Добавить в коллекции Добавить в сохраненное
  1. Инженерия
  2. Электротехника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО– МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

реклама 
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО СЕВЕРО–КАВКАЗСКИЙ ГОРНО–
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Факультет электронной техники
Кафедра электронных приборов
А.В. ШИРЯЕВ
ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«НАНОСТРУКТУРЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ»
для направления подготовки 210100.68
«Электроника и наноэлектроника»
2014 г.
ЛЕКЦИЯ 1
Введение. Предпосылки перехода от микро – к наноэлектронике
Миниатюризация и микроминиатюризация компонентов электронной
техники привела к миниатюризации электронной аппаратуры в целом.
Общепризнанна
классификация
электровакуумные,
компонентов,
газоразрядные
и
подразделяющихся
полупроводниковые
на
приборы,
интегральные полупроводниковые микросхемы, гибридные интегральные
микросхемы, пассивные компоненты, микропроцессоры, функциональные
компоненты и др.
Основой современной информационной техники стали интегральные
микросхемы,
микропроцессоры,
запоминающие
устройства.
Технологические и экономические факторы стали причиной роста степени
интеграции и снижения размеров элементов в интегральных микросхемах
(ИМС). Появление больших (БИС), сверхбольших (СБИС) и ультрабольших
(УБИС) интегральных микросхем стало возможным благодаря росту степени
интеграции входящих в них элементов, технология создания которых
потребовала введения такого понятия, как объекты наноинженерии. При этом
технологические процессы, включающие диффузию, окисление, эпитаксию;
осаждение
из
газовой
фазы;
термическое
вакуумное,
катодное,
высокочастотное и магнетронное напыление; сборку и герметизацию
микросхем и т. д. – вплоть до функционального контроля микросхем – не
только остаются основой, но и трансформируются в более сложные методы
формирования наноразмерных структур. Особенно отчетливо влияние
применяемых традиционных технологий заметно на одном из ключевых
процессов в достижении предельно возможных размеров – литографии.
Перспективными методами литографии для производства структур с
наноразмерными элементами (получение рисунка рабочих элементов
покрытий) стали не только фотолитография в глубоком и экстремальном
ультрафиолете, но и рентгенолитография и электронно–лучевая литография.
Потребовались специальные источники ультрафиолетового и рентгеновского
2
излучения, разработка новых материалов, таких как электронорезисты,
рентгенорезисты и рентгеношаблоны. С учетом факторов, определяющих
разрешающую
способность
и
трудоемкость
процесса,
изменилась
организация процесса экспонирования.
Микроэлектроника стимулировала самые существенные разработки в
области наноэлектроники не столько своими успехами, сколько трудностями,
возникающими
при
уменьшении
микроэлектронных
элементов
и
приближении к физическому пределу миниатюризации полупроводниковых
ИМС.
Для преодоления этих трудностей потребовались глубокие физические
исследования электронных, оптических и магнитных свойств наноразмерных
объектов, а также процессов, с помощью которых можно создавать эти
объекты.
Многие научные и технические разработки, открывающие перспективы
создания
наноэлектронных
элементов,
функционирующих
на
новых
принципах, были бы трудно реализуемыми на практике, если бы не
сопровождались
разработками
соответствующей
исследовательской
и
технологической аппаратуры. К такой аппаратуре относятся прежде всего
сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно–
силовой микроскоп (АСМ).
Сканирующий туннельный микроскоп (1981) дает изображение
металлических и полупроводниковых поверхностей с атомным разрешением.
Он позволяет перемещать отдельные атомы вдоль поверхности, переносить
их и помещать в заданные точки, производить поштучную укладку атомов и
молекул, синтез и разложение отдельных молекул. Разработаны новые
методы
исследования
морфологии
поверхностей
и
распределения
физических свойств поверхностей с атомным разрешением, а также методы
локальной обработки и модификации поверхностей в масштабе единиц
нанометров.
Сканирующий
атомно–силовой
микроскоп
(1986)
–
это
многофункциональный инструмент. Он дает, как и СТМ, изображение
3
поверхностей с атомным разрешением. Используется для исследования
морфологии поверхностей, распределений приповерхностных силовых и
температурных полей, распределений физических свойств поверхностей и
для
исследования
поверхностных
процессов
(например,
травления).
Используется, как и СТМ, для локальных модификаций поверхностей в
нанометровом масштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультраплотной
записи информации и сверхчувствительных сенсоров.
Сканирующие зондовые микроскопы играют такую большую роль в
нанотехнологиях, что их называют глазами и пальцами нанотехнологий.
Наноэлектроника переживает в настоящее время такую же «болезнь
роста», какую микроэлектроника переживала в период с 1958 по 1970 г. Этот
период характеризовался жесткой конкурентной борьбой между разными
потенциально
перспективными
электроники.
К
ним
направлениями
относятся:
пленочная,
развития
интегральной
твердотельная,
ионная,
полупроводниковая, диэлектрическая, магнитная, сегнетоэлектрическая,
акустическая, оптическая и другие направления электроники. В результате
конкурентной
борьбы
были,
во–первых,
найдены
эффективные
компромиссные решения, во–вторых, наиболее перспективные отрасли
электроники нашли свои области применения. Компромиссом стало,
например, объединение пленочной и твердотельной электроники. Теперь
доминируют так называемые совмещенные ИМС. В этих ИМС некоторые
элементы (в основном пассивные и соединительные) изготовлены в
пленочном исполнении, а другие (активные) – в твердотельном. Опыт
показал, что конкурентную борьбу выдерживает та электроника, которая
допускает
создание
высокоэффективных
массовых
технологий,
обеспеченных ресурсами. Например, в микроэлектронике – это интегральная
твердотельная кремниевая электроника. Она может обеспечить любые
масштабы производства, так как кремний составляет около 30 % земной
коры.
Новые
технологии
построены
на
использовании
современных
достижений физики и химии в технологии производства: электронных,
4
ионных, атомных, лазерных, фотонных пучках, плазме (химически активной
плазме).
Создание, исследование, моделирование и эксплуатация наносистем,
наноматериалов и компонентов (элементной базы) наносистемной техники
построены на применении активных функциональных материалов, процессов
нанотехнологии и нанодиагностики.
С приближением размера структуры прибора к нанометровой области
проявляются квантовые свойства электронов. Этому явлению достаточно
подробно
посвящены
разделы,
описывающие
новый
класс
полупроводниковых приборов – органические светодиоды (OLED). Класс
полимеров, широко используемый в производстве компонентов электронной
техники, впервые стал использоваться как активный функциональный
материал, значение которого ставит его в один ряд с соединениями для
оптоэлектроники А3В5. Новые материалы, новые знания стали основой новых
нанотехнологий, обеспечивших переход от микро – к наноэлектронике.
Поэтому будущий специалист в области нанотехнологий должен знать:
– фундаментальные основы процессов синтеза, анализа и функционирования
механизмов и устройств микро– и наноэлектромеханических устройств и
систем;
– фундаментальные основы процессов синтеза, анализа и функционирования
наноматериалов и компонентов наносистемной техники;
–
физико-математические
и
физико–химические
модели
процессов
нанотехнологии и методов нанодиагностики;
– основные системотехнические решения при создании наноматериалов и
компонентов наносистемной техники, приборов, устройств, механизмов и
машин на их основе;
– типовые программные продукты, ориентированные на решение задач
моделирования наноматериалов и компонентов наносистемной техники,
управление процессами нанотехнологии, обработку результатов, полученных
методами нанодиагностики;
5
– базовые технологические процессы и оборудование, применяемые в
производстве наноматериалов и компонентов наносистемной техники;
– базовое контрольно–измерительное оборудование для метрологического
обеспечения исследований и промышленного производства наноматериалов
и компонентов наносистемной техники;
–
общие
правила
и
методы
наладки,
настройки
и
эксплуатации
технологического и контрольно–измерительного оборудования;
– основные виды нормативно–технической документации в области
технологии, стандартизации и сертификации наноматериалов и компонентов
наносистемной техники;
– эффективные направления применения наноматериалов, компонентов
наносистемной
техники,
процессов
нанотехнологии
и
методов
нанодиагностики.
Итак, магистр должен быть подготовлен к деятельности, требующей
углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе
к
научно
–
исследовательской
соответствующей
работе,
образовательной
а
при
условии
профессиональной
освоения
программы
педагогического профиля – к педагогической деятельности.
Магистру необходимо уметь:
• проводить теоретические и экспериментальные исследования с целью
модернизации или создания новых материалов, компонентов, процессов и
методов;
•
физико–математическое
разрабатываемых
материалов,
и
физико–химическое
компонентов
и
моделирование
процессов
с
целью
оптимизации их параметров;
• использовать типовые и разрабатывать новые программные продукты,
ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач в
рамках направления профессиональной деятельности.
Хорошо известные в электронике электроизоляционные составы при
достижении их структурными элементами наноразмеров под действием
поверхностной энергии подложки переходят в проводящее состояние.
6
Формирование
наноразмерных
токопроводящих
дорожек
с
использованием таких составов позволяет оперировать с отдельными
молекулами и создавать уникальные приборы наноэлектроники.
Постепенно
присоединения
решается
контактов
сложнейшая
к
задача
отдельным
создания
молекулам.
способов
Специалисты
предсказывают появление молекулярных компьютеров. Если каждый
транзистор будет состоять из одной молекулы, то процессор из 109 таких
транзисторов будет размером с песчинку. При этом производительность его
возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными, а
энергопотребление будет очень малым.
Разрабатываются вопросы применения молекулярной электроники,
возможности которой хорошо понятны специалистам в области органической
химии, синтезирующим вещества с заранее заданными свойствами. Такой
подход, по сути, и есть конструирование предельно малых по размеру
структур, где наилучшим образом реализуются принципы органического
химического синтеза, т. е. переход «от простых к сложным веществам».
Также представлены особые формы модификаций углерода от графена до
фуллеренов, область применения которых распространяется от прочных
композиций до новых полупроводниковых приборов.
Технические средства нанотехнологий
1. Два подхода к изготовлению структур в нанотехнологиях
Существует два основных подхода к изготовлению наноструктур,
которые условно называются технологиями «сверху вниз» и «снизу вверх».
В технологиях по принципу «сверху вниз» посредством химической,
механической или других видов обработки из объектов больших размеров
получают изделия намного меньшей величины. Пример – создание на
поверхности
кремниевой
литографическими
методами.
пластины
схемных
Разрешающая
7
элементов
способность
ИМС
литографии
непрерывно совершенствовалась в течение последних десятилетий и в
настоящее время приближается к 10 нм.
В технологиях по принципу «снизу вверх» производится сборка
макроструктуры из элементарных «кирпичиков» – атомов, молекул,
кластеров, нанотрубок, нанокристаллов. Эти элементы в процессе сборки или
самосборки должны укладываться в требуемом порядке. Пример –
поштучное перемещение и укладка атомов зондом СТМ. Однако сборка
макроскопического объекта поштучной укладкой атомов с помощью
сканирующего туннельного микроскопа или даже нанороботов в условиях
массового производства нереальна, это потребовало бы слишком большого
времени. Методами создания макрообъектов по принципу «снизу вверх»
должны стать управляемая самосборка и самоорганизация, когда атомы или
молекулы сами выстраиваются в заданном порядке, как это имеет место,
например, в биологических системах. Движущая сила самосборки – это
стремление
системы
к
минимуму
энергии.
Если
энергия
системы
уменьшается при соединении молекул друг с другом, то молекулы будут
соединяться. Если энергия системы уменьшается при переориентации
молекул, они будут переориентироваться без технологического воздействия
извне. Процессы самосборки идут под действием сил Ван–дер–Ваальса,
водородных связей, химических связей и других взаимодействий. Пример –
получение
счетного
упорядоченных
количества
массивов
монокристаллических
нанокристалликов
(квантовых
слоев
точек)
и
при
молекулярно–лучевой эпитаксии.
2. Молекулярно–лучевая эпитаксия (МЛЭ)
– промышленная
технология, которая широко применяется в современной электронике. В
настоящее время оптоэлектроника, СВЧ–техника, светотехника, электронная
техника для систем телекоммуникаций и связи работают в основном на
полупроводниковых гетероструктурах и наногетероструктурах.
МЛЭ
используется
главным
образом
для
получения
высококачественных тонких пленок и гетероструктур с нанометровыми
слоями на основе полупроводниковых соединений А3В5, А2В6, SiGe и ряда
8
других полупроводников. Наногетероструктуры обеспечивают наивысшие
скорости пролета электронов в приборных элементах, минимальные потери
энергии, возможность управления шириной запрещенной зоны.
Для
наногетероструктурных
приборов
необходимы
атомарная
гладкость границ слоев и достаточная резкость изменения состава на
границах. Технология МЛЭ дает возможность получать слои с такими
свойствами. Поэтому полупроводниковые наноструктуры производятся, в
основном, по технологии МЛЭ. В настоящее время МЛЭ используется для
получения не только плоских слоев, но и упорядоченных массивов
квантовых точек в системах на основе А3В5 и SiGe. Лазеры на массивах
квантовых точек в системах типа А3В5 уже производятся в промышленности.
Разрабатываются ИК–фотоприемники на квантовых точках в соединении
SiGe; прогнозируется их широкое применение.
В методе МЛЭ пучки атомов, являющихся компонентами растущего
соединения
(или
элементарного
полупроводника),
направляются
в
сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где и происходит синтез
соединения и рост эпитаксиального слоя. Источники пучков атомов –
испарительные ячейки, в каждой из которых содержится свой материал.
Испарительные ячейки называются также эффузионными ячейками Кнудсена
(эффузия – медленное истечение газа через малое отверстие).
Основные элементы ростовой камеры схематически показаны на рис. 1.
а)
б)
9
Рис. 1. Схема эпитаксиального наращивания (а) и общая схема ростовой
камеры (б)
Схема на рис. 1,а поясняет принцип эпитаксиального наращивания.
Здесь 1 – источник нагрева подложки 2; 4 – испарительные ячейки для
компонентов наращиваемого соединения (Ga, In, As, Р и т. д.); 5 – ячейки для
испарения легирующих элементов, определяющих тип проводимости и
величину электропроводности. I – зона генерации атомных пучков, II – зона
смешивания пучков, III – зона эпитаксиального роста.
Управляя температурами ячеек и подложки, можно получать слои
заданного состава. Состав можно менять после завершения формирования
любого слоя на подложке.
Пучок электронов из электронной пушки (см. устройство 5 на рис. 1,б)
с энергией 10–50 кэВ падает на исследуемую поверхность под углом 1–2°
(так называемый скользящий угол). В этих условиях электроны проникают в
глубину всего на несколько атомных слоев, т. е. полученная информация
относится только к поверхностному слою. Падающие на поверхность
электроны
испытывают
дифракционное
отражение
и
попадают
на
флуоресцентный экран (см. устройство 1 на рис. 1,б).
Основные достоинства технологии МЛЭ:
1. Возможность формирования атомарно–гладких границ слоев, что
принципиально важно для наногетероструктурных приборов.
2. Получение счетного количества завершенных слоев, начиная с одного
монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.
3. Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в
слоях.
4.
Возможность
создания
структур
со
сложным
распределением
концентрации основных и примесных элементов.
5. Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере (рис.1), что исключает
недопустимо высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоев.
10
6. Низкие температуры роста, что минимизирует диффузию в объеме,
размывающую границы между слоями.
7. Возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе
процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и
ячеек, компьютерное управление параметрами процесса.
Благодаря своим достоинствам, МЛЭ в настоящее время играет
главную роль в развитии технологии получения полупроводниковых
наногетероструктур.
3. Общие принципы сканирующей зондовой микроскопии.
Зондовые нанотехнологии
В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)
является одним из наиболее эффективных методов исследования атомной
структуры
и
локальных
свойств
поверхности.
СЗМ
основана
на
сканировании поверхности твердотельным зондом с тонким острием. Радиус
кривизны острия 10–20 нм, в некоторых устройствах может быть менее 10
нм. Расстояние от острия зонда до поверхности в различных устройствах и
при различных режимах работы изменяется в пределах 0,2–10 нм. Зонд
может взаимодействовать с поверхностью посредством туннельного тока,
теплообмена, межатомных, электрических или магнитных сил.
Перечисленные взаимодействия положены в основу функционирования
различных видов сканирующих зондовых микроскопов: туннельного,
атомно–силового, теплового, микроскопа на электростатических силах, на
магнитных силах и т. д. В каждом случае локальное взаимодействие
движущегося
зонда
с
поверхностью
сопровождается
специфическим
сигналом. По совокупности сигналов, полученных при сканировании,
создается изображение поверхности и одновременно может определяться
поверхностное
намагниченности,
распределение
исследуемой
электропроводности,
11
величины,
температуры,
например
напряженности
электрического или магнитного поля. Метод СЗМ обладает высокой
разрешающей способностью (вплоть до атомной).
С
другой
стороны,
разработаны
методы
направленного
и
контролируемого воздействия зонда на поверхность, например, посредством
сверхсильных электрических полей и сверхплотных токов в области острия,
локального
массопереноса,
наноиндентирования.
На
этих
локальных
химических
воздействиях
основан
реакций,
ряд
зондовых
нанотехнологий, в том числе локальная модификация поверхности,
нанолитография,
сверхплотная
запись
информации,
исследование
механических свойств вещества и другие. Нанолитография достигает своего
предельного разрешения, когда с помощью зонда производится перемещение
и позиционирование отдельных атомов.
Способы и приемы формирования, модификации и позиционирования
элементов нанометровых размеров на поверхности подложек при помощи
зондов с острием лежат в основе зондовых нанотехнологий. Современный
зондовый микроскоп позволяет реализовать до 50 различных методик
исследования и технологических операций. Зондовые технологии обладают
предельной локальностью, возможностью неповреждающего взаимодействия
с поверхностью при ее исследовании, визуализацией нанотехнологических
операций на поверхности.
Развитие традиционных методов литографии может привести к
созданию ИМС с элементами менее 10 нм. Развитие зондовых методов
открывает перспективы создания элементов на основе отдельных атомов и
молекул. Недостатком всех зондовых технологий является пока их низкая
производительность.
Зондовые методы исследования и нанотехнологий применяются в
диагностике
полупроводниковых
структур,
исследовании
процессов
эпитаксиального роста, сверхчувствительной сенсорике, медицине, биологии
и т. д.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп
12
Сканирующий атомно–силовой микроскоп (АСМ) впервые был
сконструирован Г. Биннингом (одним из авторов сканирующего туннельного
микроскопа (СТМ)) и его сотрудниками в 1986 г. АСМ, как и СТМ, является
сканирующим зондовым микроскопом. Уже при разработке СТМ стало
очевидным, что между зондом, близко расположенным к поверхности, и
поверхностью действуют относительно большие силы. В АСМ силовое
взаимодействие зонда с поверхностью используется для получения сигнала.
В принципе, зондовый атомно–силовой микроскоп может работать на основе
любых взаимодействий – межатомных, электрических, магнитных, тепловых
и др. В настоящее время существует несколько разновидностей АСМ,
работающих
на
основе
различных
взаимодействий.
В
наиболее
распространенных АСМ используются межатомные силы притяжения и
отталкивания. Далее рассматривается именно этот вариант АСМ. Для АСМ
на межатомных силах проводимость подложки роли не играет, и можно
осуществлять измерения не только на проводящих материалах, но также на
диэлектриках, органических и биологических материалах. Поэтому АСМ
более универсален, чем СТМ, и находит более широкое применение как в
различных исследованиях, так и в нанотехнологиях.
Принцип работы АСМ поясняется на рис. 2.
а)
б)
Рис. 2. Схема зондового датчика АСМ и оптической регистрации изгиба
кантилевера (а). Зависимость силы межатомного взаимодействия от
расстояния z между зондом и поверхностью (б)
Поверхность образца 1 (рис.2,а) сканируется зондом 2. Зонд крепится
на очень чувствительной к деформациям консоли 3, которую называют
13
кантилевером; основание кантилевера 4 скреплено с трехкоординатным
пьезосканером. Используются три режима работы кантилевера: контактный,
бесконтактный, полуконтактный.
Контактный режим. На рис. 2,б представлена кривая зависимости
межатомной силы от расстояния Z между острием зонда и поверхностью.
При сближении острия зонда и поверхности между ними возникает
притяжение, сила притяжения возрастает с уменьшением расстояния
(область 2 на рис. 2,б). На некотором расстоянии электронные облака атомов
начинают перекрываться, сила электростатического отталкивания облаков
при сближении нарастает экспоненциально и ослабляет силу притяжения. На
расстоянии Z0 ~ 0,2–0,4 нм описанные две силы уравниваются. Когда
суммарная сила становится положительной, т. е. отталкивающей, это
означает, что атомы вступили в контакт (область 1 на рис. 2,б). При
дальнейшем сближении сила отталкивания нарастает столь быстро, что будет
уравновешивать практически любую силу, направленную на сближение.
