ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИБОРЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Лектор – к. т. н. , доцент кафедры технической электроники Сиб. ГУТИ Борис Хаймович Левин Цель изучения дисциплины: Формирование научной основы для осознанного и целенаправленного использования полученных знаний о принципах построения и свойствах интегральных наноструктур для разработки и применения элементов, приборов и устройств наноэлектроники. Задачи дисциплины: Расширение научного кругозора и эрудиции студентов на базе изучения законов физики низкоразмерных полупроводниковых структур для последующего использования их в технологии создания приборов и устройств наноэлектроники. Изучение дисциплины базируется на материале курса «Наноматериалы» . Дисциплина является предшествующей для дисциплин: Нанотехнологии. Микросхемотехника и наносистемная техника. Интеллектуальные устройства и системы. Оптоэлектроника и нанофотоника. Формы обучения: Лекции – 26 часов. Лабораторно-практические занятия - 26 часов. Самостоятельная работа - 48 часов. Всего – 100 часов. Форма итогового контроля – зачет.
Список рекомендованной литературы № Авторы 1 Игнатов А. Н. 2 Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев Наименование Микросхемотехника и наноэлектроника: учебное пособие. - СПб. : Издательство «Лань» , 2011. - 528 с. : ил. – (Учебники для вузов). Наноэлектроника Элементы, приборы, устройства Учебное пособие М. : БИНОМ. Лаборатория знаний. 2011. – 408 с. 3 А. А. Щука Наноэлектроника Учебное пособие. 2 -е издание М. : Бином. Лаборатория знаний. 2012. – 342 с. 4 А. Н. Игнатов, Н. Е. Фадеева, В. Л. Савиных, В. Я. Вайспапир, С. В. Воробьева. Классическая электроника и наноэлектроника: учебное пособие М. : Флинта: Наука, 2009. – 728 с.
Введение В своей технологической деятельности человечество до настоящего времени использует природные, либо искусственно созданные материалы. Но создание их ограничено молекулярным уровнем. Нанотехнологии претендуют на новый уровень создания материалов и устройств, оперируя во многих случаях отдельными атомами. По определению комиссии академии наук Великобритании нанонаука есть изучение явлений и свойств материи на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в случае, когда эти свойства значительно отличаются от таковых при большем пространственном масштабе. Нанотехнологией является конструирование, создание и применение структур, приборов и систем путем оперирования их формой и размерами на нанометровом уровне. Уже сейчас значимость нанонауки как для прикладных задач, так и для фундаментальных исследований выступает на первое место, потеснив позиции космических исследований и исследований структуры материи. В ближайшем будущем предвидится бурное развитие этой области знаний, что предполагает для нее возможность вместе с физикой сложных нелинейных динамических систем и квантовой физикой занять ведущее место в процессе познания мира.
Одна из основных задач нанотехнологии в области электроники состоит в создании больших систем элементов, способных преобразовывать и запоминать информацию. Такими элементами обычно являются участки твердого тела с различным типом проводимости и линиями связи. Однако прогресс наноэлектроники не исключает возможности использования для ее целей органических материалов, сложных биологических молекул, таких, как протеины и нуклеиновые кислоты, и даже элементов биологических объектов. Впервые некоторые концепции нанотехнологии были провозглашены Р. Фейнманом в его лекции «Внизу много места» (“There’s many rooms in the bottom”) в 1959 г. Он рассмотрел принципиальную возможность манипулирования материей на атомном уровне, включая исследование и контроль в нанометровом диапазоне. Сам термин «нанотехнология» впервые был применен исследователем из Токийского университета Norio Taniguchi в 1974 г. при рассмотрении возможностей использования конструкционных материалов на нанометровом уровне. Основным стимулом разработок в этой области тогда и сегодня было развитие наноэлектроники. В ряде случаев нанообъекты можно получать из большой заготовки, путем удаления лишнего материала. Такие технологии иногда называют «сверху вниз» . Второй вид, называемый технологиями «снизу вверх» , подразумевает получение объектов из отдельных атомов сборкой нужной конфигурации с помощью сканирующего туннельного микроскопа или самосборкой за счет поверхностной диффузии.
