«Лавина», которой научились управлять

Создание нового, принципиально отличного от других прибора — это всегда событие в технике. В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством профессора А. Ф Плотникова и кандидата физико-математических наук В. Э. Шубина создан целый новый класс полупроводниковых приборов — твердотельные фотоэлектронные умножители на основе МДП-структур. За этим названием стоят не только конкретные устройства, но и новые физические эффекты, которые позволят уже в недалеком будущем создать приборы с еще более удивительными свойствами.

...Когда в конце нашего разговора я Предложил Виталию Эммануиловичу Шубину подумать над тем, что можно было бы сфотографировать для будущей статьи, он только пожал плечами:

— Не знаю, что вам и сказать... Прибор как прибор — корпус да ножки... Ну, вокруг него всякие генераторы, осциллографы — так ведь это все неново.

И действительно, новое было запрятано внутрь корпуса и даже еще глубже — внутрь кристалла, в котором работали новые физические эффекты.

Размышления об увиденном. Есть области науки прямо-таки «приспособленные» для популяризации. Прекрасна в своей наглядности оптика, хотя ход лучей, скажем, в линзе — дело условное. Наглядна механика — все в макроскопическом объеме, все движется привычно для глаза. С ядерной физикой сложнее - для восприятия пригодны лишь фотографии с туманными треками частиц, но зато каков инструментарий! Гигантские ускорители, пузырьковые камеры, детекторы частиц...

С этой точки зрения физика полупроводников проигрывает. Ее конечная продукция — транзисторы, интегральные схемы — не очень-то приметна. Металлический или метало-пластмассовый корпус, из которого торчат ножки-выводы — вот, собственно, и все, что снаружи. А залезешь внутрь - без микроскопа мало что видно, а под микроскопом — мало что понятно. А вокруг осциллографы, генераторы, вольтметры — привычный ныне инструментарий любой лаборатории.

Но ведь именно благодаря этим неказистым приборам изменилась вся наша жизнь. В нее вошли современные ЭВМ, микропроцессоры, персональные компьютеры, радиоприемники в дамских серьгах и телевизоры в наручных часах — всего и не перечислишь. Поэтому, взглянув в зеркало, где отражается скромный корпус с ножками, войдем дальше — в Зазеркалье, в мир полупроводниковых кристаллов, электронов, дырок... Право, они стоят нашего внимания. Польза от источника всяких бед

Лет тридцать назад в научно-популярных журналах публиковалось множество статей о том, как самому из трех-четырех транзисторов, капсюля от слухового аппарата, батарейки и старой мыльницы сделать карманный радиоприемник. И в каждой такой статье содержалось заклинание: обратите внимание на правильную полярность при подключении батарейки, иначе... Иначе можно было остаться без транзисторов, а достать их в те времена было, ох, как трудно.

Что же все-таки происходит в р—п переходе, являющемся основой любого полупроводникового прибора, при ошибке в подключении питания? А то, что свободные электроны, которых в полупроводнике много, разгоняются электрическим полем до энергии, достаточной, чтобы, столкнувшись с атомом кристаллической решетки, выбить из него электрон и образовать пару электрон — дырка, да еще сохранить при этом столько энергии, чтобы не быть захваченными атомом вместо улетевшего электрона. Значит, вместо одного электрона мы получаем два и дырку в придачу. Все они снова разгоняются полем, выбивают еще большее количество электронов и дырок — и так далее. Процесс развивается стремительно, потому и получил название «лавинный». На этом этапе он еще обратим: снимите напряжение, и все вернется на круги своя. Снимите... если успеете. Потому что лавина несущихся электронов и дырок означает ток, который выжигает переход, для этого хватает тысячных долей секунды. Характеристика лавинного пробоя столь крута, что управлять им так же сложно, как, скажем, пожаром. Да это и есть пожар, только в микроскопическом объеме твердого тела.

Между тем у лавинного пробоя есть вполне привлекательные черты, обусловленные крутизной его характеристики. Это чувствительность, то есть возможность возникнуть буквально от нескольких электронов, как огромный пожар возникает от одной спички, малая инерционность, наконец, усиление — ведь вместо нескольких электронов в начале процесса мы получаем несметное их число в конце.