Если прижимать зонд к образцу упругой силой кантилевера, то он станет
изгибаться. При большом усилии будет также деформироваться поверхность
образца, но расстояние между острием и поверхностью не изменится. Такое
расстояние можно называть контактным. Оно примерно равно Z0.
При работе в контактном режиме используются силы отталкивания. В
равновесии
сила
отталкивания
компенсируется
двумя
силами,
прижимающими зонд к поверхности. Во–первых, это упругая сила
кантилевера. Во–вторых, в атмосферных условиях между зондом и
поверхностью образуется водяной мениск и появляется капиллярная сила,
которая является силой притяжения. Суммарная величина этих сил
составляет 10–7–10–9 Н. Как показывает опыт, такая сила вызывает
деформацию, поддающуюся
измерению. Например, для
пружины с
жесткостью 1 Н/м удлинение составило бы 1–100 нм соответственно.
В контактном режиме обеспечивается постоянство силы, действующей
на зонд. При этом оператором задается определенная величина прогиба
кантилевера (обозначим ее ΔZ0). Если в процессе сканирования зонд
14
встречает выступ или впадину на поверхности, прогиб изменяется на
некоторую величину ΔZ, что регистрируется оптической системой АСМ. Луч
лазера 5 (рис. 2,а) отражается от верхней поверхности кантилевера и
попадает в фотодетектор 6 (полупроводниковый фотодиод), регистрирующий
фототок при изменении изгиба консоли. Значения фототока поступают в
систему обратной связи, которая изменяя напряжение UZ на пьезодвигателе,
поднимает или опускает кантилевер с зондом. Таким образом, прогиб
кантилевера поддерживается постоянным и равным ΔZ0. Существуют и
другие способы регистрации отклонения кантилевера.
При сканировании напряжение на Z–пьезодвигателе UZ записывается в
память компьютера. Визуализация изображения поверхности производится
по тем же принципам, что и для СТМ. Изображение может быть, как и в
случае СТМ, двухмерным (яркостным) или трехмерным.
Контактный режим применяется для исследования поверхностей с
высокой твердостью и прочностью. Недостатки режима – большая
вероятность повреждения зонда и поверхности.
Кроме того, этот режим не дает истинного атомного разрешения за
исключением отдельных случаев). На практике чаще используют два других
режима работы.
Бесконтактный режим. В этом режиме используются межатомные
силы притяжения (область 2 на рис. 2,б), расстояние от острия до
поверхности
~
5–10
нм.
В
области
расстояний,
соответствующих
бесконтактному режиму, наклон кривой меньше, чем в области сил
отталкивания, и в этом режиме при изменении расстояния между острием и
образцом кантилевер отклоняется значительно меньше, чем в контактном
режиме. Это снижает чувствительность метода. Поэтому применяется
другой, более чувствительный способ детектирования изменения расстояния,
на котором зонд находится от поверхности. Используется дополнительный
пьезоэлемент, который вызывает колебания кантилевера на частоте (обычно
0,2–0,3 МГц), близкой к собственной (резонансной), с амплитудой в
несколько нанометров. Величина резонансной частоты зависит от наличия
15
внешней
силы,
поэтому
при
сканировании
происходит
изменение
резонансной частоты из–за изменения расстояния Z. Система обратной связи
поддерживает резонансную частоту постоянной, опуская или поднимая
кантилевер,
когда
зонд
находится
над
впадиной
или
выступом
соответственно, сохраняя таким образом среднее расстояние между острием
и поверхностью. Данные о вертикальных перемещениях сканирующего
устройства используются для формирования изображения.
Преимущества бесконтактного режима – возможность работы с
мягкими и эластичными материалами (например, биологическими) и с
материалами, свойства которых могут меняться при касании зонда
(например, полупроводниковыми кристаллами и структурами). Следует
отметить, что если на поверхности имеется несколько монослоев воды, то в
контактном режиме АСМ даст изображение поверхности, а в бесконтактном
– изображение слоя воды, так что изображения в двух режимах могут
различаться.
Полуконтактный режим (режим «обстукивания»). На практике чаще
используется этот режим, он аналогичен бесконтактному. Кантилевер
колеблется на резонансной частоте с большой амплитудой (от нескольких
десятков до 100 нм) и в амплитуде касается поверхности (обстукивает ее).
При сближении зонда и образца происходит изменение резонансной частоты
колебаний и увеличивается их демпфирование за счет ударов о поверхность.
Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Система обратной связи
поддерживает амплитуду колебаний постоянной, поднимая (или опуская)
кантилевер. Данные о вертикальных перемещениях кантилевера используются для формирования изображения. В режиме «обстукивания» достигается
атомное разрешение. Вероятность повреждения образца меньше, чем в
контактном режиме, так как давление зонда на несколько порядков слабее и
зонд не цепляется за неровности поверхности. Чтобы зонд мог проходить
через слой воды до поверхности и подниматься обратно, вертикальная сила
должна быть больше капиллярной.
16
Разрешающая способность АСМ. Поскольку силы взаимодействия
атомов острия и поверхности очень быстро уменьшаются с расстоянием,
вертикальное разрешение ограничено собственными шумами системы
детектирования и тепловыми флуктуациями кантилевера. Вертикальное
разрешение может быть не хуже 0,1 нм. В горизонтальной плоскости
разрешение зависит от радиуса острия зонда, расстояния между зондом и
поверхностью, сил взаимодействия, упругости образца и других факторов. В
настоящее время с помощью АСМ получены изображения кристаллических
поверхностей с реальным атомным разрешением.
Зондовые датчики АСМ. Зондовый датчик АСМ – это кантилевер с
зондом на конце. Такие датчики промышленно изготовляются методами
микролитографии
из
материалов,
широко
используемых
в
полупроводниковой технологии (кремний, нитрид кремния).
Основные параметры, определяющие свойства датчиков, – это радиус
кривизны острия зонда, коэффициент жесткости и частота собственных
колебаний кантилевера. Радиус кривизны острия R может иметь значение от
1 до 50 нм (обычно R ~ 10 нм). Длина острия лежит в диапазоне 3–15 мкм.
Наиболее распространенные формы кантилеверов – прямоугольная (I–
образная) и треугольная (V–образная). В последнем случае зонд крепится в
вершине кантилевера, а два конца кантилевера укреплены на основании
датчика.
Коэффициент упругости (жесткость) k и собственная (резонансная)
частота изгибных колебаний определяются свойствами материала и
размерами кантилевера. Коэффициент k определяет чувствительность
кантилевера, т. е. соотношение между силой, действующей на зонд, и
отклонением кантилевера ΔZ имеет вид: |F| = k ΔZ. Чтобы быть
вибростойким, кантилевер должен иметь высокую собственную частоту ω.
Значение ω важно знать при использовании колебательных режимов работы
АСМ.
Модифицированные зонды. Возможности АСМ как инструмента
исследований и нанотехнологии во многом определяются его датчиком –
17
зондом. Для специальных исследовательских и технологических задач
разработаны модифицированные кантилеверы и зонды.
1. Ультратонкие кантилеверы, способные детектировать силы ~ 10–18
Н. Размеры кантилевера: l = 220 мкм, h = 6 мкм, d = 60 нм. Такие
кантилеверы можно использовать для регистрации отдельного спина
электрона.
2. Пирамидальные острия с радиусом 10 нм, которые получаются
микролитографией алмазной пленки, выращенной на оксидированной
поверхности
кремния.
Высокая
механическая
твердость
и
электропроводность позволяют использовать подобные зонды в различных
методах нанолитографии.
3. Кремниевый кантилевер с диодом Шоттки на острие. Реагирует на
изменение температуры, интенсивности светового излучения, напряжения
вдоль поверхности.
4. Зонд с одноэлектронным транзистором, сформированным на острие.
Предназначен для измерения потенциального рельефа поверхности.
5. Вольфрамовый зонд с выращенным на конце с помощью специальной
методики дополнительным, более тонким (5–20нм), карбоновым зондом;
такой зонд часто называют сверхострым алмазоподобным зондом.
6. Зонд для АСМ с углеродной нанотрубкой с закрытыми концами.
Углеродные нанотрубки прочнее стали, могут иметь диаметр около 0,5 нм
при длине до нескольких десятков мкм. Нанотрубки можно прикреплять к
кремниевым зондам по специальным технологиям. При использовании зонда
с
нанотрубкой
достигается
более
высокое
разрешение.
Результаты
применения нанотрубок показали улучшение изображений.
Сенсоры различного назначения. Кантилевер может изгибаться не
только под действием механической силы, но и при других воздействиях,
например, при нагревании или химических реакциях на его поверхности. Это
дает возможность использовать специальным образом сконструированные
кантилеверы в качестве сенсоров.
18
Чтобы сделать кантилевер термически чувствительным, его покрывают
пленкой из материала с большим, чем у тела кантилевера, коэффициентом
теплового расширения. Такой кантилевер изгибается при изменениях
температуры на величину ~ 10–5 К.
Имеются
биомолекулой
кантилеверы
с
на
острия
кончике
прикрепленной
зонда.
химическим
Такой
сенсор
способом
позволяет
обнаруживать отдельные молекулы в растворе (захват молекулы из раствора
и связывание ее с молекулой на зонде приводит к изменению резонансной
частоты кантилевера).
Основу химических сенсоров составляют кантилеверы, покрытые с
одной стороны материалом, вступающим в специфические химические
реакции или сорбционные процессы с окружающим газом или жидкостью.
Химические процессы приводят к изменению поверхностного механического
напряжения и соответственно к изгибу кантилевера.
Применение СТМ и АСМ в нанотехнологиях. В настоящее время
АСМ широко используется как многофункциональный аналитический
инструмент для исследования структуры поверхностей, распределения
приповерхностных силовых и температурных полей, распределений величинхарактеристик физических свойств с нанометровым или даже с атомным
разрешением. Кроме исследовательских и диагностических целей, АСМ
применяется
в
качестве
инструмента
для
локальных
модификаций
поверхностей и для нанолитографии.
Для исследования и диагностики полупроводниковых материалов и
структур используют как СТМ, так и АСМ, но каждый прибор имеет свои
преимущества. СТМ, как правило, дает несколько лучшее разрешение, чем
АСМ, хотя атомное разрешение достигается и с помощью АСМ. Атомно–
силовой микроскоп дает изображение реальной поверхности, сканирующий
туннельный микроскоп – плотности электронных состояний. С помощью
АСМ нельзя получить информацию об электронных свойствах, что имело бы
большую ценность в привязке к топологии поверхности. Для СТМ
необходимы хорошо проводящие подложки; при исследовании высокоомных
19
и полуизолирующих полупроводников могут возникнуть трудности –
система обратной связи будет двигать зонд до касания поверхности (чтобы
обеспечить необходимую для работы микроскопа величину туннельного
тока). Структуру непроводящих поверхностей можно исследовать только с
помощью АСМ.
ЛЕКЦИЯ 2
Классификация наноструктур и сущность нанотехнологий
Под наноструктурами (НС) следует понимать такие структуры и формы
материалов, элементы которых имеют субмикронный наноразмер, по
крайней мере, в одном направлении, в результате чего у них появляются
размерные эффекты. В окружающем мире всегда в изобилии существовали
наночастицы (окрашенные стекла, элементы клеток организмов).
Первое научно обоснованное указание на важность исследований и
разработок в области нанообъектов было дано американским физиком,
нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. Поэтому Фейнмана называют
«отцом нанотехнологии».
В 1959 г. в лекции «Внизу полным–полно места: приглашение войти в
новый мир физики», прочитанной в Калифорнийском технологическом
институте, Фейнман обратил внимание на то, что законы физики не
запрещают манипулировать отдельными атомами, укладывая их поштучно в
нужном порядке, создавая вещественные структуры с заданными свойствами.
Однако уровень развития науки и техники 1950–х гг. не позволял
реализовать такие технологии. Нанотехнологии стали входить в электронику
и другие области техники лишь в конце 80–х гг. прошлого столетия.
В
соответствии
с
принятой
классификацией
наноструктурных
материалов (НсМ) их делят на полимерные и неполимерные. В основу
классификации положена форма кристаллитов и их химический состав,
причем межкристаллитные границы считаются строительными блоками НсМ
20
наравне с кристаллитами. В классификацию включены только трехмерные
(3D) наноструктуры НС. Такая классификация (Гляйтера) оказалась
неполной: не учтены нульмерные (0D), одномерные (ID) и двумерные (2D)
структуры, например нанотрубки, волокна, пены.
Следует отличать НС и НсМ. Наноструктуры – это теоретические
построения, которые имеют только форму без учета состава.
Наноструктурные материалы – это составы, обладающие формой НС,
которые приобретут конечную форму после их переработки в наноизделия
или наноприборы. Таким образом, в основу классификации НсМ должны
быть положены и структура, и состав. Наноструктурой формально считается
такой объект, у которого хотя бы один из размеров d меньше d* = 100–500
нм. Параметр d* не имеет строгого значения, так как определяется
физическими изменениями свойств и характеристик материалов при
достижении одного из его размеров d = d*. Внутренние размерные эффекты
(теплофизические свойства, например, изменение температуры плавления и
др.), как правило, начинают проявляться при d* ~ 10–100 нм. Однако
внешние эффекты могут наблюдаться и при больших размерах, например,
при взаимодействии частиц материала со светом (d* = λ = 500 нм).
Классификации
НС,
в
основе
которой
лежит
размерность,
предусматривает четыре типа: 0D, 1D, 2D, 3D. Все НС возможно построить
из элементарных строительных элементов (блоков), которые разделены на 3
класса: 0D, 1D, 2D. Элементарные единицы 3D не являются НС, так как из
них в общем нельзя построить структуры меньшей размерности.
Обозначение
наноструктуры
представляют
следующей
записью:
kDlmn..., где k – размерность наноструктуры; l, т, п – размерности
строительных
единиц,
причем
количество
чисел
равно
количеству
элементарных единиц. Из определения наноструктур k > l, т, п, причем k, l,
т, п = 0, 1, 2, 3 соответственно.
Из этих условий вытекает, что существуют всего 3 элементарных
класса НС (0D, 1D, 2D), 9 одинарных классов типа kDl построенных из
строительных единиц одного типа, 19 бинарных классов типа kDlт,
21
построенных из строительных единиц двух типов, а также множество
тройных, четверных классов и т. д. Сложных НС из последних классов
создано еще очень мало, поэтому, если ограничиться только основными
классами тройных структур, то получится всего 36 классов НС.
В приведенную классификацию укладываются все синтезированные и
еще не синтезированные НС.
Сущность нанотехнологий состоит в их способности работать на
атомном, молекулярном и надмолекулярном уровнях в интервале
размеров от 1 до 50 нм. Цель таких технологий – создавать, обрабатывать и
использовать материалы, устройства и системы, обладающие новыми
свойствами и функциональными возможностями благодаря малому размеру
элементов и их структуры.
С физической точки зрения переход к наносостоянию связан с
появлением
размерных
квантовых
эффектов.
Для
таких
состояний
принципиальным является тот факт, что состояние системы достаточно
адекватно может быть описано только на основании законов квантовой
физики. Другими словами, составляющие системы, например электроны –
носители заряда, ведут себя как квантовые объекты. Обычно принято
выделять три основных типа таких микроструктур или микрообъектов:
квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки. Названные структуры, а
также
переходные
гетеросистемами
состояния
пониженной
между
ними
размерности
или
принято
называть
низкоразмерными
структурами. Как уже отмечалось, низкоразмерным, в отличие от объемного
(3D), называется такое состояние, при котором движение носителей заряда
ограничено в одном, двух или трех измерениях. Поэтому принято говорить
о двумерных (2D), одномерных (1D) и нульмерных (0D) объектах. Квантовое
ограничение реализуется в тех случаях, когда характерная квантовая длина
носителя заряда, определяемая длиной волны де Бройля, становится равной
или меньше соответствующего физического размера объекта.
В технологическом смысле появление размерных эффектов можно
понимать как комплекс явлений, обусловливаемых изменением свойств
22
вещества вследствие совпадения размера микроструктуры и некоторой
критической длины, характеризующей данное явление. Это может быть
длина
свободного
пробега
электронов,
толщина
стенки
доменов,
критический радиус дислокационной петли и т. д. Размерные эффекты
проявляются, когда средний размер кристаллических зерен составляет менее
50 нм, и наиболее отчетливо наблюдается при размере зерен около 10 нм. В
этой связи наноматериалы предложено классифицировать по геометрической
форме и размеру структурных элементов, из которых они состоят.
Основными типами наноматериалов по размеру зерен являются
кластерные материалы, волоконные материалы, пленки и покрытия,
многослойные или многокомпонентные структуры, а также объемные
нанокристаллические материалы, зерна которых имеют нанометровые
размеры во всех трех направлениях.
Необходимо отметить, что к наноматериалам не следует относить
традиционные дисперсно–упрочненные сплавы, в структуре которых
имеются мелкие частицы нанометровых размеров. Объемная доля таких
частиц обычно составляет 5–20 %. В этом случае логично говорить о
модификации традиционных материалов путем введения в их состав
определенного количества частиц нанометрового размера.
Границы зерен влияют в основном на внутренние классические (1С)
размерные эффекты. А поверхность раздела фазы определяет форму,
размерность и тип НС. Резкая поверхность раздела в отличие от размытых
границ зерен имеет свойство не только пропускать, но и зеркально отражать
электромагнитные, акустические и де–бройлевские волны. Коэффициенты
отражения, поглощения и пропускания границ и поверхностей становятся
важнейшими характеристиками наноструктур.
Ограничение размера НС приводит к размерному квантованию
(confinement) и вызывает внутренние квантовые (IQ) эффекты, которые
проявляются в оптических спектрах. Они
обусловлены отражением
электронных волн от стенок НС и интерференцией их внутри НС, когда
длина волны де Бройля соизмерима с размером НС (λе ≈ d).Отражение
23
электронов от стенок НС, когда длина их пробега le превышает размер НС, le
= d, приводит к образованию куперовских пар. Отражение фононов от стенок
НС, когда длина их пробега превышает размер НС, приводит к обрезанию
длинноволновой части фононного спектра и, как следствие, к падению
теплопроводности,
теплоемкости,
температуры
Дебая,
возможности
генерации акустических колебаний гиперзвукового диапазона и к другим
квантовым внутренним (IQ) эффектам.
Множество внешних размерных эффектов, как классических (ЕС), так
и квантовых (EQ), возникает при взаимодействии наноструктур с внешним
электромагнитным полем, когда длина волны соизмерима с размером НС,
λет = d, и удовлетворяет условию полного внутреннего отражения, или
брэгговской дифракции. Например, при соблюдении условия dsinθ = пλет / 2
НС класса 2D11 фотонные кристаллы могут действовать не только как
дифракционные решетки или резонаторы, но и как световолноводы. На их
основе
возможны
«левые
вещества»
с
отрицательным
показателем
преломления, проявлением инверсных эффектов Допплера и Черенкова.
Кроме размерных эффектов в НС возможен ряд резонансных явлений,
в частности магнитоакустический, фотогальванический и другие эффекты, в
которых НС может выступать в качестве резонатора акустических,
электронных и электромагнитных волн, как в лазерах. Для некоторых
специальных нанотрубчатых кристаллов на определенной характерной
суперчастоте возможен уникальный фотоакустоэлектронный суперрезонанс
между микроволнами, гиперзвуком и волнами де Бройля. Фактически – это
новое нанотрубчатое состояние вещества, в котором возможна перекачка без
потерь электронной, акустической и микроволновой энергии друг в друга.
О наноприборах и наноизделиях
Актуальной задачей наноматериаловедения становится разработка
новых наноархитектур, микроэлектромеханических систем, наноприборов и
наноизделий. Это логическое следствие тенденции к миниатюризации –
24
размер наноприборов уменьшается и становится соизмеримым с размером
0D–порошков и частиц, 1D–волокон и нитей, 2D–слоев и пластин, поэтому
грань между наноматериалами и наноприборами стирается.
Наноприборы – комплексные конструкции из наноматериалов,
имеющие функциональное назначение. Например, полупроводниковый
лазерный диод на двойном гетеропереходе Ме /Al0,3GaO0,7As(n) /GaAs(n)/
представляет
GaAs(p)/Al0,3GaO0,7As(p)/Me
собой
НС
3D2222.
Наноматериаловедение превращается в наноприборостроение, и наоборот.
С учетом данной концепции геометрическая форма поверхности НС
выступает как основной фактор, формирующий и обусловливающий
свойства НсМ. Геометрия всегда играла и играет важную роль в физике.
Например, на основе общей теории относительности Эйнштейна можно
сформулировать следующее: физика – это геометрия плюс физические
законы.
