Системы пониженной размерности. Наноэлектроника

В любом направлении электроники необходимо в той или иной степени учитывать квантовые особенности микросистем. Особенно актуально это в отношении квантовой функциональной электроники (см. рис. 10.2), где расстояния сравнимы с длиной волны электрона, а в качестве динамических неоднородностей выступают ансамбли носителей заряда или даже отдельные электроны. При переходе к элементам, у которых размер активных областей менее 100 нм, ведущую роль начинают играть именно квантовые явления. Эти эффекты связывают с преодолением качественного барьера, поэтому квантовую электронику иначе называют наноэлектроникой. Однако необходимо иметь в виду, что этот термин вовсе не подразумевает простого перехода от «микро» к «нано» размерам элементов. Принципы работы приборов наноэлектроники основаны на квантовых эффектах и осуществляются в необычных, так называемыъх «мезоскопических» структурах. Все это вызывает повышенный интерес к квантовой наноэлектронике, и не случайно мы данный и последующие разделы посвящаем этому направлению функциональной электроники.

Основное отличие мезоскопических структур заключается в том, что они, как правило, имеют пониженную размерность.

Как показали теоретические оценки, при понижении размерности среды растет быстродействие приборов, поэтому континентальная среда приборов квантовой наноэлектроники является дву-, одно- или нульмерной (рис. 10.3).

а) б) в)

Рис. 10.3. Движение частицы в трехмерной (а), двумерной (б) и одномерной (в) средах

Разработаны технологии создания двумерных структур – сверхрешеток (СР), квантовых проводников (КП) и отдельных ячеек – квантовых точек (рис. 10.4, а). Очевидно, что сверхрешетки имеют размерность 2D, квантовые проводники – 1D, а квантовые точки – 0D. Плотность квантовых состояний для этих структур показана на рис. 10.4, б.

б)

а)

КП

СР

Рис. 10.4. Континуальные среды квантовых приборов (а) и плотности состояний в них (б)

Различные квантовые структуры (слои проводники, ямы) отделены друг от друга потенциальными барьерами, непрозрачными в обычном состоянии. Однако при определенных условиях между квантовыми состояниями осуществляются туннельные переходы. Данное положение является фундаментальным при создании приборов квантовой наноэлектроники.

В традиционной полупроводниковой электронике также используется туннельный эффект, однако там потенциальные барьеры образуют обедненные слои (п. 7.2) или слои диэлектрика (п. 9.3).

В квантовых приборах энергетические барьеры формируются на основе гетеропереходов, инверсионных слоев на поверхности полупроводника (МДП-структуры) и т.д. Рассмотрим некоторые из таких структур.

Простейшая квантовая структура – это достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на таких пленках был обнаружен квантовый размерный эффект (п. 9.1). Сегодня технология изготовления нано-структур находится на несравненно более высоком уровне и продолжает совершенствоваться. Можно выделить два направления в технологии таких структур. В первом случае это методы получения тонких (2D) слоев и сверхрешеток. Наилучшие результаты здесь достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Для того чтобы с помощью этого метода вырастить ту или иную структуру, нужно направить поток (или одновременно несколько потоков атомов) на тщательно очищенную поверхность кристалла. Для получения совершенных структур чрезвычайно важно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних слоев были близкими. Тогда на их границе будет минимальная плотность дефектов.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего в несколько атомных слоев. Квантовые структуры выращивают из различных материалов, однако наиболее удачной парой является пара GaAs –
Al_xGa_1-xAs. В таком гетеропереходе ширина запрещенной зоны составляет для GaAs – 1,5 эВ, для Al_xGa_1-xAs – 2,2 эВ. В процессе эпитаксии гетероструктура подвергается легированию так, что вблизи металлургической границы образуется инверсионный электронный слой. Движение электронов в плоскости слоя будет свободным, а в направлении нормали к нему – ограниченным, что при выполнении ряда условий приведет к размерному квантованию. Главное достоинство такой системы (см. рис. 10.3, б; 10.4, а) состоит в том, что электроны в инверсионном слое и примесные дефекты решетки оказываются разделенными в пространстве и, как следствие, процессы рассеяния будут подавлены. Поэтому в таких гетеропереходах удается получить предельно высокие подвижности и легко выполнить условия квантования.

