Рассмотрены основные тенденции в развитии технологии гетероструктур нитридных соединений для элементной базы СВЧ−техники и силовой электроники, а также светоизлучающих диодов. Отмечено, что важнейшим современным технологическим направлением является разработка гетероструктур нитридных соединений на подложках кремния. Рассмотрены основные проблемы гетероэпитаксии нитридных соединений на подложке кремния и пути их решения. Представлены некоторые результаты разработок технологии гетероструктур нитридных соединений на подложках кремния в ЗАО «Элма−Малахит». Гетерострукуры AlGaN/GaN/Si выращены МОС−гидридным методом. Показано, что предэпитаксиальная обработка подложек кремния и начальная стадия процесса выращивания, включающая предварительное покрытие поверхности Si алюминием при подаче в реактор потока ТМА, играют большую роль в формировании гетероструктур, свободных от трещин и с хорошей морфологией. В то же время установлено, что форма поверхности гетероструктур определяется главным образом композицией переходной области между зародышевым слоем AlN и слоем GaN. Транзисторы, изготовленные на основе выращенных гетероструктур AlGaN/GaN/Si, продемонстрировали приемлемые статические характеристики: максимальная плотность тока составила 800 мА/мм, пробивное напряжение — более 120 В, крутизна — 170 мСм/мм. 

Показано, что для дальнейшего развития гетероструктур нитридных соединений на подложках кремния экспериментально−технологическую работу необходимо организовать в тесном взаимодействии с аналитическим прогнозированием и расчетами свойств выращиваемого материала методами математического моделирования. Такой подход поможет повысить результативность разработок технологии и углубит научные представления в отношении процессов, ответственных за формирование свойств гетероструктур. 

Проведены расчетно−аналитические исследования предельных возможностей полевых транзисторов с двухмерным электронным газом (НЕМТ) на арсенидных и нитридных гетероструктурах. Показано, что частотный предел таких приборов уже достигнут. Ограничения на предельные частоты имеют физический характер, связанный с конструкцией приборов, а не со свойствами полупроводников. 

В частности, установлено, что определяющим параметром в данном случае является произведение tBCgd
(где tB — расстояние от затвора до двухмерного электронного газа; Cgd — общая емкость между затвором и стоком), технологические возможности минимизации которого, по−видимому, уже исчерпаны. Поэтому можно считать, что наиболее быстродействующими транзисторами на сегодняшний день являются pHEMT на подложках InP, а наиболее мощными — нитридные НЕМТ на SiC. Кроме того, показано, что пробивные напряжения и удельные мощностные параметры нитридных НЕМТ при заданной рабочей частоте определяются толщиной барьерного слоя гетероструктур, улучшаясь при его уменьшении. Это требует разработки эффективных нитридных наногетероструктур с tB менее 10 нм. В этом плане вне конкуренции представляются гетероструктуры AlN/GaN благодаря высоким параметрам двухмерного электронного газа и сравнительной простоте ростового процесса. 

Точечные дефекты играют ключевую роль во многих видах технологии изготовления микроэлектронных приборов. Знание свойств точечных дефектов и особенностей их поведения при радиационном синтезе микроструктур для применения в устройствах на базе кремния позволяет оптимизировать условия их изготовления, повысить их качество и улучшить электронные свойства. Однако даже для простейших точечных дефектов в кремнии, таких как вакансии и межузельные атомы, недостаточно изучен целый ряд их свойств и особенностей поведения. Такое положение дел во многом обусловлено сложностью измерения параметров точечных дефектов. В этой ситуации значительную помощь в изучении свойств точечных дефектов оказывает применение численного моделирования, особенно с использованием квантово−механических методов на основе подхода теории функционала плотности. 

На примере нескольких простейших точечных дефектов в кремнии проведено систематическое исследование влияния различных приближений, используемых при первопринципном квантово−механическом моделировании, на энергетические параметры дефектов. Продемонстрировано, что наиболее существенное воздействие на предсказываемые энергии образования рассмотренных дефектов оказывает выбор вида обменно− корреляционного функционала. В этом случае вариация других рассмотренных приближений оказывает на результаты моделирования второстепенное влияние. 

Современный уровень развития вычислительной техники и программных средств позволяет осуществлять дистанционное моделирование физических процессов в технологических задачах с использованием сложных программных комплексов. Его преимущество состоит в том, что пользователи (Клиенты) комплекса выполняют всю творческую работу по подготовке и обработке расчетных данных на собственных компьютерах, а длительные вычисления осуществляют через Интернет−доступ на удаленном суперкомпьютере (Сервере), где находится программный комплекс. Представлены примеры, иллюстрирующие применение такого комплекса программ CrystmoNet к ряду задач, связанных с сопряженным моделированием физических процессов при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского. Они включают результаты сопряженных расчетов гидродинамических процессов в расплаве с учетом его кристаллизации и радиационно−кондуктивного теплопереноса во всем объеме ростового теплового узла, а также термоупругих напряжений и распределений собственных точечных дефектов в бездислокационном монокристалле кремния. 

