Элементы и устройства наноэлектроники: Учебное пособие

Description

В пособии рассмотрены теоретические основы и физические принципы работы элементов и устройств наноэлектроники. Описано современное состояние и перспективы развития технологий наноэлектроники. Основное внимание уделено проблемам практической реализации достижений современной науки в конкретных элементах и устройствах наноэлектроники. Пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений обучающихся по Укрупненной группе специальностей и направлений 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», специализирующихся в области наноэлектроники, и может быть полезным специалистам промышленных предприятий и научных организаций. Министерство образования и науки Российской Федерации Ульяновск 2016 ББК 32.85. я73 ББК 32.85 я73 2.1.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия 38 2.1.3. Эпитаксия из жидкой фазы 41 3.4. Гетероструктуры 70 6.6. Устройства магнитонаноэлектроники 128 Контрольные вопросы 130 РАЗДЕЛ 2. ТЕХНОЛОГИИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Эпитаксию из газовой фазы или газофазную эпитаксию (ГФЭ) рассмотрим на примере выращивания эпитаксиальных слоев кремния [10]. Внутри реактора из кварцевого стекла (рис. 2.1) размещен подложкодержатель, который служит для закрепления подложек и их нагр... 2.1.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия Метод МЛЭ состоит в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретую монокристаллическую подложку – диск монокристаллического полупроводника диаметром 40, 60 или 102 мм. МЛЭ проводится в вакууме и представляет собой взаимодействие нескольки... 1. Высокотемпературный отжиг при температуре 1000‒1250 ºС длительностью до 10 минут. При этом за счет испарения или диффузии внутрь подложки удаляется естественный окисел и адсорбированные примеси. 2. Очистка поверхности пучком низкоэнергетичных ионов инертного газа. Этот способ дает лучшие результаты. Для устранения радиационных дефектов проводится кратковременный отжиг при температуре 800‒900 ºС. 1. После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, H, B) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления и чаще используют Sb, Ga ил... 2. Ионной имплантацией слаботочными (1 мкА) ионными пучками с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под поверхность растущего слоя, где она встраивается в кристаллическую решетку, и использовать ... 2.1.3. Эпитаксия из жидкой фазы РАЗДЕЛ Графен (англ. graphene) – слой атомов углерода, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку [26, 27]. Графен является двумерным кристаллом. Его можно представить как одну плоскость графита. Кристаллическая стр... Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. Графен обладает большой механической жесткостью (~1 ТПа) и уникальной теплопроводностью (~5×103 Вт м−1 К−1), в несколько раз превышающей теплопроводность алмаза. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным мат... Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов материала. Поскольку из графена можно собрать трехмерный кристалл графита, то графен является базой для построения теории этого кристалла. Графен впервые был получен то... Основной способ получения графена состоит в механическом отщеплении слоев графита. Этот способ позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Другой способ, основанный на термическом разложении подложки карбида кре... Следует упомянуть еще два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост при высоком давлении и температуре. Только последний метод можно использовать для получения пленок большой площади. Если кристалл пиролитического графит... , (3.1) где знак «+» соответствует электронам, а «‒» ‒ дыркам. Из (3.1) следует, что вблизи точек соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости ( точки K и K' зоны Бриллюэна на рис. 3.4) закон дисперсии для электронов в графене будет линейным: где vF ‒ скорость Ферми (экспериментальное значение vF =106 м/... Линейный закон дисперсии приводит к линейной зависимости плотности состояний от энергии, в отличие от обычных двумерных систем с параболическим законом дисперсии, где плотность состояний не зависит от энергии. Плотность состояний в графене задается стандартным способом , (3.2) где gs и gv ‒ спиновое и долинное вырождение соответственно, а выражение под интегралом и есть искомая плотность состояний (на единицу площади): , а модуль энергии используется, чтобы описать электроны и дырки одной формулой. Отсюда видно, что при ну... Концентрация электронов задается интегралом по энергии , (3.3) где EF – уровень Ферми. Если температура мала по сравнению с уровнем Ферми, то можно ограничиться случаем вырожденного электронного газа . (3.4) Благодаря линейному закону дисперсии эффективная масса электронов и дырок в графене равна нулю. Но в магнитном поле возникает циклотронная масса, связанная с движением электрона по замкнутым орбитам. Идеальную двумерную пленку в свободном состоянии нельзя получить из-за ее термодинамической нестабильности. Но если в пленке есть дефекты, то такая «неидеальная» пленка может существовать без контакта с подложкой. Подвешенный графен можно рассматриват... В результате линейного закона дисперсии и двуменогой структуре в графене наблюдаются уникальные квантовые эффекты. В графене наблюдается необычный квантовый эффект Холла (КЭХ), состоящий в том, что из-за нулевой эффективной массы электронов и дырок плато на зависимости недиагональной компоненты тензора проводимости соответствует полуцелым значениям кванта проводи... Еще одним специфическим совойством графена является наличие хиральности. Для частиц в графене существует сохраняющаяся величина, называемая хиральностью ‒ проекция спина (псевдоспина) на направление движения: для электронов хиральность положительна, а... 3.3. Фуллерены и углеродные нанотрубки 3.4. Гетероструктуры РАЗДЕЛ Кулоновская блокада – блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включенную между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным ... Понять это явление можно следующим образом. Пусть с помощью дополнительного электрода потенциал точки установлен величиной V и на точке находятся N дополнительных электронов. Пусть C емкость точки. Тогда, чтобы посадить на точку дополнительный электро... , (5.4) где δε – дополнительная энергия, обусловленная разностью уровня Ферми электронов на точке и в контактах. При определенном подборе напряжения на затворе и относительных положений уровней Ферми контактов и точки, δε = 0, и потенциальный барьер для перехода электрона из контакта в точку исчезает. Это и наблюдается как пик в проводимости точки. Из-за коне... РАЗДЕЛ 6. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА Благодаря своим уникальным свойствам графен (см. п. 3.2) широко используется в различных устройствах наноэлектроники. В ряде работ [71, 73] графен предложено использовать в качестве чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических... 6.6. Устройства магнитонаноэлектроники БИБЛ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 14. McCord, M. A. SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication / M. A. McCord, M. J. Rooks. ‒ 2000. 30. Елецкий, А. В. Углеродные нанотрубки / А. В. Елецкий // Успехи физических наук. ‒ 1997. ‒ № 9. ‒ С. 954‒987. 31. Чернозатонский, Л. А. Углеродные нанотрубки: от фундамен-тальных исследований к нанотехнологиям // Исследование углерода успехи и проблемы / Л. А. Чернозатонский, П. Б. Сорокин ; под ред. Ю. Н. Бубнова. ‒ М. : Наука, 2007. – С. 154–174. 66. Окотруб, А. В. Трубки – нано, конденсаторы – супер! / А. В. Окторуб, П. С. Галкин // Наука из первых рук. ‒ 2009. ‒ №2. 67. Сычев, В. В. Нанотехнологии для энергосбережения: прогноз наиболее значимых областей исследования / В. В. Сычев // Российский химический журнал. – 2008. – № 6. – С. 118‒128. 75. Магноника – новое направление спинтроники и спин-волновой электроники / С. А. Никитов [и др.] // Успехи физических наук. ‒ 2015. ‒ №10. – С.1099‒1128.