Глава 25. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Наноэлектроника является новой областью науки и техники,

формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. Ее содержание определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур (структур с размером от единиц до десятков нанометров, 1 нм = 10–9 м), их электронные и оптические свойства.

Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации.

Формально в сферу наноэлектроники попадают объекты с размерами, измеряемыми нанометрами. В этом плане современная микроэлектроника по сути является наноэлектроникой, ибо характерный размер серийно производимых микросхем составляет уже 65 нм, разработаны технологии микросхем с размерами элементов 45 и 32 нм, решаются вопросы дальнейшего их уменьшения. Но при этом физические принципы работы микроэлектронных устройств сохраняются.

По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц.

Если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей. Например, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов, вдоль этого направления начинается размерное квантование.

С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Последние и

являются основным объектом исследований и разработок новой области наноэлектроники. Прежде чем перейти к современным достижениям наноэлектроники, кратко рассмотрим квантовые эффекты, лежащие в основе информационного функционирования наноразмерных элементов.

25.1.Квантовые основы наноэлектроники

Спозиций квантовой механики электрон может быть представлен

461

Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением,

интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

25.1.1. Квантовое ограничение

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной волны электрона. На рис. 25.1 такая ситуация проиллюстрирована на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры сечения a и b. В этих направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры.

Разрешенные значения волнового вектора для одного направления задаются соотношением k=2π/ λn=nπ/L (n = 1, 2, 3,...), где L в соответствии с рис. 17.1 может принимать значения, равные a или b. Для соответствующих им электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же шнура могут двигаться электроны с любой энергией.

Рис. 25.1. Возможности для движения электронов в квантово-ограниченной

наноразмерной структуре

Квантовое ограничение сопровождается как увеличением минимальной энергии запертого электрона, так и дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны.

Структурой, в которой возможно квантовое ограничение, является квантовая яма, сформированная в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, заключенном между двумя полупроводниками, обладающими более

462

широкой запрещенной зоной (рис. 25.2). Электрон с энергией меньшей

энергии дна зоны проводимости в широкозонном полупроводнике не может покинуть зону проводимости и обладает только одной степенью свободы в своем движении.

Рис. 25.2. Энергетическая структура гетероперехода и квантовая яма,

сформированная в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной

Примером структур, в которых электрон в своем движении обладает одной степенью свободы, являются также гетероструктуры с квантовыми нитями, полученные с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из самой структуры (25.3, а) или щели в затворе Шотки (25.3, б).

а) б)

Рис. 25.3. Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми нитями: 1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (AlGaAs); 2 – полупроводник с узкой запрещенной зоной (GaAs); 3 – металлический затвор

Рис. 25.4. Квантовые точки

463

Предельным случаем таких структур является ситуация, когда движение электрона ограничено в трех направлениях. В квантовой точке (рис. 25.4) энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т.д.

25.1.2. Интерференционные эффекты

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что

благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

25.1.3. Туннелирование

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать сквозь потенциальный барьер, даже если энергия электронов недостаточна для его преодоления. Этот эффект, названный туннельным, наблюдается в случае, когда ширина потенциального барьера соизмерима с длиной волны Де Бройля для электрона. Схематически эффект туннелирования иллюстрируется рис. 25.5.

Рис. 25.5. Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный

барьер высотой U, U > E

464

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть

туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Другим специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады. Кулоновская блокада – это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Рис. 25.6. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады

465

Чтобы объяснить этот термин, рассмотрим иллюстрируемый рис. 25.6 пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл. В качестве наглядной иллюстрации параллельно проводится аналогия с каплей, отрывающейся от края трубки.

Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Процесс

накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле. Если такой конденсатор заряжен одним электроном, то при больших размерах энергия, накопленная в нем, мала по сравнению с энергией теплового движения, и электрон легко отрывается от кластера, участвуя в проводимости среды.

Уменьшение конденсатора до нанометровых размеров позволяет добиться надежной связи электрона с проводником.

Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока величина накопленного

заряда не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако следует подчеркнуть, что ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются.

