Российские ученые смогли повысить быстродействие интегральных схем
Впервые предложена модель температурной зависимости дислокационной фотолюминесценции в ионнолегированном кремнии, включающая энергетическую диаграмму уровней и кинетику «прыжков» электронов между ними. Расчёт по этой модели позволяет объяснить повышенную термостойкость фотолюминесценции, обнаруженную в эксперименте.
Кремний является основным материалом электронной техники, на которой основываются все информационно-вычислительные технологии, играющие ключевую роль в современной цивилизации, – это и компьютеры, и связь, и космонавтика, и биомедицина, и робототехника, и многое другое.
Со слов заведующего лабораторией Научно-исследовательского физико-технического института Университета Лобачевского, основной проблемойдальнейшего повышения быстродействия интегральных схем, является ограничение скорости распространения электрических сигналов по металлическим межсоединениям.
«Это требует замены металлических межсоединений на оптические волноводы и, тем самым, перехода от традиционной электроники к оптоэлектронике, в которой на первый план в качестве активных элементов выступают не транзисторы, а излучатели и приемники света», – комментирует Алексей Михайлов
Кремний является удовлетворительным приёмником света, но, в отличие от полупроводников A3B5, является плохим излучателем света, что связано с его непрямозонностью, т.е. особенностью его электронной структуры, которая, согласно законам квантовой механики, строго говоря, запрещает в нем излучение света при внешнем возбуждении (люминесценцию).
«Отказ от кремния на новом этапе был бы весьма нежелательным, так как это потребовало бы отказа от превосходно отработанной технологии массового производства интегральных схем, что сопряжено с огромными материальными затратами, не говоря уже об экологических проблемах, возникающих при работе с материалами А3B5», – констатирует ведущий исследователь университета, профессор Давид Тетельбаум.
Выход из этой ситуации учёные пытаются найти путем перехода либо к нанокристаллическому кремнию, либо к нанесению на кремний пленок других светоизлучающих материалов. Однако, для нанокристаллов кремния излучательная способность (эффективность люминесценции) все же недостаточна для практического применения.
Кроме того, нанокристаллы кремния излучают в области «красного» края видимого излучения, а для многих технических задач, в частности для оптоволоконной техники связи, требуется более длинноволновое излучение (с длиной волны около 1,5 мкм). Использование же нанесения на подложки кремния слоев «чужеродного» материала часто плохо вписывается в традиционную кремниевую технологию.
Одним из эффективных способов решения вышеуказанной проблемы является введение в кремний особого рода линейных дефектов – дислокаций. Группа учёных пришла к выводу, что высокую концентрацию дислокаций можно создать в поверхностном слое кремния, облучая его ионами кремния с энергией порядка сотни килоэлектронвольт и затем производя отжиги при высоких температурах. При этом кремний излучает свет как раз на нужной длине волны – вблизи 1,5 мкм.
«Интенсивность люминесценции, оказывается, зависит от условий имплантации и отжига. Но главная проблема дислокационной люминесценции состоит в том, что она наиболее выражена при низких температурах (ниже ~ 25 K) и быстро гаснет с повышением температуры. Поэтому очень важно найти способы увеличения термостойкости дислокационной люминесценции», – продолжает Алексей Михайлов
Учёные Университета Лобачевского совместно с коллегами из ИФТТ РАН (Черноголовка) и НГТУ им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород) смогли продвинуться в решении данной проблемы при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 17-02-01070).
Ранее было установлено, что одним из способов создания кремниевых образцов, обладающих дислокационной фотолюминесценцией, является имплантация ионов кремния в кремний (самоимплантация) с последующим отжигом. Однако это оказалось не единственной «услугой» имплантационной технологии. Коллективом Университета Лобачевского было сделано открытие, что дополнительное ионное легирование бором способно усиливать люминесценцию.
Но само по себе явление усиления люминесцентных свойств не решает главной проблемы. Более того, оставалось неясным, как влияет ионное легирование бором на термостойкость люминесценции – ключевой параметр, и при каких условиях (если это имеет место) такой эффект будет наиболее выражен.
В данном исследовании учёными экспериментально было установлено, что повышение термостойкости при ионном легировании бором действительно происходит. Более того, эффект немонотонно зависит от дозы бора, и в определенном интервале доз на кривой зависимости интенсивности от температуры, наряду с обычным низкотемпературным максимумом в районе 20 К, появляется ярко выраженный второй максимум – в районе 90 – 100 К.
«Важно отметить, что «благотворное» влияние бора уникально в том смысле, что замена ионов бора на другую, тоже акцепторную примесь, не приводит к описываемому эффекту. В результате уточнения режимов ионного легирования бором и термообработки образцов кремния, в которых сформированы центры дислокационной люминесценции методом облучения ионами кремния, установлено, что при наибольшей, ранее использованной дозе ионов бора и дополнительной термообработке при 830 °C, возможно доведение измеримого уровня люминесценции до комнатной температуры!», – говорит в заключение профессор Давид Тетельбаум
Полученные результаты при дальнейшей оптимизации условий имплантации и термообработки укрепляют перспективу применения кремния в оптоэлектронике.
Статья по результатам работы недавно была опубликована в авторитетном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B: Beam Interactions with Materials and Atoms (https://doi.org/10.1016/j.nimb.2020.03.032).
