Программа "НАТО Наука для Мира"

Проект SfP-973799 Полупроводники (Semiconductors):

Разработка малошумящих высоконадежных полупроводниковых приборов и структур представляет собой одно из приоритетных направлений российской науки и техники. Подобные устройства необходимы для разнообразных аспектов народного хозяйства России, таких как:

• создание сильно протяженных (на тысячи километров) и разветвленных наземных систем коммуникации, работающих в зачастую непредсказуемых окружающих условиях;
• разработка спутниковых систем связи, подверженных влиянию космической радиации;
• разработка высокоскоростных каналов связи, обеспечивающих функционирование глобальных и локальных компьютерных сетей;
• создание первичных и вторичных стандартов частоты и времени для систем телекоммуникации и для радиоастрономических наблюдений;
• разработка радиационно-стойкой контрольно-измерительной аппаратуры для управления атомными электростанциями и роботами, работающими в условиях экстремального радиационного воздействия;
• экологический мониторинг радиационно - загрязненных территорий;
• решение проблемы утилизации ядерных отходов;
• мониторинг ядерных реакторов и хранилищ ядерного топлива.

Фундаментальные знания физики и технологии полупроводников в России соответствуют международному уровню. То же самое можно сказать про понимание физики шумов.

2. Решаемая Проблема и планируемые результаты

Целью Проекта является снижение шумов, повышение надежности и радиационной стойкости микроволновых и оптических приборов на основе гомо и гетеро структур, в том числе с квантоворазмерными слоями (диодов, транзисторов и других).

Решение указанной задачи необходимо для создания полупроводниковых приборов, предназначенных для использования в системах связи, прецизионных измерений и мониторинга окружающей среды.

Одной из важнейших областей использования таких приборов являются системы, работающие при воздействии вредных внешних факторов: на атомных электростанциях и системах спутниковой связи.

Радиация может изменять структуру полупроводниковых материалов. Подход к созданию малошумящих надежных радиационно стойких приборов, заключается в адаптации существующих неразрушающих методов для контроля внутренних дефектов.

В связи с этим особую роль играет разработка полупроводниковых приборов на основе сложных полупроводниковых соединений III-V (GaAs, InGaAs, InP и др.), характеризующихся малыми временами жизни неосновных носителей тока, а следовательно более высокой радиационной стойкостью по сравнению с элементарными полупроводниками (Si и Ge).

В последние годы активно развивается технология производства полупроводниковых лазерных диодов (LDs) на структурах типа InGaP/GaAs/InGaAs, позволившая значительно улучшить параметры этих полупроводниковых приборов (например, уменьшить пороговый ток). Сравнительно большая выходная мощность излучения LDs при небольших размерах делает их перспективными для применения в системах связи.

В настоящее время предпринимаются попытки изготовления лазерных диодов с использованием в качестве активной области одного или нескольких слоев самоорганизованных квантовых точек (QD) на структурах типа InAs/GaAs. Предсказана высокая температурная стабильность и более высокая радиационная стойкость полупроводниковых приборов с квантовыми точками по сравнению с приборами на основе квантовых ям. Последнее связано с тем, что в случае структуры с QW рекомбинационные центры сильно влияют на время жизни, так как экситон локализован только в направлении роста, перпендикулярном плоскости квантово-размерного слоя, он может диффундировать в плоскости и рекомбинировать на дефектах. В то же время экситон, сформированный в QD, локализован во всех направлениях и стабилен относительно рекомбинационных процессов вне QD. Предположение о более высокой радиационной стойкости приборов на квантовых точках частично подтверждается экспериментами по влиянию экспонирования полупроводниковых структур в газовой плазме.

Однако до сих пор мало изучены процессы образования дефектов в этих структурах и приборах под действием радиационных и других воздействий, а также влияние дефектов на технические и эксплуатационные характеристики этих приборов, что не позволяет прогнозировать поведение приборов в условиях повышенной радиации и выработать рекомендации по повышению их радиационной стойкости.

Для модификации полупроводниковых приборов, с целью повышения их надежности и радиационной стойкости, предполагается использовать радиационные технологические процессы (РТП) - ионное легирование, облучение различными видами излучений (оптическими, ИК, рентгеном, гамма-излучением). Это может привести к направленной, положительной целевой модификации свойств материала.

Одним из основных РТП является облучение протонами и последующее геттерирование - процесс релаксации дефектно-примесных комплексов путем диффузии и/или рекомбинации при внешнем (обычно радиационном) воздействии. Используется для направленного улучшения свойств рабочих слоев полупроводниковых приборов.

На всех этапах проектирования, исследования характеристик материалов и отработки технологии предполагается использовать оригинальные программные продукты.

Для снижения шумов, повышения надежности и радиационной стойкости полупроводниковых микроволновых и оптических приборов необходимо одновременное решение следующих задач науки и технологии.

1. Развитие неразрушающих методов выявления дефектов и определения их физических свойств. Весьма перспективным на сегодняшний день является метод диагностики дефектов по электрическим шумам обследуемого полупроводникового прибора. Использование шумов как диагностического инструмента является специальностью Эйндховенской группы. Предполагается уделить основное внимание развитию именно этого метода. В то же время будут развиваться методы фотолюминесцентной и фотоэлектрической спектроскопии.
2. Экспериментальное и теоретическое, в том числе, с использованием численного моделирования, исследование физических свойств различных типов дефектов (в особенности, радиационных).
3. Разработка методов численного моделирования и проектирования полупроводниковых моно- и гетероструктур.