Физика границ раздела и спин-зависимые явления в гетероструктурах

Целью исследований является изучение физических закономерностей и физико-химических механизмов формирования гетероструктур и гетерограниц, а также неравновесной спиновой динамики в них для установления научных и технологических основ изготовления новых типов квантовых устройств, использующих спиновую степень свободы, на основе эпитаксиальных слоев полупроводников A3As, Pb1-xSnxTe, HgCdTe и трехмерных топологических изоляторов на основе соединений V-VI групп. Разработка программ для моделирования систем технического зрения ИК-диапазона и методов обработки фотосигналов. Тепловизионные исследования кинетики сорбции активных газовых смесей на твердотельных поверхностях. Актуальность исследования определяется необходимостью создания перспективных приборов для квантовой криптографии и спиновых устройств, быстродействующих и мощных СВЧ-приборов для оптоволоконных линий связи, транзисторных структур, а также различных оптоэлектронных устройств инфракрасного и видимого оптических диапазонов. В частности, в последнее время активно обсуждается возможность создания электронных устройств, функционирование которых осуществляется не только за счет переноса электрического заряда, но и посредством использования спиновой степени свободы. Одно из таких устройств – спиновый транзистор (спиновый вентиль), в котором управление проводимостью канала осуществляется за счет изменения направления спиновой поляризации носителей в нем. В перспективе, спиновые транзисторы позволяют осуществлять энергонезависимое хранение информации и изменяемые выходные характеристики - очень полезные и подходящие функции для различных новых архитектур интегральных схем, недоступных для обычных транзисторных схем. На данный момент ведется активный поиск материалов и топологий для реализации подобных устройств. При этом требуется решение следующих проблем: эффективная инжекция в канал и детектирование (измерение) спина носителей заряда, а также возможность управления спиновой поляризацией носителей в канале. С другой стороны, для создания данных приборов важно понимание особенностей протекания спин-зависимых явлений и электронных процессов на поверхности полупроводника и гетерограницах, а также их взаимосвязи с физико-химическими свойствами. Традиционной схемой спин-вентильного устройства является использование полевых МОП-транзистора (MOSFET) на основе узкозонных полупроводников A3B5 (InAs, InSb и др.) с сильным спин-орбитальным взаимодействием, позволяющим управлять спином носителей в канале за счет использования эффекта Рашбы при приложении затворного напряжения и ферромагнитных контактов сток и исток для инжекции и детектирования поляризованных по спину носителей, соответственно. Одной из нерешенных до настоящего времени проблем, которая сдерживает массовое производство микросхем на основе полупроводников A3B5, является проблема формирования совершенных границ раздела диэлектрик(металл)/А3В5. При этом, вследствие уменьшения активных областей приборов и соответственно толщины диэлектрического слоя, поверхности и границы раздела оказывают все более заметное, а порой и определяющее, влияние на их характеристики. В этой связи в последние десятилетия наблюдается рост исследований, касающихся процесса формирования и свойств границ раздела high-k диэлектрик (Аl2О3, HfO2, TiO2, La2O3 и др.)/А3В5, формируемыми, в основном, различными ex situ способами. Несмотря на многочисленные исследования, граница раздела диэлектрик/A3B5, сформированная ex situ способом, в отличии от границы раздела SiO2/Si, в большинстве случаев характеризуется высокой (1012 эВ-1см-2 и более) плотностью интерфейсных состояний (Dit), что часто приводит к жесткому закреплению уровня Ферми. Это обстоятельство отрицательно сказывается на работе большинства приборов, мешая в полной мере раскрыть высокие потенциальные возможности полупроводников А3В5. К настоящему времени, многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что основной причиной несовершенства данных границ раздела являются различного рода дефекты полупроводниковой поверхности и переходного слоя, состоящего из термодинамически и химически не стабильных оксидов элементов полупроводников A3B5 сложного и нестехиометрического состава. Для устранения нежелательного воздействия поверхностей с собственным оксидом на свойства приборов в технологии активно развивается направление, называемое «пассивацией», в рамках которого разрабатываются различные способы формирования границ раздела с диэлектриками. Один из методов подготовки поверхности, позволяющий уменьшить величину Dit для различных полупроводников A3As и активно развиваемый в ИФП СО РАН, – модификация фтором границы раздела диэлектрик (собственный оксид)/A3As, что приводит к формированию вблизи неё оксифторидов или фторидов компонентов полупроводника. Несмотря на наблюдаемые эффекты уменьшения Dit при фторировании границ раздела диэлектрик (собственный оксид)/A3As, причины пассивации подробно изучены лишь для InAs. Для других полупроводников A3As (GaAs, InGaAs) практические не изучено изменение химического состава и зарядового состояния атомов вблизи границы раздела собственный оксид/полупроводник при фторировании и последующем отжиге. Отсутствуют данные о влиянии соотношения кислород/фтор вблизи границ раздела на Dit и морфологию. При