Структурные, оптические и электрофизические свойства наноразмерных МДП гетероструктур на основе кремния для квантовых информатики и сенсорики, энергонезависимой и нейроморфной памяти

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 размеров элементов и увеличением сопротивления и паразитных емкостей при росте частот возрастают тепловые потери при ограниченном теплоотводе и требуется интеграция c алмазом. Росту интеграции полевых транзисторов (FET) с нанометровыми размерами препятствуют такие факторы, как межфазные состояния, короткоканальные эффекты и туннелирование носителей заряда через ультратонкие диэлектрические пленки при масштабированном уменьшении всех размеров. Чтобы сохранить однозначное соответствие между концентрацией носителей заряда в нанометровом канале и зарядом затворов в FET пришлось перейти на диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k). Для FET на структурах кремний-на-изоляторе (SOI) найти high-k замену слою SiO2 в скрытом изоляторе (BOX) трудно из-за высокотемпературных обработок, неизбежно формирующих кислородные вакансии и сегнетоэлектрические фазы в high-k BOX. Но они расширяют функционал ЭКБ памяти в виде сегнетоэлектрических транзисторов (FeFET) и туннельных переходов (FTJ). Эффективное уменьшение площади чипа и снижение потерь обеспечивает трехмерная интеграция мемристорных ReRAM и FTJ cross-bar матриц. Проблемы ЭКБ решает также разработка гибридных ИС, объединяющих логические элементы, СВЧ и оптическую передачу информации. Получение тонких (до 3-10 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 структурах решеток и КТР. Развитие метода прямого сращивания (direct bonding-DB) для получения гетероструктур позволит наряду с атомно-слоевым осаждением получать МДМ, МДП и ПДП наноразмерные структуры приборного качества, несмотря на различия в коэффициентах термического расширения и постоянных решеток. Последние требования являются критическими для формирования гетероструктур методами эпитаксиального роста из-за введения структурных дефектов. Отсутствие дефектов актуально для приборов квантовых информатики и сенсорики, оперирующих с одиночными центрами и / или носителями заряда.