Космическая техника, связь, обработка информации, ядерная физика - важнейшие области науки, без которых немыслим технический прогресс. И во всех них возникает необходимость регистрации слабых световых импульсов.  Настолько слабых, что счёт идет не на ватты или люмены, а буквально на единицы фотонов. Так и говорят, так и пишут: «регистрация световых импульсов наносекундной длительности, состоящих из сотен, десятков и единиц фотонов». Возьмите, например, лазерную локацию Луны. Пока луч дойдет до нее, рассеявшись предварительно в земной атмосфере, пока претерпит рассеяние при отражении от лунной поверхности, да на обратном пути снова пострадает в атмосфере, сколько от него останется? Считанные фотоны, которые надо надежно зарегистрировать. А в ядерной физике тоже надо регистрировать вспышки, состоящие из единиц фотонов.

Основой всех этих систем регистрации, их глазом, является высокочувствительный быстродействующий фотоприемник. Он определяет собой возможности всей системы. Сейчас таким приемником служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — прибор настолько старый, что его проходят в школьных курсах физики. Конечно, сегодня он совсем не тот, что был, скажем, десяток лет назад, но ведь технике доступно лишь то, что лежит в определенных физических пределах.

Размышления об увиденном. В восьмом классе во время экскурсии на вычислительный центр я впервые переступил порог машинного зала. Переступил в самом прямом смысле этого слова — пол в зале был приподнят, под ним шли силовые кабели и воздуховоды для охлаждения машины. А сама она, вся светящаяся от сотней электронных ламп, стояла в глубине зала, тяжело посвистывая проходящим через нее воздухом. Она была величественна, как динозавр, и, как динозавр, обречена на вымирание. Ненадежность ее «организма» требовала остановки через каждые несколько часов. В ней рассеивались киловатты, уносимые Охлаждающим потоком, а быстродействие было просто смешным по сегодняшним меркам. А в соседнем зале уже монтировалась новая ЭВМ на транзисторах — последнее слово тогдашней техники.

С тех пор прошло много лет. И та, транзисторная ЭВМ пошла на слом. Малые, средние, большие, сверхбольшие интегральные схемы — вот путь, пройденный электроникой за два десятилетия.

Электровакуумные приборы сегодня — как исчезающие животные, занесенные в Красную книгу. Их и осталось-то, по сути дела, два: кинескоп и фотоэлектронный умножитель. Но если первый доживает уже последние годы, ожидая замены экраном, работающим на новых физических принципах, то второй до недавнего времени заменить было нечем. Как и во времена своего создания, он отличается большими габаритами, высокими рабочими напряжениями, нестойкостью к ударам и вибрациям, в общем, всеми недостатками, присущими электровакуумным приборам.

Вот бы создать твердотельный фото-приемник, не уступающий ФЭУ. Для задач, о которых шла речь, это значило бы то же самое, что для электронно-вычислительной техники — переход от ламп к транзисторам и интегральным схемам. Здесь-то и может пригодиться Лавинный процесс. В том же самом кристалле вместе с регистрацией импульса происходит и его усиление. Отпадают всякого рода помехи при передаче импульса от датчика к усилителю. Просто и удобно.

В середине шестидесятых годов были созданы лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют хорошее быстродействие, не требуют вакуума, не боятся ударов. Но вот беда: по коэффициенту умножения, чувствительности и размеру светочувствительной Площадки они уступают ФЭУ. И именно из-за принципа своего действия — лавинного процесса.

Коэффициент умножения резко зависит от напряжения в той области, где развивается лавина, ведь характеристика процесса очень крута. А значит, питающее напряжение должно иметь такую стабильность, которую и в лаборатории не всегда реализуешь. Это первая проблема. А вторая состоит в том, что хотя можно предполагать, куда попадет фотон, но надо все же оставить ему свободу выбора хотя бы в несколько квадратных миллиметров. А сделать р—п переход такой громадной по микроэлектронным понятиям площади технологически крайне трудно.

Обе проблемы — отнюдь не технические частности, а принципиальные ограничения, и выбираться из сложившейся ситуации надо тоже принципиальным путем — отысканием новых физических принципов для создания приборов.

«Слоеный пирог» с искусственной «шубой»

Размышления об увиденном. В тридцатые годы возникла серьезная трудность при конструировании усилителей. Тогда они были ламповыми, может быть, несовершенными - в данном случае это не столь важно. При больших коэффициентах усиления они начинали генерировать. Но вот в них ввели отрицательную обратную связь, и она разом решила массу проблем.

