Lek_Osn_nanoelektroniki_Kl - Страница 2
Свръхрешетка.Еднокристален филм от един материал, който възпроизвежда константата на решетката на монокристален субстрат от друг материал, се наричасуперрешетка(суперрешетка).Когато и двата материала имат идентични или много близки константи на решетката, те образуват така нареченитепсевдоморфни(псевдоморфни)свръхрешетки. Има много малко такива материали сред полупроводниците. Междувременно равенството на константите на решетката не е строго необходимо условие за псевдоморфния растеж на един материал върху друг. В рамките на определена ограничена дебелина на отложения филм е възможно да се „принудят“ отложените атоми да заемат позиции, съответстващи на разположението на атомите в субстрата, дори ако това разположение се различава от равновесното разположение на атомите в насипния материал на филма. В този случай се образуванапрегната(напрегната)суперрешетка, чиято структура обаче е идеална. Образуването на напрегната свръхрешетка в случая, когато константата на решетката на субстратния материал е по-малка от тази на филмовия материал, е схематично илюстрирано на фиг. 1.10. Напреженията в такъв филм се увеличават с увеличаване на дебелината му. При достигане на определена критична дебелина те се отпускат чрез образуване на несъгласувани дислокации, освобождавайки енергията, натрупана в напрегнатото състояние и намалявайки общата енергия на системата. Кристалната решетка на отложения материал придобива своята естествена форма и докато материалът по-нататък навлиза в субстрата, филмът расте с вече отпусната(отпусната)свръхрешетка. Критичната дебелина на филма зависи от несъответствието между константите на решетката и еластичните модули на филма и субстратните материали при температурата на отлагане. INПо принцип, без да се надвишава критичната дебелина, е възможно да се образува напрегната свръхрешетка от всеки полупроводник върху подложка със същия тип кристална решетка. На практика, за да се създадат висококачествени потенциални бариери върху суперрешетките, е желателно най-малкото несъответствие.
Ориз.1.10.Образуване на напрегнати и отпуснати свръхрешетки. Стрелките показват напреженията на натиск на параметрите на решетката на филма и субстрата, както и известна разлика в техните електронни свойства.
Сред полупроводниците има достатъчен избор от материали, които отговарят на тези изисквания. Както псевдоморфните, така и напрегнатите суперрешетки, произведени чрез многократно епитаксиално отлагане на полупроводници с различен състав, се използват за образуване на вградени квантови кладенци, в които електроните и/или дупките изпитват квантово задържане.
СТРУКТУРИ С КВАНТОВО ОГРАНИЧЕНИЕ, СЪЗДАДЕНИ ОТ ВЪТРЕШНО ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПОЛЕ
Използването на електрическо поле е едно от най-простите и ефективни средства за създаване на условия за квантово задържане в твърди структури. В този случай електрическото поле може да се формира както в самата структура поради нейния специфичен атомен състав и геометрична конфигурация, така и чрез прилагане на външен електрически потенциал към типична микроелектронна структура.
Квантово ограничени структури, създадени от вътрешно електрическо поле.Донорните и акцепторните примеси в полупроводниците, както и хетеропреходите, образувани от различни полупроводници или полупроводник и диелектрик, неизбежно предизвикват локално преразпределение на заряда. Полученото вътрешно електрическо поле се използва за създаване на потенциалбариери, които ограничават движението на електрони в наномащабни области. Този подход може да се характеризира като"електронно" образуване на нискоразмерни структури. Например,квантова яма: структура, състояща се от полупроводници с различна забранена лента (или полупроводник и диелектрик), в която наноразмерен участък от материал с по-малка забранена зона е разположена между областите на материала с по-голяма забранена зона, действа катоквантова яма(„квантова яма“,квантова яма)за мобилни зарядни носители. Материал с по-малка ширина на лентата образува самия кладенец, а съседните региони създават потенциални бариери, които играят ролята на стени за този кладенец. Повтарянето на такава структура в пространството давапериодични квантови ямки(многоквантови ямки).Класически пример за квантови ямки в твърдо състояние са свръхрешетките, направени от полупроводници с различни електронни свойства. Свойствата на квантовите ямки обаче се притежават и от наноструктури на полупроводници, вградени в диелектрични матрици (дори при липса на съвпадение на техните кристални решетки). Примери за такива структури са наноразмерни силициеви клъстери и слоеве, вградени в силициев диоксид. За да се изгради енергийната диаграма на квантова яма, е необходимо да се свържат по подходящ начин лентите на проводимостта и валентността на материала на ямата и бариерния материал. Алгоритъмът на тази връзка даваправилото на Андерсън, базирано на използването на такива характеристики на материала катоелектронен афинитет(електронен афинитет)χ‒ енергията, необходима за прехвърляне на електрон от дъното на зоната на проводимост Ес към вакуума. Електронният афинитет е практическине зависи от позицията на нивото на Ферми (за разлика от работата на работа, която се измерва от нивото на Ферми и следователно зависи значително от степента на легиране на материала). На фиг. 1.13 показва връзката на зоните на границата между материал с тясна междина А с електронен афинитетχAи материал с широка междина В с електронен афинитетχBв случая,χA>χB.