Проведение теоретических исследований процессов формирования кластеров точечных дефектов — это важная задача на пути совершенствования технологий получения высокоэффективных светодиодов на основе кремния. Одним из способов получения кремния c фотолюминесцентными свойствами является радиационное воздействие, вызывающее образование различных дефектов в его структуре, в том числе точечных, протяженных их кластеров и комплексов. 

Для описания процесса формирования точечных дефектов и изучения их трансформации во времени и при изменении температуры разработана математическая модель на основе молекулярно−динамического подхода, позволяющего определять координаты и скорости всех частиц системы. Для описания взаимодействия между частицами использован многопараметрический потенциал Терсоффа со значениями параметров, подобранными в ходе решения задачи параметрической идентификации для кремния. При разработке модели использованы значения когезионной энергии системы, полученные из первопринципных расчетов на базе теории функционала плотности (DFT). Показано, что созданная компьютерная модель позволяет проводить молекулярно−динамическое моделирование кристаллической структуры кремния с точечными дефектами и их кластерами, а также визуализировать и выполнять анимацию результатов моделирования.

Теоретическое исследование путей оптимизации свойств слоя поглотителя CdTe является важной задачей
на пути повышения эффективности тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероперехода CdTe/CdS. Свойства получаемых материалов, такие как плотность свободных носителей заряда, часто сильно зависят от параметров процессов осаждения слоев и их последующей обработки, в существенной степени определяющих дефектный состав получаемых материалов. 

Для описания зависимости скорости процесса осаждения CdTe от температуры и потоков Cd и Te разработана модель на основе решеточного кинетического метода Монте–Карло. 

Для определения влияния условий обработки CdTe на проводимость разработана квазихимическая модель, основанная на уравнении электронейтральности для концентраций точечных дефектов, описываемых константами реакций образования дефектов. 

При разработке моделей использованы значения параметров дефектов и реакций, полученных из первопринципных расчетов с помощью теории функционала плотности. Разработанная модель осаждения корректно описывает переход от испарения к осаждению, а также повышение скорости испарения при избытке Cd. Для объяснения наблюдаемых электрических свойств CdTe после обработки Cl квазихимическая модель дефектов дополнена глубоким акцепторным комплексным дефектом, что позволило описать как высокотемпературную зависимость проводимости от давления кадмия, так и зависимость сопротивления от концентрации хлора при комнатной температуре. 

Тонкие пленки нитрида алюминия часто применяют в качестве буферного слоя при выращивании полупроводниковых многослойных гетероструктур на основе нитрида галлия на кремниевой подложке с целью минимизации напряжений между подложкой и пленкой. Важной задачей является изучение электронных и структурных свойств тонких пленок нитрида алюминия. С помощью первопринципных расчетов в рамках теории функционала плотности проведено теоретическое исследование свойств Al−терминированной поверхности AlN(0001). Осуществлены расчеты поверхностной энергии указанной поверхности при различных значениях деформации растяжения и сжатия. Показано, что при рассмотренных в статье значениях деформации поверхностная энергия уменьшается в случае сжатия ячейки и увеличивается в случае растяжения. Получены значения поверхностной энергии, которые позволили рассчитать значение поверхностного напряжения. В рамках теории эластичности для случая свободного роста рассчитана кривизна поверхности пленки нитрида алюминия для различных значений толщины этой пленки. Установлено, что полученные расчетные значения кривизны близки к известным экспериментальным данным.

Рассмотрены проблемы повышения надежности электронных компонентов (ЭК), используемых для производства высокотехнологичной продукции. 

На основе анализа литературных данных выделены два направления решения проблемы. Первое направление — отбраковка ЭК на входном контроле с применением специальных методов тестирования, совмещенная с электротермотренировкой по программе испытаний. Такие испытания позволяют выявить компоненты со «скрытыми дефектами», поддельные или контрафактные компоненты, а также компоненты с несовместимыми конструкционными материалами по своим электрофизическим свойствам как между собой, так и с условиями эксплуатации приборов у потребителя. Второе направление обусловлено особенностями создания ЭК с наноразмерными параметрами. В этом случае при проектировании приборов преимущественно применяют модульный принцип, который позволяет существенно снизить нагрузки на отдельный элемент, а при нарушении работы отдельного модуля он исключается из общей схемы с реконфигурацией структуры ЭК. Показано, что в общем случае проблема повышения надежности является комплексной задачей разработки оптимальной структуры элемента ИС, обоснованного выбора материалов и оптимизации схемотехнических решений с последующими испытаниями на входном контроле у потребителя. 

