Квантовые точки. Одноэлектроника

 

Одним из возможных путей развития наноэлектроники является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов (в частности, одного электрона ). Это направление можно назвать одноэлектроникой. Оно относится к направлениям квантовой наноэлектроники.

Создание одноэлектронных приборов открывает большие перспективы цифровой одноэлектроники, в которой бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение электрона происходит путем туннелирования. Поскольку времена туннелирования малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок.

Работа, необходимая для перемещения электрона, мала, следовательно, энергопотребление одноэлектронных схем должно быть очень малым. Так, по оценкам основоположника одноэлектроники К. К. Лихарева, теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц, а энергопотребление – 3∙10^-8Вт.

Для исследования базовых эффектов одноэлектроники часто используют структуру: туннельнопрозрачный барьер между двумя электродами (берегами) (рис. 10.10, а) или двубарьерную структуру берег-гранула-берег. Барьеры между берегами и гранулой также туннельнопрозрачны (рис. 10.10, б). Если гранула имеет размеры порядка одного нанометра, ее можно рассматривать как квантовую точку. Используют также многобарьерные структуры.

а) б)

 

Рис. 10.10. Модели квантовых ям: а – берег-берег; б – берег-остров-берег;
1,2 – берега; 3 – гранула-остров-квантовая точка

Кратко рассмотрим основные эффекты, возможные в одно- или многобарьерных структурах.

Эффект кулоновской блокады заключается в отсутствии тока в туннельном переходе при приложении к нему напряжения из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Напряжение, необходимое для преодоления кулоновской блокады, зависит от емкости системы С

. (10.17)

Рассмотрим процесс протекания тока через туннельный переход. Заряд на одном береге контакта накапливается постепенно и при достижении величины e /2 происходит туннелирование одного электрона. Величина заряда на электроде может быть любой, поскольку определяется поляризацией электродов заряженными примесями и т.д.

Заряд одного электрона накапливается при токе I за время t = e / I, затем электрон туннелирует через переход. Процесс повторяется периодически с частотой

. (10.18)

Такие осцилляции названы одноэлектронными туннельными осцилляциями.

Осцилляции возможны, если минимальное изменение энергии больше температурных флуктуаций

(10.19)

и проводимость перехода G удовлетворяет соотношению

. (10.20)

Условия (10.19) и (10.20) устанавливают зависимость минимальной емкости системы от температуры

. (10.21)

Выражение (10.21) дает очень малую величину емкости (Т >77К; С <10^-18 Ф), что технологически проблематично. Поэтому часто используют двупереходную систему.

Выше мы говорили о нульмерных квантовых объектах – квантовых точках (см. рис. 10.4, КТ). Здесь рассмотрим явления, протекающие в этих объектах, а также приборы, основанные на таких явлениях.

При использовании систем с двумя и более переходами между двумя электродами находятся малые объекты, которые при определенных условиях (малые размеры или низкая температура) могут рассматриваться как квантовые точки, т.е. нульмерные объекты. Энергетический спектр представляет собой набор дискретных уровней (см. рис. 10.4). Так, для зерна алюминия размером в 4,3 нм для наблюдения квантово-размерных эффектов необходима температура менее 1,5К. Для полупроводниковых точек необходимая температура будет выше вследствие более низкой плотности состояний.

Важным явлением для одноэлектроники является влияние внешних полей на высоту потенциальных барьеров, окружающих точку, а следовательно на транспорт электронов через нее. Это могут быть не только электрические, но и, например, акустические поля.

Эффекты, связанные с кулоновской блокадой также могут быть использованы в одноэлектронике: изменение положения кулоновского островка относительно электродов, изменение формы островка и т.д.

Конструкции одноэлектронных приборов различны, однако их можно классифицировать по следующим признакам [22].

По направлению протекания тока относительно поверхности конструкции делятся на горизонтальные и вертикальные.

По способу формирования квантовых точек различают конструкции с постоянными или временными квантовыми точками. Временная квантовая точка создается в двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений во время работы прибора.

По количеству квантовых точек приборы бывают нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами квантовых точек приборы делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные с одним или несколькими затворами).

В качестве примера приведем прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа (рис. 10.11, а). Между иглой микроскопа и проводящей подложкой располагается малая металлическая частица, изолированная воздушным промежутком от иглы и пленкой оксида от подложки. Эти изоляторы образуют потенциальные барьеры. Таким образом, металлическая частица играет роль квантовой точки в двубарьерной системе. По приведенной выше классификации это вертикальный нульмерный неуправляемый прибор на постоянной квантовой точке.

Приведенная система является физической моделью для исследования явлений в двубарьерной квантовой точке.

исток

игла

затвор

изолятор

островок

б)

а)

 

 

Рис. 10.11. Двухпереходная система на СТМ (а) и схематический рисунок

одноэлектронного транзистора (б); 1 – GaAs, 2 – AlGaAs, 3 – квантовая яма

В качестве примера вертикального одноэлектронного транзистора можно привести сэндвичевую структуру (рис. 10.11, б), изготовленную при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии. Толщина рабочих слоев 2,1,2 соответственно 9,2; 8,5; 7,8 нм, т.е. они образуют двумерные структуры. При подаче отрицательного напряжения на затвор создается область обеднения и формируется квантовая яма. Таким образом, данная конструкция представляет собой вертикальный управляемый прибор на одной временной точке.

Из анализа ВАХ прибора следует, что при отсутствии напряжения на затворе структура ведет себя как резонансный туннельный диод, а при подаче потенциала на затвор – как управляемый прибор.

Большие перспективы имеют приборы на основе массивов точек.

