметалдардың электрөткізгіштігі температура өскен сайын азаятынын анықтаған.

Келесі тәжірибелерді өткізе отырып, оның шәкірті 1833 жылы Майкл Фарадей күкіртті күмістің электрөткізгіштігі температура өскен сайын төмендемей, керісінше жоғарылайтынын байқаған. Кейін ол температураға ерекше тәуелділік бойынша бірнеше заттардың өткізгіштігін ашты. Сол уақытта, дегенмен, ғылым әлемін қызықтыра қоймады. 1873 жылы селеннің қарсыласуы жарықтандыру кезінде өзгеретіні анықталды.

Селенді фото қарсылау түрлі оптикалық құралдарда қолданыла бастады. Бірінші жартылайөткізгіш болып әдеттегі селен бағаны сияқты фоторезистор болып табылды. Мұндағы электрлік қарсыласу жарықта қарағанда қарағаңғыда төмен.

Жартылайөткізгіз электрониканың қарқынды дамуы бірінші нүктелік (1948 жыл) және кейін жазықтық (1951 жылы) транзистор - кез келген заманауи микросхеманың негізі.

3. Нанотехнологиялардың жетістіктері

Нанотехнологиялардың жетістіктерінің үлкен бөлігі осы уақытқа дейін жартылайөткізгіштерге байланысты. металдарда назарға алатын бөлшектердің саны көп, бір бөлшекке кететін энергия шамасы да үлкен, аумақ ортасында күй қасиетін өзгерту керек.

Жартылайөткізгіш материалдарда бірнеше маңызды қасиеттер бар:

Бөлшек мөлшерін кең шектерде біршама оңай өзгертуге болады және электрлік басқаруға болады;
Жартылайөткізгіштер нақты толқын ұзындығын сіңіріп және электромагниттік сәуле шығарады, бұл оптоэлектронды қасиеттерін басқаруға мүмкіндік береді;
Жартылайөткізгіштерде электрлік және оптикалық қасиеттерін ұштастыруға болады.
Жартылайөткізгіштер әр бөлігі әр түрлі қасиетке ие құрылысты технологиялық жағынан біршама оңай құрастыруға болады.

Заманауи дамуы мен наноэлектроникаға ауысу жартылайөткізгіш материалдар мен нанотехнолгияларды пайдалануға байланысты. Оларды наноэлектроникада қолдану наноқұрылымды микропроцессорларды жасауға, байланыс каналдарының өткізу қабілетінің ұлғаюына, роботталған жүйелердің жаңа буынының пайда болуын әкеледі. Жаңа мүмкіндіктер наноқұрылымды сенсоры және т. б. бар наноэлектроника қондырғыларын біріктіру кезінде пайдалануға беріледі. Наноэлектрониканың дамуы физика квантөлшемді жүйелердің жетістіктерінде қолдану мен қажет химиялық құрамы мен конфигурациясы бар жартылайөткізгіш наноқұрылымдарды алуда атомдық дәлдікке ие болатын нанотехнологияларды пайдалануды құрайды. Сол сияқты наноқұрылымдарды кешенді диагностика әдістерін құрайды, соның ішінде дайындау процесі кезіндегі бақылау мен осы негізде технологиялық процестермен басқару.

Нанотехнологиялар электроникада келесі міндеттерді шешуі керек:

Есептеу жүйелері өнімділігінің бірден жоғарылауы;
Байланыс каналдарының өткізу қабілетінің бірден ұлғаюы;
Ақпараттық сыйымдылық пен энергия шығымының төмендеуімен ақпаратты бейнелеу жүйесінің сапасының бірден ұлғаюы;
Сенсорлы қондырғылардың сезімталдығының бірден жоғарылауы және өлшенетін шама спектрінің елеулі кеңейтілуі, бұл көбіне экология мәселелері үшін маңызды келеді;
Жоғары экономикалық қатты денелі жарықтандырғыш құралдарды жасау;
Медициналық, биологиялық, химиялық, машина құрастыру және т. б. технологияларда электронды және оптоэлектронды компоненттерді қолдануда меншікті салмағының елеулі ұлғаюы.

4. 1 Молекулалық - сәулелік эпитаксия (МСЭ) - заманауи физикасы мен жартылайөткізгіш электрониканың негізгі технологияларының бірі. МСЭ технология жұмысы Ресей академиясының Сібір бөлімінде жартылайөткізгіштер физикасы Институтындла басталды. Соңғы жылдары МСЭ дамыту бағыттары бойынша инфрақызыл техника заманауи жүйелер үшін фотосезімтал элементтерді жасау үшін негізгі материал ретінде КСТ (кадмий - сынап - теллур) қосылысы негізінде эпитаксиалды құрылымдарды жасау болып табылды.

КСТ қабаттарын жетілдіру үшін «Обь-М» қондырғысының сыртқы көрінісі.

