Наноэлектроника.-1

вает энергию на величину разрыва зоны проводимости Ec . Это эквивалентно тому, что он «видит» энергию ионизации уменьшенной на Ec по сравне-

нию с пороговой энергией в массивном узкозонном полупроводнике. Поскольку коэффициент ударной ионизации α с уменьшением пороговой энергии экспоненциально растет, следует ожидать резкого увеличения эффективного значения α. В следующем барьерном слое пороговая энергия увеличивается на Ес , уменьшая тем самым значение α в этом слое.

Но поскольку α1 <<α2 (индексы 1 и 2 относятся соответственно к широкозонному и узкозонному материалу), то экспоненциальный рост α2 приводит к тому, что и среднее значение

			1b	2
			a	b
значительно увеличивается.
Если разрывы в валентной зоне Ev				значительно меньше разрывов в зо-

не проводимости (как это, в частности, имеет место в системе GaAs-AlGaAs), то подобный эффект для дырочного коэффициента β оказывается значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения

α/β.

Рис. 4.16. Схема лавинного диода с системой квантовых ям

4.3.5. Оптические модуляторы

Структуры с квантовыми ямами могут использоваться не только для генерации, но и для модуляции светового излучения из области межзонного оптическою поглощения. Физической основой эффекта модуляции являются два следующих экспериментальных факта:

а) в структурах с квантовыми ямами существуют резкие линии экситонного поглощения, имеющие значительно большую интенсивность, чем в однородных полупроводниках, и наблюдаемые не только при низких, но и при комнатных температурах;

б) спектральное положение линий заметно сдвигается под воздействием сильного электрического поля, перпендикулярного слоям гетероструктуры.

В однородных полупроводниках электрическое поле разрушает экситоны, растаскивая электрон и дырку в разные стороны. Наличие же квантовой ямы позволяет без вреда для экситона приложить в поперечном направлении

81

достаточно сильное поле, поскольку стенки ямы не дают электрону и дырке возможности разойтись. Поэтому экситонная линия поглощения в поле не исчезает, но ее положение достаточно сильно сдвигается. Это обусловлено двумя факторами. Во-первых, поле искажает форму самой квантовой ямы, превращая ее из прямоугольной в трапециевидную (рис. 4.17). При этом ме-

няется энергия квантовых уровней как в зоне проводимости E1e , так и в валентной зоне E1h , а следовательно, и эффективная ширина запрещенной зо-

ны Egэф Eg E1e E1h . Во-вторых, энергия связи экситона Еex, хотя и не

обращается в нуль, как только что было отмечено, но, тем не менее, зависит от приложенного поля. В результате спектральное положение экситонной

линии ex Egэф Eex оказывается сильно зависящим от напряженности

электрического поля F.

Поскольку экситонная линия в спектре поглощения весьма резка, то коэффициент поглощения α для света с частотой вблизи этой линии очень сильно меняется при изменении положения линии. Это делает весьма эффективной модуляцию света с помощью приложенного электрического поля. Ожидается, что подобные модуляторы найдут применение в системах оптической передачи информации.

а				б

Рис. 4.17. Энергетический спектр квантовой ямы в отсутствие (а)

ипри наличии (б) электрического поля

4.4.Транзисторы с высокой подвижностью

Одним из самых распространенных видов полупроводниковых приборов

являются полевые транзисторы. К их числу принадлежит, в частности, МДПструктура. Если к инверсионному слою создать два контакта, называемых истоком и стоком и расположенных на расстоянии l друг от друга, то при напряжении между ними, равном V, в канале будет течь ток

I e n V

b

,

(4.3)

S l

где b – ширина канала, а μ – подвижность носителей в нем. Изменяя с помощью затвора концентрацию в канале nS, мы можем осуществлять управление током исток–сток аналогично тому, как в обычном (биполярном) транзисторе

