Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Разрешение классических оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом на уровне примерно половины длины волны. Однако этот предел может быть преодолён. Изображение со сверхвысоким разрешением может быть получено путём регистрации излучения, проходящего через отверстие с размерами менее длины волны при сканировании объекта. Сканирующая ближнепольная микроскопия, основанная на этом принципе, продемонстрировала возможность применения микроволнового излучения длины волны. В световой области длин волн этот принцип использовали с применением оптического волокна для отображения ряда образцов с различными механизмами получения оптического контраста.

Для того, чтобы такая система была практичной и могла быть использована для образцов с самым различным рельефом, необходим механизм, обеспечивающий автоматизированный подвод малоразмерной диафрагмы к исследуемой поверхности на заданное расстояние и поддерживающий это расстояние постоянным в процессе сканирования. Был предложен ряд таких механизмов для СБОМ и соответствующих методик, основанных на использовании затухающих волн, включая туннелирование электронов, фотонное туннелирование, измерения ёмкости, ближнепольное отражение и пр. В настоящее время наиболее используемый метод поддержания расстояния зонд-образец основывается на измерении поперечно-силового взаимодействия ближнепольного зонда и образца. Использование основанной на поперечно-силовом взаимодействии системы измерений позволяет проводить определение рельефа поверхности образца. Она же наряду с поперечно-силовой микроскопией позволяет проводить ближнепольные измерения с использованием метода пропускания для прозрачных образцов, метода отражения для непрзрачных образцов и люминесцентного метода для дополнительной характеризации образцов. Таким образом, сканирующая зондовая микроскопия является наиболее эффективным и информативным средством изучения поверхностей наноструктур, особенно учитывая имеющееся разнообразие подходов и методов.

3.31 Базовый прибор для научно-образовательного процесса [ 8]

В ЗАО «NT-MDT» г. Зеленоград разработан прибор для научно-образовательного процесса в области сканирующей зондовой микроскопии под названием NANOEDUCATOR.

Образовательный процесс с использованием этого прибора направлен на освоение основ работы в режимах Сканирующей Зондовой Микроскопии (СЗМ). В комплект поставок входят:

- базовый сканирующий зондовый микроскоп;

- учебное пособие по основам СЗМ-спектроскопии и нанолитографии;

- подробное руководство пользователя;

- виртуальная демоверсия программы, проводящей пользователя последовательно через все этапы получения качественного СЗМ-изображения;

- развитый контекстный Help;

- апробированный лабораторный практикум с набором учебных образцов для исследований и разработки технологии изготовления.

При выполнении исследовательских работ с помощью этого прибора применяются две базовые методики:

- АСМ-метод («полуконтактный метод), содержащий отображение рельефа, дифференциального и фазового контраста, а также силовую спектроскопию и динамическую силовую литографию, и СТМ-метод для отображения рельефа, тока (метод постоянной высоты), V(Z)- и I(V)-спектроскопии.

Наличие АСМ- и СТМ-методик позволяет проводить исследования как проводящих, так и диэлектрических образцов.

NanoEducator является полноценным СЗМ, специально разработанным для обучения основным методикам СЗМ. Прибор позволяет проводить АСМ- и СТМ-измерения без замены зонда.

Измерительная головка включает сканер с предметным столиком, на который устанавливается образец, и зондовый датчик. Конструкция измерительной головки разработана таким образом, чтобы исключить случайное повреждение сканера при поперечном смещении. Легко устанавливаемая на измерительную головку цифровая видеокамера оснащена автономным источником освещения. Возможность перемещения видеокамеры позволяет выбрать интересующий участок на поверхности образца. Положение источника света также можно менять, что позволяет подчёркивать особенности рельефа поверхности образца за счёт изменения угла подсветки.

При износе или повреждении кончика зонда, изготавливаемого из вольфрамовой проволоки, он может быть снова заострён путём травления с помощью специального устройства травления, позволяющего методом электрохимического травления получать зонды с радиусом закругления острия на уровне 200 нм.

