Структурные, оптические и электрофизические свойства низкоразмерных гетероструктур полупроводник-диэлектрик на основе элементов 4 группы и соединений А3В5, нитридов, оксидов и металлов для нано-, нейроморфной электроники и квантовой информатики

Физические пределы и условия надежности ЭКБ потребовали расширения функциональности и типов полупроводниковых приборов на основе гетероструктур полупроводник-диэлектрик. Уменьшение транзистора приближает его к размеру в нескольких атомов, что увеличивает вклад квантовых эффектов в его свойства. С уменьшением элементов и увеличением быстродействия возрастают тепловые потери при ограниченном теплоотводе и требует интеграции c алмазом. Одним из путей решения этих проблем является разработка гибридных ИС, объединяющих КМОП ИС, и оптическую передачу информации. Получение тонких (до 100 нм) эпитаксиальных слоёв, подобных по структурным и транспортным свойствам объёмному полупроводнику (П) или диэлектрику (Д), остается, несмотря на шестидесятилетнюю историю создания структур полупроводник-диэлектрик с металлом (М) и без (МДМ, МДП, ПДП), технологически сложной задачей из-за разниц в решетках и КТР. Развитие метода прямого сращивания (direct bonding-DB) для получения гетероструктур позволит наряду с послойным осаждением атомов получать МДМ, МДП, ПДП структуры приборного качества на основе монокристаллических полупроводников и диэлектриков с несогласованными решетками. Создание КНИ структур на основе кремния, эффективно излучающих свет, привлекает интерес во всем мире. Многие соединения А3В5 являются прямозонными, а также обладают высокими значениями подвижности электронов и дырок. Объединение различных многофункциональных элементов на одной кремниевой платформе рассматривается в настоящее время как наиболее перспективный путь для создания гибридных интегральных схем, позволяющих увеличить быстродействие микропроцессоров, созданных на их основе. С этой точки зрения наибольшее предпочтение отдается низкоразмерным кристаллам соединений А3В5, встроенных в существующую кремниевую технологию. Другой возможный путь для решения этой задачи является создание нанослоев сплава кремний-германий-на-изоляторе. С уменьшением размеров кристаллов возрастает роль оптических фононов, как фактора, влияющего на оптические и электрические свойства таких кристаллов. В настоящее время оптические свойства нанокристаллов А3В5, синтезированных в гетероструктрах на основе кремния, остаются практически не изученными. В сплавах кремний-германий свойства фононов так же зависят как от процентного содержания кремния и германия, так и метода, которым созданы такие кристаллы. Например, при ионном синтезе наночастиц и нанослоев таких сплавов на границе раздела возможен рост кристаллов в направлении, наиболее энергетически выгодном для данной структуры. это может привести к модификации зонной структуры кристалла и изменению его оптических и электрических свойств. В настоящее время свойства таких кристаллов также остаются неизученными. Формирование матричной наноструктуры с ансамблями NV центров в решетке алмаза актуально для исследования времен релаксации поляризации и дефазировки их спинов в зависимости от величины и направлений внешнего электрических полей для развития методов квантовой информатики и сенсорики. Разрабатываемая наноразмерная зона алмазного микрочипа содержит ансамбль парамагнитных центров, представляющих собой пару азот и вакансия атома углерода с отрицательным зарядом в решетке алмаза, так называемые NV-центры. Применение в измерительных схемах когерентных состояний оптически и электрически адресуемых и квантово-связанных спинов ансамбля NV-центров при температуре вблизи комнатной в алмазе со стандартным изотопным составом затруднено следующими проблемами:- малым временем релаксации спиновой поляризации (T_1< 70 мкс);- малым временем дефазировки спиновой когерентности (T_2< 1 мкс);- слабым магнитодипольным взаимодействием между отдельными NV центрами при их низкой концентрации (требуется расстояние < 20 нм); - большим предельным размером сфокусированного лазерного поля (>300 нм); - перезарядкой поверхностных и объёмных состояний присных атомов и сверхтонким взаимодействием с изотопами углерода. Оксидные плёнки high-k диэлектриков, таких как HfO2, ZrO2, Ta2O5, La2O3 и др., являются перспективными материалами для использования в элементах логики современной кремниевой электроники: в МДП транзисторах, в конденсаторах, ОЗУ, во флэш памяти, а также энергонезависимой резистивной и сегнетоэлектрической памяти нового типа. Электронные свойства h-k диэлектриков лимитируются дефектами, наиболее вероятно кислородными вакансиями (VO). Дефекты создают локализованные состояния в запрещённой зоне, влияют на транспортные свойства диэлектриков и ведут к деградации приборов. В литературе приводятся результаты, что увеличение давления кислорода в процессе роста или послеростовой отжиг в кислородсодержащей среде приводят к уменьшению проводимости плёнок HfO2, Ta2O5 и других. Уменьшение проводимости можно объяснить уменьшением концентрации VO, выступающих в качестве ловушек для заряда и ответственных за высокую проводимость. Предполагается, что в резистивном элементе памяти ключевую роль также играют VO, а проводящий филамент диаметром 1-10 нм формируется под действием импульса тока за счёт выхода и миграции атомов кислорода из узлов решётки. В настоящее время, филаментная модель, равно как и гипотеза о ключевой роли VO в транспорте заряда в h-k диэлектриках, интенсивно обсуждаются, однако окончательного доказательства нет. Ряд научных исследований показывает, что формирование сегнетоэлектрической фазы в плёнках на основе HfO2 обусловлен наличием VO. С другой стороны, при больших концентрациях VO возрастают паразитные токи утечки, и сегнетоэлектрическая фаза деградирует. Поэтому роль вакансий кислорода в сегнетоэлектрических свойствах тонких плёнок HfO2 до сих пор является предметом дискуссий. Аппаратная реализация нейроморфной (импульсной нейронной) сети требует много памяти для хранения матрицы весов слоя нейронов и является дорогостоящей. Решение этой проблемы упрощается при использовании в качестве ячеек памяти двухполюсных устройств, называемых мемристорами (резисторами с памятью), и трехполюсных устройств, называемых FeFET-транзисторами. Мемристор (или FeFET-транзистор) ведет себя подобно синапсу: он «запоминает» полный электрический заряд, прошедший через него. Память, основанная на мемристорах и FeFET-транзисторах, может достигать степени интеграции, в несколько раз более высокой, чем на основе технологии флэш-памяти. Эти уникальные свойства делают мемристор и FeFET-транзистор многообещающими устройствами для создания массово-параллельных нейроморфных систем. Многоуровневыми называют мемристоры и FeFET-транзисторы, реализующие множество дискретных уровней проводимости (количество уровней может достигать десятков и сотен). Многоуровневые мемристоры и и FeFET-транзисторы более устойчивы к статистическим флуктуациям по сравнению с аналоговыми мемристорами. Целью НИР является: развитие методов формирования гетероструктур металл--диэлектрик-металл (МДМ) или -полупроводник (МДП)или полупроводник- (ПДП), состоящих из монокристаллических слоёв алмаза, кремния, германия, соединений и слоёв их оксидов, оксинитридов и оксидов металлов;, изучение природы оптически и электрически активных дефектов и ловушек на гетерограницах и в сегнето- и диэлектриках ; изучение механизмов транспорта электронов и излучений оптически активных центров для приборов квантовой информатики, нано-, СВЧ электроники; а также исследование свойств электронных систем с мемристорами, сегнетоэлектрическими транзисторами (FeFET) и сегнето- и магнитными туннельными переходами (FTJ и MTJ) для спинтроники, нейроморфной электроники и квантовой обработки информации.