Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Особенностинаноэлектронных приборовКвантоворазмерные структуры. Коротко остановимся на описании основных квантовых явлений в наноразмерных структурах, относящихся к объектам, физические свойства которыхопределяются квантоворазмерными эффекrами, поскольку в рассматриваемом случае роль характерного физического параметра играет дебройлевская длина волны Ад. Если геометрическийразмер структуры соизмерим или меньше Ад, то проявляютсяэффекrы размерноrо квантования, в частности возникают дискретныеэнергетическиеспектрыэлектронов,причемположениекаждого из квантовых уровней зависит от свойств материала иего геометрических размеров[ 43].Если движение электрона в твердом теле ограничено по однойкоординате (размерность2D -свободное движение по двум координатам), то такие структуры называются квантовыми ямами, аэлектронный газ в них можно считать двумерным. При ограничении движения по двум координатам (размерностьlD -одна координата) структуры называются квантовыми нитями.
При размерностиOD (движение электрона ограниченопо всем трем координатам)структуры именуются квантовыми точками.Для полупроводниковых материалов заметный интерес представляют не только одиночные структуры типа квантовых ям, но иих последовательность, для которой электронные волновые функции электрона не проникают из одной ямы в другую. Характеристики такой структуры, состоящей из многих ям, имеют ярко выраженный резонансный характер, что важно для увеличения поглощения квантовыми структурами или числа активных центров.При перекрытии квантовых ям волновыми функциями электронов электроны имеют возможность туннелировать из однойямы в другую и структура будет вести себя как единое целое, такая структура называется сверхрешеткой, представляющей систе-280Раздел2.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫму взаимодействующих квантовых ям. Свойствами одномернойсверхрешетки, состоящей из квантовых.
ям Шириной а, разделенных потенциальным барьером шириной Ь и высотой И, можно управлять варьированием параметров ямы и периода сверхрешетки А= а+ Ь. Поведение электрона в такой сверхрешеткеподобно перемещению его в одномерном кристалле с периодомрешетки А.'Полупроводники наиболее подходят для наблюдения квантоворазмерных эффектов, поскольку длины дебройлевских волндляэлектронов невырожденногополупроводника при комнатной температуре имеют порядок в десятки нанометров, что достаточно для наблюдения интерференционных. эффектов.
Крометого, технология полупроводников~х материалов и структур позволяет выращивать структуры с точностью до одного молекулярного слоя,повторяя наращивание много раз. Указанныесвойс~ва полупроводников и структур на их основе делают их основными объектами для использования в наноэлектронике.В качестве примера структур, где формируются квантовыеямы и барьеры, через которые перемещается двумерный электронный газ, могут выступать пленочные структуры, МДП-структуры и гетероструктуры. В МДП-структуре потенциальный барьер формируется с одной стороны границей диэлектрика, где образуется контактная разность потенциаловс полупроводником,сдругой стороны роль второй граничной стенки выполняет электростатический потенциал на границе инверсного и обедненногослоев полупроводника (см. п.6.2).
Изменением напряжения на затворе можно регулировать параметры потенциальной ямы, т. е.уровни энергии размерного квантования.Потенциальная яма формируется на границе гетероперехода(см. п.2. 7)за счет разрывов зоны проводимости для электронови валентной зоны для дырок. Реализовать квантовую яму, близкую к прямоугольной, наиболее просто с помощью двойной гетероструктуры (см. п.21.2).Тонкий; слой узкозонного полупроводника, располагаемого между двумя широкозонными, представляет собой прямоугольную квантовую яму, в которой движениеносителей в плоскости (например, ХУ) происходит без ограничений, а в направленииZ,перпендикулярном гетерограницам, этодвижение ограничено, вследствие чего и возникает дискретныйэнергетический спектр.В структурах, где движение электрона ограничено по двумкоординатам (квантовые нити), формируются двумерные по-·Глава10.Наноэлектроника и функциональная электроника281тенциальные .ямы, что приводит к соответствующему квантованию энергии электрона.При ограничении движения электрона по трем направлениям (координатам) свободное движение электрона невозможно иструктура называете.я, как отмечалось выше, квантовой точкой сразмерностью О.