Как следует из предложенной классификации, данный принцип
действует и в нанокосмосе, наномире: геометрические формы поверхности и
размер НС плюс критические характеристики физических явлений – это
физические размерные эффекты в материалах, т. е. физика НС, нанофизика.
Геометрические
наноархитектуры,
формы
и
можно
конструировать
формировать
теоретически,
экспериментально,
строя
управляя
технологическими параметрами.
Внутренние размерные эффекты можно теоретически предвидеть,
предсказать, зная: 1) размер и геометрическую форму НС; 2) критические
длины физических явлений (длины свободных пробегов, акустических и
электронных волн, волн плазменных, фононных, оптических колебаний),
диффузионные длины, длины корреляции; 3) скорости электронов, фононов,
других квазичастиц и т. п.
Внешние размерные эффекты можно предсказать, зная, кроме
вышеупомянутого о внутренних, параметры внешних воздействий (длину
электромагнитных и акустических волн, параметры электрических и
магнитных полей, глубину проникновения внешнего поля и др.).
25
В сочетании формы НС и характеристик материала открывается
возможность конструировать размерные эффекты, а значит, теоретически
конструировать новые физические свойства НС. Фактически это значит, что
создание материалов с заранее заданными свойствами может найти
практическую реализацию.
Тем не менее, число классов геометрических форм и число
критических характеристик материалов ограничено. Предположим, что число
первых, согласно предложенной классификации, равно примерно 36, и число
критических характеристик – 10, тогда получим 360 основных классов
размерных эффектов. Наномир можно представить как «многоквартирный
(360) дом размерных эффектов».
Таким образом, принципиально новым результатом предложенной
классификации является следующее: зная класс наноструктуры, тип
материала и размерные эффекты, можно априори предсказать свойства
наноструктурного материала.
В 1962 г. Л. В. Келдыш показал возможность создания в кристалле
особой периодической структуры, которая называется сверхрешеткой.
Сверхрешетка – это кристаллическая структура, обладающая помимо
периодического
потенциала,
свойственного
кристаллической
решетке,
дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает
атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут
создаваться в проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах.
Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие
из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. В этом
случае сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные системы
потенциальных ям, разделенных сравнительно узкими потенциальными
барьерами с заметной туннельной прозрачностью. Примером могут служить
слоистые неоднородные наноструктуры
– сверхрешётки, в которых
чередуются твёрдые сверхтонкие слои (толщиной от нескольких до ста
нанометров) кристаллической решётки двух различных веществ – например,
оксидов. Такая структура представляет собою кристалл, в котором наряду с
26
обычной решёткой из периодически расположенных атомов существует
сверхрешётка из повторяющихся слоев разного состава. Благодаря тому, что
толщина нанослоя сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, в
сверхрешётках реализуется квантовый размерный эффект. Использование
эффекта размерного квантования в многослойных наноструктурах позволяет
создавать электронные устройства с повышенными быстродействием и
информационной ёмкостью.
Простейшим
электронным
устройством
такого
типа
является,
например, двухбарьерный диод AlAs/GaAs/AlAs, состоящий из слоя арсенида
галлия толщиной 4–6 нм, расположенного между двумя слоями арсенида
алюминия толщиной 1,5–2,5 нм.
На основе сверхрешеток созданы приборы с отрицательной (N–
образной)
вольт–амперной
генерировать
характеристикой,
электромагнитные
колебания,
способные
усиливать
а
эффективные
также
и
светоизлучающие приборы и приборы другого назначения.
В сверхрешетках может проявляться так называемый резонансный
туннельный эффект. Этот эффект состоит в резком увеличении вероятности
прохождения микрочастиц, например электронов, сквозь двух– или
многобарьерную структуру, когда исходная энергия частицы совпадает с
энергетическим уровнем в смежной потенциальной яме (резонансный
уровень).
Этот эффект широко используется в наноэлектронике при разработке
сверхбыстродействующих приборов. Идея использования резонансного
туннелирования для создания быстродействующих приборов, предложенная
еще в 60–е гг. прошлого столетия, была реализована лишь в 1970г. (Л. Есаки)
благодаря
появлению
метода
молекулярно–лучевой
эпитаксии.
В
настоящее время молекулярная эпитаксия – самый эффективный метод
наращивания на плоскую подложку слоев иного состава наноразмерной
толщины. Такие слои являются квантовыми ямами для электронов.
В 1986г. К. К. Лихаревым были теоретически предсказаны кулоновская
блокада
туннелирования
и
одноэлектронное
27
туннелирование,
т.е.
прохождение электронов через туннельный барьер по одному. Эти эффекты
подтвердились экспериментально. На их основе созданы одноэлектронные
транзисторы и элементы памяти.
Вслед за сверхрешетками были теоретически описаны и получены на
практике одномерные (малые в двух измерениях) и нульмерные (малые в
трех измерениях) наноструктуры, называемые квантовыми проволоками
(нитями) и квантовыми точками соответственно. В каждом слое
сверхрешетки (двухмерная потенциальная яма) движение электронов
ограничено лишь в одном измерении и реализуется в этом измерении за счет
туннельного эффекта. В квантовой нити движение электронов ограничено в
двух измерениях (нить наноразмерной толщины). В квантовых точках
движение электронов ограничено в трех измерениях (наноразмерный
кристаллик).
В
последнем
случае
реализуется
предельный
вариант
размерного квантования, когда модификация электронных свойств наиболее
выражена. Энергетический спектр электрона, принадлежащего квантовой
точке,
дискретен,
подобно
энергетическому
спектру
электрона
в
изолированном атоме. Однако реальная квантовая точка может содержать
многие тысячи атомов. Например, квантовая точка в арсениде галлия
размером в 14 нм содержит более 105 атомов.
Квантовые ямы, квантовые нити и точки открывают широкие
возможности для создания различных наноэлектронных приборов.
Резонансный туннельный эффект
В
гетеропереходах
и
квантовых
ямах
отклик
электронов
на
приложенное электрическое поле, направленное параллельно поверхности
раздела, соответствует очень высокой подвижности. Рассмотрим отклик
электронов
на
электрические
поля,
направленные
перпендикулярно
потенциальным барьерам на поверхностях раздела. В этом случае электроны
могут, при соблюдении определенных условий, просто туннелировать через
потенциальные барьеры, осуществляя так называемый перпендикулярный
транспорт. Туннельные токи через гетеропереходы могут приводить к
28
формированию
областей
с
отрицательным
дифференциальным
сопротивлением (NDR) на вольт–амперной характеристике, для которых
величина протекающего тока уменьшается с ростом прикладываемого
напряжения. Этот эффект впервые был обнаружен Лео Эсаки еще в 1957 г.
при изучении туннельных диодов с р–n переходами. В 1970 г. он (вместе с
Тцу) предположил, что такой же эффект может наблюдаться в токах,
протекающих через квантовые ямы, однако лишь к середине 1980–х г.
развитие
методов
осаждения
позволило
вырастить
структуры
с
гетеропереходами и квантовыми ямами, на основе которых удалось создать
реальные устройства, в которых используется обсуждаемый эффект.
Действие электронных устройств на основе эффекта отрицательного
дифференциального сопротивления (NDR) квантовых ям связано с так
называемым эффектом резонансного туннелирования (RTE), наблюдаемым
при прохождении электрического тока через структуру из двух тонких
барьеров, между которыми располагается квантовая яма. Вольт–амперная
характеристика (зависимость I–U) этих устройств похожа на характеристики
туннельных диодов Эсаки. На рис.1,а схематически представлена зона
проводимости для двойного гетероперехода с квантовой ямой между
переходами. Предполагается, что ширина квантовой ямы настолько мала (5—
10 нм), что яма может содержать лишь один электронный уровень с энергией
Et (резонансный уровень). Область ямы состоит из слаболегированного GaAs,
окруженного слоями AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны.
Внешние слои состоят из сильнолегированного GaAs n–типа (n+ GaAs),
который обеспечивает электрические контакты. Уровень Ферми для п+ GaAs
располагается в зоне проводимости, поскольку этот материал может
рассматриваться как вырожденный полупроводник
29
Рис.1. Схематическое представление зоны проводимости резонансного
туннельного диода: а– в отсутствие внешнего напряжения;б–г – при
повышении приложенного напряжения; д – вольт–амперная характеристика
системы
Рассмотрим поведение описываемой системы при повышении
приложенного электрического напряжения V, начиная с напряжения 0В.
Можно ожидать, что при небольшом приложенном напряжении электроны
будут туннелировать из зоны проводимости п+ GaAs через потенциальный
барьер, в результате чего увеличение напряжения должно приводить к
возрастанию тока, что и демонстрирует участок 1–2 в области малых
напряжений на вольт–амперной характеристике (рис.1,д). При дальнейшем
росте напряжения до значения 2E1/е энергия электронов в п+ GaAs в
окрестности уровня Ферми совпадает с резонансным уровнем E1 электронов
внутри квантовой ямы, как показано на рис.1, б).
Такое совпадение соответствует резонансу, при котором коэффициент
квантовой проницаемости барьера резко возрастает. Резонанс объясняется
тем, что при этих условиях волновая функция электрона в яме когерентно
отражается между двумя барьерами (этот эффект аналогичен оптическому
отражению в резонаторах Фабри – Перо). При этом электронная волна,
попадающая в структуру слева возбуждает резонансный уровень электронов
в яме, повышая тем самым коэффициент прохождения электронов (а,
следовательно, и величину тока) через потенциальный барьер, что
соответствует области точки 2 на вольтамперной характеристике рис. 1,д.
Возникающую при этом ситуацию можно сравнить с впрыскиванием
электронов слева в квантовую яму и их дальнейшим освобождением через
30
второй барьер.
При дальнейшем повышении напряжения (рис. 1,в) резонансный
уровень энергии в яме расположен ниже уровня Ферми в катоде, и ток
начинает уменьшается (область 3, рис.1,д ), в результате чего и возникает
эффект
отрицательного
дифференциального
сопротивления
(NDR),
соответствующий участку на вольт–амперной характеристики рис.1,д в
промежутке между точками 2 и 3. Затем, при дальнейшем повышении
напряжения,
ток
через
структуру
начинает
возрастать
благодаря
термоионной эмиссии через барьер (область 4 на рис.1,г и промежуток между
точками 3 и 4 на характеристике).
Именно на этом эффекте основано действие многих промышленно
выпускаемых диодов с резонансным туннелированием (RTD), широко
применяемых
в
микроволной
технике.
Основной
характеристикой,
используемой для оценки рабочих параметров, выступает отношение токов
пикового
тока
к
минимальному
току
(PVCR)
характеристике, т. е. отношение максимального
на
тока
вольт–амперной
(точка
2) к
минимальному току на впадине (точка 3). Для обычных структур AlGaAs–
GaAs при комнатных температурах это отношение составляет около 5,
однако в структурах из напряженных слоев InAs, окруженных барьерами из
материала AlAs, работающих при температуре жидкого азота, это отношение
может быть доведено до 10.
Диод с резонансным туннелированием (RTD) можно представить в
виде отрицательного сопротивления, соединенного с параллельной емкостью
диода С и последовательным сопротивлением Rs (так же, как и в случае
обычных диодов). Эта схема позволяет довольно легко продемонстрировать,
что максимум рабочей частоты повышается при уменьшении С. Диод с
резонансным туннелированием обычно изготовляется из низколегированных
полупроводников, в результате чего возникает достаточно широкая область
пространственного заряда между барьерами и областью коллектора, которой
соответствует малая эквивалентная емкость. Вследствие этого рабочие
частоты RTD и могут достигать нескольких терагерц (ТГц), что значительно
31
выше рабочих частот туннельных диодов Эсаки (порядка 100 ГГц, с
временем
отклика
до
10-13
с).
Низкие
значения
отрицательного
дифференциального сопротивления, т. е. очень резкий спад после максимума
на вольт-амперной характеристике, позволяет обеспечивать высокую частоту
работы
устройства,
вследствие
чего
RTD
являются
единственными
электронными приборами, способными функционировать на частотах
порядка 1 ТГц, т. е. являются приборами с минимальным временем пролета
электронов.
Вообще говоря, передаваемая от транзисторов RTD на внешнюю
нагрузку мощность, достаточно мала, и их выходной импеданс также
достаточно мал, вследствие чего такие транзисторы очень трудно согласовать
в схемах с волноводами или антеннами. Выходной сигнал таких
транзисторов обычно составляет лишь несколько милливатт, поскольку их
выходное напряжение обычно меньше 0,3 В, что обусловлено значениями
высоты барьеров и энергетических уровней в квантовых ямах. В настоящее
время диоды с резонансным туннелированием очень часто используются для
демонстрации различных возможностей их применения в разнообразных
устройствах,
включая
произвольным
статические
доступом
многозначные
переключающиеся
запоминающие
(статические
ОЗУ),
устройства
генераторы
с
импульсов,
запоминающие
устройства,
многозначные
и
логические
устройства,
аналогово–цифровые
преобразователи, осцилляторы, сдвиговые регистры, усилители с низким
уровнем шумов, логические схемы типа MOBILE или нечеткой логики,
умножители частоты, нейронные сети и т. п. В частности, особый интерес
создателей
различных
логических
схем
привлекают
устройства
со
значениями коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в
долине) порядка 3 или выше, особенно в сочетании с высокими значениями
плотности пикового тока Jp.
Структуры со значениями PVCR порядка 3 и величиной Jp около
нескольких А/м-2 представляются почти идеальными для создания многих
типов запоминающих устройств, а высокие значения Jp и коэффициенты
32
PVCR ~ 2 очень удобны для создания новых типов высокочастотных
осцилляторов. В табл. 1 приводятся характерные значения параметров
устройств
такого
вида,
создаваемых
на
основе
существующих
полупроводниковых систем.
Таблица 1.
Материал
J, кА/см-2
PVCR
ΔIΔV
Rd (Ω)
Площадь, мкм2
В
таблице
InGaAs
460
4
5,4
1,5
16
InAs
370
3,2
9,4
14,0
1
приведены
Si/SiGe
282
2,4
43,0
12,5
25
значения
Si (диод Эсаки)
151
2,0
1,1
79,5
2,2
GaAs
250
1,8
4,0
31,8
5
плотности
пикового
тока
Jp,
коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в долине);
предельная мощность устройства, т, е. максимум произведения ΔIΔV в
области
отрицательного
предположении
100%-й
дифференциального
сопротивления
эффективности)
значение
и
NRD
(в
отрицательного
сопротивления диода RD в области NRD.
ЛЕКЦИЯ 3
1. Одноэлектронные устройства
Эффект одноэлектронного туннелирования
При уменьшении линейных размеров информационных электронных
приборов и устройств возникает проблема манипулирования и определения
состояния отдельных носителей заряда. И прежде всего электронов. Это
направление развития электроники получило название «твердотельная
одноэлектроника».
Одноэлектронные
устройства
представляют
собой
перспективные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие ультранизкие
уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях.
33
Рассмотрим процесс одноэлектронного туннелирования в типовой
транзисторной структуре с использованием квантовой точки (рис. 1).
Рис. 1. Схема одноэлектронного транзистора с квантовой точкой:
Vз – напряжение на затворе, Vис – напряжение на электродах исток – сток
Туннельный переход формируется на основе двух проводников малого
поперечного
сечения,
между
которыми
располагается
тонкий
слой
диэлектрика. С помощью такой конструкции – туннельного перехода –
можно управлять движением отдельных электронов. Согласно основным
принципам квантовой механики, микрочастицы (в частности электроны) могут переходить через изолятор (диэлектрик) с одного проводника на другой –
«туннелировать». В отличие от обычного движения электронов в проводнике,
которое зависит лишь от их коллективных свойств, при туннелировании
проявляются индивидуальные характеристики каждой частицы. Электроны
проходят
через
слой
диэлектрика
по
отдельности,
что
позволяет
зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже одного из
них. С точки зрения радиоэлектроники туннельный переход — это
простейший конденсатор, а процесс туннелирования электронов приводит к
небольшой перезарядке такого конденсатора и, следовательно, к изменению
напряжения на нем. Если площадь и, соответственно, емкость перехода
достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет
к заметному скачку напряжения.
Теория одноэлектронного туннелирования впервые была предложена
профессором Московского государственного университета К. К. Лихаревым.
Было показано, что в туннельных переходах малой площади между
34
металлами, а также вырожденными полупроводниками наблюдается эффект
дискретного туннелирования одиночных носителей тока сквозь туннельные
барьеры. Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования состоит
в том, что в переходах с малой собственной емкостью С в результате
туннелирования
одиночного
электрона
туннельном переходе на величину
изменяется
напряжение
на
ΔV — q/С. Следует заметить, что в
соответствии с теорией информации энергия электрона Е = q2/(2C) должна
быть больше термодинамических флуктуации кТ и тогда Е » кТ, где к —
постоянная Больцмана, Т— температура.
Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими
контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. По существу это
устройство представляет собой плоский конденсатор емкостью С с зарядом
Q на его обкладках. Изменение емкости такого наноконденсатора
происходит дискретно, а минимальное значение изменения энергии
определяется элементарным зарядом ΔE = q2/(2С). Появление дробного
заряда несколько парадоксально. Такой парадокс можно объяснить тем, что
если напряжение на обкладках конденсатора можно менять непрерывно, то
переход электрона и, соответственно, заряд емкости происходит скачком. В
качестве аналога процесса одноэлектронного туннелирования Лихаревым
была предложена некоторая аналогия с капающей из крана водой: вода
подтекает непрерывно, а срывается сформированной для данных условий
каплей. Аналогично
в описываемой
ситуации:
смещение электрона
происходит непрерывно, а туннелирование электрона – дискретно.
Заметим,
что
вследствие
нанометровых
размеров
туннельных
переходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. Величину
квантовых флуктуации можно оценить из соотношения неопределенности:
ΔEτ »/h, где τ =RC, R – сопротивление перехода. При квантовом переходе
R » RQ, где RQ = h/4q2 = 6,45 кОм – квантовое сопротивление. При
определенных
условиях
процесс
туннелирования
электронов
можно
блокировать. Предположим, какой–то из электронов перешел сквозь
изолятор незаряженного перехода. При этом на переходе сразу же появится
35
напряжение, препятствующее движению следующих частиц, – проскочивший
электрон своим зарядом отталкивает другие электроны. Этот эффект получил
название кулоновской блокады. Кулоновская блокада представляет собой
явление отсутствия тока из–за невозможности туннелирования электронов
вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к
туннельному переходу.
Таким образом, вследствие кулоновской блокады очередной электрон
пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от
перехода. В результате частицы станут перескакивать с проводника на
проводник через определенные промежутки времени, а частота таких
перескоков – одноэлектронных колебаний – будет равна величине тока,
деленной
на
заряд
электрона.
Частота
повторения
определяется
соотношением: f = I/q, где I – ток через переход. Это так называемые
одноэлектронные туннельные осцилляции. Поэтому для обеспечения
процесса туннелирования через переход необходимо преодолеть силу
кулоновского отталкивания электронов — приложить напряжение Vкб
=
q/(2C). Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом
туннелирования электронов.
Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход
происходит в несколько стадий (рис. 2,а).
36
Рис. 2. Схема процесса одноэлектронного туннелирования (а)
и схема процесса образования капли в трубе (б)
На первой стадии граница между металлом и диэлектриком
электрически нейтральна. Для поддержания электрического тока необходимо
на одной стороне туннельного перехода накопить определенный заряд. На
рис. 2,б представлен процесс образования капли воды в трубе неплотно
закрытого крана (интерпретация Лихарева). На второй стадии процесса к
металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на
границе
раздела
накапливается
заряд.
Этот
этап
соответствует
формированию капли. На третьей стадии происходит накопление заряда до
тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления
туннельного перехода через диэлектрик. На аналоговой схеме этот этап соответствует образованию и отрыву капли. На четвертом этапе после акта
туннелирования
система
возвращается
в
исходное
состояние.
При
сохранении приложенного напряжения цикл повторяется по такому же
сценарию.
Значение емкости, необходимое для наблюдения кулоновской блокады
при данной температуре Т, можно получить, подставив численные значения q
37
и k. Получим, что для наблюдения эффекта С« q2/ (2kT). Расчеты показывают,
что при 4,2К необходима емкость « 2. 10-16 Ф, а при 77 и 300К – « 10-17
и « 3 • 10-18Ф, соответственно. Таким образом, для работы приборов при
высоких температурах (выше 77 К) необходима емкость 10-18 – 10-19 Ф, или
0,1 ÷ 1 аФ. Если за счет теплового движения частица приобрела достаточно
большую энергию, она может прорвать кулоновскую блокаду. Поэтому для
каждого
одноэлектронного
устройства
существует
своя
критическая
температура, выше которой оно перестает работать. Эта температура обратно
пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше
скачок напряжения и тем выше барьер кулоновской блокады.
