Н А Н О Э Л Е К

Н А Н О Э Л Е К Т Р О Н И К А профессор Борисенко Виктор Евгеньевич Лекции - 32 часа Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Самостоятельная управляемая работа - 16 часов Лабораторные работы - 16 часов Экзамен Курсовой проект (КИС)

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Раздел 1. Физические основы наноэлектроники Раздел 2. Методы формирования наноразмерных структур (нанотехнологии) Раздел 3. Перенос носителей заряда в низкоразмерных структурах и приборы на их основе

Л И Т Е Р А Т У Р А e-library в лаборатории 119-1 отв. Стемпицкий Виктор Романович В. Е. Борисенко, А. И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е. А. Уткина НАНОЭЛЕКТРОНИКА (Бином, Москва, 2013) V. E. Borisenko, S. Ossicini What is What in the Nanoworld (Wiley-VCH, Weinheim, 2012)

Наноэлектроника (nanoelectronics) это область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты. нанометровыми размерами элементов квантовые эффекты

Типичные размеры различных объектов

Перспективные приборы для обработки информации* *International Technology Roadmap for Semiconductors, 2009 edition. Emerging research devices.

1. Физические основы наноэлектроники * темы для самостоятельного изучения

1.1.1. Квантовое ограничение (quantum confinement) 1.1. Фундаментальные явления в низкоразмерных структурах E1 E2 E3 n=1 n=2 n=3 n = 2a/n (n = 1, 2, ...) kn = 2/n = n/a free electrons: confined electrons: Y(x)

Элементарные низкоразмерные структуры (elementary low-dimensional structures)

Люминесценция квантовых точек CdSe (luminescence of quantum dots)

1.1.2. Баллистический транспорт носителей заряда (ballistic transport) средняя длина свободного пробега при упругом рассеянии средняя длина свободного пробега при неупругом рассеянии длина фазовой когерентности l = (D)1/2 lin = vF le = vFsc sc = Dd/vF2 EF → vF = (2EF/m*)1/2, kF = (2m*EF)1/2/ħ , F = 2/kF кинетическое уравнение Больцмана

Параметры, характеризующие транспорт электронов в Si и GaAs при низких температурах (~ 4 K)

Универсальная баллистическая проводимость (universal ballistic conductance) I = (1 – 2)ev(dn/d) dn/d = 1/ħv (для 2 спинов) (1 – 2) = e(V1 – V2) G = I/(V1 – V2) G = e2/ħ = 2e2/h e2/h = 38,740 мкСм, h/e2 = 25,812807 кОм 1  2

Квантовый точечный контакт (quantum point contact) G = N(2e2/h)

1.1.3. Туннелирование носителей заряда (tunneling of charge carriers)*

Прозрачность туннельного барьера Надбарьерное прохождение электронов barrier for classical particles symmetric rectangular barrier d-function barrier x1, x2 – turning points defined by U(x1) = U(x2) = E

1.1.4. Спиновые эффекты (spin effects)* x Спиновая поляризация электронов проводимости

Фундаментальные явления

1.2.1. Свободная поверхность и межфазные границы (free surface and interfaces) 1.2. Элементы низкоразмерных структур Реконструкция поверхности (surface reconstruction) нереконструированная поверхность реконструированная поверхность

Адсорбция/десорбция (adsorption/desorption) molecular hydrogen on silicon

РОЛЬ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗРАБОТКАХ

1.2.2. Сверхрешетки (superlattices) film material substrate material strained superlattice substrate substrate relaxed superlattice

Конструирование сверхрешеток из полупроводников правило Вегарда: a(x) = xa1 + (1 - x)a2

Псевдоморфные сверхрешетки (pseudomorphic superlattices)

Напряженная сверхрешетка (strained superlattice)

1.2.3. Моделирование атомных конфигураций (simulation of atomic configurations) rj rji ri Молекулярная динамика (molecular dynamics) Потенциалы межатомного парного взаимодействия φji = Aexp(-arji) + Bexp(‑brji) - Morse potential φji = ε[(r0/rji)12 – 2(r0/rji)6 ] - Lennard-Jones potential φji = Aexp(-arji) - Born-Mayer potential …

Молекулярная механика (molecular mechanics)

The water density exhibits layering for liquid water (red/orange). Pores of radii smaller than 0.45 nm predominantly contain water vapour (dark blue) although they are still much wider than single water molecules. Моделирование методом молекулярной динамики заполнения водой пор гидрофобного материала

1.3.1. Квантовые колодцы (quantum wells)* 1.3. Структуры с квантовым ограничением внутренним электрическим полем Правило Андерсона (Anderson rule) DEc = EcB – EcA = cA – cB DEv = EgB – EgA – DEc R. L. Anderson, Germanium-gallium arsenide heterojunction, IBM J. Res. Dev. 4(3), 283-287 (1960).

Тип I Тип IIА Тип IIВ пространственно прямозонный пространственно непрямозонный Периодические квантовые колодцы (multiquantum wells)

1.3.2. Модуляционно-легированные структуры (modulation-doped structures)* EF EF DEc semiconductor A semiconductor B Ec Ec 2DEG T = 0 K T > 0 K

1.3.3. Дельта-легированные структуры (delta-doped structures)*

1.4.1. Структуры металл/диэлектрик/полупроводник (metal/insulator/semiconductor structures)* 1.4. Структуры с квантовым ограничением внешним электрическим полем

1.4.2. Структуры с расщепленным затвором (split-gate structures)*

Квантовые точки в структурах с расщепленным затвором (split-gate defined quantum dots)