Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ ИАВТОМАТИКИ»На правах рукописиЖУРАВЛЕВА ЛЮБОВЬ МИХАЙЛОВНАНаучно-методические и физико-технологическиепринципы создания оптоэлектронных устройствнового поколения на модифицированныхнаноструктурахСпециальность: 05.02.22 Организация производства (в областирадиоэлектроники)Диссертацияна соискание ученой степенидоктора технических наукМосква - 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ51 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМПЕРЕДАЧИИНФОРМАЦИИ(ВОСП)НАНОВЫХФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПАХ141.1 Состояние вопроса и актуальность темы141.2 Актуальные направления повышения технического уровня и качествабазовых элементов ВОСП151.3 Перспективы повышения пропускной способности ВОСП191.4 Значение нанотехнологий в повышении технического уровня и качестваоптоэлектронных устройств311.5 Физические и технологические пределы повышения скорости передачиинформации по ВОСП331.6 Проблемы создания базовых элементов для устройств обработки ипередачи квантовой информации1.7Физико-математическое36моделированиемодифицированныхнаноструктур на основе изотопической наноинженерии431.8 Выводы по главе502 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙСПОСОБНОСТИ ВОСП С ПОМОЩЬЮ НАНО- И ИНФОРМАЦИОННЫХТЕХНОЛОГИЙ512.1 Влияние информационных технологий уплотнения оптического волокнана пропускную способность ВОСП512.2 Сравнительная характеристика информационных технологий TDM иWDM572.3 Оценка повышения пропускной способности ВОСП с помощью нано- иинформационных технологий672.4 Выводы по главе7133 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХНАНОСТРУКТУР733.1 Сравнительная характеристика качественных показателей различныхвидов нанотехнологий733.2 Изотопический эффект и создание на его основе изотопическихнаноструктур (ИНС)803.3 Физико-технологические основы изотопической нанотехнологии963.4 Основные принципы и методы формирования модифицированныхнаноструктур на основе тепловых нейтронов1003.5 Выводы по главе1094ИССЛЕДОВАНИЕСВЕРХРЕШЕТОКХАРАКТЕРИСТИКНАОСНОВЕИЗОТОПИЧЕСКИХФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ1114.1 Особенности и методы проектирования сверхрешеток1114.2 Физико-математическая модель сверхрешетки на примере многослойноговолновода4.3124Физико-математическаямодельнизкоразмернойсверхрешеткибесконечным числом слоев4.4Сравнительная130характеристикарасчетныхмоделейсверхрешеток4.5Оценкасисследования132влияниякачественныххарактеристикизготовленияфункциональных сред оптоэлектронных устройств на эффективность ихработы1424.6 Выводы по главе1455 ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА БАЗОВЫХЭЛЕМЕНТОВВОСПНАОСНОВЕМОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУРПРИМЕНЕНИЯ1475.1 Влияние базовых элементов ВОСП на повышение скорости передачиинформации14745.2 Повышение технического уровня и качества полупроводниковых лазеровс применением модифицированных наноструктур1495.3 Повышение технического уровня и качества фотоприемников сприменением модифицированных наноструктур1585.4 Повышение технического уровня и качества оптических модуляторов сприменением модифицированных наноструктур5.5Повышениепропускнойспособности160ВОСПсприменениеммодифицированных наноструктур1665.6 Выводы по главе1706ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕОСНОВЫПРОИЗВОДСТВАМОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУР И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ ВУСТРОЙСТВАХ ВОСП1716.1 Функциональные среды базовых элементов ВОСП и технологии ихизготовления1716.2 Физико-технологические основы получения изотопического графена 1806.3Физико-технологическиеосновыпроизводствакристаллическихнаноструктур из кремния1886.4 Особенности производства модифицированных наноструктур из кремниядля ВОСП2016.5 Разработка и внедрение методов комплексного анализа качествананоструктур на основных этапах жизненного цикла ИНС2106.6 Выводы по главе218ЗАКЛЮЧЕНИЕ220Список литературы223Список сокращений и условных обозначений236ПРИЛОЖЕНИЯ2395ВВЕДЕНИЕАктуальностьработы.Вгосударственнойпрограммедолгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации,основных федерально-целевых, отраслевых профильных программ особаярольотводитсяразработкеиреализацииважнейшихнаправленийэлектронной промышленности.

Отмечается ключевое значение электроники(и оптоэлектроники в ее составе) как основы высокотехнологичных отраслеймировой индустрии (в т.ч. инфокоммуникационных технологий). Особенноактуальнывопросысовершенствованиявысокоскоростныхтелекоммуникационных технологий в связи со стремительным ростомобъемов передаваемой информации, в первую очередь, по волоконнооптическим системам передачи (ВОСП). Одним из приоритетов развитияоптоэлектроники,оптоэлектронныхустройствявляетсяразработкаипроизводство материалов, технологий и изделий для ВОСП.