На рис. 3,а представлена эквивалентная схема туннельного перехода.
Рис. 3. Эквивалентная схема туннельных переходов
Прямоугольником обозначен туннельный переход. Данное графическое
обозначение
для
кулоновского
туннельного
перехода
является
общепринятым. Переход характеризуется сопротивлением R и емкостью С,
С/ — емкость подводящих контактов. К переходу приложено напряжение V.
Из приведенной схемы видно, что если паразитная емкость С больше
емкости перехода, емкость системы будет определяться шунтирующей емкостью С/. В реальных приборах не удается получить шунтирующую емкость
менее 10-15 Ф, что как минимум на два порядка больше требуемой для
наблюдения одноэлектронного туннелирования даже при температурах
жидкого гелия.
Таким образом, наблюдение одноэлектронного туннелирования в
системе с одним переходом при сегодняшнем развитии технологии
проблематично.
Для
решения
данной
проблемы
была
предложена
конструкция из двух туннельных переходов, включенных последовательно
38
(рис. 3,б). В этом случае емкость контактов уже не шунтирует емкость
каждого перехода. Общую электростатическую энергию такой системы
можно записать в виде Е =Q12/(2C1) + Q22 (2С2), – где 1, 2 – индексы переходов.
Физически такая конструкция представляет собой малую проводящую
частицу, отделенную туннельными переходами от контактов, поэтому
равенство Q1 =Q2 = Q соответствует заряду, находящемуся на частице.
Рассмотрим полуклассическую теорию транспорта носителей, в основе
которой наряду с классическими кулоновскими эффектами имеет место
процесс квантового туннелирования. Представим двухпереходную систему с
несимметричными переходами (рис. 3, б). Темп туннелирования через первый
переход соответствует выражению Г1 = δЕ1/ (q2Rl), где δЕ1 = qV1 - q2(2Cx) –
изменение энергии на первом переходе при падении на нем напряжения V1
>VКБ. Подставив δЕ1 в выражение для Г, получим: Г1 =V1/(qRl)-1/2(R1C1).
Аналогичное выражение можно записать для темпа туннелирования через
второй переход Г2. Видно, что темп туннелирования зависит от R и С. Если
значения параметров переходов R и С равны, то при увеличении напряжения
будет происходить плавный рост тока, так как количество пришедших на
кулоновский остров (квантовую точку) электронов будет равно количеству
ушедших. Увеличение тока, обусловленное переходом с низким темпом
туннелирования, будет медленным. В каждый момент времени на островке
будет существовать определенное количество электронов, число которых
зависит от приложенного напряжения. В результате вольтамперная характеристика двухпереходной системы имеет ступенчатый вид (рис. 4.). Такая
ВАХ получила название «кулоновская лестница».
39
Рис. 4. Семейство расчетных вольтамперных характеристик схемы
с двумя переходами
Ступеньки ВАХ будут тем ярче выражены, чем несимметричнее
переходы. Ступеньки исчезают при симметрии переходов или при равенстве
R– и С–констант. Семейство кулоновских лестниц, рассчитанное Лихаревым
для различных значений Q0 и для различных значений внешнего заряда (G1 «
G2,C1 = 2С2), представлено на рис. 4.
Величина G называется кондактансом, она обратно пропорциональна
сопротивлению; Q = Qо + nq, где п – целое число электронов на кулоновском
острове. Заряд Q0 имеет поляризационную природу, и им можно управлять с
помощью затворного электрода, который располагают рядом с кулоновским
островом. Условие кулоновской блокады будет периодически выполняться
при непрерывном изменении Q0, так же как при изменении затворного
напряжения
периодически
будет
возникать
кулоновская
блокада.
Зависимость тока, протекающего через квантовую точку (или напряжения на
ней при постоянном токе), будет носить осцилляционный характер,
представленный на рис. 5.
40
Рис. 5. Зависимость напряжения на квантовой точке при постоянном
токе через нее (I=300нА) от напряжения на затворе Vз
В системах с несколькими переходами имеет место процесс
сотуннелирования, характеризующегося
сохранением энергии
между
начальным и конечным состояниями всего массива переходов. В то же время
поведение электрона на каждом отдельном переходе не определено. Было
отмечено, что при использовании двух и более переходов между
электродами находятся квантовые точки. Эти нуль–мерные объекты имеют
энергетический спектр, представляющий собой набор дискретных уровней.
На транспортные свойства квантовой точки влияют флуктуации потенциала,
которые делают пики кулоновских осцилляции нерегулярными.
2. Явления и устройства спинтроники
В
соответствии
с
квантово–механическим
представлением,
элементарная частица в атоме характеризуется собственным или спиновым и
орбитальным
механическими
моментами
(рис.
1).
Рис.1. Магнитные моменты mL и спиновые моменты mS в одноэлектронном
(а) и двухэлектронном (б) атоме
41
Спиновой момент имеет квантовую природу, и собственные значения
проекции спинового момента S частицы на некоторую ось квантуются:
Sz=ћS, ћ(S -1),... , (-ћS), где ћ = h/2π, h — постоянная Планка, S – спиновое
квантовое число (спин) данной частицы. Запишем для электрона значения Sz в
единицах S: Sz = ±1/2.
Орбитальный механический момент L имеет классическую природу,
однако подчиняется законам квантования и поэтому может принимать значения
L, L - 1, ... , -L. Со спиновым механическим моментом связан спиновый
магнитный момент – ms = yshS, где ys — магнитомеханическое отношение, ys
= gsq/(2me), константа gs =2,0023; q и т — заряд и масса электрона; с –
скорость света. (Векторы в формулах помечены жирным шрифтом.) С
орбитальным механическим моментом связан орбитальный магнитный момент –
mL = -yL ћL, где ys =gLq 1(2тс), a gL – 1. Полный механический момент
электрона есть векторная сумма спинового и орбитального моментов: J = S +
L, а полный магнитный момент: М = ms +mL.
Таким образом, магнитный момент атома складывается из орбитальных
и спиновых моментов всех электронов, входящих в атом, и спинового
магнитного момента ядра. Механические спиновые моменты электрона и
ядра имеют один и тот же порядок величины. Спиновый магнитный момент
ядра мал, и поэтому влияние магнитных моментов ядер на магнитные
свойства атомов можно считать малым. Таким образом, механический (М) и
магнитный (L) моменты атома – векторные суммы полных моментов. Если в
атоме несколько электронов, то полный или собственный магнитный момент
атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов.
Орбитальные и спиновые моменты могут иметь одно из двух возможных
направлений – согласное или противоположное. Если магнитные моменты
пары электронов направлены в противоположные стороны, то они взаимно
компенсируются. Собственный момент такого атома в отсутствие внешнего
поля равен нулю.
42
Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые
принято
называть
«спин–вверх»
(мажорные
спины)
и
«спин–вниз»
(минорные спины) — рис. 2, а,б.
Рис. 2. Мажорная (а) и минорная (б) ориентации спинов; прецессия
орбиты в магнитном поле (в)
В магнитном поле спины выстраиваются в направлении поля. В этом
поле одновременно происходит прецессирование, заключающееся в том,
что орбита электрона определенным образом вращается вокруг силовых
линий (рис. 2,в). При выключении поля прецессия спина прекращается, при
этом фиксируется ориентация спина. Другими словами, спиновое состояние
электрона можно менять с помощью магнитного поля. Если мажорному
состоянию спина присвоить значение логической «1», то минорному
состоянию спина присваивается значение логического «0». В двоичной
системе исчисления верно и наоборот. В этом случае спин выступает в роли
динамической неоднородности, принятой за единицу информации в
функциональной электронике.
Это простое открытие дало толчок к возникновению спиновой
электроники
–
спинтроники.
Спинтроника
объединяет
области
исследований и разработок на эффектах переноса спинов в качестве
носителей информации. К этому направлению в электронике проявляется
повышенный
устройства
интерес. Ожидается, что спинэлектронные приборы и
будут
переориентация
обладать
спина
высоким
происходит
за
быстродействием,
несколько
поскольку
пикосекунд.
Резко
сократится потребление энергии, так как перенос спина энергетически
выгоднее переноса заряда. При изменении положения и состояния электрона
43
не происходит ни изменения кинетической энергии электрона, ни выделения
тепла. Ясно, что такие устройства весьма перспективны для цифровой
обработки сигналов.
Появление термина «спинтроника» относят к концу прошлого века.
Однако ранее существовало понятие «спинволновая электроника», в основе
которой лежала идея переноса и обработки информационного сигнала
магнитостатическими
волнами.
Спинволновая
электроника
–
это
направление в наноэлектронике, в котором изучаются эффекты и явления в
магнитоупорядоченных континуальных средах, а также принципы создания
приборов и устройств обработки и хранения информации.
В твердом теле атомы (ионы) находятся в узлах кристаллической
решетки.
Между
ними
происходит
электрическое
и
магнитное
взаимодействие. Электрическое (или кулоновское) взаимодействие более
сильное, его энергия составляет \q\2/а ≈ 10-11 эрг, где а – постоянная
кристаллической решетки. Энергия магнитного или диполь–дипольного
взаимодействия равна
μв2/а3 ≈ 10-16 эрг, где μВ =qћ/(2mc) – магнетон Бора.
Другими словами, энергия электрического взаимодействия на пять порядков
больше, чем магнитного. Оба типа взаимодействия подчиняются закону
обратных квадратов и являются дальнодействующими.
Кроме указанных взаимодействий в многоэлектронных системах имеет
место сильное обменное взаимодействие. Обменное взаимодействие носит
чисто квантовый характер. Энергия обменного взаимодействия минимальна
либо при параллельной ориентации спинов всех атомов вещества у
ферромагнетиков,
либо
при
антипараллельной
ориентации
у
антиферромагнетиков. Известно, что система всегда стремится к состоянию с
минимальной свободной энергией. Этим и обусловлено явление магнитной
упорядоченности в магнитных кристаллах. В равновесном состоянии спины
стремятся выстроиться либо параллельно, либо антипараллельно.
Энергия обменного взаимодействия по порядку величины значительно
больше
энергии
взаимодействие
магнитного
играет
взаимодействия,
сравнительно
44
малую
поэтому
роль
в
магнитное
магнитной
упорядоченности.
Заметим,
однако,
что
обменные
силы
являются
короткодействующими и действуют на значительно меньших расстояниях,
чем магнитные. Магнитное упорядочение заключается в существовании
определенной закономерности расположения элементарных магнитных
моментов атомов, ионов, электронов.
Известны вещества, обладающие в отсутствие внешнего магнитного
поля
упорядоченной
магнитной
структурой
–
ферромагнетики,
антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты) (рис. 3).
Рис. 3. Спиновые упорядочения в ферромагнетике (а), антиферромагнетике
(б) и ферримагнетике (в) при Т=0. Магнитные ионы с разной величиной спина
имеют разный диаметр кружков
Ферромагнетики обладают спонтанной параллельной ориентацией
элементарных магнитных моментов, приводящей к намагниченности.
Ответственны за эту ориентацию так называемые обменные силы. К
ферромагнетикам относятся переходные металлы (железо, никель, кобальт) и
гадолиний, а также их сплавы и ряд оксидов. Атомы таких элементов имеют
незаполненные
электронами
внутренние
оболочки.
В
незаполненной
оболочке возникает некомпенсированный магнитный момент. Спиновая
часть этого момента сохраняется при вхождении элемента в состав вещества,
орбитальная часть сильно подавляется и не играет заметной роли. Это –
вещества со спиновым магнетизмом.
В антиферромагнетиках имеет место «шахматная» упорядоченность. В
этом случае каждый магнитный момент окружен антипараллельными
моментами.
В
итоге
суммарный
магнитный
момент
будет мал.
К
антиферромагнетикам относятся металлы – хром, марганец, германий и их
сплавы. Среди антиферромагнетиков известно также большое количество
диэлектриков и полупроводников.
45
Ферриты, или ферримагнетики, обладают аналогичной спонтанной
«шахматной»
упорядоченностью.
Вследствие
различия
моментов,
направленных в разные стороны, имеет место значительный результирующий
магнитный момент. Диамагнетики обладают свойством намагничиваться
навстречу приложенному магнитному полю. В отсутствие магнитного поля
эти
соединения
магнитным моментом
не
обладают.
Классическими
диамагнетиками являются инертные газы в жидком и кристаллических
соединениях, галогены в любом состоянии, некоторые металлы (Сu, Ag, Zn,
Аu, Hg). Эти вещества также называют магнитными диэлектриками. К ним
относят прежде всего иттриевый феррит со структурой граната (Y3Fe5O12)
или железо–иттриевый гранат. К этому классу относят также гексаферриты
BaFe12O19.
В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между
собой двояким образом: или это обычное магнитное диполь–дипольное
взаимодействие, или обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия
вызывают два рода упругих сил в магнитном диэлектрике — магнитные и
обменные силы. Первые являются дальнодействующими. Во взаимодействии
принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки и его часто
называют коллективным. В ближнем порядке между соседними атомами
имеет
место
обменное
взаимодействие.
Обменные
силы
являются
короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения
узлов кристаллической решетки. В этом случае смещения соседних узлов
кристаллической решетки достаточно велики, и обменные силы выступают
на первый план.
Таким
образом,
за
длинноволновые
возмущения
ответственны
магнитные силы или магнитная упругость, а за коротковолновые возмущения
– обменные силы или обменная упругость. Наличие двух типов возмущения
порождает возможность генерации и распространения двух видов волн –
спиновых магнитостатических и спиновых обменных. Волны первого типа
называют магнитостатическими, а второго типа – спиновыми. Деление
46
спиновых волн на два типа весьма условно, и необходим одновременный
учет вклада обоих типов взаимодействий,
Намагниченность отдельных ионов представим магнитным вектором
М, величина которого имеет максимальное значение Ms и называется
намагниченностью насыщения. Например, для железо–иттриевого граната
при комнатной температуре 4πMs = 1750–1760 Гс. Магнитный момент иона
пропорционален
его
механическому
моменту
с
коэффициентом
пропорциональности γ, называемым гиромагнитным отношением, Если
отклонить вектор М от равновесного состояния, то он будет совершать
прецессию подобно механическому волчку (рис. 4, а).
Рассмотрим ситуацию, когда в основном состоянии все магнитные
моменты атомов М0 параллельны и направлены в одну сторону вдоль
внешнего магнитного поля Н0 (рис. 4, б). Если вывести крайний вектор М0 из
положения равновесия, то локализации возмущения на отдельном атоме не
произойдет. В этом случае магнитный момент атома начнет прецессировать
вокруг магнитного поля Н0
с частотой ω = уН0. При этом возникнет
высокочастотное магнитное поле, которое будет воздействовать на
следующий магнитный момент, понуждая его к прецессии, и т. д.
Рис. 4. Прецессия вектора намагниченности М под действием поля Н (а),
схема формирования спиновой волны (б,в), вид спиновой волны (г)
47
Магнитные моменты будут прецессировать по поверхностям конусов.
Каждый следующий магнитный момент будет иметь определенный фазовый
сдвиг по сравнению с предыдущим. Фазовый сдвиг будет оставаться
постоянным при переходе от одного момента к другому моменту (рис. 4,в). В
результате вдоль цепочки магнитных векторов побежит фазовая волна возмущения. На рис. 4,г она изображена линией, проходящей через концы
магнитных векторов (вид сверху). Длина спиновой волны определена
величиной λ.
Различают несколько типов волн. Если длина волны значительно
больше
размеров
кристаллической
решетки
(λ»а),
то
в
магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные
волны.
Они
обусловлены
дальнодействующим
диполь–дипольным
взаимодействием. Волны этого типа называют магнитостатическими
волнами (МСВ). Эти волны способны переносить энергию в результате
диполь–дипольного взаимодействия. Если длина волны возмущений λ > а, то
такие волны обусловлены обменным взаимодействием и носят название
спиновых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря
обмену. Существуют дипольнообменные волны, для которых дипольный и
обменный механизмы переноса одинаково существенны.
Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной
упорядоченности
или
элементарное
возбуждение.
Квазичастицы,
соответствующие спиновой волне, называются магнонами. Магноны, как и
все квазичастицы, обладают энергией Е=ћk, квазиимпульсом
р=ћk и
магнитным моментом μi = дћωi/дН. В простейшем случае магнитный момент
магнона равен магнитному моменту атома и направлен против равновесной
намагниченности.
Практический
интерес
представляет
поверхностная
магнитодипольпая волна или поверхностная магнитостатическая волна
(ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их
энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону. Для пленки железо–
48
иттриевого граната частота колебаний составляет ~ 10 ГГц при скорости
распространения vn, = 4.106 см/с.
3. Приборы на магнитостатических волнах
Уникальные свойства магнитостатических волн (МСВ) широко
используют в элементах и приборах СВЧ–диапазона длин волн. Наибольшее
распространение получили линии задержки на магнитостатических волнах.
Линии задержки представляют собой устройства для временной
задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их
формы. Теоретически могут быть разработаны линии задержки в широкой
полосе частот с различным законом изменения времени задержки, например,
постоянная задержка, линейная задержка и др.
Одна из конструкций линий задержки СВЧ–сигналов представлена на
рис. 5. Линия задержки монтируется на подложке из оксида алюминия
(искусственный сапфир, корунд). Управляющий экран служит одновременно
основанием возбуждающей микрополосковой линии. Входной и выходной
СВЧ–сигналы проходят по копланарным волноводам, которые формируются
в экране методом травления.
Рис. 5. Структура линии задержки на пленке железо–иттриевого
граната (ЖИГ). ГГГ – галлий–газолиниевый гранат
На управляющий экран наносится стеклянная подложка толщиной ~20
мкм. Микрополоски размещаются на стеклянной подложке и соединяются с
проводниками копланарных линий. Входная и выходная микрополоски
49
делаются достаточно узкими (до 50 мкм) для обеспечения необходимой
ширины
полосы
возбуждения.
Отдельно
готовится
пленка
железо–
иттриевого граната (ЖИГ, Y3Fe5О12) на подложке из галлий–гадолиниевого
граната (ГГГ, Gd3Ga5О12). Такое сочетание позволяет получить пленки
высокой степени структурного совершенства, с небольшими потерями на
частотах СВЧ–диапазона. «Сэндвич» ЖИГ–ГГГ помещается сверху на
стеклянную подложку. Таким образом, сформированная линия задержки на
поверхностных МСВ работает в диапазоне ~10 ГГц, с полосой 200 МГц,
задержкой в полосе ~100 нс/см при вносимых потерях ~10 дБ.
Одно из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных
перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, –
использование каскадных схем. Для этого последовательно включаются две
линейно
перестраиваемые
линии
задержки
со
взаимнообратными
характеристиками. С этой целью используются линии задержки на
поверхностных или прямых объемных МСВ с нормальной дисперсией или
ЛЗ на обратных объемных МСВ с аномальной дисперсией. Такие
конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине
полную задержку сигнала.
Длина когерентности спиновых волн составляет доли сантиметра.
Амплитуда волны быстро затухает вследствие магнон–фононного и магнон–
магнонного рассеяния. Созданы усилители спиновых волн. Типовая
конструкция такого усилителя приведена на рис. 6.
50
Рис. 6. Усилитель спиновой волны, реализованный на слоистой структуре, 1
и 2 – входной и выходной сигналы спиновой волны соответственно
На
кремниевую
подложку
наносится
пленка
проводящего
ферромагнитного материала, например, CoFe или NiFe. Затем формируется
слой пьезоэлектрика, например, титан–цирконат свинца. Наносится затвор, на
который подается напряжение, вызывающее деформацию как пьезоэлектрика,
так и связанного с ним ферромагнетика. Вследствие магнитострикции ось
анизотропии может меняться на 90°. Меняя напряжение на затворе синхронно
с колебаниями спиновой волны, можно достигнуть резонанса и усилить
магнитостатическую волну, увеличить длину ее затухания.
Весьма интересное применение МСВ нашли в фильтрах СВЧ–сигналов.
Такие фильтры имеют верхнюю частотную границу в области выше 50–60
ГГц и работают в реальном масштабе времени. Фильтры на МСВ способны
легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения
внешнего магнитного поля. На МСВ разработаны эффективные линии
передачи, шумоподавители, полосковые замедляющие структуры, а также
другие устройства СВЧ–диапазона.
В области наноэлектроники существует много идей использования
спинов электронов в качестве носителей информационного сигнала в
приборах и устройствах обработки и хранения информации.
ЛЕКЦИЯ 4
Устройства молекулярной электроники (молетроники)
Вблизи нижней границы нанообласти существуют материальные
структуры, называемые молекулами. Известно более 3·105 неорганических и
около 7·106 органических молекул.