Физиктер көпкамералы жоғары вакуумды КСТ «Обь-М» қондырғымен жұмыс жасайды. Қондырғының ерекшелігі КСТ (ГЭС КСТ МСЭ) гетероэпитаксиалды құрылымдарын алуда МСЭ процесінде институтта лазерлік эллипсометрия әдісін жоғары әрекеттелігімен және рекордты параметрімен қалыңдығы (0. 2-0. 3 нм) және құрамы бойынша (0. 05 мольдік үлес) алу. КСТ жоғары дамыған фотосезімтал қабаттарын қолдана отырып, үлкен форматты матрицалар мен фотоқабылдағын қондырғының сызғышын келесі ИҚ - диапазон үшін алу. Кванттық эффектілердің анағұрлым тәжірибелерде кеңінен қолдану - ИҚ - фотоқабылдағыштарды квантөлшемді эпитаксиалды гетерқұрылымды AlGaAs/GaAs негізінде заряд тасымалдағыштарының қабаттардан өлшемді квантталумен (кванттық шұңқырмен) қоздыру арқылы алу болып табылады. Кванттық шұңқырлардың көпқабатты құрылысы негізінде лабораторияда МСЭ әдісімен өлшемі 128×128 және 320×256 болатын матрицалық фотоқабылдағыштар жасалды. Кванттық нүктелер немесе нөлөлшемді жүйелер - жартылайөткізгіш матрицада атомдық кластер массиві немесе наноөлшемді аралынан тұратын төмен өлшемді жүйелердің шекті күйі. Бұл МСЭ әдісімен эпитаксиалды гетерқұрылымды жүйелердің өзіндік ұйымдастырылуы жүреді. Мұндай кластерлерде энергетикалық күйлердің дискретті спектрлері жеке атомдардың энергетикалық спектріне ұқсас. Бұл кластерлердегі атомдардың көп санына қарамастан «жасанды атомдар» жайлы айтуымызға болады. Дегенмен, кластерлер нақты формалы және соңғы өлшемдері бірлік немесе ондық нанометр болады. Мұндай типті құрылым үшін «кванттық нүктелер» (КН) терминін қолданамыз. Әдіс негізінде КН мен германий - кремний эпитаксиалды құрылымдарын дайындау негізінде жоғары вакуумда сканирлейтін туннелді микроскопия (СТМ) әдісімен кремнийдің атомдық - таза бетіне германийді тұнбаға түсірудің бастапқы сатыларын зерттеу. Заряд тасымалдаушыларының энергетикалық спектрін германий кластерінде кванттау заряд тасымалдағышы, вольт - фарадты сипаттамаларда және КН құрылысымен жылу өткізгіші ерекшеліктерін құрастырады.

КН массивміне субмикронды өріс транзисторында кремний - изолятор құрылысында шынайыланған кезде канал нанотранзисторлардың ысырма қуатқа тәуелді тесіктің энергетикалық спектірінң квантталуына шартталған гелийден 150 К температураға дейін өткізгіштіктің осцилляциясы табылды.

Келесі маңызды нәтиже кремнийдің эпитаксиалды құрылысы негізінде германийдің кваниттық нүктелері массивімен фотоқабылдағыштарды өңдеу конструкциясы мен оны зерттеу.

Матрицалық фотоқабылдағыш көмегімен толқын ұзындығы 8-12 мкм диапазонында алынған жылудидарлық көрініс.

ИҚ - қызыл материалдары мен элементтерін жасау өнеркәсіп салаларына талап етілген және алдыңғы келешекте «жасанды» (техникалық) кеңейтілген көзқарас жүйесін жасау негізінде биологиялық көзқараспен салыстырғанда ультракүлгіннің спектралды диапазонында және спектрдің инфрақызыл аумағында болады (айта кетуіміз керек, адамдардың биологиялық көзқарасы миллион жылдар уақытында қалыптасқан) .

Техникалық көзқарас жүйесі мен үлкен ақпарат массивтерін алуға және өңдеуге қабілетті наноқұрылымдардағы фотондық компоненттер принципалды жаңа телекоммуникациялық қондырғылардың экологиялық жүйелер мен космостық мониторг, жылудидарлық, терроризммен күрес, нанодиагностика, работотехника, жоғары дәлдікті мылтықтар және т. б. негізі болып табылады.

Жартылайөткізгішті наноқұрылымдарды пайдалану бақылау қондырғылар габаририті мен тіркеуін азайтады, энергия пайдалануды азайтады, құн сипаттамасын ұлғайтады және келешекте микро- наноэлектроникада жалпы өндіріс айрықша қолдануға мүмкіндік береді.