82

напряжение базы управляет током коллектор–эмиттер. Двухмерная плотность электронов в слое nS (плотность состояний электронов на единицу площади двухмерного электронного газа) пропорциональна напряжению на затворе:

	nS		kd	Vз	V0 ,	(4.4)
		4	ed

где kd – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; V0 – пороговое напряжение, соответствующее открытию инверсионного канала, т. е. появлению в нем электронов; d – толщина диэлектрика, отделяющая металлический затвор от объема полупроводника. Тогда с учетом (4.4) важнейшая характеристика транзистора – крутизна G – в нашем случае определяется выражением

	dI		d	bV
G					.	(4.5)
	dVз	4		dl

Видно, что крутизна полевого транзистора пропорциональна подвижности носителей. Поэтому сразу возникает желание использовать в полевых транзисторах структуры с модулированным легированием, обладающие гигантской подвижностью носителей. Для этого требуется решить задачу об управлении концентрацией двухмерных носителей в этих структурах. Она решается путем создания контакта Шоттки на широкозонном легированном слое. Если толщина этого слоя достаточно мала, то области обеднения вблизи гетероперехода и контакта Шоттки перекрываются и все доноры широкозонного слоя оказываются ионизованными. В результате он играет роль диэлектрика, гетероструктура становится аналогом МДП-структуры и концентрация двухмерных электронов линейно зависит от напряжения на затворе (контакте Шоттки).

Созданные таким образом полевые транзисторы часто обозначают анг-

лийский аббревиатурой НЕМТ (High Electron Mobility Transistor – транзистор с высокой подвижностью электронов). На самом деле полностью использовать преимущества высокой подвижности двухмерного газа и получить транзисторы с крутизной, во много раз большей, чем у обычных МДПтранзисторов, не удается. Причина в том, что в реальных приборах для получения высокого быстродействия и высокой плотности интеграции в БИС расстояние между истоком и стоком l делается весьма малым (~1 мкм). При этом напряженность поля в канале настолько велика, что дрейфовая скорость электронов уже не пропорциональна полю (с коэффициентом, равным подвижности), а выходит на насыщение. В результате крутизна G не описывается формулой (4.5), а слабее зависит от подвижности носителей. Тем не менее, использование структур с модулированным легированием приводит к некоторому повышению крутизны полевых транзисторов. При температуре 77 К она может быть доведена до значений порядка 500 мСм/мм.

На рис. 4.18 приведена зонная диаграмма гетероперехода между арсенидом галлия и арсенидом галлия алюминия GaAs-AlxGa1–xAs. Величина х характеризует содержание алюминия, и с ростом х увеличивается ширина запрещенной зоны данного твердого раствора. Для типичного значения х = 0,3 ширина запрещенной зоны твердого раствора Al0,3Ga0,7As равна 1,8 эВ.

83

У границы раздела двух полупроводников в зоне проводимости образуется квантовый колодец или зона двухмерного электронного газа (ДЭГ).

Двухмерный электронный газ (2D-гaз) представляет собой систему электронов, энергетические состояния которых соответствуют свободному движению только вдоль определенной плоскости.

Важным свойством двухмерного электронного газа является то, что возможно регулирование в широких пределах плотности электронов под воздействием поперечного электрического поля. Электроны в ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и подвижность.

а

б

ДЭГ

в

Рис 4.18. Схема (a) и зонная диаграмма (б, в) HEMT-структуры

На основе таких гетероструктур изготовляются гетеротранзисторы (HEMT-транзисторы) (рис. 4.19). Их конструкция многослойна. Между металлическим затвором и легированным слоем на основе Al0,3Ga0,7As формируется управляющий переход металл–полупроводник. Обедненная область этого перехода располагается в слоях арсенида галлия алюминия. Различают нормально открытый (рис. 4.19,а) и нормально закрытый (рис. 4.19,б) транзистор. При напряжении затвор–исток UЗИ < 0 в слое нелегированного арсенида галлия на границе с гетеропереходом в области ДЭГ формируется канал нормально открытого транзистора. На рис. 4.19,а эта область ограничена штриховой линией.

В нормально открытом транзисторе под действием управляющего на-

пряжения UЗИ изменяется толщина обедненной области перехода металл– полупроводник, концентрация электронов в области ДЭГ и ток стока. Электроны в ДЭГ поступают из истока. При отрицательном напряжении затвор– исток, величина которого равна пороговому значению, обедненная область расширяется настолько, что перекрывает поток электронов, и ток стока становится равным нулю.

84

В нормально закрытом транзисторе при UЗИ = 0 проводящий канал от-

сутствует вследствие того, что область ДЭГ перекрыта объединенной областью управляющего перехода. При подаче напряжения UЗИ > 0, величина которого равна пороговому значению, обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область ДЭГ.