4 Обзор технологий изготовления компонентов электроники [2]

 

Хорошо освоенная кремниевая технология позволяет проектировать полупроводниковые приборы как внутри объёма (полупроводниковая технология), так и на поверхности изолятора (технология кремний на изоляторе) Область применения пластин, используемых в технологии кремний на изоляторе (КНИ) в зависимости от толщины слоя:

- при толщине 10000 нм «толстые» - биполярные приборы, оптоэлектроника, микромеханика, сенсоры;

- при толщине 1000 – 5000 нм «тонкие» - КМОП ИС с частичным обеднением, высоковольтные ключи, биполярные приборы;

- при толщине 100-1000 нм «ультратонкие» - КМОП ИС с полным обеднением;

- при толщине до 100 нм «нано КНИ» - КМОП ИС на наноструктурах.

Непрерывное совершенствование технологии направлено на создание компонентов с лучшими технико-экономическими показателями: по потребляемой и отдаваемой мощности, полосе рабочих частот и быстродействию, массе и габаритам.

Достижению рекордных технико-экономических показателей способствует использование оригинальных конструкций, новых материалов (углеродных нанотрубок), физических явлений и эффектов не использовавшихся в приборах классической электроники (явлений в напряжённом кремнии, в гетеропереходах, «горячих электронов»).

Наблюдается переход от кремниевой технологии к нанотехнологиям, а также зарождение молекулярной электроники. В последнее время появилось много типов наноэлектронных транзисторов, например:

- транзисторы с повышенной плотностью носителей HEMT;

- полевые транзисторы с отрицательным сопротивлением на «горячих электронах»;

- одноэлектронные транзисторы с туннельно-прозрачными барьерами MTF;

- транзисторы, выполненные по технологии кремний на изоляторе, в частности на сапфире (КНИ, КНС);

- транзисторы с затвором в виде рыбьих плавников;

- терагерцовые транзисторы;

- транзисторы с тройным затвором;

- гетеротранзисторы (на основе полупроводников с различной шириной запрещён-ных зон;

- транзисторы с затвором Шоттки;

- одноэлектронные транзисторы.

Базовыми элементами наноэлектронных систем являются полевые транзисторы и другие структуры, использующие полевой эффект.

Полевые транзисторы или FET- транзисторы характеризуются максимальной удельной крутизной ВАХ

и предельной частотой ,

где - ток стока; - напряжение затвор-исток; - соответственно ёмкости затвор-исток и сток-затвор.

При уменьшении длины канала и снижении сопротивлений пассивных областей стока и истока эти параметры улучшаются. Предельные значения и пропорциональны предельной дрейфовой скорости и подвижности носителей в канале . Подвижность электронов в гетероструктурах достигает 3500 , что в несколько раз выше, чем у кремния. Поэтому полупроводниковые соединения и гетероструктуры на их основе предпочтительней кремниевых транзисторов. На рисунке 4.1 приведена эквивалентная схема наноэлектронного МОП-транзистора.

При проектировании перед разработчиками стоит задача минимизации индуктивностей выводов ; влияния подложки (элементов ), уменьшения междуэлектродных емкостей немодулированных сопротивлений канала , а также сопротивления в цепи затвора . С целью улучшения усилительных и ключевых свойств ведутся разработки по максимизации крутизны полевых транзисторов.

 

4.1 Нанотранзисторы на основе структур кремний на сапфире [2]

 

В последние пятьдесят лет прогресс микроэлектроники в соответствии с законом Мура, обеспечивается линейным уменьшением размеров базовых элементов и масштабируемым изменением их параметров.

В 2003 г. при переходе к проектной норме 90 нм длина затвора кремниевых металл-оксид-полупроводниковых (МОП) транзисторов достигла 60 нм, но рост производительности микросхем заметно снизился из-за физических ограничений по масштабированию вследствие увеличения паразитных туннельных токов утечки p-n –переходов.

 

 

Для уменьшения длины каналов МОП-транзисторов без смыкания областей стока и истока требуется сильное легирование каналов. Такое легирование ведёт к росту порога включения транзистора и уменьшению тока насыщения за счёт снижения подвижности носителей зарядов с ростом концентрации примеси.

Поиск отличных от объёмного кремния материалов и конструкций полевых транзисторов выявил перспективность структур типа кремний на изоляторе (КНИ). В КНИ-транзисторах используется тонкий 100-400 нм и ультратонкий 5-10 нм слой кремния.