Возникло новое направление конструирования приборов и устройств электроники, получившее название “зонной инженерии” или “инженерии волновых функций”. Элементной базой этого направления электроники стали малоразмерные структуры - наноэлектронные элементы. Как правило, наноэлектронный элемент состоит из набора квантовых ям и потенциальных барьеров. Энергетический спектр такого элемента зависит от размеров, а добавление лишь одного электрона существенно меняет его энергетическую диаграмму. В наноэлектронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности и способны выполнять сложные динамические функции. В качестве материалов изделий наноэлектроники используются гетероструктуры, наноструктурированные материалы, кластеры, органические материалы. Если в микроэлектронных приборах поведение электрона определялось поведением элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в наноэлектронных приборах поведение электрона определяется его волновыми свойствами. В наноэлементах используются уже не электроны как частицы, переносящие электрический заряд, а их волновые функции. В отличие от микроэлектронных элементов в наноэлементах отсутствуют процессы дрейфа и диффузии.
Наибольший интерес в нанометровом диапазоне вызывает его нижняя граница от 100 нм и ниже вплоть до атомного уровня (0, 2 нм), поскольку в этом диапазоне свойства веществ могут значительно отличаться от их свойств в макрообразцах. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, возрастает роль поверхности и поверхностных эффектов, во-вторых, начинают проявляться различные квантовые эффекты, которые приводят к значительным изменениям оптических, электрических и магнитных свойств веществ. Перед нанотехнологией открываются большие перспективы во многих областях техники, биологии, медицины. При этом одной из важнейших областей применения нанотехнологии, во многом стимулирующей ее развитие, является электроника (в более широком плане — электроника, оптоэлектроника и компьютерная техника). Так, в области электроники и оптоэлектроники в ближайшей перспективе рассматривается: 1. возможность расширения параметров радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур; 2. создание волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; 3. совершенствования тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; 4. создания мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных (10 -15) системах.
В области компьютерной техники применение нанотехнологий в принципе позволяет конструировать системы, состоящие из тысяч центральных процессоров с параметрами лучше современных процессоров, и располагать такие системы на площади менее одного квадратного миллиметра. При этом параметры человеческого мозга будут превышены по числу элементов в 1000 раз, по быстродействию в 109 раз, по плотности упаковки в 109 раз. Для увеличения чувствительности, снижения уровня шумов, уменьшения теплового заселения рабочих энергетических уровней в используемых материалах и средах многие из микроэлектронных и наноэлектронных приборов и систем требуют при своей работе криогенного охлаждения. Необходимость охлаждения до низких температур является препятствием в широком практическом использовании таких элементов и приборов на их основе. Однако в наноструктурах столь глубокое охлаждение может быть полезным, так как оно существенно снижает скорость как взаимной диффузии, так и самодиффузии компонентов рабочего вещества. Из-за крайне малых размеров наноэлектронных устройств существует опасность их диффузионной деструкции (разрушения нормальной структуры) при изготовлении и эксплуатации. В настоящее время вопросы обеспечения стабильности наноструктур и уменьшения их диффузионной деградации до конца не решены.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ • Все природные материалы и системы построены из нано-объектов. Именно в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. • Нанотехнологический подход - целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем их фундаментальные параметры. • Нанотехнология – это создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. • Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной (точнее, надмолекулярной) организацией. • Наноструктуры, использующие атомно-молекулярные элементы, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. • Наноструктуры используют новые явления и связанные с ними физические, химические и биологические свойства вещества. • Наноэлектронные приборы, устройства и системы — изделия, содержащие элементы нанометрового диапазона (≤ 100 нм). .