Бір фотонды жылу таратушы

МСЭ әдісінің мүмкіндіктері шексіз, сол сияқты қарапайым жолақтық жартылайөткізгіш лазерлерден ерекшеленетін жартылайөткізгіш пластина лазерлік резонатордың брэг айналарының жазықтыққа параллелді орналасуымен вертикалды резонаторы бар жартылайөткізгіш лазерлерді жасауға мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта ВРЛ тек жартылайөткізгіш жылу таратушы ғана емес, сол сияқты барлық лазерлік техникада мүмкіндіктерін көрсетеді: ВРЛ бастапқы токтың аз мәнімен, токтық модуляцияның жоғары жиілігімен - он гигагерцтен және өте кішкене болуымен сипатталады. Айта кететініміз, МСЭ әдісі жоғары дәлдікпен құрамында бірнеше жүз нанометрлік қабаты бар және резонатор айнасын түзетін, айна аумағында заряд тасымалдағыштарының инжекциясы мен кванттық шұңқырлы белсенді қабаты бар лазерлік құрылымдарды жасауға мүмкіндік береді. Диагностиканың негізгі салымы ретінде жылдам электрондардың in situ дифракциясы әдісі пайдаланылады. Ол жоғары дәлдікпен тұнбаға түсетін материалдың екі өлшемді кластерінің өсуі мен араласуы, өсудің периодты процестерін тіркеу есебінен өсірілетін гетероқұрылыстың әрбір моноатомды қабатын қалыптастыру процесін бақылауға мүмкіндік береді. ИФП СО РАН мен Берлин Техникалық университетінің қатты заттары физикасы Институтымен бірге В. Гайслермен өткізілген бірлескен жұмыста, белсенді қабат ретінде InAs квант нүктелерін пайдаланып жартылайөткізгіш бірфотонды жылу таратушыны жасау жолында маңызды қадам жасалды. Бір квант нүктесінің токтық қозудағы сәулелендіруі байқалды. Сәулелендіру спектрінде бір квант нүктесіне экситон рекомбинациясына сәйкес келетін тек бір түзу бар. Алынған нәтижелерді болашақта кванттық есептеулер мен кванттық криптография жүйелерін жасау үшін қажет.

Эпитаксиалды тәжірибелік пайдалану үшін гигагерцтік диапазондағы СВЧ техника күшті элементетерін алу үшін МСЭ технологияларын өңдеу мәселесі тұр. Қазіргі таңда бұл РАН А. Иоффе атындағы физика - техникалық институтымен бірге кәсіпорын салалары үшін жоғары сапалы эпитаксиалды құрылымдарды өңдейтін және тасымалдайтын негізгі институт болып саналады.

МСЭ технологиясы жартылайөткізгіш нанотүтіктерді алуда жаңа әдістер негізінде жатыр. Ол қуатталған жартылайөткізгіш қабықшаның селективті өңдеу көмегімен босатылуы, яғни, эпитаксиалды гетеқұрылымдағы құрбан қабат деп аталады. Бұл әдіс В. Принц лабораториясында ұсынылған (әдебиеттерде Принц технологиясы деп те аталады) күрделі формалы жеке наноқұрылымдарды жасауда және олардың массивтерін жоғары дәлдікпен дайындауда (жеке моноқабаттың қалыңдығына тең мәніне дейін) перспективтілігін ашады. Бұл технология бойынша цилиндрлік беттіктегі екі өлшемді электрон газының қасиеттерін зерттеу үшін жартылайөткізгіш материалды нанотүтіктер дайындалды. Микротермоанемометр үшін микрон диаметрлі түтіктер мен жасушалық биология мен медицинада микро- наношприц ретінде пайдаланылады. Нанометрлік қалыңдығы бар қабырғалы түтік негізіндегі турбулентті шекара ағындарында жылдамдықтарды тамыр соғуын өлшеу кезінде жоғары сезімталдыққа ие болады және екі қатар үлкен жылдам әрекетпен дәстүрлі газ ағындарыың датчигіне қатысты сезімтал келеді. Ұсынылған технологияны дамыту осы технология бойынша дайындалған нанотүтіктер мен электроника, медицина басқа да маңызды салалардағы басқа да нанообъектілерді қолдануын кеңейтумен жүзеге асады.

4. 2 Изолятордағы Кремний

ИК құрылымдағы транзисторлар

Кремнийдегі нанотранзисторлар келешекте жартылайөткізгіш наноэлектрониканың басты элементі болып табылады. Нанометрлік транзистор өлшемдеріне шартталған және басқа да элементтердің интегралдық схемаларында мәселенің туындауы көлемдік кремний материалдарынан да жақсы басқа және өрістік транзисторлар конструкциясы бойынша жаңа ізденісті талап етеді. Көлемдік кремнийге жалғыз альтернатив қазіргі таңда субмикронды және нанометрлік қабат қалыңдығымен изолятордағы кремний құрылысы болып табылады. ИФП СО РАН В. Попов жетекшілігімен ыдыратудың түпнұсқа технологиясы мен кремнийдің қабатын кремний пластинасын тікелей өсіру кезінде орын алмастыруы өңделді. Оның біріншісі алдын - ала сутек иондарымен имплантацияланды, ал басқасы термиялық тотықтырылды.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.