Среди громадного числа различающихся по составу и структуре
органических молекул обнаруживается достаточно много таких, которые в
51
определенных условиях проявляют свойства проводников, диэлектриков,
магнитных
материалов,
приемников
и
излучателей
света,
диодов,
транзисторов, элементов памяти. На основе этих предпосылок зародилась
идея создания молекулярной электроники.
Молетроника – это электроника, в которой в качестве элементов
микроэлектронных схем используются отдельные органические молекулы
или даже их фрагменты.
Идеи молекулярной электроники возникли еще в 70–е гг. XX в.
Теоретически было показано, что различные молекулы могут проводить ток
или
быть
изоляторами,
действовать
как
диоды,
элементы
памяти,
транзисторы. Однако эксперименты с отдельными молекулами в те годы
были чрезвычайно трудными. В последние годы резко возрос интерес к
молекулярным устройствам. Во–первых, в связи с приближающимся
пределом миниатюризации технологии ИМС на кремнии ведется поиск
новых решений, которые привели бы к прогрессу в микроэлектронике. Во–
вторых, появились новые экспериментальные средства в нанотехнологиях,
дающие возможность оперировать отдельными молекулами и создавать к
ним
контакты.
Интерес
к
молекулярной
электронике
обусловлен
перспективами, которые откроются, если отдельные молекулы можно будет
использовать в качестве базовых элементов электронных схем. Возникает
реальная
перспектива
создания
трехмерных
схем
со
сверхвысокой
плотностью элементов, чрезвычайно высоким быстродействием, низким
энергопотреблением.
Основная трудность использования отдельных молекул – отсутствие
соответствующей
схемотехники.
Молекулярные
устройства
должны
представлять собой сложные разветвленные цепи из различных атомных
группировок. Методы синтеза таких устройств пока не разработаны.
В настоящее время в мире существует более десятка научно–
технологических
центров,
занимающихся
разработкой
устройств
молекулярной электроники. Ежегодно проводятся конференции, собирающие
52
сотни специалистов. Финансирование разработок за рубежом соизмеримо с
затратами в области традиционных технологий микроэлектроники. Главные
усилия разработчиков направлены на создание молекулярного компьютера.
1. Молекулы–диоды
На рис. 1,а показана модельная молекула, состоящая из двух
фрагментов: 1 – тетрацианохинодиметан (акцептор) и 2 – тетратиофульвален
(донор), соединенных системой метиленовых мостиков (3).
Рис. 1. Схема молекулы, обладающей свойством диода (а); упрощенная
энергетическая схема этой молекулы (б)
Акцептор (1) имеет низколежающую свободную орбиталь π1, донор (2)
имеет свободную орбиталь с более высокой энергией π2. Донор и акцептор
разделены изолирующей подгруппой (3). Молекула помещена между двумя
металлическими электродами с уровнями Ферми EF1 и EF2. В металлах (при
низких температурах) заполнены практически все состояния до EF1 и EF2.
Распределение напряжения между электродами показано на рис. 1,б.
Если на электрод 1 подать «минус», а на электрод 2 «плюс», то уровень
EF1 поднимется, и электроны будут переходить из металла 1 на свободный
уровень π1. Уровень EF2 понизится, на него будут уходить электроны с
53
уровня
π /1 .
На
освободившийся
уровень
туннелируют
электроны,
перешедшие на π1. Ток течет от электрода 1 к электроду 2, электроны при
движении понижают энергию на каждой ступени.
Если изменить полярность электродов, то на свободный уровень π2
электроны из металла 2 пойдут при гораздо большем напряжении, так как
уровень π2 расположен высоко. Таким образом, имеет место односторонняя
проводимость.
2. Молекулы–транзисторы
Рассмотрим принципиальную схему молекулярного транзистора на
рис. 2.
Молекулярный транзистор – аналог полевого транзистора. Током в
канале между истоком и стоком управляет электрическое поле затвора.
Рис. 2. Схема молекулярного транзистора
Затвором служит подложка сильнолегированного Si. Подложка
покрыта слоем SiO2 толщиной 30 нм. На диоксид наносили полоску золота
шириной ~200 нм и толщиной ~10–15 нм. Полоску, выполнявшую роль
проводящей
проволочки,
очищали
и
помещали
в
раствор
металлоорганических молекул, содержащих ион Со2+ в ацетонитриле. Затем
методом электромиграции на проволочке (полоске) создавали разрыв
шириной ~1–2 нм. Образовавшиеся кусочки золота (1 и 2, см. рис. 2)
служили истоком и стоком. В момент разрыва одна из молекул втягивается
полем золотых электродов в разрыв и прикрепляется концами – атомами
серы – к электродам.
54
Полученный молекулярный транзистор – одноэлектронный. Островом
служит ион кобальта, между ионом и электродами имеются туннельные
барьеры. Если величина напряжения на затворе меньше некоторого
критического
значения
(|Uзк|
=
1,0
В),
то
на
вольт–амперных
характеристиках наблюдаются области кулоновской блокады. При |Uз| ≥
|Uзк| блокада прорывается и ток через транзистор течет даже при очень
малых смещениях (напряжениях между истоком и стоком). После прорыва
блокады величина тока через молекулы составляет несколько десятых
наноампер
при
напряжении
смещения
около
0,1В,
сопротивление
транзистора лежит в пределах 0,1–1 ГОм.
Таким образом, посредством изменения напряжения на затворе
транзистор можно переключать из непроводящего состояния в проводящее.
В этом разделе был рассмотрен один из вариантов молекулярного
транзистора. В настоящее время существует несколько вариантов таких
устройств и способов их изготовления.
3. Молекулярные элементы памяти
Существуют классы молекул, которые могут находиться в двух
стабильных состояниях с различными значениями электропроводности.
Такие молекулы могут быть использованы в качестве переключателей или
элементов памяти. На рис. 3 показан пример катенановой молекулы
(катенановыми называются молекулы, в которых одно молекулярное кольцо
механически сцеплено с другим кольцом), состояние которой меняется при
подаче напряжения. Длина молекулы – 1 нм, ширина – 0,5 нм.
55
Рис. 3. Схематическое представление одного из вариантов
молекулярного элемента памяти
На рис. 3,а представлено разомкнутое состояние; в этом состоянии
молекула проводит ток хуже, чем при взаимном расположении колец,
изображенном на рис. 3,б. Напряжение, которое удаляет электрон (–е–),
вызывает окисление. Группа, содержащая атомы серы S, становится
положительно ионизованной и электростатически отталкивается от группы,
кольцо которой содержит ионы азота N. Это приводит к повороту кольца,
расположенного в левой части молекулы рис. 3,а.
Молекула приобретает форму, показанную на рис. 3,б. Такая форма
соответствует замкнутому состоянию, так как электропроводность системы
колец увеличивается.
Подача напряжения обратной полярности (+е–) вызывает химическое
восстановление, и молекула возвращается в состояние, представленное на
рис. 3,а.
Состояния, изображенные на рис. 3,а,б, являются стабильными. Под
действием внешнего напряжения переход происходит быстро и обратимо.
Поэтому такая молекула может быть использована для запоминания
информации: «0» – состояние рис. 3,а, «1» – состояние рис. 3,б.
Существует много органических молекул, способных «переключаться»
под действием напряжения или света.
56
Одна из рациональных конструкций молекулярной памяти – прототип
системы памяти, использующей в качестве ячеек памяти молекулы протеина.
Особенно привлекателен для исследователей бактериородопсин.
Бактериородопсины — семейство мембранных светочувствительных
белков, в которых осуществляется перенос протона через плазматическую
мембрану.
Такой
протонный
насос
управляется
световым
потоком.
Установлено, что на каждый поглощенный фотон через мембрану переносятся
два протона — фотоцикл, который представляет собой последовательность
структурных изменений молекул при реакции со светом. При этом молекула
выполняет функции логического элемента с запоминанием типа И или
бистабильной ячейки типа триггера. Логические значения «0» и «1»
соответствуют промежуточным состояниям молекулы и годами могут
оставаться стабильными. Вместе с тем указанные два состояния имеют
заметно отличающиеся спектры поглощения, что делает возможной их
идентификацию. Бактериородопсин стал основой создания запоминающего
устройства с использованием трехмерной матрицы. Матрица представляет
собой
прозрачную
кювету
размером
1x1x2
дюйма,
заполненную
полиакридным гелем и протеином. Протеин, который находится в состоянии
логического
нуля
(bR–состояние),
фиксируется
в
пространстве
при
полимеризации геля.
Световой модулятор представляет собой жидкокристаллическую
панель, на которой информация отображается в виде матрицы из светлых и
темных пикселей. Информационный массив макета состоял из 4096 х 4096
бит. Для записи и считывания информации на базе прибора с зарядовой
инжекцией формируется детектор (Charge Injection Device — CID) (рис. 4).
На первом этапе активации массива зажигается зеленый «страничный» лазер,
57
Рис. 4. Молекулярное запоминающее устройство на
бактериородопсине: а – этап активизации устройства,
б – этап записи; в – этап считывания информации
который переводит молекулы бактериородопсина в состояние логической
единицы, или Q–состояние. На этапе записи информации с помощью
записывающего лазера красного света, располагающегося под прямым углом
по отношению к лазеру желтого света, освещается световой модулятор. С его
помощью на пути луча создается транспорант, и поэтому облучению подвергаются только определенные точки страницы. В этих местах молекулы в
Q–состоянии и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть
страницы возвратится в первоначальное bR–состояние и будет представлять
нули двоичной логики.
Информация считывается с помощью «страничного» лазера. В этом
случае информация переводится в Q–состояние, что позволит в дальнейшем
идентифицировать двоичные нули и единицы с помощью различия в
спектрах поглощения. Через 2 мс после этого страница облучается красным
лазером низкой интенсивности излучения. Низкая интенсивность необходима
для того, чтобы предупредить переход молекул в Q–состояние. Молекулы,
представляющие
двоичный
нуль,
поглощают
красный
свет,
а
представляющие двоичную единицу не реагируют на него. Формируется
рисунок из светлых и темных пятен на жидкокристаллической матрице.
58
На этапе стирания молекулы из Q–состояния возвращаются в исходное
Q–состояние с помощью короткого импульса синего лазера или с помощью
обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности
данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование
нескольких смежных страниц. При операциях чтения–записи для защиты от
ошибок используется код с общей проверкой на четность. Возможно более
5000 циклов запись–чтение. Каждая страница отслеживается счетчиком, и
если происходит 1024 чтения, то страница регенерируется с помощью новой
операции записи. Суммарное время выполнения операции чтения или записи
составляет ~10 мс. Рассматриваемая система по быстродействию близка к
полупроводниковой памяти. Объем памяти кюветы с протеином оценивается
величиной порядка одного терабита данных. Информационная емкость
ограничена проблемами линзовой системы и качеством протеина. К
преимуществам перед полупроводниковой памятью следует отнести малую
стоимость протеина, который производится в большом количестве благодаря
достижениям
генной
функционировать
в
инженерии.
более
Молекулярная
широком
диапазоне
память
может
температур,
чем
полупроводниковая память, она энергонезависима, не содержит движущихся
частей, и архив такой памяти весьма информационно емок (~3 Гбит/см2).
Другим подходом к созданию молекулярной памяти является память
на углеродных нанотрубках, состоящих из миллионов атомов. Конструкция
нанотрубки прочнее стали и обладает электрическими свойствами меди и
кремния одновременно. Такой дуализм – идеальное сочетание в процессах
формирования наноэлементов вычислительной техники. Геометрические
комбинации нанотрубок показали идентичность их свойств диодам,
транзисторам, ключевым элементам и другим элементам традиционной
кремниевой технологии.
Простым и эффективным решением стало использование прямоугольной сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек
памяти и устройств ввода–вывода. В некотором смысле это известная
кроссбар–архитектура
вычислительных
59
устройств.
Такая
структура
обеспечивает бистабилыюе электростатически переключаемое состояние в
каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный анализ показал, что сила
упругости, возникающая в момент, когда верхняя нанотрубка максимально
удалена от нижней, и силы Ван-дер-Ваальса, возникающие при сближении
трубок в точке их пересечения, определяют два ярко выраженных
энергетических состояния ячейки памяти (рис. 5).
Рис. 5. Запоминающее устройство на матрице нанотрубок (а), исходное
состояние (б) и после подачи электрического потенциала (в)
В первом состоянии переходное сопротивление между нанотрубками
велико, во втором – мало. Обеспечивая электрически притягивающие и
отталкивающие силы между нанотрубками в определенных координатах,
можно вводить данные. Проблемой является заданная ориентация нанотрубок
и их соединение. Эта задача решается химическим путем так, что на
нанотрубках закрепляются химические «бирки», которые самоорганизуют
нанотрубки в необходимые конструкции. Эта красивая, но пока не
реализованная идея названа избирательной функциональностью. Бирки
притягивают
или
отталкивают
концы
нанопроводников
и
нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Реального решения
этой проблемы пока нет. Однако для начала достаточно дополнить
существующие предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на
основе нанотрубок.
Определенные
перспективы
открывает
голографическая
запись
информации на ниобате лития. При этом плотность записи информации
может
достигать
~1
Тбит/см3.
Технология
голографической
записи
информации была разработана более трех десятилетий тому назад, однако в
полной мере еще не реализована.
60
4. Молекулярные интегральные микросхемы
Имея
молекулы–проводники,
изоляторы,
диоды,
транзисторы,
логические элементы и переключатели, можно разрабатывать молекулярные
интегральные схемы. Размер молекулярного транзистора равен ~1 нм. Если
создать ИМС из 109 таких транзисторов, то она будет размером с песчинку.
При
этом
ее
производительность
возрастет
в
102–103
раз,
а
энергопотребление уменьшится до весьма малых величин.
В настоящее время разработано много вариантов схем молекулярного
компьютера.
На
1
см2
поверхности
возможно
размещение
~1013
молекулярных логических элементов. Это в 104 раза больше плотности
сборки в современных чипах.
Теоретически время отклика молекулярного транзистора на внешнее
воздействие равно ~10–15 с, тогда как в современных устройствах оно
составляет ~10–9 с. В итоге эффективность молекулярного компьютера по
сравнению с современными должна повыситься ~ в 1010 раз.
Однако
ключевая
проблема
молекулярной
электроники
–
это
интеграция молекул в схему. Молекулярное устройство должно представлять
собой сложные разветвленные цепи из атомных группировок. Подходы к
созданию базовых элементов схем хорошо разработаны, но проблема их
интеграции в порядке, обеспечивающем работу схемы, еще далека от
решения.
Принцип решения ясен – это должен быть процесс самосборки,
основанный
на
молекулярном
распознавании
взаимно
дополняющих
структур. Такой принцип использует природа для создания сложных
функциональных структур типа ДНК.
В настоящее время разработаны технологии некоторых простых
процессов
самосборки.
Это
–
формирование
упорядоченных
самоорганизованных пленок; синтез по методу Мэррифилда, в котором
соединяются «выходы» одних молекул с «входами» других. Получают
61
трехмерные молекулярные структуры типа «решеток», «лестниц» и
крестообразных структур (из молекул ДНК).
Молекулы ДНК могут быть присоединены к неорганическим и
органическим частицам, кремниевым поверхностям. Это дает возможность
создания
«гибридных»
устройств.
Например,
разработаны
приемы
подсоединения нанопроволок к свободным концам ДНК. Созданы ДНК–
чипы и ДНК–матрицы – устройства, в которых цепи ДНК закреплены на
твердотельной подложке (стекло, кремний и др.). ДНК–матрицы могут
включать от 102 до 104 сайтов (участков) на поверхности чипа, размер сайтов
– 10–100 мкм, каждый сайт содержит от 106 до 109 аминокислотных
последовательностей
ДНК.
ДНК–чипы
уже
используются
в
микробиологических исследованиях. Разрабатываются электронно–активные
матрицы ДНК, создающие регулируемые электрические поля на каждом
сайте. Поля, образующиеся при реакции гибридизации ДНК, направляют
самосборку молекул ДНК на определенных сайтах поверхности чипа. Такие
активные устройства способны переносить заряженные молекулы (ДНК,
РНК, белки и др.) с заданного сайта на поверхность устройства или наоборот
(технология управляемой ДНК–самосборки). В принципе, эта технология
дает возможность осуществлять самосборку молекулярных схем (2–мерных и
3–мерных). Существуют и другие методы самосборки агрегатов молекул на
твердотельных подложках.
Если использовать органические молекулы в качестве базовых
элементов в рамках традиционных схемотехнических и технологических
приемов, то ключевой проблемой является проблема контактов. В любом
случае для проектирования молекулярных устройств необходимо знать
электрическое сопротивление контакта «молекула
–
соединительный
проводник», характеристики молекул–диодов, молекул–триодов, молекул–
переключателей. Для экспериментального определения этих величин надо
подсоединить
источник
тока,
амперметр,
вольтметр
к
концам
индивидуальной молекулы.
Лекция 5
62
Электронные приборы на наноструктурах
Высокая
степень
интеграции,
характерная
для
современной
кремниевой технологии, не может быть достигнута при использовании
полупроводниковых соединений AIIIBV, однако эти соединения обеспечивают
большее быстродействие, прежде всего, за счет высокой подвижности р
носителей и меньших значений эффективной массы электронов в таких
соединениях. Подвижность носителей в GaAs примерно на порядок
превышает соответствующее значение для чистого кремния. А скорость
электронов в полупроводниковых материалах под влиянием внешнего
электрического поля является основным параметром при проектировании
новых высококоскоростных электронных приборов. MODFET на основе
модулировано–легированных квантовых гетероструктур могут обеспечить
очень высокое быстродействие благодаря очень высоким значениям μ при
продольном транспорте электронов.
Граничная
частота
таких
устройств
обычно
превышает
соответствующие значения для полевых МОП–транзисторов на кремниевой
основе, а также полевые транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора
(MESFET) на основе GaAs. Необходимо также упомянуть, что высокая
подвижность электронов в этих структурах является следствием квантования
электронных состояний в образующихся двумерных системах, а также
высокого совершенства изготовляемых поверхностей раздела AlGaAs–GaAs.
На рис. 1 представлена зависимость рабочей частоты (в ГГц)
различных типов модулировано–легированных полевых транзисторов от
длины затвора (в микронах).
Благодаря своим характеристикам такие устройства получили также
название полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов
(НЕМТ). Для сравнения на рис. 1 приведены также типичные характеристики
кремниевых полевых МОП–транзисторов и полевых транзисторов с
барьером Шоттки на основе GaAs. Значения частот приводятся для
комнатной температуры (300 К), хотя стоит отметить, что они гораздо выше
63
при температуре около 0К вследствие роста подвижности при низких
температурах.
В
настоящее
время
уже
существуют
модулировано-
легированные полевые транзисторы с длиной затвора около 100 нм и рабочей
частотой при комнатной температуре порядка нескольких сотен гигагерц
(ГГц).
Рис.1 Зависимость максимальной рабочей частоты различных типов
транзисторов (MODFET, MESFET и полевых МОП–транзисторов)
от длины затвора
Использование квантовых гетероструктур не ограничивается полевыми
транзисторами, в которых транспорт электронов осуществляется лишь
параллельно поверхности квантовой ямы, а включает также транзисторы, в
которых транспорт происходит перпендикулярно поверхности раздела
гетероструктуры. Работа таких транзисторов основана на приложении
разности потенциалов к эмиттеру, базе и коллектору, что напоминает
механизм действия биполярных транзисторов.
Максимальная
ограничивается
рабочая
временем
частота
пролета
биполярных
носителей
заряда
транзисторов
через
базу.
Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) на основе переходов в
AlGaAs – GaAs или Si – Ge позволяют значительно повысить ряд важных
параметров, таких, как предельная частота (частота отсечки), (β–фактор,
сопротивление базы и т. п. по сравнению с обычными кремниевыми
биполярными транзисторами.
64
Обсуждая возможности создания транзисторов новых типов, следует
особо отметить еще один очень интересный квантовый эффект, а именно так
называемое резонансное туннелирование. При самом простом описании
диоды с резонансным туннелированием (RTD), действующие на основе этого
эффекта,
представляют
собой
квантовую
яму,
окруженную
двумя
потенциальными барьерами, достаточно тонкими для того, чтобы через них
могло
осуществляться
туннелирование
электронов.
Время
пролета
электронов через такую гетероструктуру чрезвычайно мало, вследствие чего
устройства на основе RTD обладают исключительным быстродействием и
могут работать при частотах порядка 1 ТГц. Объединяя RTD с биполярным
или полевым транзистором, можно создать так называемые транзисторы с
резонансным туннелированием (RTT). В этих транзисторах структура с
резонансным туннелированием инжектирует горячие электроны (т. е.