В развитии нанотехнологий можно выделить три направления: 1. изготовление устройств и систем с нанотранзисторами и другими активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул и атомов; 2. непосредственное манипулирование атомами и молекулами, сборка из них всевозможных материалов с изначально заданными свойствами ( «зонная инженерия» ); 3. разработка и изготовление наномашин (механизмов, роботов) величиной с молекулу, способных на принципах самоорганизации воспроизводить себе подобных. Главной тенденцией этого развития является уменьшение размеров приборных структур. В современных интегральных микросхемах они составляют единицы и десятые доли микрона (1 мкм = 10 -6 м). По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области — а это образования из единиц и десятков атомов — все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой — открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.
КЛАССИФИКАЦИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В течение последних десятилетий основные направления исследований в физике твердого тела почти непрерывно смещались от изучения объемных кристаллов к структурам, размеры которых (хотя бы в одном из трех геометрических измерений) очень малы. Спектральные характеристики таких физических объектов иллюстрирует приведенный рисунок.
ЗАКОН МАСШТАБИРОВАНИЯ Современные наноэлектронные системы создаются на основе нанотранзисторов. Размеры транзисторов и межсоединений постоянно уменьшаются. При этом возникает проблема масштабирования (или скейлинга) параметров. Масштабная инвариантность или скейлинг - это свойство уравнений физики, сохранять свой вид при изменении всех расстояний и промежутков времени в одинаковое число раз. Задача скейлинга — определение масштабных множителей, с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в K раз (K — любое положительное число), выражаются через соответствующие параметры исходного прибора. При уменьшении геометрических параметров в K раз напряжение и ток в канале полевого транзистора также уменьшатся в K раз. Также уменьшится время задержки сигнала в K раз, площадь транзисторной структуры уменьшится в K 2 раз и возрастет степень интеграции на кристалле в K 2 раз.
Уменьшение геометрических параметров транзисторной МДП-структуры способствует улучшению электрических параметров и позволяет увеличить степень интеграции. Для линий межсоединений скейлинг параметров токоведущих дорожек приводит к резкому ухудшению токопереноса и последующей их деградации. Если размеры уменьшились в K раз, то сопротивление линии электропереноса возрастает в K раз, плотность - в K 2 раз, контактное падение напряжения - в K 2 раз. Положение усугубляется, если масштабирование параметров осуществляется не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлениях. Возрастают сопротивление и плотность тока. Это приводит к электромиграции, джоулеву разогреву линий межсоединений. Особо опасным является процесс электромиграции. С ним связано перемещение атомов в граничных областях межсоединений, обусловленное градиентом электрохимического потенциала и перепадом температур. Поток атомов через проводник на границах зерен, и на дислокациях испытывает завихрение. Изменяется геометрия проводника. В узких местах токоведущих дорожек, которые возникают из-за неидеальности технологических процессов, происходит уменьшение площади их поперечного сечения, в более широких — увеличение этой площади. Соответственно, в узких местах плотность тока еще более возрастает и нарушается непрерывность межсоединений. При плотности тока ≈105 А/см 2 и температуре 210°С токоведущие дорожки могут выйти из строя.
Время работы межсоединений оценивается следующей формулой: где c — коэффициент; S — поперечное сечение, см 2; j — плотность тока, А/см 2; Е — энергия активации атомов, э. В; T — температура, °С; k — постоянная Больцмана. Для Аl, например, с = 1012 А 2 с/см 6; Е = 1, 2 э. В; T = 150°С. Тогда при S = 10– 7 cм 2 и j = 105 А/см 2 время переключения равно 10– 9 с. Масштабный коэффициент для времени τ составляет K– 4. Как следствие, время работы линий межсоединений резко уменьшается с ростом одного из проанализированных параметров. С увеличением частоты сигналов линии межсоединений становятся волноводными линиями, которые можно охарактеризовать активными потерями. Оценки показывают, что, начиная с частот f = 1011 Гц, задержка, сигнала τ С , обусловленная распространением сигнала между элементами схемы, становится сравнимой со временем переключения транзисторов (τ С ≈10– 11 с). Все эти проблемы являются составляющими одной глобальной проблемы, называемой «тиранией межсоединений» . С переходом на транзисторные структуры с квантовыми эффектами обычные металлические токоведущие дорожки теряют свое предназначение. Для проводной наноэлектроники, в которой по-прежнему используется токоперенос, должны быть разработаны квантовые провода, в которых носители тока имеют одну степень свободы.