Напомним, что рассмотренные методы позволяют получить квантовые 2D-структуры. Также существует ряд методов, позволяющих создать 1D- и 0D-структуры (см. рис. 10.4).

К таким методам относится метод электронной литографии. С помощью этого метода на поверхность 2D-структуры можно нанести металлические электроды, которые будут управлять движением электронов. Таким образом, можно формировать квантовые нити, квантовые точки и более сложные квантовые структуры. Типичные структуры, изготавливаемые с помощью электронной литографии, имеют субмикронные размеры.

Вышеописанные методы относятся к так называемому направлению “ сверху вниз”, когда формирование структуры в основном заключается в удалении материала: травлении, литографии и т.д.

Более перспективным считается направление “ снизу вверх”, в котором используют процессы “сборки” или “самосборки” атомов, молекул, кластеров и т.д.

В качестве нанотехнологических установок сборки часто применяют модифицированные туннельные микроскопы (рис. 10.5, а). Основным элементом микроскопа является металлическая игла, положение и перемещение которой задается системой пьезоманипуляторов. Вершина твердосплавной иглы-электрода затачивается методами ионного травления так, что радиус ее кривизны определяется размерами единичного атома.

Расстояние между подложкой и иглой составляет единицы ангстрем и поддерживается с точностью не ниже 0,1 Å. Поскольку расстояние в зазоре между иглой и подложкой много меньше длины свободного пробега электронов, можно считать зазор вакуумным, а протекающий ток туннельным. Величина этого тока обратно пропорциональна величине зазора. Измеряя туннельный ток, можно с помощью пьезопреобразователей стабилизировать или регулировать величину зазора. Измеряя величину туннельного тока, можно определять рельеф подложки.

В нанотехнологической установке предусмотрена возможность откачки и напуска в активный объем необходимых жидких или газообразных реактивов, вся конструкция технологической камеры изготовлена из химически стойких материалов. Это обстоятельство существенно отличает технологическую установку от туннельного микроскопа. С помощью линейных пьезоманипуляторов подложка может перемещаться относительно зонда в пределах 10х10 мм с точностью не менее 0,1 Å.

а) б)

Рис. 10.5. Нанотехнологическая установка: а – упрощенная схема; б – перемещение атома;
1 – подложка, 2 – электрод-зонд, 3 – источник питания, 4 – зазор,

5 – усилитель туннельного тока, 6 – пьезоэлектрический регулятор зазора,

7 – система позиционирования подложки, 8 – система напуска реактивов

В технологической установке можно переносить отдельные атомы подложки (рис. 10.5, б), удалять атомы подложки (травление), осаждать на подложку атомы из технологического газа. Наращивая осажденные атомы и перемещая подложку, можно вырастить на ней прочно закрепленные дорожки проводников или отдельные группы атомов с поперечными размерами порядка 20 Å. Такие структуры являются квантовыми проводниками и квантовыми точками. В нанотехнологической установке можно также последовательно формировать трехмерные структуры, содержащие квантовые проводники и точки. Это квантовый аналог полупроводниковой ИС, лишенный ее ограничений.

Магистральным путем решения проблемы повышения производительности однозондовых нанотехнологических установок является создание многозондовых машин. По оценкам специалистов, в ближайшее время удастся разработка установки, обеспечивающей сборку атомов со скоростью в 1 дм³/ч при стоимости не более одного доллара.

В качестве примера самосборки атомов можно привести образование квантовых точек осажденными атомами германия на поверхности кремния. Как только на поверхности кремния окажутся атомы германия с достаточной плотностью, они начинают взаимодействовать друг с другом, образуя пирамиды, высота которых 1,5 нм и сторона основания 10 нм.