Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Для подвижных носителей образуется Ч-образный квантовый колодец с пространственным распределением потенциала 1д Структуры е квантовым ог качением, падаваемым внутренним ноева 59 где величина Ц, задает энергетическую глубину квантового колодца и определяется из условия Ц = б,„ег Параметр а характеризует ширину колодца на уровне 0,5 Уе. Энергетические состояния в колодце квантуются в соответствии с эффектом квантового ограничения, что приводит к образованию двумерных подзон, которые н заполняются электронами вплоть до высоких концентраций. Число разрешенных значений энергии, помещающихся в колодце, ограничено соотношением (1.3.8) и( — 1+1+ 22 Одним из примеров дельта-легированных структур является структура, содержащая моноатомный слой кремния, нанесенный на монокристалл ОаАл и затем покрытый эпитаксиальным слоем ОаАа.
Донорные атомы кремния, хотя и перераспределяются вследствие диффузии, остаются в окрестности исходного моноатомного слоя. Область квантового ограничения для электронов составляет до 10 нм. Слоевая концентрация электронов в образовавшемся двумерном электронном газе достигает высоких значений (вплоть до 10гв см ~), но ценой уменьшения их подвижности.
Структуры, состоящие из периодически расположенных дельта-легированных слоев с и-типом и р-типом проводимости в материале с собственной проводимостью (1) известны как и-Г-р-~'-структуры. Когда концентрация доноров в н-слое равна концентрации акцепторов в р-слое, свободные носители заряда не имеют возможности двигаться в равновесных условиях. Неравновесные же носители заряда, генерируемые, например, светом, оказываются разделенными внутренним электрическим полем. Их заряд изменяет энергетическую зонную диаграмму точно так же, как это происходит в случае равновесных носителей заряда.
Такой же эффект достигается приложением внешнего смешения к и- и р-слоям. Все это дает возможность эффективно управлять энергетической диаграммой структуры, что важно для определенных приборных применений. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Как сформировать квантовый колодец из полупроводниковых материалов? 2. Что такое сродство к электрону? Гл а в а 1. Физические основы иаиозлектроники бв 3.
Что такое работа выхода? 4. Как формулируется правило Андерсона? 5. Каковы основные особенности энергетических зон в периодических квантовых колодцах типа! н типа П? б. Где локализуются подвижные носители заряла (электроны н дырки) в периодических квантовых колодцах типа ! н типа П? 7. Что такое модуляцнонно-легнрованная структура? 8. Что такое дельта-легированная структура? 1.4. СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ, СОЗДАВАЕМЫМ ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ Электрическое смещение полупроводниковых структур внешним потенциалом, приложенным через металлический затвор, широко используется для управления потенциальными барьерами на границах металл/полупроводник и полупроводник/диэлектрик.
Соответствующий выбор полярности внешнего потенциала позволяет формировать в полупроводнике области, обогащенные или обедненные носителями заряда у этих границ. Размер таких областей существенно зависит от величины приложенного напряжения. Электроны или дырки в них могут испытывать квантовое ограничение. Эти структуры по сути являются злектростатически индуцированными наноразмерными структурами. Рассмотрим некоторые из них. 1.4.1.
Структуры металл/диэлектрик/полупроводник Движение электронов в одном направлении может быть легко ограничено в обычных структурах метал/оксид/полупроводник (МОП) полевого транзистора, как это показано на рис. 1.17. Для этого наилучшим образом подходит кремниевый полевой транзистор. В МОП-структуре монокристаллическая кремниевая подложка р-типа проводимости, слой В10з на ней и верхний металлический электрод, называемый затвором, образуют параллельные обкладки конденсатора. Положительное смешение, приложенное к затвору, отделенному от полупроводника диэлектрическим слоем, притягивает электроны, обедняя таким образом приграничный слой полупроводника дырками. По мере увеличения внешнего приложенного напряжения образуется тонкий инверсионный слой, обогащенный электронами, 1.4. Ст уктуры с квантовым о нинением, создаваемым внешним наеем бг и Мо~алл Оксид Голух (;;О ) проводник (зо Рис.
1.17. Структура полового транзистора магалл/оксил/полупроводник и его энергетическая диаграмма, иллюстрирующая образование в нем двумерного электронного газа что приводит к искривлению энергетических зон в области полупроводника, граничащей с диэлектриком. Инверсионный слой играет роль квантового колодцд для электронов. Потенциальные стенки этого колодца образованы с одной стороны границей диэлектрик/полупроводник, а с другой — электрическим полем, прижимающим электроны к этой границе. Из-за малой ширины колодца в нем формируется двумерный электронный газ. Поскольку общий индуцированный заряд определяется величиной напряжения на затворе, то число электронов в двумерном газе легко регулируется внешним приложенным напряжением.