В силу относительной легкости изготовления вначале внимание исследователей привлекали очень тонкие твердотельные пленки, толщина которых сопоставима с длиной волны де Бройля (λ Б) для электронов в твердых телах. Волны де Бройля — волны, связанные с любыми микрочастицами и отражающие их волновую природу. Корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам: электронам, протонам, атомам и так далее. Если частица имеет энергию Е и импульс, абсолютное значение которого равно Р, то с ней связана волна, частота которой ν = Е ⁄ h и длина волны λ=h/p , где h — постоянная Планка. Эти волны и получили название волн де Бройля.
На следующем рисунке приведена уникальная фотография, экспериментально подтверждающая наличие волны де Бройля. В лаборатории фирмы IBM с помощью туннельного микроскопа удалось рассадить атомы кобальта вдоль периметра кольца диаметром 20 нм на поверхности меди. Если внутри кольца поместить еще один атом кобальта, то возникает его изображение, инверсное относительно центра кольца. Эффект инверсности объясняется интерференцией волны де Бройля атома кобальта на периодической решетке других атомов. Возникновение или отсутствие изображения зависит от положения вновь имплантированного атома. Если волны де Бройля складываются в фазе в процессе конструктивной интерференции, то изображение появляется. (Конструктивная интерференция – результат сложения когерентных волн света, когда гребни волн совпадают. ) При деструктивной интерференции изображение исчезает. (Деструктивная интерференция - результат сложения когерентных волн света, когда пик одной волны совпадает с провалом другой. )
Одним из ряда новых явлений является квантовый эффект Холла. Он состоит в том, что в проводнике с током, помещённом в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля. При измерении эффекта Холла в инверсном слое кремниевого МОП транзистора при низких температурах (Т ~ 1 K) и в сильных магнитных полях (B > 1 Тл) линейная зависимость холловского сопротивления сменяется чередой ступеней. Когда на зависимости холловского сопротивления Rх наблюдается плато, продольное электрическое сопротивление становится очень малой величиной. При низких температурах ток в образце может течь без рассеяния.
Твердые тела (обычно полупроводниковые материалы) принято называть низкоразмерными тогда, когда один из их геометрических размеров имеет размер R порядок λ Б, хотя в некоторых ситуациях удобнее пользоваться и другими характеристическими длинами. Для большинства практически используемых полупроводников величина λ Б лежит в диапазоне от 10 до 100 нм. В них можно наблюдать квантовые эффекты (типа квантового эффекта Холла, кулоновской блокады, квантовой проводимости и т. п. ) именно в нанометровом диапазоне. Низкоразмерные объекты проще всего классифицировать в соответствии с числом пространственных измерений, имеющих нанометровые параметры. Если одно из измерений является нанометровым, то структуру следует считать двумерной (2 D) и называть квантовой ямой. Одномерными (1 D) являются квантовые проволоки, в которых два геометрических измерения имеют нанометровый характер. Нульмерными (0 D) следует называть объекты, у которых все три измерения имеют порядок λ Б.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ЯМ, НИТЕЙ, ТОЧЕК Гетероструктуры – это структуры, образованные различными по своему составу и свойствам полупроводниками. Гетероструктурой является слоистая структура из тонкой пластины Ga. As, окруженная с двух сторон слоями полупроводника AIGa. As, обладающего более широкой запрещенной зоной. Другие структуры могут быть получены образованием гетеропереходов между двумя полупроводниками с различными запрещенными зонами. В обоих случаях на границе раздела возникают потенциальные ямы для электронов, похожие на те, которые образуются в МДП-структурах. Если ширина таких ям сопоставима с параметром λ Б, то энергетические уровни электронов в ямах начинают квантоваться. В них пространственная размерность может отличаться от трехмерной, т. е. от обычного твердого тела. Это могут быть тонкие пленки нанометровой толщины, такой же толщины тонкие нити и нанометровые ансамбли атомов. Эти системы были названы квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками, т. к. на нанометровых размерах проявляются квантовые эффекты. Их особенность заключается в том, что наноразмеры полупроводниковых структур ограничивают движение электронов. Поэтому плотность электронных состояний в них принципиально отличается от макроскопического тела. Квантовые эффекты проявляются, начиная с квантовых ям, т. е. когда движение электронов ограничено нанометровыми размерами хотя бы в одном измерении.
Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, — это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника In. Sb впервые наблюдались эффекты размерного квантования. В настоящее время квантовые структуры изготавливают иначе. Для этого используются гетероструктуры, которые получаются при создании контактов двух полупроводников с различными ширинами запрещенных зон. Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и имеющих энергию меньше, граница будет играть роль потенциального барьера. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с двух сторон и как бы образуют потенциальную яму. Таким способом и создают квантовые ямы, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому можно сказать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно создать и структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной.
Для изготовления подобных структур разработано несколько совершенных технологических процессов. Но наилучшие результаты в изготовлении квантовых структур достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Для того чтобы с помощью этого метода вырастить тонкий слой полупроводника, нужно направить поток атомов или молекул, получаемый путем испарения вещества из отдельных нагретых источников, на тщательно очищенную подложку. Чтобы избежать загрязнения, выращивание структуры производят в глубоком вакууме. Весь процесс управляется компьютером. Химический состав и кристаллическая структура выращиваемого слоя контролируются в процессе роста. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего несколько периодов решетки. Один период кристаллической решетки составляет около 2 А. Периоды кристаллических решеток двух соседних слоев, имеющих различный химический состав, должны быть почти одинаковыми. Тогда слои будут точно следовать друг за другом, и кристаллическая решетка выращенной структуры не будет содержать дефектов. С помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии можно получить очень резкую (с точностью до монослоя) границу между двумя соседними слоями, причем поверхность получается гладкой на атомном уровне.
Квантовые структуры можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой для выращивания квантовых ям являются полупроводник Ga. As — арсенид галлия и твердый раствор Alx. Ga 1 –x. As. В нем часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Величина х — это доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия. Обычно она изменяется от 0, 15 до 0, 35. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1, 5 э. В, а в твердом растворе Alx. Ga 1–x. As она растет с ростом х. При х = 1, т. е. в соединении Al. As, ширина запрещенной зоны равна 2, 2 э. В. Чтобы вырастить квантовую яму, необходимо во время роста менять химический состав атомов, летящих на растущий слой. Сначала нужно вырастить слой полупроводника с широкой запрещенной зоной, т. е. Alx. Ga 1–x. As, затем слой узкозонного материала Ga. As и, наконец, снова слой Alx. Ga 1–x. As. Энергетическая диаграмма приготовленной таким образом квантовой ямы показана на следующем рисунке.
На диаграмме находятся только два дискретных уровня, а волновые функции на границе ямы не обращаются в нуль. Значит, электрон можно обнаружить и за пределами ямы, в области, где полная энергия меньше потенциальной. Конечно, такого не может быть в классической физике, а в квантовой физике это возможно.
Широкие применения в наноэлектронных и нанофотонных приборах и устройствах имеют квантовые точки — совокупность атомов с наноразмерами по всем трем пространственным измерениям. Движение электронов в такой системе может быть аппроксимировано простейшей квантово-механической моделью, известной под названием «частица в прямоугольном потенциальном поле» . Эта модель описывается уравнением Шрёдингера: где потенциальная энергия в «ящике» со сторонами a, b, c При этом при всех других значениях x, y, z где n 1, n 2, n 3 = 1, 2, 3, . . . Таким образом, квантовой точке отвечает дискретный спектр, сходный по общему виду со спектром атомной системы. В ней могут находиться от одного до большого количества электронов, распределение которых определяется принципом Паули: «В любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковых стационарных состояниях, определяемых набором четырех квантовых чисел: n, , m, ms. Например, на энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, но с противоположным направлением спинов» .