В нашем случае напрашивается такой же путь — ввести обратную связь, которая сдерживала бы лавинный процесс по мере роста приложенного напряжения. Причем создать ее внутри самого прибора, потому что снаружи она не поможет. Итак, в общем плане все выглядит просто. Но откуда взять эту связь, в каком типе полупроводниковых приборов реализовать ее? В дальнейшем мы увидим, что,  как это часто бывает в науке, помог случай, помноженный на пытливость исследователя, на его устремленность именно на данную задачу. Когда все время думаешь об одном, тут уж. как говорится, «всякое лыко в строку».

Выход нашли в использовании так называемых МДП-структур, которые известны в микроэлектронике уже лет двадцать. Представляют они собой «слоеный пирог»: слой полупроводника, затем диэлектрик и снова металл. Диэлектрик прозрачный, а металл благодаря специальной технологии нанесения полупрозрачен. Лежащая прямо под поверхностью диэлектрика область полупроводника, называемая областью пространственного заряда, и есть то место, где разыгрывается действие.

Пара электрон-дырка, возникающая при лавинном процессе в случае р—п перехода, беспрепятственно покидает область, где она родилась, никак не влияя на напряженность электрического поля в ней. В МДП-структуре все по-другому.

Дырки спокойно покидают область пространственного заряда и навсегда исчезают из нашего рассмотрения. У электронов судьба складывается иначе. Дойдя до границы полупроводника с диэлектриком, они останавливаются у этого барьера и скапливаются, образуя слой с отрицательным зарядом. Вот эта электронная «шуба» и создает отрицательную обратную связь, так нужную нам. Она экранирует поле в области пространственного заряда, а значит, снижает и скорость нарастания лавины. Больше лавинный ток — больше рождается электронов, толще «шуба», значительней ее заряд, который и ограничивает лавину возникает само-стабилизированный лавинный процесс. Мы реализовали обратную связь прямо в полупроводнике. И решили сразу обе главные проблемы.

Теперь уже характеристика прибора не устремляется круто в бесконечность, как это было у лавинных фотодиодов. Дойдя до некоторого порога, она становится практически горизонтальной, твердо сохраняя установившийся коэффициент умножения.  И это постоянство держится в диапазоне 10—20 вольт — вместо тех десятых и даже сотых долей вольта, над которыми надо было раньше дрожать, чтобы не выпустить лавину из-под контроля. На два-три порядка возрастает и достигаемый коэффициент умножения. Теперь он уже не ниже, чем у фотоэлектронного умножителя.

Более того, возникает и еще одно важнейшее свойство нового прибора. Его температурная нестабильность в сто раз меньше, чем у прежних, и это практически снимает проблему термо-стабилизации

А как же с пространственными неоднородностями? В p—n переходе они делают прибор совершенно непригодным для использования в лавинном режиме: именно здесь лавина возникает в первую очередь. В нашей структуре процесс тоже начинается прежде всего в «слабом» месте, где напряженность электрического поля максимальна. Но в этом месте в первую очередь возникает и электронная «шуба», которая экранирует поле. А на соседних участках, где толщина «нормальная», экранирующий слой либо не образуется вообще, либо растет гораздо медленнее.

Разработчики нового прибора поставили уникальный опыт. Они сделали профиль с искусственными неоднородностями — ситуация совершенно немыслимая ранее: намеренно создавать недостатки вместо того чтобы исправлять их. Если опыт удастся, значит, капризную лавину заставили работать в заведомо дефектном образце. И получилось, что по мере развития лавинного процесса коэффициент выравнивался. (Рисунок 5.) Лавина заработала, как бы корректируя сама себя, и чем интенсивнее она становилась, тем однороднее по площади. Обратная связь привела к «самозалечиванию» слабых мест структуры.

«Сглаживание» локальных неоднородностей открывает ворота в «технологический рай», где уже не нужно гнаться за идеальными структурами, а ведь их получение — главная трудность в любом технологическом процессе микроэлектроники.

Практические результаты не заставили себя ждать. В лабораторных и промышленных условиях были получены ла винные МДП-структуры с рабочей площадью больше квадратного сантиметра и коэффициентом умножения около десяти тысяч.