Наибольшуюзначимость в обеспечении высокого технического уровня и качества ВОСПимеет создание перспективных базовых элементов на новых физикотехнологических принципах. При этом возможно эффективное достижениерешения задач импортозамещения. При переходе к новым уровням развитияоптоэлектроникиэффективностьВОСПопределяетсявозможностяминанотехнологий формирования наноструктур. Особенно остро стоят задачиполучения новых материалов, наноструктур (функциональных сред) длякачественных базовых элементов ВОСП с соответствующей разработкойстратегии развития промышленного производства на основе эффективныхнанотехнологических процессов.

При решении этих вопросов существенноезначение приобретают физико-технологические пределы, ограниченныеразбросом параметров, энергопотреблением, теплофизическими эффектами,физическими пределами уменьшения размеров и пр.Весьма перспективным является в отличие от традиционных методовсоздание наноструктур (квантовых ям, проволок, точек) из изотопов6исходных химических элементов с помощью изотопической наноинженерии.Это весьма актуальное направление в области проектирования материалов наоснове собственных изотопов химических элементов для получения новыхэффектовиоптоэлектронныххарактеристик.Исходныевещества(собственные изотопы химического элемента) близки по химическомусоставу (одинаковая электронная оболочка) и значениям постояннойкристаллической решетки.

В то же время изотопы различны по физическимоптоэлектронным характеристикам (разные ширина запрещенной зоны,спины ядер, коэффициенты преломления, поглощения, магнитные свойства ит.д.).Это позволяет создавать пространственные ограничения длянаноструктур(изотопическихнаноструктур)бездополнительных(легирующих) химических элементов, отрицательно влияющих на некоторыеоптоэлектронныехарактеристикиматериала.Дляформированияипроизводства изотопических наноструктур (ИНС) для базовых элементовВОСП целесообразно использование различных технологических методовизменения состава и концентрации изотопов, например, основанных намикроэлектронной технологии облучения исходного материала (вещества,среды) пучком тепловых нейтронов. Применение данной микроэлектроннойтехнологии для производства таких модифицированных наноструктуробеспечит требуемое качество ИНС за счет необходимых разрешающейспособности и чистоты материала (изготовление ИНС не требует химическихреакций).

Отсюда, открывается возможность производить многослойныенаноструктуры с шириной каждого слоя, соизмеримой с величинойпостояннойкристаллическойрешетки,аименно,-изготавливатьизотопические сверхрешетки. Применение материала из изотопическихнаноструктур, характеризуемых меньшими числом каналов рассеяния ивременем термализации электронов, большей продолжительностью «жизни»экситонов, позволяет значительно повысить технический уровень и качествобазовыхэлементовиобеспечитьпромышленнуюфункциональной приемо-передающей аппаратуры ВОСП.реализацию7Такимобразом,созданиенаучно-методическихифизико-технологических основ и принципов разработки, производства и примененияизотопических наноструктур как функциональной основы оптоэлектронныхустройств нового поколения, в том числе ВОСП, и соответствующихпроизводственно-технологических процессов является актуальной задачейсовременного этапа развития отечественной электроники.Целью настоящей работы является разработка и обеспечениевнедрения в производственных процессах научно-методических и физикотехнологических принципов создания оптоэлектронных устройств новогопоколения на изотопических наноструктурах для применения в волоконнооптических системах передачи информации с повышенной пропускнойспособностью и других актуальных областях.Для достижения поставленной цели решаются основные научные задачи:1) определение и исследование основных факторов, влияющих напропускную способность ВОСП;2) разработка и исследование научных и методических принциповповышения эффективности разработки и производства оптоэлектронныхустройств на основе сравнительной оценки разрешающей способностиразличных нанотехнологий, в том числе изотопической;3) разработка новой высокоэффективной промышленной технологиипроизводства изотопических наноструктур для оптоэлектронных устройствнаосноветепловыхнейтроновспомощьюоблучениятепловыминейтронами;4)физико-математическоемоделированиемногослойныхизотопических структур и технологических процессов их создания;5) разработка научно-методических основ проектирования ИНС итехнологий производства для оптоэлектронных устройств;6) экспериментальные исследования оптоэлектронных характеристикновых функциональных сред на базе ИНС;7)исследованияповышениятехническогоуровняикачества8оптоэлектронных устройств на основе ИНС:- оценка эффективности применения ИНСдля увеличенияпропускной способности ВОСП;-исследованиевозможностейизотопическогоспособапромышленного получения полупроводникового графена для ИНС;9) разработка и внедрение методов комплексного анализа качествананоструктур на основных этапах жизненного цикла ИНС.Объектомисследованияявляютсянаучныеметоды,физико-технические принципы, средства разработки и производства многослойныхизотопических структур с требуемыми оптоэлектронными характеристикамидля базовых элементов оптоэлектроники.Предметомисследованийявляютсясвойстваизотопическихматериалов на базе сверхрешеток и полупроводникового графена,ихприменение как основы оптоэлектронных устройств нового поколения;физико-математическиеитехнологическиепроцессыпроектирования,производства базовых элементов ВОСП.Основные положения диссертации, выносимые на защиту:1.