Коллектив ученых из Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) совершил значительный шаг вперед в понимании процессов, протекающих в полупроводниковых материалах. Используя уникальные ресурсы Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ), они проанализировали движение электронов мышьяка в германии при облучении мощным терагерцовым излучением. Результаты этих исследований имеют все шансы повлиять на развитие современной наноэлектроники и лазерной техники.
Промежуточная природа полупроводников
Полупроводники представляют собой материалы, обладающие свойством варьировать свою электропроводность в зависимости от внешних факторов, таких как температура или наличие примесей. Эта особенность положила начало эре микроэлектроники и современной вычислительной техники. На квантовом уровне структура полупроводника характеризуется наличием ряда энергетических зон. Валентная зона, полностью занятая электронами при абсолютном нуле температур, граничит с зоной проводимости, между которыми пролегает энергетически «запрещенный» промежуток. Чем меньше ширина этой зоны, тем легче электрону совершить переход, и тем проще материалу стать проводником электричества.
Если ширина запрещенной зоны превышает 4-5 эВ, вещество уже относят к диэлектрикам. Полупроводники же характеризуются куда меньшими величинами этого параметра. И именно ими обусловлены уникальные свойства данной категории материалов, среди которых — высокая чувствительность к незначительным внешним воздействиям и возможность управлять их проводимостью различными методами.
Роль примесей и легирование мышьяком
Одним из фундаментальных способов сделать полупроводник технологически пригодным является введение в его кристаллическую решетку посторонних атомов — процесс легирования. Среди возможных вариантов примесей донорные (например, мышьяк) и акцепторные примеси обеспечивают разную направленность изменений: доноры поставляют дополнительные электроны, тогда как акцепторы — захватывают их.
Свойства примеси оцениваются через минимальную энергию, необходимую для освобождения электрона и его перехода в зону проводимости — это называется энергией связи. В результате в энергетической структуре появляются дополнительные уровни, позволяющие электрону недолго находиться в возбужденном состоянии перед возвращением к первоначальному, что открывает путь для новых технологических решений.
Терагерцовое излучение и лазер на свободных электронах
Чтобы изучить динамику возбуждённых электронов в германие, ученые задействовали уникальное устройство — лазер на свободных электронах, функционирующий в терагерцовом диапазоне длин волн. В мире насчитывается лишь считанные установки такого класса и уровня.
Эксперимент проводился на специальной пользовательской станции «накачка-зондирование», количество которых также крайне ограничено. Ключевой особенностью такого эксперимента стало то, что проба германия легированного мышьяком охлаждалась практически до абсолютного нуля (4K), что позволяло исключить нежелательный вклад от термического возбуждения электронов и получать чистую картину релаксации после возбуждения терагерцовым лазером.
Релаксация электронов: уникальные результаты исследований
Проведенные эксперименты позволили впервые с высокой точностью измерить временá релаксации электронов мышьяка, помещенного в кристаллическую решетку германия. Электроны, находясь на дополнительных энергетических уровнях, через определенное время возвращаются к исходному состоянию — процесс этот называется релаксацией. Ученым удалось зафиксировать длительность релаксации от 0,5 до 1,5 наносекунды, что ранее не было достигнуто для этого материала при подобных условиях.
Как отмечает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИФМ РАН Роман Жукавин, «уникальность наших результатов заключается в том, что за один эксперимент удалось оценить времена релаксации сразу двух возбужденных состояний примеси мышьяка — переводы электронов между уровнями происходили под действием терагерцового излучения, а обратное возвращение сопровождалось своеобразной 'подкачкой' из основного уровня. Такие данные особенно ценны для создания новых типов лазеров на базе германия, а также глубоко анализируют возможности одноатомных транзисторов для будущей электроники».
Вклад Новосибирского ЛСЭ и технологические перспективы
Проведение подобных тонких экспериментов стало возможным лишь при помощи Новосибирского лазера на свободных электронах, который может настраивать длину волны излучения и, таким образом, максимально точно воздействовать на нужные энергетические состояния электронов. Как отмечает Юлия Чопорова, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, в мире насчитывается всего около десяти терагерцовых лазеров на свободных электронах, оснащённых соответствующей измерительной станцией. Это оборудование, по ее мнению, позволяет отслеживать релаксацию электронов на временных масштабах от сотен пикосекунд до нескольких наносекунд с высокой точностью.
Для получения достоверных результатов исследователям потребовались экстремально низкие рабочие температуры исследуемого образца, что обеспечило минимизацию фона и точность измерений динамики процессов. Такой подход открывает новые рубежи в проектировании устройств на основе германий-мышьяковых структур, а также в понимании основ релаксационных процессов на квантовом уровне в полупроводниках.
Наука, вдохновляющая будущее: от эксперимента к инновациям
Достигнутые результаты — лишь первый шаг к созданию компактных, мощных и энергоэффективных лазеров, а также перспективных одноатомных транзисторов, которые смогут стать базисом для создания компонентов современной наноэлектроники. Исследования, финансируемые Российским научным фондом (РНФ), демонстрируют, насколько важно развитие экспериментальных установок и укрепление сотрудничества ведущих научных центров страны.
Поддержка фундаментальных работ и разработка уникальных методик исследования постоянно расширяют технологический горизонт и в перспективе дадут обществу новые решения в электронике, вычислительной технике и коммуникациях. По мнению участников проекта, дальнейшее совершенствование лазерных методик и углубленный теоретический анализ позволят не только вскрыть новые законы микромира, но и реализовать амбициозные технологические проекты, которые ещё недавно казались фантастикой.
Усовершенствованные методы управления и анализа поведения электронов с помощью передовых лазерных установок, таких как Новосибирский ЛСЭ, позволяют верить, что российской фундаментальной науке под силу задавать темп инновациям мирового уровня и открывать возможности для будущих поколений инженеров, учёных и изобретателей.
Источник: scientificrussia.ru