Фирма АМД разработала высокачественные тонкоплёночные КНИ МОП-транзисторы с затвором длиной 25 нм и током насыщения 790 мкА/мкм. Разработчики фирмы IBM создали КНИ МОП-транзисторы с длиной затвора 6 нм при толщине слоя кремния 4 нм, однако из-за сильного легирования канала ток насыщения в транзисторе составляет 130 мкА/мкм, что недостаточно для современных интегральных микросхем.

Основными достоинствами КНИ – транзисторов являются: низкое энерго-потребление; высокое пробивное напряжение и высокое быстродействие.

Перспективность разработок новых наноэлектронных КНИ-транзисторов обусловлена возможностью решения проблем, свойственным короткоканальным транзисторам, а также возможностью изготовления новых приборов, работающих на квантово-размерных эффектах.

Современные интегральные микросхемы, содержащие десятки миллионов транзисторов, выполняют на КМОП КНИ-транзисторах, к которым предъявляют жесткие требования. Для получения высокого быстродействия и высокой плотности упаковки необходимо получить максимально короткий канал. Для получения низкой рассеиваемой мощности интегральных микросхем транзисторы должны иметь токи утечки в закрытом состоянии не более 1 нА.

Для создания короткого канала используют самосовмещённую технологию изготовления транзисторов, где затвор выступает ещё и маской при имплантации стоков и истоков. В качестве затворов используют легированный до металлического состояния поликремний толщиной не менее 200 нм. Для устранения токов утечки между отдельными транзисторами используют КНИ-подложки и создают каждый транзистор в отдельном кристаллическом кремниевом островке, лежащем на изолирующей поверхности (термическом оксиде кремния).

Для обеспечения достаточно малых токов утечки в канале, сильно возрастающих с уменьшением длины канала транзистора, необходимо понижать напряжение питания, т.к. при длине канала 100 нм при напряжении питания 3 В происходит смыкание стока и истока при отсутствии напряжения на затворе. Поэтому при такой длине канала необходимо переходить на использование напряжения питания 1, 5 В. При напряжении питания 1, 5 В необходимо обеспечить =0, 5 В. Для получения низкого порога p-канальных транзисторов используют поликремниевый затвор, легированный бором.

Затвор n-канальных транзисторов легируют фосфором. Для предотвращения закорачивания стока и базы прокалыванием области стока при создании контактов к стоку и истоку области стока и истока должны достигать скрытого оксида.

Поскольку в короткоканальном транзисторе поле вблизи стока велико, нужно использовать слабое легирование стокового p-n – перехода возле затвора для уменьшения этого поля. В противном случае электроны, сильно ускоряясь в области сильного поля, могут повреждать подзатворный оксид.

Конструкция КНИ МОП-транзистора приведена на рисунке 4.2.

Передаточные характеристики наноэлектронных КНИ-транзисторов с длиной каналов 100 нм и шириной затвора 5 мкм приведены на рисунке 4.3, а стоковые характеристики приведены на рисунке 4.4.

Токи насыщения транзисторов при и составляют 220 мкА/мкм для n-канального и 90 мкА/мкм для p-канального транзисторов. Токи утечки не более 5 нА. При интеграции 100 млн транзисторов на кристалле общий ток интегральной микросхемы в ждущем режиме не превышает 5А, что вполне допустимо.

Для подавления короткоканальных эффектов в n и p-канальных КНИ МОП-транзисторах требуются напряжения различной полярности и использование подложки в качестве управляющего электрода, что не является оптимальным вариантом для интегральных схем.

Более перспективными признаны конструкции КНИ МОП-транзисторов с двойным затвором, когда затворы расположены по обеим сторонам и в плоскости канала, а также конструкции, где пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости на изоляторе, а как бы поставлено на ребро – так называемый двухзатворный плавниковый транзистор.

При этом каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль обеих сторон вертикальной пластины.

Перспективны конструкции, в которых затвор опоясывает канал с трёх сторон. В таких транзисторах инверсионные каналы образуются под затвором с трёх сторон, что позволяет увеличить площадь протекания тока при той же занимаемой площади прибора.

