3 Квантовые приборы
Традиционная полупроводниковая технология вышла на принципиальные ограничения, обусловленные как законами физики твердого тела, так и барьером межсоединений. Уменьшение топологических норм ниже 0,1 мкм исключает возможность создания интегральных схем в их сегодняшней интерпретации. Логическим же развитием полупроводниковой микроэлектроники является использование динамических неоднородностей в виде ансамблей электронов или дырок как корпускул, а электронов как квантово-механических волн. При этом устройство управления, детектор и другие элементы приборов имеют нанометровые размеры.
Необходимо создать соответствующие условия управления динамическими неоднородностями, а также необходимую среду распространения. Как показали теоретические оценки, увеличение быстродействия достигается за счет уменьшения размерности среды. Подвижность частицы в трехмерной среде ниже, чем в одномерной (рис. 4.28.а). Поэтому разработана технология создания двумерных структур - сверхрешеток (СР), одномерных структур - квантовых проводников (проводов) (КП) и даже отдельных ячеек - квантовых ям (КЯ) (рис.4.28.б). Плотность квантовых состояний для этих структур приведена на рис. 4.28.В.
Создать такие континуальные среды можно с помощью эпитаксии молекулярным пучком, химическим осаждением из газообразных металлоорганических соединений в сочетании с высококачественными литографическими процессами. В таких структурах электронные волны представляют собой динамические неоднородности. Прохождение электронных волн через потенциальные барьеры, непрозрачные в обычных условиях, является фундаментальным положением при создании квантовых полупроводниковых приборов.
Энергетические барьеры, управляющие динамическими неоднородностями в виде электронных волн, представляют собой разности уровней энергии между соседними областями. В традиционной полупроводниковой электронике обедненные слои обрадуют физические барьеры.
В квантовой структуре потенциальные барьеры образуются с помощью гетероструктур, состоящих из материалов с широкой запрещенной зоной и разделяющих области из материалов с узкой запрещенной зоной.
Рис. 4.28 – Континуальные среды квантовых приборов
На рис. 4.29.а представлена структура сверхрешетки из арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия. Толщина слоев порядка 100 нм.
Рис. 4.29 – Структура сверхрешетки GaAs–GaAlAs (а) и зонная диаграмма сверхрешетки (б, в)
В туннельных барьерах электроны проходят сквозь тонкий слой материалов с широкой запрещенной зоной (рис. 4.30.6). Это обусловлено волновой природой электронного ансамбля. Электроны, занимающие высокие энергетические уровни в области с широкой запрещенной зоной, проникают в слой с узкой запрещенной зоной и захватываются на уровни в квантовых потенциальных ямах. Варианты такой структуры приведены на рис. 4.30.в. Эти базовые структуры используются в квантовых приборах.
Рис. 4.30 – Процесс резонансного туннелирования (а, б, в) в СР и ее вольт-амперная характеристика (г)
В обычном состоянии электроны не могут преодолеть барьер (рис.4.30.а). Если к этому барьеру приложить напряжение смещения, то зоны проводимости этих барьеров изгибаются (рис. 4.30.б). Уровень Ферми потенциальной ямы совпадает с уровнем Ферми барьеров, и создаются условия для туннелирования электронов. С ростом напряжения ток достигает резонансного максимума, после образования "седла" ток падает. Итак, процесс туннелирования происходит, не порождая шумов. В случае, если размеры потенциальной ямы сравнимы с длиной волны электрона, то меняется зонная структура. Возникающий резонанс увеличивает ток туннелирования.
Следует сделать весьма важное замечание. Если разработчик современных полупроводниковых приборов оперирует такими категориями, как эквивалентные схемы, топологические чертежи, координаты элементов, то разработчик квантовых полупроводниковых приборов интересуется заданной функцией прибора. Конструирование сводится к объединению ряда слоев материалов с определенными характеристиками, замена гальванических связей на полевые в процессе интеграции элементов.