а

б

в

Рис. 4.19. Структура нормально открытого (а) и нормально закрытого (б) HEMT-транзистора; ВАХ нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) HEMT-транзистора (в)

На рис. 4.19,в приведены стоково-затворные характеристики нормально открытого (1) и нормально закрытого (2) транзисторов. Большое значение крутизны для нормально закрытого транзистора обусловлено меньшей толщиной легированного донорами слоя GaAlAs. Этот тип транзисторов перспективен для использования в СВЧ-микросхемах.

85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наноэлектроника – одно из наиболее судьбоносных для развития цивилизации научно-технических направлений. В не столь отдаленном будущем оно коренным образом изменит все важнейшие характеристики электронной аппаратуры, значительно ускорит создание эффективных систем управления глобальными экономическими, социальными и экологическими процессами и существенно улучшит качество жизни человека. Наноэлектроника, несомненно, станет инструментальной базой реализации проектов искусственного интеллекта и позволит создавать «разумных» роботов микро- и наноразмеров.

Итогом конкурентной борьбы между различными направлениями развития наноэлектроники будет выход на первые позиции сравнительно небольшого количества материалов и подходов, которые станут использоваться в крупномасштабном производстве наноэлектронной аппаратуры нового поколения. Именно такой сценарий развития прошла микроэлектроника. В качестве основы для микроэлектронных устройств переработки и хранения информации в 60-е гг. XX столетия предлагалось использовать ионные, электронные, магнитные, диэлектрические, акустические, оптические и другие процессы в различных материалах. С 1965 г. и по настоящее время стала доминирующей полупроводниковая электроника, а базовым материалом оказался кремний. Он прекрасно обрабатывается и обеспечивает получение субмикронных схемных элементов, химически стабилен сам, как и формируемые на нем приборные структуры. Именно поэтому направление наноэлектроники, основанное на кремниевой интегральной технологии, уже используется в массовом производстве. К сожалению, это направление перспективно для освоения лишь «верхнего» диапазона наноразмеров (10–100 нм). Для освоения «нижнего» диапазона (1–10 нм) необходимы принципиально иные подходы. Они могут реализоваться и на полупроводниковых, и на новых материалах. На полупроводниковых материалах удается создавать наноэлементы для обработки и хранения информации, в которых используются особые полупроводниковые структуры. К ним относятся нуль-мерные, одномерные и двухмерные наноструктуры. Удается также сохранить важную для практики технологию создания многоэлементных интегральных микросхем.

Свойства новых материалов предстоит всесторонне исследовать, прежде чем использовать в наноэлектронике. К таким материалам в первую очередь относятся нанотрубки и сложные органические молекулы. Создание отдельных электронных элементов различного схемного назначения на указанных материалах успешно реализуется. Однако до разработки надежных, экономически привлекательных электронных систем типа ИМС еще достаточно далеко. На этом пути предстоит преодолеть немало принципиальных и технологических трудностей.

86

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Борисенко В.Е. Наноэлектроника / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, Е.А. Уткина. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 223 с.

2.Чаплыгин Ю.А. Нанотехнологии в электронике / Ю.А. Чаплыгин. – М. : Техносфера, 2005. – 448 с.

3.Драгунов В.П. Основы наноэлектроники / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. – Новосибирск : НГТУ, 2000. – 232 с.

4.Физика низкоразмерных систем / A.Я. Шик [и др.] ; под ред. А.Я. Шика. – СПб. : Наука, 2001. – 160 с. (Серия учебных пособий «Новые разделы физики полупроводников»).

5.Щука А.А. Электроника : учеб. пособие / А.А. Щука ; под ред. проф. А.С. Сигова. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.

6.Klitzing K.V. New Method for High-Accuracy Determination of the FineStructure Constant Based on Quantized Hall Resistance / K.V. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper // Phys. Rev. Lett. – 1980. – Vol. 45. – P. 494.

7.Thornton T.J. Mesoscopic devices / T.J. Thornton // Rep. Prog. Phys. – 1994. – № 57. – P. 311–364.

87

Учебное издание

Троян Павел Ефимович Сахаров Юрий Владимирович

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Дизайн обложки – А.И. Секачева

Тираж 100. Заказ № 410. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18

88