Электроны заперты в трехмерной потенциальной .яме и в соответствии с этим условием происходит квантование ихэнергии.Дискретныйспектр разрешенных значенийэнергии такой квантоворазмерной структуры подобен спектруатомов и молекул, т. е. квантовые точки представляют собой искусственные атомы, в которых, в отличие от естественных, можно изменять и формировать энергетический спектр с помощьюизменения параметров трехмерной потенциальной .ямы. :Квантовые точки можно сформировать за счет самоорганизации приэпитаксиальном выр~щивании структур с различными параметрами решетки. При монослойном эпитаксиальном наращиванииарсенида индия(lnAs)из твердого раствора(ln 1 _xGaxAs)при определенных технологических условиях возможно образованиекак отдельных неупорядоченных квантовых точек, так и их определенное упор.ядочиван:Ие. Поперечные размеры таких квантовых точек составляют единицы и десятки нанометров. Границамежду указанными материалами должна быть резкой и высокогокачества, чтобы происходили интерференционные эффекты, определяющие квантование энергетических уровней.Таким образом, в квантовых .ямах происходит ограничениедвижения электроноn по одной координате за счет формированияпо этому направлению потенциального барьера; в квантовых нитях потенциальные барьеры существуют по двум координатам,поэтому свобода движения остается только по одной :координатеи, наконец, в квантовых точках наличие трехмерных потенциальных барьеров ограничивает движение электронов по всем тремкоординатам.
Движение электронов в области потенциальныхбарьеров (и .ям), сопоставимых по размерам с длиной волны деБройля, приводит к квантованию энергии электронов, т. е. квантоворазмерные структуры формируют уровни, минизоны и подзоны размерного квантования, что в конечном счете используете.ядля увеличения быстродействия наноэлектронных приборов. Рассмотренныеквантоворазмерныеструктурывнаноэлектронныхприборах создаются различными методами, некоторые из которых будут рассмотрены на примере конкретных устройств.282Раздел2.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫТипы и характеристики наноэлектронных приборов.
Полевыетранзисторы. Новые эффекты,реализуемые внаноэлектронных приборах, nозволяют создавать приборы нового поколения. В2004г. фирмаIntelвыnустила на рынок МДП-нанотранзистор первого поколения с размером затвора в50нм, кпланируется создать транзистор с шириной затвора до2015 г.20 нм,что позволит достигнуть плотности упаковки элементов в ИС до109 транзисторов/см 2 при быстродействии 30".40 ГГц (рис. 10.1).Уменьшение элементов транзистора (длины канала, толщиныканала и подложки) приводит к квантованию энергии электрона в канале, что увеличивает скорость переноса и величину туннельного тока.
Помимо этого, подвижность носителей в каналеи, следовательно, быстродействие могут быть увеличены за счетнебольшого принудительного растяжения кристаллической решетки кремния (примерно на1 % ).Для создания в кремнии механического напряжения его связывают с кремний-германиевымсплавом, имеющим несколько больший шаг кристаллической решетки. Чтобы получить бездефектные nодложки и слои, используют новые подходы в КПД-технологии (технологии «кремнийг-Pentium1г11о: ";'о:1==~о 11:!...
!5...;.:;о:1"'Е-- о:1:rо";'1010,1510 ОООо1000=... =~ §'~ t~100:s:о"'100:i...о:1=~= :;::s:~i:>.1011000о:1100о:110:s: i:>.s~..."'Пг-PentiumIII: г Pentium IV----L-~-L--------------------------11 111 11----г-~-~---------~------1-----11 1111------+-------J.-------+----------L- 11111:--г-~-L------+------~-------+-----11 11111 1111\1 \1.11----L-~-~------т------~------4-----:1:::1::::----г-~-~------т-----11 11----t-~-г-----~аi:>.Pentium11---4-----1:-----1------1------:::11111111111111:::::111----1_L------+-------+------J _____ _====[=j=t======t======~======i======----~-~-1111------+------4------4------111----L-~-L------+-------+---199520002005Рис.10.120102015ГодГлава10.Наноэлектроника и функциональная электроникана-диэлектрике») (см.
гл.283Одним из перспективных способов7).считается следующий: сначала формируется изолирующий слойоксида непосредственно на поверхности кремниевой положки, затем пластину переворачивают окисленной поверхностью вниз инакладывают на необработанную подложку, после чего большуючасть оказавшегося сверху кремния аккуратно удаляют. В результате остается тонкий слой кремния над изолирующей прослойкой оксида, лежащего на массивной подложке, обеспечивающей механическую прочность. Для такого формированияслоев используют методSmart-Cut,при котором окисленнуюповерхность первой подложки бомбардируют ионами водорода.Поскольку ионы водорода повреждают материал (создают дефекты) в основном в момент остановки, то внутри кремния образуется очень хрупкий слой. После соединения обработаннойподложкисмассивнойкремниевойпластинкойееверхняячасть легко откалывается.
Остаточную шероховатость на оставшемся кремнии полируют, в результате формируется более тонкий слой кремния на оксиде.В многослойных структурах механизм туннелирования носит резонансный характер, при котором туннельный переходчерез. несколько (систему) потенциальных барьеров возможентолько при определенной энергии электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