электроны с высокой кинетической энергией) в активную область
транзистора, что позволяет создавать так называемые транзисторы на
горячих электронах (НЕТ).
Снижение характерных размеров приборов в нанометровый диапазон
приводит к заметному уменьшению числа электронов, соответствующих
прохождению электрического сигнала через прибор. Эта тенденция
неизбежно
подводит
транзисторов
определяются
(SET).
к
созданию так
Характеристики
эффектом
кулоновской
называемых
одноэлектронных
одноэлектронных
блокады,
транзисторов
проявляющимся
в
нульразмерных полупроводниковых структурах, типа квантовых точек.
Электронный ток через квантовую точку в одноэлектронном транзисторе,
соединенном с выводами посредством туннельных переходов, позволяет
контролировать поток электронов «поштучно» подачей сигнала на электрод,
который в данном случае ведет себя подобно вентилю (затвору) транзистора.
1. Модуляционно–легированные полевые транзисторы (MODFET)
Наличие потенциальной ямы очень малых размеров, сформированной в
65
гетеропереходах структуры AlGaAs–GaAs, может приводить к квантованию
уровней энергии, соответствующих движению электронов в направлении,
перпендикулярном поверхности раздела, хотя движение электронов в
плоскости, параллельной поверхности раздела, практически не отличается от
движения свободных частиц. При этом отмечалось, что подвижность
электронов в этой плоскости может быть исключительно высокой, поскольку
возникающие в слое AlGaAs электроны поступают в нелегированный слой
GaAs, где отсутствует рассеяние на примесных атомах и они могут двигаться
параллельно поверхности раздела совершенно свободно под воздействием
электрического поля. Именно на этом принципе с начала 1980–х г. начали
создаваться полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей
(НЕМТ),
которые
иногда
называют
полевыми
транзисторами
с
модулированным легированием (MODFET), так как в них используются
модулировано–легированные гетеропереходы, а их действие основано на
возможности
регулирования
движения
электронов
вдоль
канала
воздействием электрического поля.
Модулировано–легированные
полевые
транзисторы
(MODFET),
которые уже нашли много полезных применений в высокочастотной технике,
могут служить наглядным примером приборов, в которых высокие
технические характеристики достигаются за счет использования квантового
поведения электронов, локализованных в нанометровых потенциальных ямах
с размерами меньше длины волны де Бройля электронов
Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру,
позволяющую
создавать
двумерный
электронный
газ
с
высокой
подвижностью. На рис. 2,а схематически представлено сечение типичного
модулировано–легированного
полевого
транзистора
(MODFET),
включающего в себя все привычные электроды транзистора (сток, исток и
затвор).
66
Рис. 2. (а) Схема сечения типичного модулировано–легированного
полевого транзистора (MODFET или НЕМТ); (б) схематическое строение
зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре
Диаграмма (а точнее, структура зоны проводимости в направлении,
перпендикулярном структуре) приведена на рис. 2,б. Наиболее характерной
особенностью транзисторов этого типа выступает квантовая яма для
электронов, образующаяся между n-легированным слоем полупроводника
AlGaAs и слоем обычного, нелегированного GaAs. Квантовая потенциальная
яма в гетероструктурах AlGaAs–GaAs формируется на поверхности раздела
из-за того, что ширина запрещенной зоны AlGaAs (Еg ~ 2 эВ) значительно
превышает ширину зоны в GaAs (Еg ~ 1,41 эВ). Обычно ширина такой
квантовой ямы (приблизительно треугольной формы) составляет около 8 нм,
т. е. является настолько тонкой, что электронный газ действительно может
образовывать двумерную систему. На рис.2,б показан только один
энергетический уровень. Прослойка из нелегированного AlGaAs вводится в
структуру для того, чтобы еще больше удалить проводящий канал от слоя
AlGaAs n–типа (где генерируются носители) и тем самым повысить
подвижность
электронов
вследствие
67
ослабления
взаимодействия
с
ионизированными донорами. Типичная ширина такой прослойки составляет
около 50 А.
Легко заметить, что показанная на рис. 2 структура MODFET или
НЕМТ
очень
похожа
на
полевые
МОП–транзисторы,
у
которых
потенциальная яма для электронного канала также располагалась на
поверхности раздела структуры Si – SiO2. Обычный режим работы полевых
транзисторов с высокой подвижностью носителей (НЕМТ) похож на режим
полевых МОП–транзисторов, в которых поток электронов движется от
истока к стоку под воздействием приложенного напряжения. Такой ток
может модулироваться сигналом напряжения, подаваемым на затвор.
Аналитическое выражение для зависимости тока насыщения Idsat от
напряжения на затворе Vg имеет вид: Idsat ~(Vg – Vт)2, где величина Vт –
величина порогового напряжения. Поэтому вольтамперные характеристики
модулировано–легированных полевых транзисторов очень похожи на
характеристики полевых МОП–транзисторов. Скорость переключения и
высокочастотные характеристики таких транзисторов могут быть повышены
за счет уменьшения времени пролета электронов tr, для чего конструкторы
таких устройств стремятся максимально сократить длину затвора L (которая
обычно составляет около 100 нм), одновременно стараясь увеличить ширину
затвора, поскольку это позволяет повысить величину сигнала и так
называемую крутизну транзистора. Известно, что для изготовления полевых
транзисторов с барьером Шоттки для достижения высокой крутизной
необходимо использовать высоколегированные материалы (с уровнем
легирования порядка 1018–1019 см-3), что ограничивает дрейфовую скорость
электронов из–за рассеяния на большом числе примесных атомов. Таким
образом, использование модулировано–легированных полевых транзисторов
представляет конструкторам приборов дополнительные преимущества, так
как
в
таких
структурах
транспорт
носителей
осуществляется
в
нелегированном слое (GaAs).
В настоящее время модулировано–легированные полевые транзисторы
доминируют на рынке малошумящих приборов, так как они способны
68
работать в очень широком диапазоне частот: от микроволновых до частот
около 100 ГГц (см. рис.1). В новейших гетероструктурах систем AlGaAs–
InGaAs – GaAs не только квантовая локализация электронов в ямах более
эффективна, чем в гетеропереходах на основе AlGaAs–GaAs, но и электроны
двигаются в слое InGaAs с более высокой дрейфовой скоростью насыщения,
чем в GaAs. Крутизна такого транзистора достигает значений 100 мС/мм,
частота отсечки составляет около 100 ГГц, а уровень шумов составляет лишь
2 дБ.
Такие высокие характеристики достигаются за счет уменьшения
расстояния затвор–канал (из–за более резких барьеров) и снижения
паразитных емкостей системы. По всем этим причинам модулировано–
легированные полевые транзисторы превосходят другие приборы при
усилении сигналов в микроволновом диапазоне, вплоть до частот 300 ГГц, т.
е. примерно в шесть раз превышают по быстродействию лучшие из
транзисторов, изготовленных на основе МОП–технологий при заданном
уровне
литографического
разрешения.
Модулировано–легированные
полевые транзисторы могут также изготовляться на основе структур SiGe,
однако такие устройства не выпускаются промышленно из–за относительно
высоких значений токов утечки.
2. Биполярные транзисторы на гетеропереходах
Основной
целью
конструкторов
гетеропереходных
биполярных
транзисторов является обеспечение максимального значения коэффициента
усиления β при возможно более высоких рабочих частотах. Максимальная
рабочая частота зависит от многих факторов, в число которых входят
геометрические размеры и степень легирования областей эмиттера, базы и
коллектора.
Для повышения значений β необходимо, чтобы значения двух важных
параметров системы (а именно коэффициент усиления по току α и
коэффициент инжекции эмиттера γ) были максимально близки к единице
(упомянутые параметры являются стандартными при описании биполярных
69
транзисторов). Из этих требований сразу вытекает, что степень легирования
эмиттера должна быть намного выше, чем базы. При этом, однако, следует
учитывать, что очень высокая степень легирования полупроводника
уменьшает в нем ширину запрещенной зоны, например, при степени
легирования 1020 см-3 ширина запрещенной зоны уменьшается на 14%, что
приводит к уменьшению коэффициента инжекции носителей из области
эмиттера в область базы. Поэтому почти сразу после изобретения
биполярных транзисторов с однородными переходами Шокли предложил
изготовлять эмиттер транзистора на основе полупроводников с более
широкой запрещенной зоной, что должно было уменьшить число носителей,
инжектируемых из базовой области в область эмиттера, и тем самым
повысить общий коэффициент инжекции эмиттера. Позднее, в 70–х годах
началось
коммерческое
производство
биполярных
транзисторов
на
гетеропереходах (НВР).
На рис. 3,а показана разница, возникающая в зонной структуре npn–
транзисторов с гетеро– и гомопереходами. Следует особо отметить, что в
последнем случае (рис.3,б) ширина запрещенной зоны эмиттера превышает
ширину зоны базы, вследствие чего барьер для инжекции электронов из
эмиттера в базу (еVn) оказывается ниже соответствующего значения для
дырок (eVp), что и проявляется в значительном повышении коэффициента β.
Даже небольшое изменение высоты барьера может очень сильно влиять на
процесс
инжекции,
который
описывается
зависимостью от высоты барьера.
70
квазиэкспоненциальной
Рис. 3. Зонная структура при поляризации в активной зоне (а) транзистора на
гомопереходе и (б) гетеропереходного биполярного транзистора (НВТ)
Действительно,
коэффициент
β
пропорционален
отношению
концентрации легирующей примеси в эмиттере и базе, а также члену,
exp(ΔEg/kT)где ΔEg – разность между большей шириной запрещенной зоны в
эмиттере и меньшей – в базы. При комнатных температурах (когда kТ ~ 0,026
эВ) небольшая разница в значениях ΔEg позволяет значительно изменить
величину
коэффициента
гетеропереходные
β.
биполярные
Сказанное
транзисторы
позволяет
считать,
предоставляют
что
богатые
возможности для создания транзисторов с высокой степенью легирования
базы, малым сопротивлением базы и малым временем пролета электронов
через базовую область. Кроме того, можно даже уменьшать степень
легирования базы, вследствие чего должна уменьшаться паразитная емкость,
связанная с переходом эмиттер – база. Одновременное уменьшение
сопротивления базы и емкости перехода эмиттер – база очень важно для
повышения высокочастотных рабочих характеристик приборов на основе
описываемых гетеропереходных биполярных транзисторов.
Другой важной особенностью гетеропереходов является возможность
создания гетеропереходных биполярных транзисторов с базой переменного
состава, в которых ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается от
эмиттера к коллектору (рис.4,а). В такой системе создается внутреннее
электрическое поле, позволяющее ускорять электроны при прохождении
базовой области и тем самым дополнительно повышать быстродействие
транзисторов. В предельном случае, когда область коллектора такого
транзистора также изготовлена из полупроводника с широкой запрещенной
зоной (как показано на рис.4,б), пробивное напряжение на переходе база –
коллектор может быть значительно увеличено. Кроме того, такие структуры
(называемые двойными гетеропереходными биполярными транзисторами,
DHBT) позволяют менять местами эмиттер и коллектор, что значительно
расширяет возможности конструирования различных интегральных схем.
71
Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) обычно создаются
на основе полупроводниковых соединений А3В5, что обусловлено хорошими
характеристиками гетеропереходов в структурах AlGaAs – GaAs и высокой
подвижностью электронов. Типичные НВТ обычно имеют длину базы около
50 нм и являются высоколегированными (порядка 1019 см-3). Такие
транзисторы обычно имеют рабочую частоту около 100 ГГц, что значительно
выше
соответствующих
параметров
для
кремниевых
биполярных
транзисторов. Дальнейшее повышение высокочастотных характеристик
связано с использованием гетеропереходов в системах InGaAs–InAIAs и
InGaAs – InP, что позволяет получать рабочие частоты до 200 ГГц. Очень
ценной особенностью НВТ на основе полупроводников класса является то,
что они легко интегрируются в одну схему, включающую как электронные,
так и оптоэлектронные приборы. На этой основе уже началось производство
так называемых оптоэлектронных интегральных схем (OEIC), включающих в
себя полупроводниковые лазеры, что представлялось невозможным в рамках
привычных, кремниевых технологий.
Некоторые
исследовательские
гетеропереходных
технологии,
что
проекты
нацелены
биполярных
транзисторов
на
позволит
использовать
в
на
создание
основе
кремниевой
них
кремниевые
полупроводниковые соединений с широкой запрещенной зоной. Одним из
таких соединения является карбид кремния SiC (для которого ширина
запрещенной зоны изменяется от 2,3 эВ для кубической модификации до
более чем 3 эВ для гексагональных модификаций), а другим, весьма
интересным
для
проектировщиков
веществом
выступает
аморфный
гидрогенизированный кремний (ширина зоны – 1,6 эВ). Техническая
проблема
при
сопротивлением
использовании
эмиттера,
этих
материалов
обусловленным
либо
связана
с
свойствами
высоким
самих
материалов, либо металлическими контактами. По–видимому, наиболее
перспективными кремниевыми материалами для получения НВТ являются
сплавы на основе SiGe, в которых гетеропереходы могут быть сформированы
вследствие того, что ширина запрещенной зоной в кремнии равна 1,12 эВ, а в
72
германии – 0,66 эВ. Приборы с гетероструктурами Si – SiGe были созданы
лишь в 1998 г. (т. е. значительно позднее приборов на GaAs и других
соединениях класса AIIIBV), что легко объясняется недостаточным развитием
методов эпитаксиального роста SiGe. Для изготовления НВТ на основе Si или
SiGe необходимо, чтобы в создаваемой структуре сразу после кремниевой
области эмиттера располагалась область базы SiGe, в которой ширина
запрещенной зоны намного меньше, чем в Si, поскольку именно такая
разница в ширине запрещенной зоны позволяет создавать в области базы
относительно высокую концентрацию легирующих примесей, что и
обеспечивает высокую рабочую частоту структуры, сравнимую с частотой
приборов на основе соединений AIIIBV.
Частота
отсечки
промышленно
выпускаемых
гетеропереходных
биполярных транзисторов в настоящее время превышает 100 ГГц, а в
опытных образцах – даже 400 ГГц. Такие высокие значения частоты отсечки
частично
связаны
с
использованием
структур
со
сжимающими
механическими напряжениями, что позволяет менять энергетическую
структуру в напряженных слоях, в результате чего происходит уменьшение
эффективной массы носителей. Повышение подвижности носителей при этом
может достигать 60%.
Конечным результатом описанных приемов стало создание базовых
областей с плавным изменением состава х в соединениях типа GexSi1-x.
Наклон энергетической зоны, возникающий вследствие изменений ширины
запрещенной зоны вдоль базовой области, обеспечивает очень высокие
значения (вплоть до ~10 кВ/см) встроенного электрического поля, что и
позволяет резко уменьшить время прохождения электронами базовой зоны.
Такие
гетеропереходные
биполярные
транзисторы
(НВТ),
конечно,
потребляют и рассеивают гораздо больше энергии, чем полевые МОП–
транзисторы, однако позволяют работать при гораздо более высоких
частотах и при меньшем уровне шумов. Эти преимущества и позволяют
рассматривать гетеропереходные биполярные транзисторы на основе SiGe в
качестве весьма перспективных приборов.
73
Рис. 4. (а) Гетеропереходный биполярный транзистор (HBT) с базой
переменной ширины запрещенной зоны; (б) двойной гетеропереходный
биполярный
транзистор
(DHBT)
с
широкой
запрещенной
зоной
полупроводника в области эмиттера и коллектора
3. МДП–структуры. Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Исторически к первым типам электронных приборов с размерным
квантованием электронного газа следует, по–видимому, отнести транзисторы
с изолированным затвором, которые в настоящее время являются наиболее
распространенным
связано с
типом полевых транзисторов. В первую очередь это
простотой и высокой технологичностью конструкции, что
позволяет использовать транзисторы такого типа в качестве основных
компонентов
интегральных
микросхем. Устройство
транзистора
с
изолированным затвором показано на рис. 5.
Затвор представляет собой тонкую пленку металла, нанесенную на
поверхность высококачественного диэлектрика – оксида кремния SiO2 или,
реже, нитрида кремния –
Si3N4. Исток и сток выполнены в виде
сильнолегированных п+ – областей в подложке – полупроводниковой
пластинке р–типа. Другое название этой конструкции: МОП или МДП–
транзистор является аббревиатурой словосочетаний «металл – оксид –
полупроводник», «металл – диэлектрик – полупроводник».
74
Рис. 5. Конструкция МДП–транзистора с каналом n–типа
При отсутствии напряжения на затворе сопротивление между истоком
и стоком, определяемое двумя включенными навстречу друг другу р–п
переходами, оказывается очень высоким. Если же подать на затвор
достаточно большое положительное напряжение, то возникающее сильное
электрическое поле существенно увеличивает концентрацию электронов в
тонком поверхностном слое р–полупроводника и изменяет тип его
проводимости на противоположный. Этот тонкий слой п–типа, называемый
инверсионным, образует проводящий индуцированный канал, соединяющий
п+ – области истока и стока. При увеличении положительного напряжения
затвора
толщина
п–слоя
и
его
проводимость
возрастают,
чем
и
обеспечивается управление выходным током транзистора. При этом
величина тока во входной цепи – цепи затвора транзистора оказывается
исключительно малой, так как сопротивление изоляции затвора достигает
1012 Ом.
Пороговое напряжение затвора, при котором возникает заметная
проводимость канала, составляет обычно от десятков милливольт до
нескольких вольт.
В транзисторах с изолированным затвором канал может быть
образован
с
помощью
специально
нанесенного
на
поверхность
полупроводника тонкого слоя с противоположным, по отношению к
подложке, типом проводимости. Такие приборы носят название МДП–
транзисторов со встроенным каналом.
75
Зонная диаграмма МДП – структуры с индуцированным каналом
приведена на рис.6.
Рис.6. Зонная диаграмма МДП– структуры
На
диэлектрика
металлический
затворный
электрод,
толщиной
подается
напряжение
d,
отделенный
VЗ,
слоем
создающее
в
полупроводнике приповерхностный изгиб зон. Для достаточно больших VЗ
этот изгиб может стать порядка ширины запрещенной зоны. При этом в
полупроводнике вблизи границы с диэлектриком образуется тонкий
инверсионный слой, содержащий носители противоположного знака (в
данном случае – электроны). Рассматривая металлический затвор и
инверсионный слой как две обкладки плоского конденсатора, легко
заключить, что двумерная плотность электронов в слое ns (плотность
электронов на единицу площади двумерного электронного газа) будет
пропорциональна напряжению на затворе:
nS  VЗ  V0   d / 4 ed ,
где εd
(1)
– диэлектрическая проницаемость диэлектрика; V0 –
напряжение,
соответствующее
открытию
инверсионного
пороговое
канала,
т.е.
появлению в нем электронов.
Инверсионный слой представляет собой потенциальную яму для
электронов, где одной стенкой является граница с диэлектриком, а роль
второй стенки играет электростатический потенциал
eФ( z )  eEz ,
76
(2)
прижимающий электроны к границе. Здесь
E ≈ 4πens /εs
(3)
– электрическое поле в инверсионном слое, которое пропорционально
напряжению
на
затворе,
εs
–
диэлектрическая
проницаемость
полупроводника.
Особенностью МДП – структур, отличающей их от других квантово –
размерных систем, является возможность управления концентрацией
электронов ns. Она может изменяться в широких пределах при изменении
напряжения на затворе VЗ. Максимальное значение ns определяется
максимальным значением напряжения, которое можно приложить к затвору
без риска пробоя диэлектрика. Для кремниевых структур оно имеет порядок
1013 см -2.
Изменение напряжения на затворе меняет одновременно концентрацию
двумерных носителей ns и расстояние между уровнями размерного
квантования. Этим МДП–структура отличается от тонкой пленки, где
концентрация и энергия уровней определяются соответственно уровнем
легирования и толщиной пленки и могут меняться независимо. Существует
еще одно различие между МДП–структурами и тонкими пленками.
Последние представляют собой потенциальную яму для обоих типов
носителей, и квантование энергии имеет место как для электронов, так и для
дырок.
В
МДП–структурах,
где
ограничивающий
потенциал
имеет
электростатическую природу, квантуется энергия лишь одного типа
носителей. Для другого типа носителей потенциальная яма отсутствует и
спектр остается непрерывным.
При напряжении между стоком и истоком транзистора, равном VС , в
канале будет течь ток:
IС = eμnsVcb/l,
(4)
где b, l – ширина и длина канала, μ – подвижность носителей в нем.
Изменяя с помощью затвора концентрацию в канале ns, можем
осуществлять управление током исток – сток аналогично тому, как в
обычном транзисторе напряжение базы управляет током коллектор –эмиттер.
77
Важнейшая характеристика транзистора – крутизна S – в нашем случае
определяется выражением
dI
  d bVC / 4 dl .
dVЗ
S
Видно,
что
крутизна
подвижности
носителей.