 

 

 

 

 

По оценкам специалистов фирмы Intel, при размерах транзистора около 30 нм, выполненного по традиционной технологии, тепловыделение становится неприемлемо большим. Трёхмерная технология позволяет значительно снизить потери на тепловыделение. Различные конструкции транзисторов КНИ представлены на рисунке 4.5.

 

 

Вариантом альтернативного наноэлектронного МОП-транзистора является высоколегированная нанопроволочка, играющая роль канала, проводимость которой управляется затвором. Нанопроволочка легирована однородно, что решает проблемы мелкозалегающих переходов. Устраняется эффект смыкания. Основной проблемой является наличие последовательных сопротивлений истоковой и стоковых областей. В транзисторе с одним сторонним затвором для обеспечения достаточной проводимости канала (500 мкА/мкм) необходим высокий уровень легирования отсечённого слоя кремния.

Это накладывает ограничения на ширину канала кремниевой нанопроволочки и на ширину зазора между каналом и сторонним затвором d. Значение d ограничено приемлемым значением порогового напряжения (менее 1 В). При концентрации значение не должно превышать 5 нм, d=1, 5 нм при использовании в качестве подзатворного диэлектрика . Столь низкие и жёсткие для практической реализации значения d, которые определяются шириной электронного луча, можно увеличить выбором диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью.

Лучшие показатели плотности тока обеспечивают транзисторы с двумя и более затворами (рисунок 4.5 б, в, г). В роли дополнительного затвора КНИ-транзистора может использоваться подложка (рисунок 4.5 г, д)

Изготовление двухзатворных конструкций, когда дополнительный затвор расположен между скрытым оксидом и отсечённым слоем кремния, технологически чрезвычайно сложно. Более перспективным является вертикальный вариант конструкции транзистора с двойным затвором, получивший название Fin-FET.

В такой конструкции пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости на изоляторе, а как бы поставлено на ребро (рисунок 4.1). При этом канал индуцируется напряжением на затворах (Fin-плавниках) вдоль обеих сторон такой пластины. Затворы имеются не только по бокам, но и сверху канала. Однако поскольку высота плавников больше ширины верхнего затвора, то вклад верхнего затвора в управление током канала незначителен (высота плавника 1 мкм, толщина подзатворного оксида 5 нм, длина канала 100 нм, ширина плавника 50 нм).

Реальные p-канальные Fin FET транзисторы имеют значение плотности тока 820мкА/мкм при ( длина затвора 45 нм, ширина канала 30 нм).

Оптимальным с точки зрения управления током канала является вариант, когда со всех сторон канала располагаются затворы (или круглый затвор). По свойствам к этому варианту приближается транзистор, называемый Pi-gate (рисунок 4.5 г). Здесь используется трёхмерный затвор, две боковые стенки которого углублены в скрытый оксид. Достаточно обеспечить углубление 20 нм.

КНИ-структурам свойственна проблема накопления заряда в скрытом диэлектрике, при радиационном облучении. Транзисторы Pi-gate обладают повышенной радиационной стойкостью. При облучении происходит накопление положительного заряда в скрытом оксиде и формируется паразитный канал проводимости в n-канальных транзисторах вблизи границы раздела. Возможность «закрывать» паразитный транзистор напряжением на боковых затворах не только через боковой подзатворный оксид, но и через скрытый оксид за счёт углублённых затворов является преимуществом Pi-gate транзисторов по сравнению с транзистором Fin-FET.

Проблему малой проводимости каналов решают транзисторы с параллельно соединёнными кремниевыми нанопроволочками.

На основе КНИ-структур возможно создание квантово-размерных транзисторов, в частности, одноэлектронных приборов. Одноэлектронные приборы предполагают формирование в нанопроволочке КНИ квантово-размерных островков (в пределе квантовых точек), отделённых туннельными барьерами от остальной части нанопроволочки.

Если проводить утончение КНИ методом пошагового низкотемпературного термического окисления и травления, то при определённой толщине слоя кремния формируется структура, содержащая как проводящие каналы, так и массивы квантово-размерных кремниевых островков, отделённых от каналов туннельными барьерами, - система одноэлектронных транзисторов.

