лекции 1-10 по химии поверхности (1). Лекция 1 Общие представления о поверхности твердых тел
 Скачать 1.48 Mb.
|
|
Проблемы традиционной технологии. Несмотря на повышение быстродействия ИС, используемые при их создании планарные технологии приближаются к фундаментальным пределам, определяемым природой используемых материалов, а также применяемыми моделями физических процессов в приборах. Среди других проблем традиционной технологии необходимо отметить проблему отвода (утилизации) тепла, выделяемого сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла элементами ИС, а также то, что уровень собственных шумов схемы может быть равен полезному сигналу или даже превышать его. Еще одна проблема связана с невозможностью применения методов физической статистики к СБИС. Например, за изменение состояния элемента схемы со сложностью в 1 млн транзисторов ответственны 8000 электронов, а свойства активной области транзистора будут определяться только 100 примесными атомами. Это требует полностью бездефектной технологии производства полупроводниковых носителей и использования сверхчистых материалов. Для решения указанной проблемы можно отказаться от использования традиционных неорганических материалов, заменив их проводящими полимерами. Работы в этой области, отмеченные Нобелевской премией по химии 2000 г., позволяют принципиально изменить технологию изготовления ИС, например, печатая их на принтере с особым химическим раствором вместо чернил. Создание СБИС предусматривает уменьшение толщины слоев используемых материалов, нередко до размеров, сравнимых с длиной волны электронав веществах данного слоя. Это неизбежно приведет к эффекту туннелирования электронов и необходимости учета волновых закономерностей при создании информационных систем нового поколения. Наноэлектронные информационные системы. В настоящее время осуществляется переход от микроэлектроники к наноэлектронике, которая позволит увеличить плотность монтажа логических элементов еще в сотни раз. В развитии наноэлектроники существенную роль сыграло развитие методов исследований, в частности использование технологий с применением сканирующего туннельного микроскопа. Это позволяет создавать путем атомной сборки на поверхности неметаллических кристаллов искусственные квазимолекулярные структуры и полимерные дорожки с поперечными размерами 1 нм. Так, в частности получают квантовые плоскости – многослойные твердотельные структуры из тонких пленок различных веществ толщиной в один атом. Возрастающая роль состояния поверхности в таких сверхтонких структурах приводит к изменению структуры энергетических зон и, как следствие этого, к появлению физических эффектов, не характерных для традиционных полупроводниковых материалов и структур. Можно выделить три типа микроструктур, в которых электроны ведут себя как квантовые объекты, такие как квантовые ямы, нити и точки, причем последние иногда называют искусственными атомами. Квантовые структуры. Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb впервые наблюдались эффекты размерного квантования. Если привести в контакт два полупроводника с различными запрещенными зонами, то для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике, граница будет играть роль потенциального барьера. Таким способом и создают квантовые ямы, помещая тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. Два гетероперехода ограничивают движение электрона с двух сторон и как бы образуют потенциальную яму. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому можно сказать, что электронный газ в квантовой яме становится двумерным. Таким же образом можно приготовить и структуру, содержащую квантовый барьер, для чего следует поместить тонкий слой полупроводника с широкой запрещенной зоной между двумя полупроводниками с узкой запрещенной зоной. Для изготовления подобных структур разработано несколько совершенных технологических процессов, однако наилучшие результаты в приготовлении квантовых структур достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Данный метод позволяет выращивать совершенные монокристаллические слои толщиной всего несколько периодов решетки (напомним, один период кристаллической решетки составляет около 2 Å). Чрезвычайно важно, чтобы периоды кристаллических решеток двух соседних слоев, имеющих различный химический состав, были почти одинаковыми. Тогда слои будут точно следовать друг за другом, и кристаллическая решетка выращенной структуры не будет содержать дефектов. С помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии можно получить очень резкую (с точностью до монослоя) границу между двумя соседними слоями, причем поверхность получается гладкой на атомном уровне. Квантовые структуры можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой для выращивания квантовых ям являются полупроводник GaAs и твердый раствор AlхGa1-хAs, в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Величина х – доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия, обычно она изменяется в пределах от 0,15 до 0,35. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1,5 эВ, в твердом растворе AlхGa1–хAs она растет с ростом х. Так, при х = 1, то есть в соединении AlAs, ширина запрещенной зоны равна 2,2 эВ. Чтобы вырастить квантовую яму, необходимо во время роста менять химический состав атомов, летящих на растущий слой. Сначала нужно вырастить слой полупроводника с широкой запрещенной зоной, то есть AlхGa1–хAs, затем слой узкозонного материала GaAs и, наконец, снова слой AlхGa1–хAs. Энергетическую схема приготовленной таким образом квантовой ямы содержит только два дискретных уровня, а волновые функции на границе ямы не обращаются в нуль. Значит, электрон можно обнаружить и за пределами ямы, в области, где полная энергия меньше потенциальной. Конечно, такого не может быть в классической физике, а в квантовой физике это возможно. Электроны в квантовой яме обладают очень высокой подвижностью, что приводит к повышению быстродействия приборов на основе данных систем. Рассмотрим более подробно схему работы резонансного туннельного диода. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 г. японским ученым Л. Исаки и детально исследовалась им до 1974 г. Этот прибор состоит из двух барьеров, разделенных областью с малой потенциальной энергией. Область между барьерами – это как бы потенциальная яма, в которой есть один или несколько дискретных уровней. Характерная ширина барьеров и расстояние между ними составляют несколько нанометров. Области слева и справа от двойного барьера играют роль резервуаров электронов проводимости, к которым примыкают контакты. Электроны занимают здесь довольно узкий энергетический интервал. В приборе используется следующая особенность двойного барьера: его туннельная прозрачность имеет ярко выраженный резонансный характер. Поясним природу этого эффекта. Для этого предположим, что прозрачность каждого барьера мала. Это, однако, не означает, что одновременно будет мала и вероятность туннелирования через двойной барьер. Оказывается, что в том случае, когда энергия электронов, налетающих на барьеры, равна энергии дискретного уровня, туннельная прозрачность резко возрастает. Механизм резонансного туннелирования таков: электрон, проникший в область между барьерами, надолго задерживается там, в результате многократного отражения от левого и правого барьеров существенно возрастает вероятность туннелирования. Одновременно можно сказать, что при резонансе из-за интерференции волн во внутренней области гасится волна, отражающаяся от двойного барьера. Следовательно, волна, упавшая слева, полностью проходит направо. Рассмотрим принцип работы резонансного диода. Ток, протекающий через двойной барьер, зависит от величины приложенного напряжения. Заметим, что потенциал в нашем приборе падает главным образом в области двойного барьера, так как области слева и справа от него обладают высокой проводимостью. Если приложенное напряжение мало и энергия электронов, налетающих на барьер слева, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно, протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня. В электронных схемах резонансный диод может использоваться не только как выпрямитель, но и выполнять самые разнообразные функции. Если к центральной области резонансного диода подвести контакт, через который можно управлять положением дискретного уровня, получится новый прибор – транзистор. Из таких транзисторов, по-видимому, и будут строиться интегральные схемы новых поколений. В 1986 г. К. К. Лихаревым и Д. В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов, туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния 0 и 1, может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона. Тогда однокристальная схема памяти емкости 1012 бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6,45 см2. Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих электронных фирм. Следующий шаг в наноэлектронике – создание квантовых нитей или одномерных электронных систем. Для этого необходимо иметь нечто действительно напоминающее тонкую нить, где движение электронов резко ограничено в двух направлениях из трех и лишь вдоль оси нити (будем называть ее осью х) остается свободным. При этом за счет малых поперечных размеров нити движение в плоскости yz квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные значения Еi, i = 1, 2, .., так что полный закон дисперсии имеет вид:  (9.1)где m – эффективная масса электронов. Видно, что каждому дискретному уровню Еi соответствует набор возможных состояний, отличающихся импульсом px. При этом обычно говорят не об уровне, а о подзоне размерного квантования с номером i. Большинство способов изготовления квантовых нитей основываются на том, что в системе с двумерным электронным газом ограничивается движение электронаеще в одном направлении. Наиболее очевидный из них – это непосредственное «вырезание» узкой полоски с помощью литографической техники. При этом для получения электронных нитей шириной в сотни ангстрем, где квантование энергий электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, что требует литографической техники сверхвысокого разрешения. Дело в том, что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантовые эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины – порядка десятой доли микрона. Можно поступить и иначе. Поверхность полупроводниковой структуры покрывают металлическим электродом, создающим с полупроводником контакт Шоттки и имеющим узкую щель. Если гетерограница находится достаточно близко от поверхности, в слое обеднения, то двумерные электроны на границе отсутствуют всюду, кроме узкой области под щелью. Поэтому, меняя напряжение на затворе, можно управлять эффективной шириной квантовой нити и концентрацией носителей в ней. Еще одним типом квантовых структур являются квантовые точки («искусственные атомы»). Процесс формирования квантовых точек начинается с нанесения на поверхность AlGaAs ряда масок, каждая из которых имеет форму круга. После этого производится глубокое травление, при котором удаляется весь слой AlGaAs и частично слой GaAs. В результате электроны оказываются запертыми в образовавшихся цилиндрах диаметром порядка 500 нм. Кроме простого нанесения рисунка на поверхность полупроводника и травления для создания квантовых точек можно использовать естественное свойство материала образовывать маленькие островки в процессе роста. Такие островки могут, например, самопроизвольно образоваться на поверхности растущего кристаллического слоя. В квантовой точке движение электрона ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек (можно говорить также о квантовых ящиках) порядка нескольких нанометров. Подобна настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если содержится один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т. д. За исследование процессов формирования и свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазеров на их основе в 2004 г. российскому ученому Ж. Алферову была присуждена Нобелевская премия. Квантовые точки, модифицированные биомолекулами (белки, пептиды, антитела, ДНК и др.), могут использоваться также в качестве люминесцирующих маркеров для обнаружения других молекул, например, типичных для раковых клеток. Следующий шаг в создании квантовых систем – получение квантовых проволок. Квантовые проволоки представляют собой совокупность квантовых точек, нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на кристаллическую подложку. Они позволяют создавать различные электропроводящие пути на поверхности кристалла, изменяя состояние его поверхности. Рассмотренные квантовые системы могут быть положены в основу создания квантовых компьютерных устройств, первая версия которых по прогнозам ученых может быть реализована к 2020 г. В этих устройствах весьма важное значение будет иметь взаимодействие собственных магнитных моментов (спинов) электронов с электромагнитными полями, изучаемое спиновой электроникой (спинтроникой). Лекция 10 Молекулярная электроника Молекулярной электроникой рассматривается возможность создания информационно-логических устройств, функционирующих на уровне отдельных, достаточно сложных молекул или надмолекулярных структур (например, таких как пленки Лэнгмюра-Блоджетт), в которых и между которыми могут происходить процессы переноса электрона. Фактически в данном случае речь идет о реализации одноэлектронных процессов (single electronics). Преимуществами молекулярных электронных устройств являются возможность передачи информации в аналоговой форме, включая распознавание речи или зрительных образов, а также принятия решений в неоднозначной ситуации (искусственный интеллект). Принципиальным отличием молекулярных электронных материалов от традиционных является то, что использование традиционных материалов базируется на макроскопических свойствах металлов и полупроводников, а молекулярных – на свойствах отдельных молекул. Для создания любого полупроводникового элемента (диод, триод и т. п.) важны такие характеристики как ширина запрещенной зоны полупроводника, концентрация носителей зарядов, их подвижность и другие коллективные свойства системы. В устройствах молекулярной электроники не оправдано представление о токе, протекающем через отдельный элемент; речь идет о переносе единичных электронов. Молекулярные логические элементы нельзя рассматривать отдельно от «подводящих проводов», которые в данном случае сами являются отдельными молекулами. Принципиально меняются способы обработки информации, которая оперирует функциональными элементами на молекулярном уровне и на уровне других микроскопических составных частей материи, при этом особенно большую роль играют химические связи. В таблице 10.1 приведены характеристики устройств переработки информации на основе традиционных полупроводниковых схем и молекулярных устройств. Первой работой в области молекулярной электроники считается статья А. Авирама и М. Ратнера «Молекулярный выпрямитель», опубликованная в 1974 г. Заслуживает упоминания также статья Дж. Мак Алира «Биочипы грядут» 1982 г., после публикации которой широко обсуждались этические проблемы и социальные последствия работ в области молекулярной электроники, поскольку создание биочипов − молекулярных информационных устройств, совместимых с биологическими системами, позволяет «модернизировать» эти системы.19 Таблица 10.1 Перспективные возможности элементов устройств переработки информации
|