— Только совсем не так это было,— вдруг говорит Шубин.— Это теперь все выглядит стройно и логично: причина — следствие — вывод. Как в научном отчете. А хотите расскажу, как было на самом деле?

— Конечно, хочу.

— Ну, тогда с самого начала... Я занимаюсь МДП-структурами давно, практически с момента прихода в ФИАН. «Втравил» меня, в самом хорошем смысле этого слова, в это дело Анатолий Федорович Плотников, ныне заместитель директора института. Он и стал инициатором работ по МДП в ФИАНе. Было это уже восемнадцать лет назад. Тогда как раз во всем мире начали осваиваться интегральные МДП-схемы, быстродействующие и потребляющие очень малую мощность. Царил настоящий бум работ в этом направлении.

И вот тогда мне попалась в руки одна зарубежная статья, в которой описывались результаты изучения свечения, возникающего при приложении к МДП-структуре сильного электрического поля. Свечение это очень слабое, на очень малых площадях, но уловить его все же можно. До этого его наблюдали при возникновении лавины в р—п переходе, и там оно было существенно неоднородным в соответствии с «прихотями» лавины. А здесь, на фотографии, — без единого пятнышка от пробоя. Идеальная однородность по всей площади образца — вот что тогда поразило меня больше всего. И я решил попробовать воспроизвести опыт, а заодно понять, почему наблюдается такое различие.

С дипломником, который тогда у меня был, мы пытались поймать это свечение. Пробовали и так, и эдак. Наконец уловили некоторые слабые вспышки, вроде как вспыхивающие звездочки. Ликование! А потом оказалось, что у нас в отдельных точках, где происходит пробой, вспыхивал металлический слой структуры. Он же тоненький — счет идет на сотые Доли микрона, а ток вполне ощутимый. Вот Металл и горел такими звездочками. Красивое зрелище! Но совсем ие то, которое нам было нужно. Не буду вам всего описывать, но наконец удалось поймать то самое. Когда увидели в первый раз, прямо дух захватило: в поле зрения микроскопа как бы парил в пространстве светящийся электрод.

В те годы перед нами была поставлена задача: создать принципиально новые приемники излучения с очень высокими характеристиками. А мы уже к тому времени стали понемногу понимать, почему в МДП-структуре свечение однородное. И на полученные эффекты взглянули уже как на рабочий процесс. Ведь физика твердого тела — на 99 процентов прикладная наука. Если кто-нибудь будет говорить вам по-другому, не очень верьте. Вот и мы в первых своих опытах уже знали, для какой Цели работаем. Когда мы получили коэффициент умножения 10, это был успех. А потом в течение месяца довели его до нескольких тысяч. Параллельно мы разрабатывали и теорию явления. Александр Борисович Кравченко, теперь уже кандидат наук, «ухватил» процесс стабилизации по напряжению. Потом была разработана модель локальной экранировки. Не хочу хвастаться, но все это — приоритетные работы. До сих пор они сосредоточены только в Нашей стране.

Вся физика МДП-структур, работающих в сильных полях, это новая область. Здесь непочатый край проблем. Пока мы не «выжали» из полученных эффектов предельных возможностей. Но теперь, когда есть достаточно хорошая теория, работающие математические модели, пути достижения пределов все время проясняются. Хотя, кто знает, не возникнет ли еще что-нибудь интересное и перспективное...

Теперь, когда есть хорошая теория...

Да, теперь многое кажется очевидным. И ближайшие перспективы тоже достаточно очевидны. Появилась возможность регистрировать оптические сигналы, содержащие сотни и десятки фотонов. И наблюдать такие сигналы на обычном осциллографе, без каких-либо промежуточных усилителей.

И не только фотоны. Лавинный процесс в МДП-структуре может быть вызван буквально одним единственным электроном. Это выход на усиление невиданно малых мощностей, что прежде всего нужно экспериментальной физике, где зачастую и необходимо считать электроны поштучно.

Далее возникает уникальная возможность диагностики МДП-структур в процессе их производства. Ведь МДП-технология — одна из основных в современной микроэлектронике. А требования к плотности интегральных схем растут, площадь, занимаемая каждым отдельным элементом, непрерывно уменьшается. Увеличиваются напряженности электрических полей в каждом транзисторе и диоде, усиливаются паразитные эффекты. В этих условиях каждый шальной электрон может изменить работу интегральной схемы, вызвать сбой целой ЭВМ. Надо исследовать эти явления, чтобы уметь с ними бороться. Здесь-то и требуется «засекать» электроны поштучно. Возникает новая наука — лавинная спектроскопия.