этом для полупроводников A3As, содержащих алюминий (AlGaAs, InAlAs), к настоящему времени информация о влиянии фтора на свойства границ раздела с диэлектрик (собственный оксид) отсутствует полностью. В последнее время в качестве материалов, перспективных для применения в устройствах спинтроники, рассматривается новый класс веществ - так называемые топологические изоляторы (ТИ). ТИ интересны тем, что в них из-за сильного спин-орбитальным взаимодействием происходит инверсия объемных зон, вследствие чего на поверхности (либо гетерограницах с обычными изолятороми) возникают невырожденные по спину поверхностные состояния с линейным законом дисперсии в виде конуса Дирака, в котором направление спинового момента носителей ортогонально волновому вектору и однозначно с ним связано. Такое поведение схоже с проявлением спинового квантового эффекта Холла, но реализуется на поверхности объемного материала при комнатной температуре и без прикладывания внешнего магнитного поля. Вследствие уникальных особенностей электронной и спиновой структуры данные системы характеризуются высокой эффективностью генерации спиновых токов и возможностью контролируемого управления ими. Среди широкого спектра материалов, принадлежащего классу ТИ можно выделить халькогениды висмута и сурьмы Bi2-xSbxTe3-ySey, соединения HgTe/CdHgTe и, в особенности, твердые растворы Pb1-xSnxTe. Научный и практический интерес к системам на основе твердого раствора Pb1-xSnxTe определяется уникальным комплексом его свойств, среди которых: малая (вплоть до нулевой) ширина запрещенной зоны Eg; необычное для узкозонных полупроводников чрезвычайно высокоомное (изолирующее) состояние при гелиевых температурах при легировании индием; наличие локализованных состояний с энергией ионизации, соответствующей терагерцовой области спектра; инверсия зоны проводимости и валентной при Eg = 0 и наличие фазы ТИ для определенной области составов; возможность получения монокристаллических слоев на кремниевых подложках, что, в принципе, позволяет интегрирование устройств на основе Pb1-xSnxTe в кремниевую технологию. В последние несколько лет (начиная примерно с 2012-го года) всплеск интереса к этому соединению в мире связан именно с теоретическим предсказанием и последующим обнаружением в нем фазы ТИ и поверхностных дираковских состояний, сопровождающийся серией публикаций в ведущих научных изданиях. Особый интерес проявляется к тонкопленочным эпитаксиальным гетероструктурам на основе Pb1-xSnxTe, в которых формально можно реализовать условия, позволяющие отделить свойства, определяемые поверхностью и приповерхностными областями, от объемных свойств, что важно при решении как исследовательских, так и прикладных задач. Тенденции дальнейшего развития этого направления связаны как с исследованиями технологических возможностей получения на различных подложках тонких и сверхтонких пленок Pb1-xSnxTe с заданными составом и однородностью по толщине и площади или гетероструктур с переменным по толщине составом и различными покрытиями на поверхности, так и с исследованием их оптических и спиновых свойств и перспектив их практического применения. Несмотря на заметные успехи создания фотоприемников на основе материала CdHgTe включая создание мегапиксельных детекторов, остается открытым вопрос об однородности параметров элементов матрицы, распределение которых, в том числе, зависит от предварительной химической и температурной обработки границ раздела диэлектрик/полупроводник на периферии элементов. В связи с этим изучение особенностей формирования границ раздела диэлектрик/CdHgTe и анализ её качества путем изучения электрофизики МДП-структур остается актуальной и важной задачей. Еще одна задача, на решение которой направлена НИР, состоит в исследовании квантовых процессов фотоэмиссии и инжекции свободных спин-поляризованных электронов в полупроводниковые гетероструктуры A3B5 (GaAs/AlGas, InAs/GaAs), содержащие КЯ или КТ, включая спин-зависимые эффекты туннелирования и рекомбинации. Данные исследования должны привести к практическому результату – созданию компактного полупроводникового спин-детектора трех компонент проекции спина свободных электронов с пространственным разрешением для использования в современных энергоанализаторах электронов, в частности, для использования в методике фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES). Актуальность данного направления обусловлена высокой практической значимостью задач по поиску путей повышения эффективности детектирования спина электрона с пространственным разрешением. Создание спин-детектора с пространственным разрешением позволит увеличить эффективность детектора в 104 раз по сравнению с одноканальными Мотт-детекторами. Независимо от практического выхода, предварительные результаты показывают очень богатую и интересную квантовую физику эмиссии и инжекции свободных электронов в полупроводниковые гетероструктуры, включая спин-зависимые эффекты. В целом, можно отметить, что создание управляемой технологии изготовления различных перспективных приборных структур на основе материалов с новыми электронными свойствами и полупроводников А3В5, А4В6, A2B6 с предельными параметрами требует решения комплекса актуальных научных, технологических и методологических задач, касающихся роста гетероструктур и формирования гетерограниц на их основе, определяющих параметры приборов.