Следует отметить, что если разработчик современных электронных схем оперирует такими категориями, как принципиальная схема, топологические чертежи, монтажная схема, то разработчик квантовых приборов интересуется заданной функцией прибора. Конструирование сводится к объеднению ряда слоев материалов с необходимыми характеристиками, замене гальванических связей на полевые в процессе интеграции элементов.

Еще одна замечательная особенность квантовых приборов в том, что их архитектура не предусматривает межсоединений. Приборы на квантовых точечных структурах дают возможность располагать их так, что возможно туннелирование от одной квантовой точки к другой.

Такие точки размещаются на расстоянии порядка микрометра друг от друга, и каждая из них может иметь как минимум два состояния. Эти состояния определяются наличием электронов. Движение электронов можно переключать в любом направлении между этими потенциальными ямами, создавая режимы для туннельного резонанса. Возникает зарядовая связь – кулоновское взаимодействие электронов между соседними точками. Созданные таким путем матрицы могут выполнять логические функции, при этом отказы и сбои исключаются.

Контрольные вопросы и задания

 

1.1. В чем заключается основная тенденция электроники?

1.2. Как реализуются задачи электроники?

1.3. Какова тенденция микроминиатюризации?

1.4. Перечислите физические ограничения микроэлектроники.

1.5. В чем заключается «эффект просачивания»?

1.6. В чем проявляется действие сильных полей?

1.7. Насколько близка современная микроэлектроника к физическому барьеру?

1.8. Охарактеризуйте технологические проблемы микроэлектроники.

1.9. Возможно ли снять технологические ограничения? Если да, то каким образом?

2.1. Дайте определение функциональной электроники.

2.2. Дайте определение динамической неоднородности. Приведите примеры.

2.3. Дайте определение континуальной среды. Приведите примеры.

2.4. Приведите основные характеристики оптоэлектроники.

2.5. Приведите основные характеристики акустоэлектроники.

2.6. Назовите преимущества функциональной электроники.

3.1. Какое направление называют наноэлектроникой?

3.2. Укажите отличия и сходства микро- и наноэлектроники.

3.3. Приведите характеристики двумерной структуры.

3.4. Приведите характеристики одномерной структуры.

3.5. Что такое квантовая точка?

3.6. Оцените размеры 2D-структуры.

3.7. Оцените размеры 1D-структуры.

3.8. Оцените размеры 0D-структуры.

3.9. В чем состоит разница движения электрона в 3D-, 2D-, 1D-структурах?

3.10. В чем заключается суть направлений «сверху вниз», «снизу вверх» в методах формирования структуры?

3.11. Как сформировать 2D-структуру?

3.12. Опишите работу туннельного микроскопа.

3.13. Опишите работу нанотехнологической установки.

4.1. Охарактеризуйте транспорт в 1D-структуре.

4.2. Какой режим называют баллистическим?

4.3. Какой режим называют квазибаллистическим?

4.4. От каких факторов зависит кондактанс в идеальной 1D-структуре?

4.5. От каких факторов зависит кондактанс в реальной структуре?

4.6. В чем заключается эффект Ааронова-Бома?

4.7. Определите разность фаз Ааронова-Бома, если U = 1 В, t = 2 мкс.

4.8. Определите разность фаз Ааронова-Бома, если B = 1 мТл, S = 0,1 мкм.

4.9. Где можно использовать эффект Ааронова-Бома?

4.10. Опишите работу туннельного резонансного диода на 2D-структуре.

4.11. Опишите работу ЗУ на 2D-структуре.

5.1. Дайте определение одноэлектроники.

5.2. Каковы преимущества одноэлектроники.

5.3. Опишите модель квантовой точки.

5.4. Что называют кулоновской блокадой?

5.5. Определите частоту туннельных осцилляций, если ток через переход 0,1 нА.

5.6. Чем привлекательны многобарьерные системы?

5.7. Как работает вертикальный нульмерный транзистор?

5.8. Приведите классификацию конструкций одноэлектронных приборов.

5.9. В чем преимущество полевых связей над гальваническими?

Заключение

Микроэлектронику называют катализатором прогресса. К этому можно добавить, что микроэлектроника еще и индикатор прогресса: ее состояние показывает уровень наиболее продвинутых отраслей науки и техники. Поэтому и базовый предмет «Физические основы микроэлектроники» находится в постоянном развитии. И помимо традиционных фундаментальных разделов: квантовой механики, статической физики, известных явлений в полупроводниках, полупроводниковых структурах в тонких пленках – в данном учебном пособии рассматриваются перспективные новые направления микроэлектроники.

Известно, что в последнее время прогресс в микроэлектронике достигается большими усилиями, чем прежде. Перед разработчиками и производителями встают теоретические и технологические проблемы, которые заставляют искать альтернативные решения. Одним из таких направлений является функциональная микроэлектроника, где появляется возможность обойти указанные ограничения микроэлектроники.

Особо следует отметить горизонты, которые открывает квантовая наноэлектроника. Хотя ее практические достижения пока скромны, невооруженным глазом видны возможные результаты. Развитие наноэлектроники и ее практической базы – нанотехнологии – вот тот путь, где нас ждут радужные перспективы.

Для достижения этих результатов необходимы эффективные, результативные работы в области теоретической и практической наноэлектроники. Кроме того, следует помнить, что массовое производство микроэлектронных устройств сегодня базируется на физике и технологии полупроводников, полупроводниковых и иных структур.

Успех в развитии микроэлектроники зависит в первую очередь от глубины и правильности понимания физических принципов, составляющих основу микроэлектроники. Таким образом, предмет «Физические основы микроэлектроники» занимает ведущее место в этой отрасли науки и техники.

Автор надеется, что знания, полученные при знакомстве с данным учебным пособием, расширят профессиональный кругозор будущих специалистов и окажутся полезными в дальнейшей практической деятельности.

Приложения