|
Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
10. Квантово-размерные полупроводниковые
структуры 10.1.Основные понятия
До недавнего времени физики и инженеры-электронщики в своих расчетах использовали только законы классической физики. И это было вполне оправдано, т.к., например, электроны в кинескопе движутся так же, как классические материальные точки. Таких примеров можно привести очень много. Однако ситуация меняется. Интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют в себе все большее количество элементов, следовательно, должны уменьшаться размеры этих элементов. Эти размеры достигли долей микрона. В этот момент описание на языке классической физики теряет всякий смысл и создатели вынуждены обратиться к квантовой механике.
В классической физике электроны, как и все другие частицы, движутся по траекториям. В любом случае, задав начальную координату и импульс, можно вычислить траекторию.
В квантовой механике картина движения совершенно иная. Эта теория не описывает движение по траектории. В ней накладывается ограничение на точность, с которой могут быть заданы начальная координата и импульс электрона. Если координата электрона известна с точностью  , то его импульс можно определить не точнее, чем  . Это соотношение неопределенностей Гейзенберга. Из этого соотношения видно, что очень точное задание координаты электрона приводит к большой неопределенности импульса и, значит, направление, по которому будет двигаться электрон, предвидеть невозможно.
Физики уже накопили большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантовомеханических принципах. Укладывая атомы с точностью до одного-двух слоев, можно создавать искусственные кристаллы, молекулы и атомы с заданными свойствами. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры порядка нескольких нанометров.
Можно выделить несколько основных типов полупроводниковых наноструктур.
Структуры с двумерным электронным газом (квантовые ямы). Одним из примеров таких структур являются тонкие пленки. В такой структуре одно из направлений (z) очень мало, следовательно, энергетический спектр в этом направлении можно описать формулой  где m — эффективная масса электрона, a — толщина пленки, т.к. в данном направлении образуется потенциальная яма. В оставшихся двух направлениях электроны могу передвигаться свободно. Толщина пленки должна составлять несколько нанометров.
Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити). В такой структуре два направления (y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой где a — толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. В оставшемся направлении (x) электроны могу передвигаться свободно. Толщина нити должна составлять несколько нанометров.
Структуры с нуль-мерным электронным газом (квантовые точки). В такой структуре все направления (x, y и z) очень малы, следовательно, энергетический спектр в каждом направлении можно описать формулой где a — толщина пленки в данном направлении, т.к. в этом направлении образуется потенциальная яма. Размер квантовой точки порядка нанометра. Такие структуры особенно интересны тем, что их свойства аналогичны свойствам дискретного атома, поэтому их иногда называют искусственными атомами.
Структуры с вертикальным переносом (квантовые сверхрешетки). Реальные экспериментальные образцы содержат большое количество одинаковых или почти одинаковых квантовых объектов. Как правило, это не меняет физической картины, т.к. вклады от всех объектов просто суммируются. Ситуация резко меняется, если отдельные объекты находятся так близко друг к другу, что носители заряда могут туннелировать между ними.
Подобные структуры принято называть структурами с вертикальным переносом. Подобные структуры служат основой для ряда приборов наноэлектроники.
Если число параллельных слоев в структурах с вертикальным переносом велико (как минимум, несколько десятков), мы имеем искусственную периодическую структуру, или сверхрешетку. Наиболее важным свойством сверхрешеток, определяющим все их уникальные физические свойства, является видоизменение их энергетического спектра по сравнению со спектром одиночной квантовой ямы.
Для получения квантово-размерных структур используют методы осаждения пленок (метод химического осаждения из газовой фазы и молекулярно-лучевая эпитаксия), методы, использующие сканирующие зонды, методы нанолитографии и др.
|
|
|
Скачать 8.65 Mb.