Дан анализ возможности участия глубоких акцепторных центров в кремнии в формировании наблюдавшегося экспериментально в ряде работ термоакцепторного эффекта, который заключается в смене типа электропроводности с электронного на дырочный при отжигах после облучения электронами или нейтронами высокоомного кремния. На основе решения уравнения электронейтральности в компенсированном монокристаллическом кремнии проведена оценка концентрации глубоких акцепторных центров, необходимых для получения дырочного типа электропроводности в зависимости от энергии ионизации акцептора и концентрации мелкой донорной примеси. Показано, что в термоакцепторный эффект в высокоомном электронном кремнии, полученном методом бестигельной зонной плавки, существенный вклад могут вносить глубокие акцепторные центры (с энергией ионизации ниже 0,4 эВ). Концентрации глубоких акцепторов, необходимые для перекомпенсации образца с небольшой исходной концентрацией доноров (1012—1013 см−3), составляют порядка 1012—1014 см−3 и, по−видимому, вполне достижимы. Роль таких центров могут играть комплексы дивакансия—примесь (Fe, P) с энергией ионизации до 0,34 эВ. При этом термическая активация межузельного бора также не исключена. 

Методом конверсионной электронной мессбауэровской спектроскопии исследованы магнитные и электрические сверхтонкие взаимодействия в приповерхностных слоях эпитаксиальной пленки железоиттриевого граната ориентации (111), выращенной методом жидкофазной эпитаксии. Установлен факт нарушения стехиометрии анионной подрешетки приповерхностных слоев (≈ 8 · 10−8 м) эпитаксиальной пленки железоиттриевого граната и, как следствие, формирование двух типов d−позиций, что связано со значительной концентрацией точечных дефектов в анионной подрешетке в приповерхностной зоне и ростом степени ковалентности химической связи в переходном слое «пленка—воздух». Это также обуславливает наличие зафиксированной дублетной компоненты, которая соответствует ионам железа в парамагнитном состоянии с промежуточной степенью валентности от +2 до +3. Показано, что применение метода диагонализации гамильтониана смешанных квадрупольных и магнитных взаимодействий для интерпретации спектра открыло возможность построения векторной диаграммы пространственной ориентации эффективных магнитных полей на ядрах Fe57, вследствие чего восстановлен механизм формирования вектора результирующего магнитного момента эпитаксиальной пленки железоиттриевого граната. Зафиксирована незначительная неколлинеарность магнитных моментов в а− и d−позициях железа, которая составляет ≈4°. Получены результаты, которые дополняют экспериментальную базу для формирования целостной картины магнитных и электрических сверхтонких взаимодействий в эпитаксиальных ферит−гранатовых пленках, и их необходимо учитывать при практическом использовании магнитных свойств таких материалов. 

Нитевидные кристаллы — это новый материал, который характеризуется высоким структурным совершенством, химической стойкостью, прочностью, которая для кристаллов небольших поперечных размеров достигает теоретически возможного предела. Исследованные нитевидные кристаллы получены методом химических транспортных реакций в закрытой бромидной системе с использованием золота в качестве инициатора роста. Кристаллы облучали протонами с энергией 6 МэВ и дозами 5 · 1013, 1015 и 1 · 1017 р+/см−2 при 40 °С на циклотроне У−120. Изучено влияние протонного облучения и сильных магнитных полей на магнетосопротивление нитевидных кристаллов Si1−xGex (х = 0,03) в интервале температур 4,2—300 К. Обнаружено незначительное уменьшение электрического сопротивления кристаллов в температурной области 4,2—40 К в процессе облучения малыми дозами протонов и существенное увеличение сопротивления во всей исследуемой температурной области при облучении дозой 1 · 1017 р+/см2. Рассчитана энергия ионизации примесных атомов в разных магнитных полях. Установлено, что энергия примесного уровня практически не зависит от магнитного поля, что, в свою очередь, говорит о независимости концентрации дырок от магнитного поля. Показано, что существенное магнетосопротивление при всех исследованных температурах связано с магнитополевым уменьшением подвижности свободных носителей заряда (дырок). Установлено, что концентрация дырок практически не зависит от магнитного поля. Сделан вывод, что расширение запрещенной зоны в магнитных полях до 8 Тл незначительно. 

АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ДВУРЕЧЕНСКИЙ
(к 70–летию со дня рождения)