Ориз.1.13.Съвпадение на енергийните ленти на границата на хетеропрехода в съответствие с правилото на Андерсън
Правилото на Андерсън(Правилото на Андерсън)гласи, че за два материала, образуващи хетеропреход, енергиите на електронните състояния са еднакви. Това е възможно, когато изместването между лентите на проводимостΔEc = Ecc - EcA= χA> χB· Съответно, изместването между валентните лентиΔEv може да се определи въз основа на горната диаграма, като се вземат предвид електронният афинитет и пролуката във всеки материал.
В периодични квантови ямки от тип 1 дъното на проводимата зона на полупроводник с широка междина е разположено над дъното на проводимата зона на полупроводник с тясна междина. За горната част на валентната лента тези отношения са обърнати, т.е. горната част на валентната лента на полупроводник с широка междина се намира под горната част на валентната лента на полупроводник с тясна междина. Такива енергийни отношения водят до факта, че както електроните, така и дупките са локализирани и изпитват квантово ограничение геометрично в една и съща област, а именно в областта на полупроводник с тясна междина, т.е. в кладенец. Такава структура се наричапространствено директна междина.
Тип11периодични квантови ямки се различава от тип I по това, че за същите енергийни съотношения заВ долната част на проводимата зона таванът на валентната лента на полупроводник с широка междина е по-висок от тавана на валентната лента на полупроводник с тясна междина; следователно електроните и дупките са локализирани и изпитват квантово ограничение в различни региони. Такъв тип структури сапространствено индиректни. В типа11има и специфичен случай, свързан с полупроводници и полуметали с тясна междина. На фиг. 1.14 е обозначен като тип llB. Характеризира се с наличието на много малка енергийна празнина между нивото на дупките и нивото на електроните в съседните региони.
Ориз.1.14.Местоположение на енергийните ленти в квантовите ямки, образувани от материал с тясна междина A и материал с широка междина B. Прекъснатите линии показват минималните енергийни нива на електрони и дупки, разрешени в съответствие с квантовото ограничение
Квантовите кладенци са един от най-важните елементи на повечето наноелектронни и оптоелектронни устройства.
СТРУКТУРИ С КВАНТОВО ОГРАНИЧЕНИЕ, СЪЗДАДЕНИ ОТ ВЪНШНО ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПОЛЕ
Електрическото изместване на полупроводникови структури от външен потенциал, приложен през метална порта, се използва широко за контролиране на потенциални бариери при интерфейси метал/полупроводник и полупроводник/диелектрик. Подходящият избор на полярността на външния потенциал прави възможно образуването на области в полупроводника, които са обогатени или изчерпани на носители на заряд на тези граници. Размерът на такива региони по същество зависи от величината на приложеното напрежение. Електроните или дупките в тях могат да изпитат квантово ограничение. Тези структури по същество саелектростатично индуцирани наномащабни структури.
Метални/диелектрични/полупроводникови структуриДвижение на електрони ведна посока може лесно да бъде ограничена в конвенционалнитеметал/оксид/полупроводникови (MOS) FETструктури, както е показано на фиг. 1.17. За това е най-подходящ силициев полеви транзистор. В MOS структуратаp-тип монокристален силициев субстрат, SiO2 слой върху него и горен метален електрод, наречен порта, образуват паралелни кондензаторни пластини. Положително отклонение, приложено към порта, отделена от полупроводника чрез диелектричен слой, привлича електрони, като по този начин изчерпва граничния слой на полупроводника с дупки. С увеличаването на външното приложено напрежение се образува тънък инверсионен слой, обогатен с електрони, което води до изкривяване на енергийните ленти в областта на полупроводника, съседна на диелектрика. Инверсионният слой играе ролята на квантова яма за електроните.
Ориз.1.17.Структурата на транзистор с полеви ефекти метал/оксид/полупроводник и неговата енергийна диаграма, илюстрираща образуването на двуизмерен електронен газ в него
Потенциалните стени на тази яма се формират, от една страна, от интерфейса диелектрик/полупроводник, а от друга страна, от електрическото поле, притискащо електроните към тази граница. Поради малката ширина на кладенеца в него се образува двуизмерен електронен газ. Тъй като общият индуциран заряд се определя от напрежението на затвора, броят на електроните в двуизмерен газ лесно се контролира от външно приложено напрежение. В силиций концентрацията на електрони в слоя достига 10 13 cm -2, а тяхната подвижност е в диапазона 10 3 -10 4 cm 2 /(V. s). Трябва да се отбележат две важни характеристики на двуизмерния електронен газ, образуван в MOS структури на транзистор с полеви ефекти. Първо, ширината на получения кванткладенец в такива структури зависи от величината на приложеното напрежение, следователно енергийната празнина между квантуваните нива в кладенеца се определя от същото напрежение. Второ, само един тип носител на заряд може да бъде обект на ефекта на квантовото ограничаване. В разглеждания пример това бяха електрони. За друг тип носители на заряд няма потенциална бариера и енергийният им спектър остава непроменен.