Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика), страница 2

Уткина Елена Апполииарьевна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории технологических процессов микроэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Получила образование на химическом факультете Белорусского государственного университета со специализацией «Химия полупроводников», Автор более 60 научных публикаций н двух учебных пособий. Область научных интересов — закономерности электрохимических процессов на поверхности металлических и полупроводниковых материалов при их анодной и катодной обработке в жидких средах, разработка злектрохимических технологических процессов для микро- и наноэлектроники.

ВВЕДЕНИЕ Четыре года, прошедшие после выхода первого издания этой книги, отмечены стремительным развитием нанонаукн и нанотехнологий. Все возрастающая значимость этих направлений в развитии науки наглядно продемонстрирована присуждением в 2010 г. Нобелевской премии по физике работающим в Великобритании российским ученым А. Гейму и К. Новоселову за экспериментальное получение уникального по своим свойствам углеродного материала с естественным наноструктурированием — графена. По мнению специалистов этот материал и изготовленные на его основе сверх- миниатюрные электронные, оптические и магнитные приборы, состоящие из десятков и сотен атомов, призваны если не заменить полностью, то по крайней мере существенно расширить возможности современной кремниевой электроники.

И это не последнее впечатляющее достижение в области исследования наноструктур и разработки нанотехнологий', что в полной мере касается и нано- электроники. Наноэлектропика (папое1есптзптсл)' — область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты. Типичные размеры элементов, с которыми имеет дело наноэлектроника — от единиц до сотен нанометров.

Следует различать понятия «наноразмерные структуры» и «низкоразмерные структуры». В первом случае главным признаком является линейный размер структуры, который хотя бы в одном направлении должен соответствовать нанометровому диапазону. Нвзггоразмерпыми спгрукзпурами (!он-тггпгеплгопа! лггъсгигел) Приставка «нано-» обозначает одну миллиардную долю той единицы нзмерення, перед которой она поставлена. Так, адин нанометр равен одной мнллнардной доле метра, т.е. ! нм = !О зм. Злесь н палее основные русскоязычные термины сопровожлаются нх англоязычными эквивалентами, что призвано облегчить последующее чтение н поннманне оригинальных публикаций на английском языке. Введение называют структуры, у которых, по крайней мере, один размер равен нулю. Такое определение носит, конечно, условный характер, поскольку реальный физический мир состоит из трехмерных объектов. Например, толщина сконструированной из атомов плоскости равна не нулю, а диаметру одного атома, что составляет около ГВ 'е м.

Нужно понимать: двумерные, одномерные и нульмерные структуры не являются таковыми в строгом геометрическом смысле, а называются так лишь потому, что их размер в одном, двух или трех линейных направлениях меньше определенного «критического» значения, ниже которого физические свойства структуры в этом направлении (направлениях) становятся существенно отличными от свойств объемного (трехмерного) материала, из которого данная структура изготовлена. В твердотельных структурах это размеры порядка нанометра. В научной и технической литературе наноразмерные структуры часто называют наноструюпурален (напозптвсгнеез).

Квантово-механические явления в них являются доминирующими, что и определяет их специфические электронные, оптические, магнитные и другие свойства. В первой главе данного учебника рассмотрены фундаментальные физические эффекты, имеющие место в наноструктурах и обусловленные их пониженной мерностью. Дана классификация элементарных и комбинированных низкоразмерных структур. Описаны подходы, позволяющие формировать такие структуры в полупроводниках. Развитию нанотехнологий во многом способствовало постоянное совершенствование традиционных методов изготовления полупроводниковых приборов, таких как химическое осаждение из газовой фазы, молекулярно-лучевая эпитаксия и электронно-лучевая литография.

Кроме того применение сканирующих атомарно острых зондов и саморегулирующихся процессов значительно расширило возможности создания твердотельных наноструктур. Нанотехнологические приемы постоянно совершенствуются, появляются все новые и новые методы. Во второй главе основное внимание уделено методам, уже прошедшим экспериментальную проверку и использующимся достаточно широко. Описаны и некоторые подходы, которые хоть и кажутся сегодня «экзотическими», завтра вполне могут превратиться в коммерческие. Третья глава посвящена особенностям транспорта (переноса) носителей заряда в низкоразмерных структурах.

Главный акцент сделан на то, что размеры наноструктур сравнимы с длиной свободного пробега электронов или дырок. Это приводит к свободному перемещению носителей через наноструктуру без рассеяния на гв Введение дефектах, примесях и фононах. Так как фазы невзаимодействующих электронных волн сохраняются на всем пути их следования, то весьма естественно ожидать интерференции электронных волн. Кроме того, в наноструктурах нарушается большинство предположений, на которых основано использование уравнения Больцмана для описания переноса носителей заряда. Транспорт носителей заряда, обусловленный, с одной стороны, волновой природой электрона (волнам свойственна непрерывность), а с другой дискретностью переносимого им заряда, рассматривается как квантовый режим переноса.

Он принципиально отличается от классического режима, в котором длина свободного пробега электронов намного меньше размеров структуры, в которой они находятся, а сами электроны считаются классическими частицами. На транспорт носителей заряда накладывает свой отпечаток и специфическая для низкоразмерных структур дискретность разрешенных энергетических состояний. В этой главе приведены примеры электронных приборов, основанных на рассматриваемых явлениях и эффектах. Каждая тема в названных частях учебника завершается вопросами для самопроверки и закрепления рассмотренного теоретического материала.

В разделе «Практикум» собраны задачи, полезные для практического освоения дисциплины. Вспомогательные материалы, включающие рекомендуемую дополнительную литературу, краткий обзор о Нобелевских лауреатах и словарь терминов даны в Приложениях. При представлении материала использованы термины, основные понятия и определения из энциклопедического справочника по нанонауке и нанотехнологиям — Ч. Е. Вопзеп)со, 3. ОЫс(п1, В%аг и 1»'йаг и гне Иапо»еогЫ (%11еу-ЧСН, Чее)ппе)ш, 2012) и материалы ранее вышедшего учебного пособия В.

Е. Борисенко, А. И. Воробьева, Е. А. Уткина, Наноэлектроника (Бином. Лаборатория знаний, Москва, 2009). Авторы выражают признательность Ф. Ф. Комарову, С. К. Лаза- руку, Д. Б. Мигасу, Л. А. Опенову, Л. Н. Патрикееву, А. А. Позняку, Г. П. Яблонскому за полезное критическое обсуждение материалов, вошедших в данный учебник, и конструктивные предложения по его совершенствованию. Надеемся, что приведенные в книге материалы позволят читателю овладеть физическими и технологическими основами наноэлектроники и использовать их для дальнейшего развития этого перспективного направления. ГЛАВА ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Наноэлектроника, как самостоятельная область науки и техники, сформировалась во второй половине ХХ века.

В ее основу легли последние достижения физики конденсированного состояния, квантовой механики, физики низкоразмерных систем, квантовой химии, а также технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. В историческом ракурсе главные вехи формирования этих основ и их последующее практическое воплощение можно проследить по содержанию научных исследований и разработок, удостоенных Нобелевских премий по физике и химии. В кратком изложении они даны в разделе «Нобелевские лауреаты: история познания наномира», помещенном в Приложения. В данной главе учебника представлены основные группы квантово-механических явлений, определяющих закономерности функционирования наноэлектронных приборов, типы и особенности твердотельных структур, из которых конструируются эти приборы.

1.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ Поведение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в низкоразмерных структурах определяют три группы фундаментальных явлений: квантовое ограничение, баллистический транспорт и квантовая интерференция, а также туп пел ирование (рис.