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异质结构和量子设计:莫斯科工程物理学院描述未来电子学
(博讯北京时间2018年7月27日 转载)
    
    来源:俄罗斯卫星通讯社
    

    现代电子学的几乎所有组元——晶体管、发光二极管、光电探测器、半导体激光、太阳能电池,都建立在所谓的异质结构上。这些结构到底是什么,他们为何对人类如此重要?俄罗斯卫星通讯社和广播电台将在文中为您揭开秘密。
    
    一切从何开始:电子和小孔
    
    有种看法得到广泛流传,那就是半导体仅单向导电。事实不完全是这样:半导体或者几乎不导电,或者向任何方向导电,一切取决于温度、照明,以及是否存在杂质。
    
    半导体二极管完全是另一回事。这种装置使电流只导向一个方向,它是靠连接各种材料做到这一点的。
    
    向纯净的半导体晶体中掺入杂质,可以把导电性提高几级。视物质组合而定,负电子(n类)或正电子(p类)将成为电流载流子。
    
    可以通过各种方法掺入杂质。例如,典型的电脑或智能手机的微处理中包含有几百万个两极硅晶体管。为了制造出两极硅晶体管,通常采用离子植入法--在真空中用驱散离子进行轰炸。
    
    尽管制造技术不复杂,但PN结有自己的缺陷,主要一点是高温时不稳定。PN结上的激光只有在液态氮的温度下才能工作。
    
    在通往诺贝尔奖的道路上
    
    俄罗斯国立核研究大学莫斯科工程物理学院电子、自旋电子学和光子学中的纳米技术学院工程师尤里·西比尔莫夫斯基介绍说,在异质结中连接着两种晶体物质,而且接触点应该是理想的,没有裂痕和其它缺陷。
    
    他解释说:“这个边界上的性质差异产生许多有益的现象。与PN结不同的是,加热对异质结构性质的影响较弱。“
    
    在一个仪器中把不同的半导体连接起来是晶体管发明家威廉·肖克利(William Shockley)于1947年首次提出的。异质结方向的真正突破是由苏联学者若列斯·阿尔费罗夫(Zhores Ivanovich Alfyorov)和美籍德裔学者赫伯特·克雷默(Herbert Kroemer)在1960年代分别单独完成的,后来他们共同获得了2000年的诺贝尔物理学奖。
    
    电子学中的异质结构
    
    异质结构问题对研发高电子迁移率晶体管(HEMT)来说尤其迫切,高电子迁移率晶体管在卫星通信系统、雷达、移动装置等超高频电子设备中极受欢迎。
    
    高电子迁移率晶体管的主要优势在于电子的移动速度,它确保晶体管的高频转换,有助于达到几十赫兹的范围之外。要达到这一点,靠的是向系统中添加带有高电子迁移率(砷化镓GaAs,砷化铟InAs)的材料,且杂质位于导电层外面。但砷化镓(GaAs)和砷化铟(InAs)晶体格的尺寸不重合。因此,异质结构物理学的重要任务是研发缓冲层。
    
    解决方案在于量子设计
    
    为解决这个任务以及其它任务,俄罗斯国立核研究大学莫斯科工程物理学院电子、自旋电子学和光子学中的纳米技术学院下属的分子-射线取向附生和纳米光刻实验室团队在副教授伊万·瓦西里耶夫斯基的领导下,在功能层结的基础上提出了异质结构量子设计原则。
    
    瓦西里耶夫斯基介绍说:“狭窄的导层以‘量子势阱'的方式对电子行动。“电子被捕捉到这些狭窄导层中,在此情况下,它们的性质按照量子机械律而发生变化。如果同类量子势阱化学成分的变化已经不能改善材料的性质,那么出路在于依靠添加成分不同的异质纳米层成分或超晶格使结构复杂化。
    
    2018年,俄罗斯国立核研究大学莫斯科工程物理学院电子、自旋电子学和光子学中的纳米技术学院的专家们因在石墨烯的基础上利用导热氮化镓(GaN)研发出超高频加速器而获得了莫斯科政府奖。
    
    过渡到新材料的有益替代方案可能正好是在砷化物和磷化物的基础上对异质结构进行量子设计:它不需要昂贵的底板,不需要开发晶体增长新方法,也不需要技术过程复杂化。 (博讯 boxun.com)
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