преимущества
высокой
полевого
На
самом
подвижности
(5)
транзистора
деле
пропорциональна
полностью
двумерного
газа
использовать
и
получить
транзисторы с крутизной, во много раз большей, чем у обычных МДП –
транзисторов, не удается. Причина в том, что в реальных приборах для
получения высокого быстродействия и высокой плотности интеграции
расстояние между истоком и стоком делается весьма малым l < 1мкм. При
этом напряженность поля в канале настолько велика, что дрейфовая скорость
электронов не пропорциональна полю, а выходит на насыщение. В
результате крутизна слабее зависит от подвижности носителей.
Другие важные параметры – характерное время переключения и
энергетические затраты на одно переключение транзистора – также могут
быть уменьшены по сравнению со стандартными полевыми транзисторами
на однородном газе.
4. Транзисторы на горячих электронах
К настоящему времени разработаны два типа транзисторов, для работы
которых
существенное
значение
имеет
тот
факт,
что
электроны,
пролетающие через канал или базу, являются горячими, т. е. имеют
кинетическую энергию значительно выше равновесной (kT).
В первом типе транзисторов на основе горячих электронов
используется
структура
полевого
транзистора
с
высокой
подвижностью носителей заряда. В таком транзисторе ток течет в канале,
образованном
двумерным
электронным
газом.
При
увеличении
электрического поля в канале температура электронов возрастает и может
оказаться
настолько
высокой,
что
78
электроны
могут
с
помощью
термоэлектронной эмиссии перейти в слой широкозонного твердого
раствора, где их скорость становится малой (рис.7).
Такой механизм протекания тока может привести к образованию
отрицательной дифференциальной проводимости канала. Работа полевого
транзистора с отрицательным сопротивлением – ПТОС – основана на этом
принципе.
Рис.7. Иллюстрация переноса электронов через канал протекания тока с
двумерным электронным газом:
а – в слабом электрическом поле электроны локализованы в одномерной
потенциальной яме; б – в сильном электрическом поле значительная часть
электронов приобретает от поля энергию, достаточную для выхода из
потенциальной ямы.
Возрастание температуры электронов с ростом напряжения сток–исток
приводит к увеличению тока Iгор, протекающего от канала (эмиттера) через
барьер к коллектору, и, следовательно, к уменьшению тока сток–исток, т.е. к
отрицательному дифференциальному сопротивлению канала (рис.8).
Преимущество такого прибора – возможность реализации более
быстродействующих режимов работы, т.к. управление током эмиттер–
коллектор в этом случае связано с разогревом электронов. Изменение
температуры электронов ограничено наибольшим из двух характерных
79
времен
–
временем
релаксации
энергии
и
временем
изменения
электрического поля. Последнее определяется временем пролета электронов
через область сильного поля вблизи стока и может быть в несколько раз
короче времени их пролета через весь канал, которое ограничивает
собственное быстродействие обычных полевых транзисторов.
Рис.8. Схематическое изображение структуры ПТОС – транзистора
Помимо высокого быстродействия транзисторов на горячих электронах
такого типа привлекает возможность построения на их основе новых
приборов – с расширенными функциональными возможностями. Например,
в четырехэлектродной структуре, которая может быть получена добавлением
к ПТОС
еще
одного
быть реализована
электрода, подобного стоку или истоку, может
логическая
функция,
для
выполнения
которой на
обычных элементах требуется использовать несколько транзисторов.
Изготовление такого транзистора оказалось возможным только после
решения проблем, связанных с выбором полупроводникового материала для
слоя базы, улучшением технологии нанесения
слоев,
оптимизацией
энергетической структуры транзистора, учетом и использованием квантово –
размерных эффектов. Поиски оптимального построения униполярного
прибора привели к созданию транзистора на горячих электронах с
резонансным туннелированием.
5. Резонансно–туннельный транзистор на квантовой точке (транзистор с
резонансным туннелированием)
Двухбарьерная резонансно–туннельная структура представляет собой
80
диодную, двухэлектродную структуру. Такой резонансно–туннельный диод
может быть использован как отдельный прибор при построении электронных
схем, так и в качестве элемента более сложных транзисторных структур. В
транзисторе на горячих электронах он используется в качестве барьера
эмиттер – база. Такой резонансно–туннельный транзистор можно создать,
если использовать резонансное туннелирование не через двухбарьерную
структуру, а через квантовую точку (рис. 9).
Рис.9. Схематическое изображение структуры резонансно–туннельного
транзистора на основе квантовой точки
Квантовая точка имеет дискретный энергетический спектр. На ее
основе можно изготовить резонансно–туннельный диод, если связать ее
через туннельно–прозрачные барьеры с двумя электродами. В этом случае
оказывается возможным осуществить управление проводимостью структуры.
Для этого необходимо иметь способ изменения размеров квантовой
точки. В таком случае будет меняться положение энергетических уровней в
квантовой точке – появляется принципиальная возможность «включать» и
«выключать» механизм резонансного туннелирования.
Центральный
верхний
электрод
транзистора
круглой
формы
соединяется с нижним электродом через двухбарьерную резонансно–
туннельную структуру с двумерным электронным газом в центре. Квантовая
точка в этой структуре образуется с помощью третьего электрода – затвора,
кольцом окружающего центральный верхний электрод. При подаче на него
81
отрицательного потенциала электроны из области двумерного газа под
затвором
вытесняются
к
центру
структуры.
Таким
способом
под
центральным электродом может быть сформирована квантовая точка,
поперечные размеры которой, а, следовательно, и положение энергетических
уровней в ней определяются величиной отрицательного напряжения на
затворе. Сдвиг уровней приводит к изменению условий резонансного
туннелирования. Положение участков отрицательного дифференцального
сопротивления в вольт–амперной характеристике между центральным и
нижним электродами зависит от напряжения на затворе – такой прибор имеет
более широкие функциональные возможности, чем просто резонансно–
туннельный диод.
Рис.10. ВАХ резонансно–туннельной структуры для простейшей модели
(штриховая кривая) и с учетом уширения уровней (сплошная кривая)
На работе резонансно – туннельного транзистора отрицательно
сказывается наличие неконтролируемых примесей и дефектов в области
квантовой точки и туннельных барьеров (рис.10). Различное положение
примесных атомов в области квантовой точки для разных транзисторов
приводит из – за искажений локального потенциала к значительному
разбросу характеристик транзисторов. Кроме того, через электронные
атомные
уровни
примеси
тоже
может
происходить
резонансное
туннелирование – вольт– амперная характеристика транзистора будет иметь
в этом случае пики, положение которых не зависит от напряжения на
затворе. Но резонансно – туннельные транзисторы потребляют очень малую
мощность на одно переключение – в этом их преимущество.
82
6. Одноэлектронные транзисторы
Управлять движением единичных макрообъектов для своей пользы
человек научился очень давно. Возьмем, к примеру, всем известные
песочные часы – символ непрерывно уходящего времени. Несмотря на
кажущуюся непрерывность, в основе принципа работы таких часов лежат
дискретно падающие через узкую горловину песчинки. А можно ли так же
легко управлять объектами квантовой природы – отдельными атомами или
даже электронами? Оказывается можно! Например, с помощью так
называемого одноэлектронного транзистора, который представляет собой
переключающее
устройство,
способное
разъединять
или
соединять
электрическую цепь за счет движения единичного электрона.
Принципиальным
отличием
одноэлектронного
транзистора
от
классического является то, что линейные размеры канала между стоком и
истоком лежат в нанодиапазоне, обусловливая проявление квантоворазмерных эффектов. Кроме того, одноэлектронный транзистор не
усиливает текущий ток, а только управляет переходом электронов, поэтому
правильнее было бы называть его переключателем.
Принцип работы одноэлектронного транзистора основан на эффекте
так называемой «кулоновской блокады» – скачкообразном изменении
потенциальной энергии достаточно малой системы при туннелировании
одного электрона и блокировании движения всех остальных. При этом
электрический ток в цепи протекает макроскопически регистрируемыми
порциями, иначе говоря, в системе проявляется движение единичных
зарядов.
Давайте более подробно рассмотрим устройство одноэлектронного
транзистора (рис. 11). Как и любой традиционный транзистор, он состоит из
трех электродов, два из которых выполняют роль стока и истока, а третий
является управляющим (затвор). Только вот между электродами расположен
металлический или полупроводниковый «наноостровок» – наночастица или
83
кластер
нанометровых
размеров
(рис.12).
При
этом
толщины
«наноостровков» настолько малы, что электрон может туннелировать. Если
приложить разность потенциалов между стоком и истоком, то, казалось бы,
должен потечь туннельный ток.
Рис. 11. Схематичное устройство одноэлектронного транзистора и
идеализированная зависимость тока от напряжения
84
Рис. 12. Наночастицы диаметром несколько нанометров между
металлическими электродами
Однако пока потенциал на управляющем электроде будет меньше
некоторого порогового значения, туннелирование не наблюдается. Электрон
на наночастице остается изолированным, т.е. «заблокированным». При
дальнейшем же увеличении напряжения выше порогового значения блокада
электрона прорывается, и в цепи между стоком и истоком происходит
перескок электрона – течет туннельный ток.
Таким образом, управляя потенциалом затвора, можно пропускать по
цепи единичные электроны. Если пойти дальше и вместо наночастицы
поместить между электродами молекулу или молекулярный комплекс, то
движение единичных электронов будет осуществляться в результате
прыжков по химическим связям – в работу вступят дискретные уровни
энергии молекулы (см. Молекулярная электроника). Таким образом,
одноэлектронный транзистор рассматривается как предельная степень
миниатюризации классического транзистора – то, к чему стремятся все
крупнейшие производители вычислительной техники. В настоящий момент
работу
одноэлектронных
транзисторов
можно
наблюдать
только
в
исследовательских лабораториях, но в будущем их использование в
массовом
производстве
может
привести
85
к
резкому
снижению
энергопотребления
значительному
и
тепловыделения
увеличению
электронными
быстродействия
и
схемами,
плотности
элементов
микросхем. Развитие технологии одноэлектронных транзисторов позволит
создать ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью
записи
информации
и
малой
рассеиваемой
мощностью,
а
также
высокочувствительные химические/биохимические сенсоры.
ЛЕКЦИЯ 6
Лазеры на полупроводниковых гетероструктурах
Прежде чем перейти к рассмотрению квантовых гетероструктур с
низкой размерностью, представляется полезным очень кратко описать
существующие полупроводниковые лазерные устройства. В курсе квантовой
электроники
отмечалось,
что
оптическое
усиление
в
вырожденных
полупроводниках может быть получено в результате индуцированного
(вырожденного) излучения на переходах р+ – п+ в GaAs при прямом
смещении. В таких структурах можно создавать активную зону с инверсной
заселенностью, поскольку квазиуровни Ферми в вырожденных р+ и п+ материалах располагаются внутри зоны проводимости и валентной зоны
соответственно. Непрерывность работы лазера обеспечивается постоянной
инжекцией носителей в переход при прямом смещении. Лазеры, основанные
на р-п переходах из одного материала (например, в GaAs), имеют несколько
недостатков, часть которых связана с недостаточной определенностью активной зоны излучения света, размеры которой примерно соответствуют
диффузионной длине LD, т. е. составляют несколько микрометров. Кроме
этого, следует учитывать, что в рассматриваемых системах достаточно велик
пороговый ток, т. е. минимальный ток, требуемый для обеспечения работы
лазера.
В 70–х годах стало ясно, что лазеры на двойных гетероструктурах
(DHL), в которых обеспечивается и пространственная локализация носителей
заряда и световых волн, не только значительно превосходят лазеры на
86
гомопереходах по эффективности, но и имеют, по крайней мере на порядок,
более низкую величину плотности порогового тока (~1000 А см-2). Благодаря
этим улучшенным свойствам лазеры на двойных гетероструктурах нашли
множество применений в различных устройствах оптической связи. На рис. 1
приведены для сравнения общий вид структур полупроводниковых лазеров
на гомопереходах и двойных гетероструктурах.
Рис.1. Сравнение структуры и характеристик полупроводниковых лазеров
на гомопереходах (а) и двойных гетероструктурах (б). Сверху вниз
представлены: изображение полупроводниковых структур, формирующих
лазер; энергетические диаграммы с указанием потенциальных ям для
электронов и дырок; изменения показателей преломления в структурах;
пространственная локализация оптических волн в активной зоне
Как показано на рис. 1,а, гетеропереходы не только позволяют
формировать потенциальные ямы для электронов и дырок, повышая
концентрацию носителей, но и, что более важно, увеличивая инверсную
заселенность электронов и дырок. Размеры активной области в лазерах на
двойных гетероструктурах пока имеют размер порядка 0,1 мкм, что
87
недостаточно мало для квантования энергии в потенциальных ямах. Лазеры
на квантовых ямах будут рассмотрены в следующем разделе.
Еще
один
гетероструктурах
интересный
аспект
работы
лазеров
на
двойных
связан с тем, что показатель преломления в GaAs
несколько выше (примерно на 5%), чем в окружающем материале AlGaAs.
Эта разница оказывается достаточной для обеспечения весьма эффективной
оптической
локализации.
Коэффициент
оптической
локализации
Г,
соответствующий доле плотности фотонов, локализованных в активной
области лазера, определяется выражением:

Г
E  z  dz
2
act .region



E  z  dz
2
(1)
где функция E(z) описывает распределение амплитуды электромагнитной
волны в направлении, перпендикулярном к поверхности раздела. В лазерах
на двойных гетероструктурах значения коэффициента Г могут достигать
единицы. Описываемый эффект оптической локализации для лазеров на
двойных гетероструктурах представлен на рис. 1,б.
Для повышения эффективности лазеров на двойных гетероструктурах
в
большинстве
случаев
используется
конфигурация с полосковой
геометрией (рис. 2), в которой размеры активной зоны в поперечном или
горизонтальном измерении (а следовательно, и значения порогового тока)
значительно уменьшены.
Рис. 2. Полосковый полупроводниковый лазер на двойной
гетероструктуре
88
Благодаря особенностям формы активной зоны такие полосковые
лазеры могут быть очень легко присоединены к другим устройствам, типа
волокон, волноводов и т. п. Ширина активной области лазера при такой
геометрии может быть уменьшена до 1 мкм, вследствие чего пороговые токи
могут достигать 10-2 А. Кроме этого, в такой геометрии можно обеспечить
оптическую локализацию и в поперечном направлении, аналогично тому, как
это происходит в вертикальном направлении. Такие структуры получили
название лазеров с раздельным ограничением на двойных гетероструктурах
(рис. 3).
Рис. 3. Геометрия лазера с раздельным ограничением (в отличие от лазера с
полосковой геометрией, структура позволяет регулировать оптическую
локализацию в поперечном направлении)
Ширина w оптического резонатора Фабри – Перо таких устройств
может быть сделана достаточно малой, чтобы в ней возбуждались лишь
низшие поперечные моды поля излучения, однако следует учитывать, что в
действительности поперечные моды (например, ТЕМ00) включают несколько
продольных мод, чье разделение по частоте зависит от длины резонатора.
Как показано на рис. 1,б, двойные гетероструктуры типа п-AlGaAs–
GaAs
(активная
область)
–
p–AlGaAs–GaAs
позволяют
создавать
потенциальные ямы, обеспечивающие очень высокую степень удержания
носителей и оптического поля. Особо следует отметить, что потенциальные
ямы для электронов и дырок возникают вследствие различия в ширине
запрещенных зон полупроводников, образующих гетеропереходы, и в
89
положении уровней Ферми. Несмотря на сужение запрещенной зоны в
вырожденных
полупроводниках,
длина
волны
излучения
лазера
на
гетеропереходах AlGaAs–GaAs все еще остается слишком короткой для
передачи по оптическим волокнам, вследствие чего для систем оптической
чвязи рассматриваются четырехкомпонентные полупроводники InGaAsP на
подложке из InP для использования «оптических окон» волокна (1,3 и 1,55
мкм).
Лазерные наноструктуры
Для работы лазера, как показано выше, необходимо наличие активной
среды, содержащей атомы с дискретными уровнями энергии. Между этими
уровнями должны иметь место квантовые переходы. Должен быть известен
механизм накачки активной среды с целью создания инверсной населенности,
при которой на более высокоэнергетичном уровне будет накапливаться
большее количество возбужденных атомов, чем на нижнем уровне. В
лазерных наноструктурах в качестве активной среды обычно используется
квантовые точки или квантовые штрихи (небольшие квантовые нити).
Квантовые точки имеют дискретный энергетический спектр. При дискретном
спектре не возникает теплового уширения полосы излучения, а коэффициент
усиления имеет тенденцию к стабилизации. Излучательное время жизни
возбужденного нуль–мерного состояния не зависит от температуры, что
позволяет улучшить температурную стабильность таких лазеров. Заметим, что
для
лазеров
на
квантовых
структурах
имеет
место
низковольтная
электрическая накачка. Рассмотрим некоторые типовые конструкции лазеров
на структурах с пониженной размерностью. На рис. 1 представлена диодная
конструкция лазера на квантовых точках.
На подложке из n–типа GaAs выращивается гетероструктура, между
слоями
Al0,85Ga0,15As
которой
содержится
12
монослоев
In0,5Ga0,5As
квантовых точек. Верхний металлический слой контактирует с арсенидом
галлия. Волновой канал Al0,05Ga0,95As имеет толщину 190 нм и служит
проводником излучения к выходным окнам на границах структуры. Длина Lc
и ширина канала W могут меняться в пределах 1–5 мм и 5–60 мкм
90
соответственно. Торцы лазера покрыты высоко отражающим и слоями
ZnSe/MgF2, формирующими своеобразный резонатор Фабри–Перо. Лазер
работает в ИК–области спектра на длине волны 1,32 мкм.
Рис.1. Конструкция лазера на квантовых точках: а – диодная
арсенидгаллиевая структура; б – волновод, состоящий из 12 монослоев
квантовых точек (слой QD)
Другой тип перспективной конструкции лазера с вертикальным
резонатором представлен на рис. 2. Квантовое усиление в активной области
достигается за счет процессов инжекции и рекомбинации электронов и дырок.
Активная область состоит из нескольких квантовых ям или нескольких слоев
квантовых точек.
91
Рис. 2. Схема лазера с вертикальным резонатором
Предложена конструкция каскадного лазера, в котором используются
оптические переходы между минизонами сверхрешеток. В сверхрешетках с
постепенно меняющимся периодом при приложении внешнего постоянного
электрического поля уровни энергии в отдельных квантовых ямах сливаются
в миниполосы, происходит генерация в непрерывном режиме. На рис. 3 приведена
схема,
реализованная
на
сверхрешетках.
Лазер
излучает
в
инфракрасном диапазоне длин волн (7,6 мкм) и при комнатной температуре
достигает пиковой мощности 0,5 Вт. Пороговая плотность тока составляет 5
кА/см2.
Рис. 3. Схема лазера на сверхрешетках
Разработан лазер нового поколения, использующий в качестве активной
среды фотонные кристаллы. Такой лазер обладает уникальными свойствами.
Например, он может излучать в любом, заранее выбранном, направлении, что
позволяет встраивать его в обычную полупроводниковую микросхему.
Фотонный кристалл, являющийся активной средой этого лазера, представляет
собой
полупрозрачный
диэлектрик
с
определенной
периодической
структурой и уникальными оптическими свойствами. Такой фотонный
кристалл обеспечивает почти полное управление движением проходящего
через него света из–за наличия в кристалле диэлектрика равномерно
распределенных мельчайших отверстий. Их диаметр подобран таким
образом, что одни отверстия пропускают световые волны лишь определенной
длины, а остальные – частично отражают или поглощают эти волны. При
определенном физическом воздействии на кристалл, например, звуковыми
92
волнами, длина световой волны, пропускаемой кристаллом, и направление ее
движения могут значительно меняться.
Многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой этакий
«сэндвич», состоящий из нескольких (более двух) тончайших, в несколько
нанометров толщиной, чередующихся слоев полупроводника с несколько
отличающейся проводимостью. Если приложить к разным концам такого
сэндвича электрическое напряжение, то электроны потекут сквозь эти слои
весьма специфичным образом: накопив достаточно энергии, они синхронно
«перепрыгивают» сквозь слой и падают в квантовую яму, излучая
затраченную на переход энергию в виде фотонов. Характерная особенность
такого лазера заключается в том, что он излучает непрерывно и равномерно,
строго параллельно плоскости, в которой лежат слои полупроводников.