Однако все это — в ближайшем буду тем. На сегодня есть еще одна важнейшая область применения разработанных лавинных МДП-фотоприемников.

Размышления об увиденном. В 1927 году молодой рисёрч-стьюдент из Ленинграда Юлий Харитон, работавший в Кавендишской лаборатории Резерфорда, экспериментально установил, что нижний порог чувствительности глаза — 30 квантов зеленого света, а после хорошей тренировки — 20.

Прошло шестьдесят лет. Ю. Б. Харитон стал прославленным физиком, академиком, ио техника пока не перекрыла установленные им данные. По чувствительности глаз все еще впереди. Есть у него и другое важнейшее достоинство.

Благодаря чему мы узнаем, в какую сторону полетел брошенный камень, справа или слева от нас вспыхнул свет? Благодаря тому, что наши органы зрения содержат огромное количество светочувствительных клеток. Одна клетка могла бы зафиксировать сам факт вспышки, не более того. А разве в многочисленных научных задачах не возникает необходимости не только пассивно зарегистрировать явление, но и определить его пространственные характеристики? Конечно же, возникает. Например, детекторы для ядерной физики должны регистрировать не только появление частицы, но и траекторию ее движения в пространстве. О регистрации и обработке импульсных оптических изображений и говорить не приходится — там с одним фотоприемником просто делать нечего.

И еще одна огромная проблема все время как бы маячит тенью в отдалении. Оптоэлектроника. ЭВМ на ее принципах обладали бы колоссальной производительностью, обрабатывая информацию целыми массивами, как это делают в вечном содружестве наши глаза и мозг. Но делая это несравненно быстрее, безошибочное, не утомляясь. А зрение для роботов? Тоже задача не из последних. И здесь лавинные МДП-приборы предоставляют уникальную возможность.

Изготовленные даже в едином технологическом процессе приборы никогда не будут иметь абсолютно идентичных характеристик. Но когда разброс мал в сравнении с рабочей областью, им в общем-то можно пренебречь, несколько сузив эту область. Так поступают в производстве интегральных схем. Совсем другое дело, если элементами схемы будут лавинные фотодиоды с р—п переходом. Лавинный процесс капризен, и приборы получатся совершенно разными. А как же создать многоэлементный фотоприемник, если каждая «клеточка» этой электронной «сетчатки» по-разному отзывается на один и тот же импульс? Никак не создашь. Надо выравнивать коэффициенты умножения, а для этого питать каждый элемент от своего источника. А если нужна матрица элементов размером 20X20 (это не так уж много), тогда как?

Лавинные МДП-фотоприемники сразу снимают все трудности. Ведь у них коэффициент умножения, дойдя до некоторого порога, дальше не увеличивается с ростом напряжения. Сузим немного рабочую область, отодвинемся от участка, где характеристики различны, и пожалуйста - можно использовать единый источник питания (рисунок 6).

Справедливости ради надо сказать, что те, кто создал многоэлементные фотоприемники на основе обычных лавинных фотодиодов, вовсе не собирались ставить на каждый из них свой источник питания. В ход шли самые разнообразные технологические ухищрения, затрачивались большие средства, уходили годы. Одна из крупнейших западных фирм - производителей интегральных схем, обладающая огромным опытом в этой области, затратила иа освоение многоэлементного фотоприемника на лавинных диодах без малого двадцать лет. А промышленный образец многоэлементного фотоприемника на МДП-структурах был создан всего за два года. И это понятно, ведь в дело пошли новые физические явления. Образно говоря, пока одни усовершенствовали паровой двигатель, другие перешли на электрический.

У лавинных МДП-фотоприемников большое будущее. И научное, и производственное, и практическое. Наверняка будут новые разработки, гораздо более совершенные, чем теперешние. Улучшатся технологические процессы, углубятся математические модели, может быть, появятся совершенно неожиданные ответвления теории. Но открытые физические принципы останутся незыблемыми. На таком прочном фундаменте можно строить и строить...