Отметим еще одну замечательную особенность квантовых приборов. Их архитектура не предусматривает межсоединений. Созданные резонансные приборы типа квантовых точечных структур с нулевой размерностью позволяют их так располагать, что возможно туннелирование от одной к другой квантовой точке (яме). Это одна из идей, лежащих в основе наноэлектронных приборов. Такие квантовые точки размещаются на расстоянии порядка микрона друг от друга и каждая из них может иметь два состояния. Эти состояния зависят от наличия электронов в одной и отсутствия их в другой яме. Направление движения электронов можно переключать в любом направлении между этими потенциальными ямами, создавая режимы для туннельного резонанса путем выбора полярности напряжения смещения. Возникает зарядовая связь - кулоновское взаимодействие электронов в соседних квантовых ямах. Созданные на основе квантовых ям матрицы могут выполнять логические функции, при этом отказы и сбои исключаются.
Предполагается, что приборы этого типа найдут широкое применение в однокристальных суперкомпьютерах, системах распознавания образов в реальном масштабе времени, системах оптической связи. Разрабатываются квантовые приборы, использующие явления интерференции волновых пакетов электронов. Это приборы типа интерферометров (рис. 4.31).
На вход подается волновой пакет или отдельный цуг. В плечах интерферометра А, В предусматривается ввод цуга определенной, но одинаковой фазы, соответствующей логической единице или нулю. В итоге на выходе получаем цуг, фаза которого позволяет индифицировать его в виде 1 или 0 (рис. 4.31.а). Если же в плечи интерферометра вводятся цуги противоположных фаз, то на выходе сигнал отсутствует вовсе (рис. 4.31.б). На основе квантовых интерферометров, либо квантовых матриц можно сконструировать процессоры.
Рис. 5 – Квантовый прибор на основе интерференции волновых пакетов
На основе сверхрешеток (СР) предложена идея запоминающего устройства. Сверхрешетка состоит из слоев толщиной 100 нм p- и n-типами легирования. Уровень легирования достаточно низкий (1016 см–3).
Можно использовать систему Si-GaP, имеющую большое различие величины Eg Si =1,11 эВ и Eg GaP =2,25 эВ и хорошее совпадение постоянных решеток.
Процесс записи состоит в подаче на СР небольшого прямого напряжения. Из «-областей инжектируются избыточные электроны, а из p-областей соответственно дырки (рис. 4.32).
Рис. 6 – Энергетические схемы ЗУ на СР при записи (а) и стирании (б)
Носители заполняют потенциальные ямы. Процесс генерации можно осуществлять также светом частотой hν>Eg1Eg2. Стрелки иллюстрируют инжекцию электронов (1) и дырок (2). Незаполненные и заполненные состояния отличаются проводимостью и емкостью p-n-переходов. При подаче напряжения на ЗУ в незаполненных состояниях обнаруживается большая проводимость и меньшая емкость, чем в том случае, когда состояния заполнены. Этот факт положен в основу операции считывания информации. Напряжение считывания составляет единицы милливольт.
Операция стирания состоит в "очищении" потенциальных ям СР от электронов и дырок. Это может произойти при приложении к ячейке ЗУ большого обратного напряжения (рис. 4.32.6). Стрелками 3 и 4 показан процесс туннелирования электронов и Дырок из потенциальных ям.
После снятия напряжения структура возвращается в первоначальное состояние и ЗУ готово к следующему акту записи информации. Величина обратного напряжения для считывания составляет, например, для GaSb1–yAsyGa1–xInxAs порядка 10 В.
Это перспективные идеи и разработки. Реальность такова, что переход к наноэлектронике будет происходить эволюционным путем. Область микроэлектроники, охватывающая приборы с характерными размерами от микрона до десятых долей микрона, плавно трансформируется в область так называемой мезоскопики. Эти приборы уже не классический объект микроэлектроники, но и не квантовый прибор наноэлектроники. Основными процессами производства приборов мезоскопики будут процессы самоорганизации. Приборы мезоскопики относятся к приборам частотного диапазона, лежащего между микроволнами и инфракрасным излучением.
9 Как работает прибор БИСПИН?
10 Охарактеризуйте волны пространственного заряда в полупроводниках.
11 Что такое домен Ганна?
12 Как работает генератор сигналов на домене Ганна?
13 Что такое сверхрешетка?
14 Как устроен процессор для усиления и фильтрации сигналов?
15 Перечислите динамические неоднородности, возникающие в полупроводниковых континуальных средах.
16 Что такое квантовый прибор, и на каком принципе он работает?
17 Что такое мезоскопика?