В кремнии слоеная концентрация электронов достигает 10'з см з, а их подвижность находится в пределах 1О' — 104 см'/(В с). Следует отметить две важных особенности двумерного электронного газа, формирующегося в МОП-структурах полевого транзистора. Во-первых, ширина образующегося квантового колодца в таких структурах зависит от величины приложенного напряжения, следовательно, и энергетический зазор между квантованными уровнями в колодце определяется этим же напряжением. Во-вторых, только один тип носителей заряда может быть подвержен эффекту квантового ограничения. В рассмотренном примере это были электроны. Для другого типа носителей заряда потенциальный барьер отсутствует, и их энергетический спектр остается неизменным.
1.4.2. Структуры с расщепленным затвором Электростатический подход применяют также для того, чтобы «вырезатьв квантовые шнуры и квантовые точки из двумерного электронного газа, образующегося, например, при модуляционном Гл а в а 1. Физические основы наноэлектроники 62 легировании и дельта-легировании. Для этого используют структуры с раси(ииликиахм затао1вам (вр(гу Кауе). Принцип их действия схематически показан на рис. 1.18. Рис. 1.18.
Структура с расщепленным затвором, обеспечивающая формирование одномерных и нульмерных элементов в скрьпом слое двумерного электронного газа Металлические электроды затвора наносят на поверхность полупроводника со скрытым слоем двумерного электронного газа. При подаче на них внешнего отрицательного смещения находящаяся под ними область полупроводника обедняется электронами. Свободные электроны остаются только в узкой области, не подверженной воздействию электрического поля под затвором.
Увеличение обратного смещения приводит к расширению обедненной электронами области в окрестности расщепленных электродов, что дает возможность управлять геометрией индуцированной таким образом низкоразмерной структуры в пределах одного и того же прибора. Конструируя расщепленные электроды соответствующим образом, можно сформировать одномерные (полосковыми электродами) или нульмерные (кольцевыми электродами) структуры. Применение расщепленных электродов наиболее эффективно в модуляционно-легированных структурах и менее эффективно в Рис. 1.19.
Поверхностная топология структуры с расгдепленным затвором лля формирования юмнтовых точек. Фото любезно предоставлено доктором С. Людвигом Д4. Ст кт ы с квантовым ог ничением, соэдаваемым внешним исаем 63 дельта-легированных образцах. Это связано с тем, что для обеднения областей, имеющих высокую слоевую концентрацию электронов (больше 10н см з), необходимо прикладывать напряжения, которые превышают напряжение пробоя барьера Шотгки на границе металл/полупроводник. Пример реальной структуры с расщепленным затвором показан на рис.
1.19. Несмотря на субмикронные размеры затворов, за счет приложения соответствующего внешнего напряжения к ним в нижележащей квантовой пленке удается электростатически «вырезать» квантовые точки нанометровых размеров. ВООРОсы для сдай Оп РОВ ВРки 1. Где в МОП-структуре возможно формирование области с двумерным электронным газом? 2.
Чем можно регулировать толщину области с двумерным электронным газом в МОП-структуре? 3. Что такое структура с расщепленным затвором? 4. Какую топологию должен иметь металлический расщепленный затвор, чтобы «вырезать» из нижележащей области полупроводника с двумерным электронным газом квантовую точку, квантовый шнур, квантовый точечный контакт? глава МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР Формирование наноразмерных структур для электроники осуществляется как с использованием традиционных микроэлектронных технологий, так и нанотехнологий.
Нанотехнологвя (папогесйпо1оау) — совокупность методов и средств, обеспечивающих создание контролируемым образом структур с размерами хотя бы водном направлении менее 100 им (! нм = 10 ~ м), атакже материалов и функциональных систем на их основе. Воссоздать точную историю возникновения нанотехнологий крайне сложно, поскольку человечество всегда пыталось экспериментировать с технологиями получения материалов, порой даже не подозревая о проникновении в мир наночастиц.
Так, древние персы и египтяне использовали наночастицы для создания красителей еще несколько тысячелетий назад. Подтверждением этому могут служить артефакты древнего мира, хранящиеся в музеях. Глазурь на гончарных изделиях, изготовленных в этот период, содержит наночастицы (частицы нанометрового размера) металлов, которые и обеспечивают ее определенный цвет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