Каждый островок кремния обладает собственным набором локализованных энергетических состояний, и прохождение электронов через туннельные барьеры является вероятностным процессом.

Чтобы получить приборы, работающие при комнатной температуре с воспроизводимыми параметрами, либо их размеры должны быть меньше самоформирующихся квантовых точек, либо практически должно быть исключено влияние микрорельефа поверхности.

Вариация ширины КНИ-проволочки и литография должны обеспечивать воспроизводимость размеров прибора на уровне единиц нанометров.

На практике необходимо получать не отдельные транзисторы, а формировать из них блоки памяти в интегральных микросхемах. При этом важно совмещение одноэлектронных транзисторов с остальной частью системы (в частности с усилителями).

Достоинством КНИ-транзисторов является возможность создания гибридных схем, содержащих одноэлектронные и МОП-транзисторы.

Одноэлектронные КНИ-транзисторы обладают совместимостью с существующей кремниевой технологией.

Переход от объёмного кремния к пластинам «кремний на изоляторе» является перспективным способом создания транзисторов нанометрового диапазона.

4.2 Нанотранзисторы с гетеропереходами [2]

Гетеротранзистор представляет собой транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов. Зонные диаграммы гетеропереходов имеют разрывы зон, которые можно использовать для ограничения движения носителей заряда в направлении, перпендикулярном плоскости гетероперехода. В гетеропереходах носители заряда ведут себя в зависимости от направления движения. Гетеропереходы формируются, как правило, с помощью тонких слоёв. Поэтому в направлении, перпендикулярном слою, энергетический спектр носителей заряда имеет дискретный характер и наблюдается размерное квантование. В двух других направлениях плоскости слоя спектр носит непрерывный характер и сохраняется зонная структура.

Технология полупроводниковых гетероструктур позволяет создавать системы с пониженной размерностью. Если движение носителей заряда ограничено в одном направлении, то формируется квантовая яма. В ней формируется двумерный электронный газ. Если ограничение движения носителей происходит в двух направлениях, то формируется квантовая нить. Нуль-мерная квантовая точка появляется в случае ограничения движения носителей по трём направлениям. В качестве примера на рисунке 4.6 приведена конструкция гетеротранзистора.

 

 

Структура гетеротранзистора выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии по технологии самосовмещения. В 2D-слое имеются подвижные электроны с типичным значением подвижности и 120000 .

Соответствующие значения поверхностной плотности электронов составили соответственно. Технология формирования такой структуры включала в себя формирование затвора с барьером Шоттки на основе силицида металла, ионную имплантацию, отжиг, формирование омических контактов.

Понижение размерности повышает роль межэлектронных взаимодействий. В двумерном электронном газе, в частности, наблюдаются целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла. Обнаружены квазичастицы с электрическим зарядом, равным одной трети заряда электрона. В одномерных проводниках наблюдается квантование проводимости в отсутствие магнитного поля, возникают элементарные возбуждения с дробным электрическим зарядом, носители заряда без спина и носители спина без заряда. Различают несколько видов гетеротранзисторов.

 

4.3 MES FET-транзисторы

Наиболее популярным активным элементом является n­-канальный полевой транзистор с затвором Шоттки на арсенид-галлиевой структуре (MESFET). Структура такого транзистора изображена на рисунке 4.7.

Активный слой формируется методом ионной имплантации доноров в полуизолирующую подложку. Затвор Шоттки формируется в виде золотого контакта.

Пороговое напряжение такого транзистора зависит от степени легирования, толщины канала, а также от расстояния от затвора до канала и лежит в пределах . В качестве подзатворного диэлектрика используется обеднённая электронами область пространственного заряда под барьером Шоттки. Канал представляет собой тонкий сильно легированный слой , расположенный между легированным активным слоем и подложкой.

Транзисторы этого типа имеют длину канала 130 нм и работают на частоте 50 ГГц. К недостаткам MESFET- транзистора относится трудность создания p-каналь-ных транзисторов для формирования комплементарных структур. Другим недостатком является невозможность использования максимальной подвижности электронов в канале (8000 ) при концентрации доноров .

