Применение гетероструктур в наноэлектронике

Движущей силой стремительного развития полупроводниковой электроники, перехода от микро - к наноэлектронике является необходимость повышения быстродействия и объема памяти широко используемых изделий и устройств вычислительной техники, видеосистем и систем связи, а также повышение эффективности преобразования и передачи энергии. Сочетание высоких требований к функциональным характеристикам широко используемых устройств и путей достижения поставленных целей обеспечило основу развития нанотехнологий в твердотельной электронике и привело к получению нового класса материалов: наноматериалов, свойства которых отличаются от материалов макроскопических размеров.

В части двумерных систем создание структур с напряженными слоями кремния, разработка технологии и использование двумерных слоев электронов на основе гетероструктур Ge/Si, обеспечивает более высокую подвижность носителей заряда и, как результат, повышение частотных характеристик приборов. Подвижность электронов увеличивается, если в канале действуют деформации растягивающего типа. Подвижность дырок возрастает при деформациях сжимающего типа. Создание на единой подложке каналов как p-, так и n- типа, требует проведения селективного роста нанослоев GeSi с разным содержанием Ge на соседних участках. Подвижность носителей заряда в каналах n- и p-типа при комнатной температуре достигает значений

, что сравнимо с величинами подвижности для соединений .

В части одномерных систем на основе кремния проводятся разработки нанотранзисторов на нитевидных нанокристаллах, формируемых на структурах кремний - на - изоляторе с помощью электронной литографии. Использование кремния в качестве материала для нитевидных нанокристаллов позволяет применить кремневую технологию высочайшего уровня для создания многофункциональных систем на чипе, объединяющих разнообразные сенсоры, сигнальные и цифровые процессоры с устройствами беспроводной связи. Успехи в росте нитевидных нанокристаллов соединений на кремниевых подложках создает основу для создания монолитных устройств оптоэлектронных устройств.

Нульмерные системы – полупроводниковые наноструктуры с квантовыми точками (КТ) относятся к новому классу материалов, которые характеризуются рядом обнаруженных в них явлений и проявляемых ими свойств, представляющих интерес в нано- и оптоэлектронике. Снятие запрета на оптические переходы, поляризованные в плоскости роста структур с КТ, обеспечили возможность поглощения электромагнитного излучения при нормальном падении света, в отличие от структур с квантовыми ямами и проволоками. Ансамбль КТ характеризуется большим временем жизни неравновесных носителей заряда по сравнению с системами более высокой размерности вследствие снижения процесса рассеяния на фононах. В ансамблях КТ уменьшается скорость термической генерации носителей заряда вследствие дискретности энергетического спектра, возрастает величина силы осциллятора для внутризонных и экситонных переходов вследствие локализации волновой функции во всех трех направлениях.

На основе гетероструктур Ge/Si проводятся разработки МДП транзисторов с каналом, содержащим встроенные квантовые точки. В таких МДП транзисторах зависимость тока от напряжения на затворе имеет осциллирующий характер, что обусловлено эффектом кулоновской блокады при туннелировании дырок через дискретные уровни в квантовых точках Ge. Осцилляции тока сохраняются при повышении температуры от криогенных значений до комнатной температуры.

Другое применение гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками заключается в создании фотоприемников ИК- диапазона. На основе многослойных гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками Ge разработаны фотоприемники для диапазона длин волн фотонов 1.3–1.55 мкм, способные встраиваться в комплекс фотонных компонентов на едином кремниевом чипе. Рабочая температура фотодетекторов – комнатная, интервал рабочих напряжений (1.0–10) В. Фоточувствительные слои, полученные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, представляли собой плотные массивы нанокристаллов пирамидальной формы германия в кремнии с размерами в основании около 10 нм, высотой 1 нм и плотностью . При оптимальном выборе параметров структуры (плотность квантовых точек, толщина прослоек Si между точками) квантовая эффективность такого фотоприемника составляет 25% в области телекоммуникационных длин волн. Временные характеристики фотоприёмников на основе гетероструктур с 36 слоями вертикально упорядоченных квантовых точек Ge обеспечивают их применение в высокоскоростных оптических линиях передачи информации со скоростями >1 Гбит/ с. Исследования перекрытия волновых функций электронов и дырок в многослойных гетероструктурах Ge/Si при вариации межслоевого расстояния позволили выявить условия, при которых эффективность межзонных переходов (сила осциллятора) возрастает более чем в 5 раз, по сравнению с аналогичными параметрами в одиночной квантовой точке.

Приложение

Таблица 1. Некоторые параметры твердого раствора AlGaAs при комнатной температуре.

Разрывы в зоне проводимости отсчитываются от низа валентной зоны GaAs (Г^6).

Таблица 2. Некоторые параметры наиболее часто используемых для создания гетеропереходов материалов.

Использованная литература

1. Щука А. А. Наноэлектроника. М.: Физматкнига, 2007. - 464 с.

2. Ильин В.И., Мусихин С.Ф., Шик А.Я. Варизонные полупроводники и гетероструктуры.- Спб.: Наука, 2000.-100 с.

3. Бонч- Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников, 2000 г. - 678с.

4. Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. И. И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. — 3- е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 560 с.

5. А.В. Двуреченский. Гетероструктуры на основе кремния для нано- и оптоэлектроники.