Развитие технологии наноструктур привело к созданию квантовых точек и квантовых нитей. На рисунке а показаны квантовые точки, созданные на границе раздела арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. В процессе роста в полупроводник Al. Ga. As были введены дополнительные примесные атомы. Электроны с примесных атомов уходят в полупроводник Ga. As, т. е. в область с меньшей энергией. Но они не могут уйти слишком далеко, так как притягиваются к покинутым ими атомам примеси, получившим положительный заряд. Практически все электроны сосредоточиваются у самой гетерограницы со стороны Ga. As и образуют двумерный газ.
Квантовые точки могут быть созданы методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На хорошо подготовленную поверхность напыляется другое вещество со структурой, близкой к структуре подложки. При этом все должно происходить в высоком вакууме, чтобы избежать включения в формируемый объект посторонних примесей. Скорость напыления должна тщательно регулироваться для того, чтобы исключить образование дефектов структуры. Спонтанное формирование квантовых точек идет в так называемом режиме Странского — Крастанова в системе In. As/Ga. As. При росте первого мономолекулярного слоя In. As на поверхности Ga. As из-за различия постоянных кристаллических решеток возникают упругие напряжения. Если напыление продолжается, они увеличиваются, и становится выгодным не равномерное распределение вещества по поверхности первого слоя, а образование отдельных «капель» на поверхности первого слоя (его называют «смачивающим» ). Качественно их можно рассматривать как дефекты на поверхности основного полупроводника. Тогда в зонной структуре появляются примесные уровни: несколько выше валентной зоны (дырки) и несколько ниже зоны проводимости (электроны). Уровни, соответствующие примесному уровню зоны проводимости, характеризуются дискретным спектром, то есть они соответствуют квантовой точке.
Процесс формирования квантовых точек начинается с нанесения на поверхность Al. Ga. As ряда масок, каждая из которых имеет форму круга. После этого производится глубокое травление, при котором удаляется весь слой Al. Ga. As и частично слой Ga. As (рисунок а). В результате электроны оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах. Диаметры цилиндров имеют порядок 500 нм. В квантовой точке движение ограничено в трех направлениях, и энергетический спектр становится полностью дискретным, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Квантовые точки (иначе называемых квантовыми ящиками) — имеют размеры порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если в квантовой точке один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два — атом гелия и т. д. Кроме простого нанесения рисунка на поверхность полупроводника и травления, для создания квантовых точек можно использовать естественное свойство материала образовывать маленькие островки в процессе роста. Они могут, например, самопроизвольно образоваться на поверхности растущего кристаллического слоя.
Большинство способов изготовления квантовых нитей основываются на том, что в системе с двумерным электронным газом (как правило, на основе гетероструктур) ограничивается движение электронов еще в одном из направлений. Данные структуры можно сформировать, например, на границе раздела двух полупроводников, где находится двумерный электронный газ. Это можно сделать, если нанести дополнительные барьеры, ограничивающие движение электронов еще в одном или двух направлениях. Квантовые нити формируются в нижней точке V- образной канавки, образованной на полупроводниковой подложке. Если в основание канавки осадить полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, то электроны этого полупроводника будут заперты в двух направлениях.
Наиболее перспективно непосредственное «вырезание» узкой полоски с помощью литографической техники (рисунок б). При этом для получения электронных нитей шириной в сотни ангстрем, где квантование энергий электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, что требует литографической техники сверхвысокого разрешения. На боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Данный слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины — порядка десятой доли микрона.
Можно поступить и иначе. Поверхность полупроводниковой структуры покрывают металлическим электродом (3), создающим с полупроводником контакт Шоттки и имеющим узкую щель 1 (рисунок В). Если гетерограница находится достаточно близко от поверхности, в слое обеднения, то двумерные электроны на границе будут отсутствовать всюду, кроме узкой области под щелью. Такой тип одномерной структуры обладает дополнительным преимуществом - меняя напряжение на затворе, мы можем управлять эффективной шириной квантовой нити и концентрацией носителей в ней.
Скачать презентацию ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИБОРЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Лектор к т
1_Квантовые элементы наноэлектроники.pptx