 

4.4 HEMT-транзисторы [2]

Гетероструктурные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, или HEMT- транзисторы имеют большую крутизну ВАХ и большую предельную частоту. Крутизну транзистора можно рассчитать по формуле

,

где - подвижность электронов; - удельная ёмкость подзатворного диэлектрика; - длина канала; - ширина канала.

В основе работы HEMT-транзисторов лежит идея использования квантового колодца в качестве канала. В квантовом колодце формируется двумерный электронный газ (ДЭГ). За счёт потери одной степени свободы подвижность носителей увеличивается примерно вдвое, возрастает и эффективная концентрация носителей.

Гетеропереход формируется из широкозонного полупроводника

и более узкозонного . На их границе происходит разрыв энергетического уровня примерно на величину . В качестве подзатворного диэлектрика используется широкозонный полупроводник , который вследствие искривления энергетических зон становится обеднённым электронами.

Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозонном полупроводнике на границе с более широкозонным. В этом канале реализуется поверхностная плотность электронов, которая составляет . Конструкция

HEMT-транзистора представлена на рисунке 4.8.

За более чем 25 летнюю историю HEMT-транзисторы развились в семейство. Помимо соединений весьма перспективными оказались соединения . Cоединения на основе индия отличаются высокой подвижностью электронов, разрыв зоны проводимости достигает .

Разработаны n-канальные и p-канальные HEMT-транзисторы, для которых создаётся потенциальная яма для дырок в узкозонном слое .

Для использования в мощных СВЧ-устройствах, работы в экстремальных условиях разработаны HEMT-транзисторы на основе и . Канал у таких транзисторов обычно формируется в узкозонном слое .

По частотным и усилительным свойствам HEMT-транзисторы на основе уступают транзисторам на соединениях , однако превосходят их по плотности снимаемого тока, мощности и рабочим напряжениям исток-сток.

 

4.5 Гетеротранзисторы с барьером Шоттки с высокой подвижностью заряда

Одним из главных направлений СВЧ-полупроводниковой электроники является создание ГПТШ-гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки на . Основным элементом такой структуры является область двумерного газа в квантовом колодце. Эта область располагается непосредственно под гетеропереходом Подвижность носителей заряда в этой области составляет порядка 2000 , а концентрация носителей . Структура ГПТШ представлена на рисунке 4.9. Буферный слой улучшает параметры ДЭГ на поверхностные состояния и объёмные дефекты.

Созданные конструкции ГПТШ имеют затвор длиной 550 нм и шириной 0, 246 мм и позволяют получить выходную мощность порядка 8 Вт на частоте 4 ГГц.

Одной из проблем - технологии является нестабильность тока стока при его увеличении. Это явление получило название «коллапс тока». Оказалось что этот эффект связан с наличием ловушечных центров на поверхности и в объёме материала буферного - слоя. С этой целью пассивируют поверхность диэлектрической плёнкой , а также формируют Сap-слой (рисунок 4.9).

Транзисторы на соединении , ширина запрещённой зоны которого 3, 4 эВ, сохраняют работоспособность до температур 500-600 . На основе -транзисторов проектируются монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона.

Значительный интерес вызывают транзисторные элементы на основе гетероструктур . Рассогласование постоянных решётки составляет 4, 2%, что вызывает механические напряжения в тонком слое гетероструктуры в соответствии с рисунком 4.10.

Структура типа получается путём осаждения кремния на подложку . При этом формируется слой напряжённого кремния. В таком кремнии скорость дрейфа носителей на 70% выше, чем в обычном кремнии. Это позволяет увеличить быстродействие транзисторов на 40%. Транзисторы, сформированные на базе гетеропереходов , получили название модуляционно-легированных транзисторов с затвором Шоттки или MOD FET. Подвижность электронов и дырок в канале таких транзисторов достигает значения и /B .

Это позволяет получить высокое значение . В таком типе транзисторов возможно создание комплементарных пар.

 

4.6 Нанодиоды и нанотранзисторы с резонансным туннелированием [2]

Научные публикации о новом типе полупроводниковых приборов – туннельном диоде появились сорок лет назад. Главное отличие ВАХ этого диода от обычного полупроводникового диода состоит в наличии у туннельного диода участка с отрицательным сопротивлением (на этом участке с ростом напряжения умень-шается ток). Основные применения туннельных диодов: генераторы и электронные ключевые устройства.