Лазерный излучатель имеет размер всего 50 мкм, что вдвое тоньше
диаметра человеческого волоса. При помощи встроенных фотонных
кристаллов удалось направить поток излучения от боков к поверхности
пленки и заставить лазер излучать в вертикальном направлении. Таким
образом, для использования нового лазера не нужны дополнительные
устройства фокусировки, что позволит расширить область применения
полупроводниковых лазеров. Велика вероятность того, что в будущем
микросхемы,
содержащие
огромные
массивы
подобных
лазерных
излучателей, будут широко применяться в оптических телекоммуникациях, а
также в качестве чувствительных сенсоров для различных датчиков.
Фотодетекторы на квантовых ямах и сверхрешетках
1. Фотодетекторы на подзонах квантовых ям
В принципе квантовые ямы могут применяться для регистрации света
в любой области частот, что связано с их оптическими характеристиками,
однако именно в инфракрасной области (от 2 до 20 мкм) фотодетекторы на
квантовых ямах представляют особый интерес, поскольку на них могут быть
организованы системы ночного и теплового видения.
93
Основная проблема использования фотодиодов, основанных на
межзонных переходах через запрещенную зону Еg в полупроводниках с р-п
переходами, связана с тем, что малые значения Еg диктуют необходимость
работы при очень низких температурах. Например, для полупроводников
класса А3B5
мы ограничены соединениями InAs1-х Sbх
с х ≈ 0,5. Для
детекторов инфракрасного излучения можно использовать и полупроводники
A2B6 (например, HgCdTe), однако эти вещества являются очень мягкими,
плохо подаются обработке и имеют высокие значения темновых токов.
Кроме этого, квантовые ямы представляются весьма удобными объектами
для регистрации инфракрасного излучения, поскольку для них дипольные
матричные
элементы,
соответствующие
межподзонным
оптическим
переходам, очень велики. Кроме этого, очень важно, что длина волны
излучения может быть легко перестроена за счет изменений параметров ямы
в процессе изготовления (например, ширины). Особенную ценность для
практических применений может иметь создание ИК–детекторов в области
8–12 мкм, поскольку именно в этом диапазоне лежит так называемое
атмосферное
окно,
т.
е.
область
пропускания
волн,
позволяющая
осуществлять оптическую связь, связь со спутниками, использовать лазеры
на СО2 (10,6 мкм) и т. п.
На рис. 1 показаны разрешенные переходы с поглощением, удобные
для детектирования ИК–излучения изолированными квантовыми ямами при
воздействии внешнего электрического поля (естественно, что в практических
устройствах используются не отдельные, а множественные квантовые ямы).
Рис. 1. Оптические переходы с поглощением при регистрации ИК–излучения
квантовых ям: а – межподзонные переходы; б – переход между связанным
состоянием и состоянием внутри узкой непрерывной зоны состояний вне
потенциальных ям (F–приложение электрическое поле)
94
В верхней части (рис. 1,а) представлены два энергетических уровня в
каждой яме, причем второй уровень располагается близко к вершине
барьеров. Расстояние между уровнями должно составлять 0,1–0,2 эВ, что для
полупроводников A3B5 соответствует ширине ям около 10 нм. Напомним,
что из–за правил отбора поляризация падающего излучения должна быть
параллельна направлению квантовой локализации. При облучении светом
такие фотодетекторы генерируют ток благодаря туннелированию носителей
из квантовых ям. В некоторых случаях наиболее эффективным методом
регистрации
представляется
использование
в
таких
устройствах
поглощательных переходов между единственным энергетическим уровнем
ямы и первой узкой непрерывной зоной вне ее (рис. 1,б). Для систем AlGaAs
– GaAs – AlGaAs эта разность энергий составляет около 0,12 эВ, вследствие
чего область спектральной чувствительности расположена в районе 10 мкм.
Преимущество использования описываемых структур связано с тем, что
темновой ток фотодетектора оказывается меньше, чем в ранее описанных
структурах, где носители покидают ямы благодаря туннелированию
2. Лавинные фотодетекторы на сверхрешетках
Известно, что при работе так называемых полупроводниковых
лавинных
фотодетекторов
(APD)
возникают
очень
сильные
шумы,
требующие применения специальных методов для их подавления. Уровень
этих шумов может быть значительно снижен, если значение коэффициента
лавинного умножения α для одного типа носителей (например, электронов)
намного выше, чем для другого (дырок). В этом отношении кремний является
очень важным полупроводниковым материалом для создания лавинных
фотодетекторов (APD), так как в нем соотношение коэффициентов αе/αр равно примерно 30. Для любого конкретного типа полупроводников это
отношение определяется энергетической зонной структурой.
С другой стороны, процесс создания квантовых ям позволяет
варьировать соотношение коэффициентов αе/αр. Например, сверхрешетка или
структура
из
множественных
квантовых
95
ям
MQW
может
быть
спроектирована таким образом, что в ней разрыв зоны проводимости ΔЕс
будет значительно выше значений ΔЕv, соответствующих разрыву валентной
зоны. В такой структуре (при пересечении гетероперехода) электроны
приобретают значительно большую кинетическую энергию, чем дырки. Такая же цель может быть достигнута при создании сверхрешеток в виде
«ступенек» (рис. 2,а), где ширина запрещенной зоны меняется для каждой
ямы (в этом случае электроны получают дополнительную кинетическую
энергию ΔЕс переходя в каждую следующую яму).
Рис. 2. Общая схема лавинных фотодетекторов на сверхрешетках:
а – энергетическая диаграмма сверхрешетки ступенчатого типа; б – процесс
нарастания электронной лавины в детекторе со смещением при попадании
света
Наличие этой избыточной энергии приводит к весьма эффективным
механизмам ударной ионизации, поэтому лавинное умножение легко
достигается при наложении электрического поля F, как показано на рис. 2,б.
В
противоположность
этому
дырки
приобретают
в
поле
лишь
незначительную энергию ΔЕν, недостаточную для начала ударной ионизации.
Большинство сверхрешеток, используемых в лавинных фотодетекторах
(APD), создано на основе полупроводниковых соединений класса A3B5, типа
GaAs или InP. Стоит отметить, что внедрение упомянутых выше ступенчатых
сверхрешеток
осложняется
трудностью
их
изготовления,
поскольку
производство требует тщательного контроля состава четверных соединений
А3В5.
3. Модуляторы на квантовых ямах
Квантовые ямы обычно используются для непосредственной модуляции светового излучения, поскольку в них электрооптические эффекты
96
проявляются
значительно
полупроводниковых
электрооптических
сильнее,
материалах
эффектов
в
(в
чем
в
обычных
сущности,
объемных
из–за
полупроводниках
в
слабости
модуляторах
используются такие материалы, как ниобат лития). При рассмотрении
экситонного поглощения
было показано, что из–за квантово–размерного
эффекта Штарка (QCSE) при наложении внешнего электрического поля
могут возникать очень значительные изменения оптического спектра
поглощения квантовых ям. Из–за высокого энергетического барьера
экситоны в таких наноструктурах ионизируются внешним полем гораздо
слабее, чем в объемных структурах, т. е. «выдерживают» поля примерно до
105 В/см. Очень важным преимуществом модуляторов на квантовых ямах
является
то,
что
они
легко
совмещаются
с
разнообразными
микроэлектронными устройствами.
Действие модуляторов электропоглощения основано на изменении
коэффициентов оптического поглощения квантовых ям под воздействием
внешнего электрического поля. На рис. 3
показана мезоструктура
модулятора, работающего на подобном эффекте, сформированная путем
травления. Очевидно, что эффективность действия таких устройств может
быть значительно повышена при использовании множественных квантовых
ям (MQW), т. е. структур или массивов из нескольких ям (с размерами от 5
до 10 нм) в материалах типа AlGaAs —GaAs —AlGaAs.
Рис. 3. Модулятор электропоглощения, получаемый мезоразмерным
97
травлением на основе квантово–размерного эффекта Штарка
Структура
размещается
между
р+
и
n+
областями
обратно
смещенного перехода. Поскольку толщина структур с множественными
квантовыми ямами составляет около 0,5 мкм, достаточно малые обратные
напряжения могут создавать электрические поля с напряженностью до 104–
105 В/см, способные изменять край зоны экситонного поглощения на 0,01–
0,05 эВ.
Модуляторы
электропоглощения
описанного
типа позволяют
модулировать световое излучение с очень большой скоростью. При этом так
называемый коэффициент контрастности может быть доведен почти до
значений ~100 за счет использования режима отражения (вместо режима
пропускания). Технически это достигается введением дополнительного
металлического слоя в подложке, что заставляет луч света проходить
структуру два раза. Коэффициент модуляции может быть повышен при
понижении температуры: Модуляторы электропоглощения обычно работают
в диапазоне частот десятки гигагерц, но при высоких приложенных
напряжениях частота может быть доведена до 100 ГГц. Верхняя граница
рабочей частоты прибора определяется механизмом выведения носителей из
квантовых ям. При небольшом внешнем поле, возникающие (вследствие
поглощения) электрон–дырочные пары не могут покинуть пределы ямы, но
при достаточно сильных внешних полях электроны и дырки туннелируют из
ям с характерными временами порядка нескольких пикосекунд.
Еще один тип модуляторов на квантовых ямах также связан с
использованием квантово–размерного эффекта Штарка (QCSE), но он
использует фотоны с энергией ниже края экситонного поглощения. В этом
случае электрическое поле воздействует главным образом на коэффициент
преломления среды и меняет фазу падающего излучения. Для повышения
эффекта частота падающего фотона должна быть близка к частоте
экситонного резонанса, однако не так близка, чтобы привести к заметному
поглощению
света.
В
симметричных
квантовых
ямах
зависимость
коэффициента преломления от напряженности приложенного поля является
98
квадратичной, что напоминает известный электрооптический эффект (или
эффект Керра) в объемных полупроводниковых материалах с объемно–
центрированной кристаллической решеткой. Однако в структурах с
квантовыми ямами значения соответствующего коэффициента примерно на
два порядка выше, что позволяет существенно сократить путь, проходимый
светом внутри материала. Устройства с длиной порядка сотен микрон могут
быть при этом объединены в так называемые оптоэлектронные интегральные
схемы (OEIC), примером которых может служить показанный на рис. 4
интерферометр Маха — Зендлера, в котором входной сигнал из оптического
волновода расщепляется на два луча одинаковой интенсивности, которые
проходят в материале по разным каналам, а затем воссоединяются. При
наложении электрического поля на одном из маршрутов меняется фаза
проходящего сигнала, в результате чего при соединении лучей наблюдается
интерференционная картина.
Рис. 4. Общая схема интерферометра Маха–Зендлера
ЛЕКЦИЯ 7
Микроэлектромеханические системы
Микроэлектромеханические системы сокр., МЭМС (англ. Micro–
electro–mechanical systems или microelectromechanical systems, micromachines
(Japan), micro systems – MST (Europe) сокр., MEMS) – технологии и
99
устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические
компоненты.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) обычно представляют
собой интегрированные устройства, выполненные на полупроводниковой
(чаще всего кремниевой) подложке и содержащие механические элементы,
сенсоры, актуаторы и электронные компоненты. Типичные размеры
микромеханических элементов (компонент системы) лежат в диапазоне от 1
до 100 микрон, тогда как размеры кристалла МЭМС–микросхемы достигают
величин от 20 микрометров до одного миллиметра.
Микроэлектромеханические системы изготавливаются по
таким
технологиям обработки полупроводников, как КМОП, БИКМОП и др.,
(КМОП (комплиментарный МОП–транзистор) — комплиментарная логика
на транзисторах металл–оксид–полупроводник, БИКМОП (биполярный
комплектарный МОП–транзистор) – технология изготовления интегральных
микросхем с использованием биполярных и КМОП транзисторов на одном
кристалле, включающим стандартные технологические операции осаждения
тонкопленочных слоев, литографическое формирование рисунка, травление и
т. д. Для формирования механических и электромеханических элементов при
изготовлении МЭМС используются совместимые процессы микрообработки,
позволяющие селективно вытравливать элементы кремниевой подложки или
добавлять новые структурные слои.
Совмещая в себе элементы полупроводниковой микроэлектроники и
механические элементы, созданные микрообработкой, МЭМС делают
возможным создание полной лаборатории на чипе. В таких решениях к
вычислительным мощностям микропроцессоров добавляются возможности
восприятия окружающей среды с помощью интегрированных микросенсоров
и воздействия на нее с помощью микроактуаторов. В такой системе
микроэлектронная интегральная схема выполняет роль ее «мозга», а МЭМС
предоставляет ей «глаза» и «руки», позволяя системе распознавать и
контролировать параметры окружающей среды. Микросенсоры системы
способны
собирать
информацию
об
100
окружающей
среде,
измеряя
механические, термические, биологические, химические, оптические и
магнитные
параметры;
микропроцессоры
обрабатывают
полученную
информацию и, реализуя алгоритм принятия решений, производят с
помощью микроактуаторов ответные действия, управляя движением,
позиционированием,
производство
стабилизацией,
МЭМС–устройств
фильтрацией
использует
и
пр.
Поскольку
большое
количество
технологических приемов, заимствованных из микроэлектроники, это
позволяет, при относительно низких затратах, реализовывать на маленьком
полупроводниковом чипе системы, беспрецедентные по уровню сложности,
функциональности и надежности.
В настоящее время МЭМС–технологии, благодаря чрезвычайно
малому размеру создаваемых с ее помощью устройств, уже применяются для
изготовления различных приборов; ниже приведены некоторые наиболее
распространенные примеры.
1. Акселерометры – устройства для измерения ускорений. Применяются в
датчиках,
контролирующих
срабатывание
автомобильных
подушек
безопасности.
2. Digital Micromirror Device (DMD) –оптический модулятор, состоящий из
массива микрозеркал. Принцип действия DMD состоит в формировании
изображения
путем
последовательного
переключения
микрозеркал
в
положения ON–OFF, и, соответственно, отражения падающего излучения в
проекционную оптическую систему (ON) или поглотитель (OFF).
3. Микрокапиллярные устройства – кремниевые чипы с микроканалами,
предназначенные
для
адресной
доставки
контролируемых
количеств
веществ. Такие устройства могут использоваться в струйных принтерах для
нанесения чернил на бумагу или в интегрированном медицинском
микроустройстве, объединяющем сенсор на глюкозу и
инсулина.
101
диспергатор
Устройства на основе МЭМС сверху – вниз и слева – направо:
а — подвижное соединение микрошестеренок; б — микродинамометр,
позволяющий измерять тангенциальные и нормальные силы, а также
оценивать микротрение. Подвижный стержень и дуговая шкала отмечены
стрелкой; в — микроактюатор; г — приводной микромеханизм; д —
оптический переключатель: зубчатый кремниевый диск может быть
механически выставлен в 4 положения, условно соответствующих сигналам
(0, 0), (1, 0), (0, 1) и (1, 1) (два положения отмечены стрелками); информация
считывается неподвижным сфокусированным лазерным лучом; е –
передаточное микроустройство, преобразующее вращательное движение в
поступательное; ж – подвижное кремниевое микрозеркало (показано
стрелкой), которое может изменять угол наклона за счет поступательного
движения поршня, приводимого в движение передаточным устройством; з –
оптический затвор; и – трехцилиндровый паровой двигатель: вода внутри
каждого цилиндра нагревается электрическим током, и образовавшийся пар
выталкивает поршень, при охлаждении жидкости поршень втягивается
обратно в цилиндр под действием капиллярных сил. Адаптировано на основе
микрофотографий с сайта Sandia National Laboratories, www.mems.sandia.gov
[3].
Источники:
102
MEMS and Nanotechnology Exchange. —www.mems-exchange.org (дата
обращения: 12.10.2009).
Sandia National Laboratories. —www.sandia.gov (дата обращения: 12.10.2009).
Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.:
Физматлит, 2008. — 368 с.
Наноэлектромеханические системы
Наноэлектромеханические
системы
сокр.,
НЭМС
(англ.
nanoelectromechanical systems сокр., NEMS) – устройства, объединяющие в
себе электронные и механические компоненты размером до 100 нм.
Наноэлектромеханические системы являются следующим
шагом
миниатюризации по отношению к микроэлектромеханическим системам
(МЭМС).
НЭМС используются в качестве высокочастотных осцилляторов (до 10
ГГц), наномоторов и модуляторов.
В качестве материалов для изготовления НЭМС широко используются
графен и углеродные нанотрубки.
В
настоящее
время
наноэлектромеханические
системы
могут
изготавливаться как методами «сверху–вниз», к которым относятся
традиционные методы микроэлектроники (оптическая и электронно–лучевая
литография), так и методами «снизу – вверх», такими как молекулярное
распознавание и самосборка.
Nanoelectromechanical systems (NEMS)) характеризуются малыми
размерами, при этом их размеры соответствуют функциям, выполняемым
устройствами. Граничные размеры варьируются от нескольких сотен до
единиц нанометров. Новые физические свойства, появившиеся благодаря
малым размерам, играют ведущую роль в операциях, выполняемых этими
устройствами, поэтому для их изготовления требуются новые подходы. В
настоящее время можно выделить две основные тенденции в создании
НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических
103
систем (МЭМС) и разработка принципиально новых молекулярных
двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход
связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для
создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют
ограниченное разрешение, поэтому их проблематично использовать для
создания нанообъектов. Как ожидается, НЭМС произведут революцию в
области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и
смещений на молекулярном уровне. Уже в настоящее время на основе НЭМС
созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10
ГГц что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже
нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой
микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК.
Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое
энергопотребление. К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести
также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для
движения какого – либо объекта нужно подвести к нему и затратить
некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима
еда, чтобы двигаться и жить. В микро– и наносистемах вместо
электромагнитного
принципа
преобразования
энергии,
используемого
повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический
или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы
наноустройств подвод энергии к микро– или наноэлектромеханической
системе может осуществляться также электрически, термически или
химически. Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто –
приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля.
Исследователи из Беркли (США) создали электрический наноактюатор,
очень похожий на обычный электромотор. Вращающаяся часть, называемая
ротором, – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая
закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три
электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное
электрическое напряжение с амплитудой около 5В, ученые заставляют
104
наномотор вращаться. В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно
эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов
(часто – пары металл–диэлектрик) за счет различия в коэффициентах
теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них
электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут
создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования
энергии весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового
расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая
эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%. Если для ученых
создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, повидимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении
миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства.
Многие известные биологические системы – вирусы, бактерии,
одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления,
позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей
среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов.
Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС
является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным
природным молекулярным моторам. Химическое управление такими
наноактюаторами
осуществляется
при
помощи
изменения
состава
окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют
свет, который, воздействуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К
химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические
молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I –
крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделанный из
молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а
общее перемещение может достигать 3 микрометров. Диаметр этого стержня
– всего 2 нанометра. Вместо «нанобатарейки» такой молекулярный мотор
использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный
источник энергии, которым пользуются живые клетки. Существует много
105
других наноактюаторов, сделанных из биологических молекул, полимеров,
кремния и других материалов.
Пример НЭМС осциллятора
Молекулярные и супрамолекулярные триггеры
Нанотехнологи разработали молекулярный триггер – основу будущих
накопителей, позволяющий сохранять огромные количество информации без
увеличения размеров самого устройства. Профессор университета Ли Кронин
(Lee Cronin) и доктор Малкольм Кадодвала (Malcolm Kadodwala) обещают
создать устройство, способное сохранять 500000 Гб на 1 квадратном дюйме.
Лимит данных пока что для этой площади поверхности носителя составляет
3,3 Гб. Исследователи также надеются, что их технология позволит
увеличить количество транзисторов, используемых в качестве основы
портативной памяти с 200 миллионов до 1 миллиарда и более. «Нам удалось
найти радикально новое решение проблемы увеличения емкости носителей
памяти», – говорит Кронин. – «Мы разработали технологию, позволяющую
использовать в качестве элементарных ячеек для хранения данных
нанокластеры, представляющие собой две группы электронов–доноров,
расстояние между которыми остается постоянным и составляет 0,32 нм.
Другими словами мы создали совершенно новый тип молекулярного
106
триггера. Состоянием такого триггера легко можно манипулировать при
помощи магнитных полей. Нанонапыление триггеров необходимо наносить
на основу из золота или кремния, так как особенности молекулярного
строения этих химических элементов позволяют им выступать в роли
«моста»
щ между нанокластерами и остальными полупроводниковыми
компонентами устройства хранения данных. Основное преимущество
молекулярных триггеров – это выигрыш в ёмкости данных и плотности
расположения транзисторов в носителе. Мы надеемся, что наша технология
позволит создавать устройства для хранения данных с плотностью записи в 4
Петабита (512 Тбайт) на квадратный дюйм». Но стоит отметить, что это
возможно пока лишь в теории, так как на практике необходимо будет решить
проблемы, связанные с технологией производства и адресаций в таких
огромных объемах данных.
107
Похожие документы
Химические понятия
Химические понятия
Скачать
реклама