Разобраться в сверхрешетке

В 2009 году Международная премия в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE в номинации «Наноэлектроника» была присуждена российскому академику Леониду Келдышу за пионерские исследования полупроводниковых сверхрешеток и туннельных эффектов в полупроводниках, широко используемых в технологиях наноэлектронных приборов, особенно в молекулярно-лучевой эпитаксии, профессору Альфреду И Чо из США за пионерские исследования и разработку технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, в особенности, для получения наногетероструктур и их применения в наноэлектронике, а также французской компании RIBER S.A. за разработку оборудования для молекулярно-лучевой эпитаксии.

50-е - 60-е годы прошлого века были бурным развитием физики полупроводников. Поступив в аспирантуру ФИАН в 1954 году, выпускник МГУ Леонид Келдыш заинтересовался полупроводниками. Молодой ученый начинает тесно сотрудничать с экспериментаторами из лаборатории физики полупроводников ФИАНа, и как теоретик занимает сразу лидирующее положение, занимается исследованием процессов туннелирования в полупроводниках и открывает явление смещения межзонного поглощения света в полупроводниках во внешенем электрическом поле в зону меньших энергий (эффект Фоанца-Келдыша). В 1962 году Леонид Келдыш опубликовал работы, в которых теоретически предсказал необычные электронные свойства слоистых структур полупроводников - гетероструктур. Он считал, что свойства гетероструктур должны отличаться, поскольку кроме самой кристаллической решетки материала вклад должна давать и периодическая структура чередующихся слоев полупроводников, формирующих так называемую сверхрешетку. Это как будто у нас есть несколько квантовых ям, спектр частиц в каждой из которых, как известно, дискретен.

В то время практических средств для создания гетероструктур разработано не было, поэтому проверить на практике свою идею Леонид Келдыш не мог. А метод молекулярно-лучевой эпитаксии, который позволяет выращивать полупроводниковые гетероструктуры с атомарной точностью, был разработан только через несколько лет Альфредом И Чо, в конце 60-х - начале 70-х годов тот был ведущим сотрудником Bell Laboratories. Метод позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины. В его основе лежит осаждение на подложку испаренного вещества в вакуумной камере. Таким образом можно получать гетероструктуры, о которых писал в своих работах Леонид Келдыш. Получаемые слои достаточно чисты, дефектами практически не обладают. Варьируя используемые материалы, можно добиться интересных эффектов. Например, при росте на подложке из GaAs пленки InAs из-за разного периода кристаллической решетки вырастить толстый слой осаждаемого материала не получается. Пленка при некоторой критической толщине рвется из-за возникающих напряжений и образуются островки осажденного InAs - готовые квантовые точки. Среди недостатков метода остается его высокая стоимость и низкая скорость роста пленки. Тем не менее его успешно использует для изготовления светодиодов, полупроводниковых лазеров, полевых транзисторов.