25.2. Одноэлектроника (одноэлектронные транзисторы)

Уменьшая линейные размеры электронных приборов, естественно задаться вопросом: возможна ли обработка информации на основе управления отдельным электроном, атомом или фотоном? Физики давно

научились регистрировать отдельные частицы и манипулировать ими в вакууме. Однако твердотельная одноэлектроника (single electronics) – дело новое. В твердом теле электрон может легко потеряться, прилипнуть к какому-нибудь дефекту или рекомбинировать. Кроме того, сигналы, создаваемые одиночными электронами, чрезвычайно малы. Особые неприятности доставляют тепловые колебания атомных частиц. Преодолеть экспериментальные трудности физикам удалось лишь к началу 90-х годов. В результате были созданы так называемые одноэлектронные транзисторы. В основе их работы лежат разные механизмы, в том числе и интерференционные.

466

В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 года. Однако всестороннее теоретическое

обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х годов.

Транзисторы на резонансном туннелировании представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и

соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом (рис. 25.7). Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 1012 Гц, что в 100–1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на

таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем.

Рис. 25.7. Схема работы и вольт-амперная характеристика резонансного прибора: а – напряжение равно 0; б – подано резонансное напряжение; в –

напряжение больше резонансного

Рис. 25.8. Транзистор с эффектом резонансного туннелирования и его вольт-амперная характеристика

467

В 1986 году советскими учеными 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 (рис. 25.8), 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 емкостью 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 американских, японских и европейских электронных фирм.

Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 году Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме. Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют

траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 1011–1012 Гц.

Устройство одноэлектронного транзистора на основе явления кулоновской блокады показано на рис. 25.9, а. Прибор состоит из электродов Э1, Э2 и малого металлического островка (кластера К) с кулоновской блокадой, регулируемой за счет введения дополнительного электрода Э3.

а) б)

Рис. 25.9. Устройство (а) и схема работы (б) одноэлектронного

транзистора

468

Кластер и электроды разделены диэлектрической средой Д. В закрытом состоянии потенциальный барьер U(x) между кластером и электродами Э1 и Э2 препятствует протеканию тока (рис. 25.9, б). Уменьшение потенциальных барьеров с помощью поля, создаваемого управляющим электродом, приводит к появлению проводимости.

Для получения одноэлектронного режима транзистор с литографическими размерами 20–30 нм необходимо охлаждать до температуры жидкого гелия (4,2 К). Однако если мы хотим работать при комнатной температуре, следует уменьшать размер кластера до 1–2 нм. Современной оптической литографии эта область практически недоступна.

Для получения столь малых рабочих элементов может быть использована молекулярно-кластерная технология. Схема одноэлектронного транзистора с молекулярным кластером карборана (металлоорганическое вещество c труднопроизносимой химической формулой 1,7-(CH3)2-1,2- C2B10H9Tl(OCOCF3)2 показана на рис. 25.10.

Рис. 25.10. Схема одноэлектронного транзистора с молекулярным

кластером карборана

Здесь электрод Э1 – это игла СТМ, который в данной схеме используется также для поиска и точного попадания на карборановый кластер К. Графитовая подложка Э2, кластер К и электрод Э1 образуют квантовую систему с двумя туннельными переходами по схеме рис. 25.9, б. Управляющий электрод Э3 изготовлен из золота. Диэлектрик Д – окись алюминия Al2O3. Технологический процесс сборки транзистора осуществлялся с помощью мономолекулярных слоев Ленгмюр- Блоджетовских (ЛБ) пленок стеариновой кислоты, несущих в себе карборановые кластеры размером 1–2 нм. Путем испарения раствора, содержащего кластеры и стеариновую кислоту, создавались пленки ЛБ со средним расстоянием между кластерами порядка 20 нм. Это дает плотность упаковки, равную 2500 рабочим элементам на квадрате со стороной 1 мкм! Замечательно, что цикл подобных работ выполнен российскими исследователями в рамках программ и при поддержке (финансировании) отечественных фондов. Что касается квантовых транзисторов большого размера, работающих при температуре жидкого гелия, то их фотографии можно найти на сайте Sandia National Labs (www.sandia.gov/media/quantran).

469