В конце XX века по мере совершенствования технологий стало возможным создание наноэлектронного туннельного диода. Принцип действия и ВАХ такого нанодиода можно пояснить с помощью рисунка 4.11.

Нанодиод с резонанансным туннелированием содержит области эмиттера и коллектора, а также квантовую яму. Узкая квантовая яма (шириной 5-10 нм) образуется между двумя гетеропереходами, разделёнными областью . В такой квантовой яме может содержаться только один так называемый резонансный энергетический уровень.

Принцип действия диода основан на том, что электроны могут перемещаться от эмиттера к коллектору только после того, как их энергия повысится до резонансного уровня.

При малом напряжении, приложенном к диоду, рабочая точка находится в положении А, указанном на ВАХ в соответствии с рисунком 9.18, а. В этом случае диаграмма энергетических уровней имеет вид, представленный на рисунке 9.18, б. Очевидно, что энергия электронов ниже резонансного уровня, и ток через диод не протекает.

 

 

С ростом напряжения линия потенциальной энергии в области эмиттера поднимается, в области коллектора опускается. В результате этого энергетическая зона электронов в эмиттере выходит на резонансный уровень энергии и начинается свободное туннелирование (свободное перемещение электронов от эмиттера к коллектору).

С ростом напряжения, прикладываемого к диоду, энергия электронов становится ниже резонансной, туннелирование прекращается, и ток резко спадает. При дальнейшем росте напряжения всё больше электронов имеют энергию, достаточную для прохождения над барьером туннелирования и поэтому ток снова нарастает. Из рассмотрения ВАХ видно, что ВАХ резонансного туннельного диода имеет вид, очень похожий на ВАХ традиционного туннельного диода. Участок ВС соответствует участку с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Различие состоит в том, что резонансный нанодиод имеет значительно меньшую ёмкость, что обеспечивает лучшие частотные свойства и лучшие показатели быстродействия. Вид ВАХ можно изменять путём соответствующего подбора материалов, обеспечивающих потенциальные барьеры.

Когда электроны заключены в области пространства, по размерам сравнимого с длиной волны электрона и ограничены потенциальными барьерами, появляются два взаимосвязанные эффекта. Первый из них – размерное квантование. Второй эффект – резонанс, который наступает при определённых условиях размерного квантования. Электронные волны отражаются от стенок квантовой потенциальной ямы.

Если энергетические уровни электронов по обе стороны барьеров совпадают по энергии, то речь идёт о резонансе электронных волн. В этом случае наблюдается резкое возрастание туннельного тока.

Можно сказать, что размерное квантование и резонанс являются следствием явления интерференции волн, бегущих в прямом и обратном направлениях. В таких приборах в определённом интервале напряжений ток уменьшается с увеличением напряжения. Это объясняется тем, что при определённом напряжении, которое называется резонансным, средняя энергия электронов в материале n-типа смещается и совпадает с одним из квантовых уровней в потенциальной яме.

При изменении напряжения некоторые энергетические состояния, занятые электронами в легированном арсениде галлия, оказываются между квантовыми уровнями в яме. При резонансном напряжении электроны туннелируют по стрелкам через энергетический барьер в квантовую яму.

Туннелирование не происходит, если в потенциальной яме нет совпадающих по энергии уровней. N-образной ВАХ обладают и диодные -структуры с межзонным туннелированием носителей заряда.

На основе эффекта резонансного туннелирования созданы туннельно-резонансные структуры (ТРС), которые применяются в полупроводниковой электронике и оптоэлектронике.

Основными приборами на туннельно-резонансных структурах стали диоды и их различные комбинации. В туннельно-резонансной структуре можно создать одну или несколько квантовых ям. В таких структурах возможно обеспечение механизма резонансного переноса электронов в сильном электрическом поле.

Такой механизм переноса позволяет электронам набрать значительную энергию по отношению к дну зоны проводимости узкозонного материала, а также получить на выходе структуры моноэнергетический пучок «горячих» электронов.

 

4.7 Транзистор на квантовых точках [2]

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Люминесцентная (флюоресцентная) микроскопия
2. Темнопольная микроскопия (метод микроскопии в темном поле).