НАНОЭЛЕКТРОНИКА профессор Борисенко Виктор Евгеньевич Лекции - 32 часа Самостоятельная управляемая работа - 16 часов Лабораторные работы - 16 часов Экзамен Курсовой проект (КИС) Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
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 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) e-library в лаборатории 119 -1 отв. Стемпицкий Виктор Романович
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
Типичные размеры различных объектов
Перспективные приборы для обработки информации* *International. Technology. Roadmap for Semiconductors 2009 , edition Emergingresearch devices. .
1. Физические основы наноэлектроники 1. 1. Фундаментальные явления в 1. 1. 1. Квантовое ограничение низкоразмерных структурах 1. 1. 2. Баллистический транспорт носителей заряда 1. 1. 3. Туннелирование носителей заряда * 1. 1. 4. Спиновые эффекты* 1. 2. Элементы низкоразмерных структур 1. 2. 1. Свободная поверхность и межфазные границы 1. 2. 2. Сверхрешетки 1. 2. 3. Моделирование атомных конфигураций 1. 3. Структуры с квантовым ограничением внутренним электрическим полем 1. 3. 1. Квантовые колодцы* 1. 3. 2. Модуляционно-легированные структуры* 1. 3. 3. Дельта-легированные структуры* 1. 4. Структуры с квантовым ограничением внешним электрическим полем 1. 4. 1. Структуры металл/диэлектрик/полупроводник* 1. 4. 2. Структуры с расщепленным затвором* * темы для самостоятельного изучения
1. 1. Фундаментальные явления в низкоразмерных структурах 1. 1. 1. Квантовое ограничение (quantum confinement) free electrons: confined electrons: n=3 U(x) E 3 n=2 E 2 Y(x) n=1 0 E 1 0 a x n = 2 a/n (n = 1, 2, . . . ) kn = 2 / n = n /a
Элементарные низкоразмерные структуры (elementary low-dimensional structures)
Люминесценция квантовых точек Cd. Se (luminescence of quantum dots) http: //www. chemie. uni-hamburg. de/pc/weller/
1. 1. 2. Баллистический транспорт носителей заряда (ballistic transport) EF → v. F = (2 EF/m*)1/2, k. F = (2 m*EF)1/2/ħ , F = 2 /k. F средняя длина свободного пробега при упругом рассеянии le = v. F sc средняя длина свободного пробега при неупругом рассеянии lin = v. F длина фазовой когерентности l = (D )1/2 кинетическое уравнение Больцмана sc = Dd/v. F 2
Параметры, характеризующие транспорт электронов в Si и Ga. As при низких температурах (~ 4 K) Параметр, единица измерения Si Ga. As Скорость Ферми v. F, 107 см/с 0, 97 2, 76 Длина волны Ферми F, нм 39 39 Время рассеяния, 10 -12 с 1, 1 3, 8 Время релаксации фазы , 10 -12 с 5, 7 18 Коэффициент диффузии D, 103 см 2/с 0, 52 1, 45 Средняя длина свободного пробега при упругом рассеянии le, нм 107 1050 Средняя длина свободного пробега при неупругом рассеянии lin, нм 5000 Длина фазовой когерентности l , нм 540 1620 Эффективная масса, m 0 0, 19 0, 067 Время релаксации спина, пс 5– 80
Универсальная баллистическая проводимость (universal ballistic conductance) I = ( 1 – 2)ev(dn/d ) dn/d = 1/ ħv (для 2 спинов) ( 1 – 2) = e(V 1 – V 2) 1 2 G = I/(V 1 – V 2) G = e 2/ ħ = 2 e 2/h = 38, 740 мк. См, h/e 2 = 25, 812807 к. Ом
Квантовый точечный контакт (quantum point contact) G = N(2 e 2/h)
1. 1. 3. Туннелирование носителей заряда (tunneling of charge carriers)*
Прозрачность туннельного барьера x 1, x 2 – turning points defined by U(x 1) = U(x 2) = E T r a n s m i s s i o n T(E) Надбарьерное прохождение электронов 1 barrier for classical particles 0. 5 symmetric rectangular barrier d-function barrier 0 0 1 2 R e d u c e d e n e r g y E/U 0
1. 1. 4. Спиновые эффекты (spin effects)* x Спиновая поляризация электронов проводимости Материал Co Fe Ni Ni 80 Fe 20* Co. Fe Ni. Mn. Sb Cr. O 2 Поляризация, % 42 46 46 45 47 58 90
Фундаментальные явления quantum confinement nanoelectronics ballistic transport spin effects tunneling
1. 2. Элементы низкоразмерных структур. 1. 2. 1. Свободная поверхность и межфазные границы (free surface and interfaces) Реконструкция поверхности (surface reconstruction) нереконструированная поверхность
Адсорбция/десорбция (adsorption/desorption) molecular hydrogen on silicon
РОЛЬ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗРАБОТКАХ
1. 2. 2. Сверхрешетки (superlattices) film material strained superlattice relaxed superlattice substrate material substrate
Конструирование сверхрешеток из полупроводников правило Вегарда: a(x) = xa 1 + (1 - x)a 2
Псевдоморфные сверхрешетки (pseudomorphic superlattices) Al. As Ga. As 4 nm 5 nm
Напряженная сверхрешетка (strained superlattice)
1. 2. 3. Моделирование атомных конфигураций (simulation of atomic configurations) Молекулярная динамика (molecular dynamics) y rji rj ri 0 x Потенциалы межатомного парного взаимодействия φji = ε[(r 0/rji)12 – 2(r 0/rji)6 ] - Lennard-Jones potential φji = Aexp(-arji) + Bexp(‑brji) - Morse potential φji = Aexp(-arji) - Born-Mayer potential …
Молекулярная механика (molecular mechanics) y rji rj ri 0 x
Моделирование методом молекулярной динамики заполнения водой пор гидрофобного материала 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.
1. 3. Структуры с квантовым ограничением . внутренним электрическим полем 1. 3. 1. Квантовые колодцы (quantum wells)* Правило Андерсона (Anderson rule) DEc = Ec. B – Ec. A = c. A – c. B DEv = Eg. B – Eg. A – DEc R. L. Anderson, Germanium-gallium arsenide heterojunction, IBM J. Res. Dev. 4(3), 283 -287 (1960).
Периодические квантовые колодцы (multiquantum wells) Тип IIА пространственно прямозонный пространственно непрямозонный Тип IIВ
1. 3. 2. Модуляционно-легированные структуры (modulation-doped structures)* semiconductor A semiconductor B Ec EF T = 0 K DEc EF x T > 0 K 2 DEG E Ec EF E 1 x DEc Ec EF
1. 3. 3. Дельта-легированные структуры (delta-doped structures)* delta
1. 4. Структуры с квантовым ограничением . внешним электрическим полем 1. 4. 1. Структуры металл/диэлектрик/полупроводник (metal/insulator/semiconductor structures)*
1. 4. 2. Структуры с расщепленным затвором (split-gate structures)*
Квантовые точки в структурах с расщепленным затвором (split-gate defined quantum dots)
Скачать презентацию НАНОЭЛЕКТРОНИКА профессор Борисенко Виктор Евгеньевич Лекции — 32
1 fundamentals short.ppt