Квантовые наноструктуры: ямы, нити, точки

Общие сведения

Конструктивно, как правило, наноэлектронный элемент состоит из набора потенциальных ям и потенциальных барьеров, которые в свою очередь формируются на основе структурированных компонентов — квантовых ям, квантовых проволок и квантовых точек. Основные геометрические конфигурации и некоторые размерные свойства таких наноструктур были рассмотрены в подразделе 6.1, а технологические принципы их изготовления — в подразделе 6.2.

Энергетический спектр наноэлементов определяется эффектом размерного квантования. Поэтому конструирование наноэлемента заключается в получении квантовой структуры с заранее определенным энергетическим спектром. При этом добавление только одного электрона может существенным образом изменить энергетическую диаграмму и квантовое состояние структуры.

В отличие от элементов микроэлектроники, в которой функционирующий логический элемент представляет собой совокупность однофункциональных структурных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.д.), в наноэлектронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности, т.е. способны выполнять сложные динамические функции.

Квантовые ямы

Квантовыми ямами называют наноструктуры, в которых имеется размерное квантование движения носителей зарядов в одном направлении.

Как уже отмечалось, наиболее очевидная и простейшая квантовая структура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении, - это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb (антимонид индия) впервые наблюдались эффекты размерного квантования.

Другим конструктивным примером использования квантовой ямы, в соответствии с рисунком 6.11, служат кремниевый МОПТ с инверсным каналом, которые широко использовались в электронике задолго до открытия квантовых размерных эффектов.

Инверсный слой представляет собой потенциальную яму для двумерных электронов, где одной «стенкой» (барьером) служит граница с диэлектриком, а второй барьер образован за счет изгиба зон МДП-структуры при напряжении на затворе U_З. Изменением напряжения U_З в такой потенциальной яме можно изменять концентрацию электронов в инверсном слое n_S и расстояния между уровнями квантования. В кремниевых структурах величина n_S имеет порядок 10¹³ см^-3.

Этим МДП-структура отличается от тонкой пленки, в которой концентрация и энергия уровней определяются соответственно уровнем легирования и толщиной пленки. Последние два параметра изменяются независимо друг от друга. Кроме того, тонкие пленки обеспечивают потенциальную яму для основных и неосновных носителей, в то время как потенциальная яма на МДП-структуре работает только на одном типе носителей.

Рисунок 6.11 – Квантовая яма на МДП-структуре

В настоящее время квантовые ямы изготавливают иначе. Для этого используются гетеропереходы, которые получаются при контакте двух полупроводников с различными ширинами запрещенных зон (узкозонного и широкозонного). В такой структуре в области контакта края энергетических зон испытывают скачки, ограничивающие движение носителей и играющие роль “стенок” потенциальной ямы в соответствии с рисунок 6.12. Для электронов, движущихся в узкозонном полупроводнике и имеющих энергию меньше E_F, граница будет играть роль потенциального барьера.

Таким образом в рассматриваемом гетеропереходе роль левой (вертикальной) «стенки» играет разрыв зон проводимости на границе контакта полупроводников, а правой (наклонной) «стенки», как и в МДП-структуре, электрическое поле, связанное с контактной разностью потенциалов. В такой яме образуются уровни размерного квантования E_n. При правильном выборе полупроводниковых материалов и соответствующих концентраций легирующих примесей энергия уровня квантования E₁ должна лежать ниже края зоны проводимости в широкозонном полупроводнике n-типа, что приводит к переходу части электронов из этого полупроводника на этот уровень и образованию двумерного электронного газа.

Рисунок 6.12 – Зонная диаграмма гетероперехода

Гетероструктура — это многослойная система, образованная из нескольких полупроводниковых слоев с различной шириной запрещенной зоны. В гетероструктуре, состоящей из двух гетеропереходов, движение электрона ограничивается с двух сторон, в результате чего образуются потенциальная яма в соответствии с рисунком 6.13.

Рисунок 6.13 – Квантовая яма, образованная структурой с двумя гетеропереходами

Собственно потенциальная яма образовывается в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, а два гетероперехода образуют два потенциальных барьера большой ширины. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, что и приводит к квантованию энергии поперечного движения. В то же время в двух других направлениях движение электронов будет свободным, поэтому электронный газ в квантовой яме становится из трехмерного двумерным.

Гетерогенные квантовые ямы можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой для этого являются полупроводник арсенид галлия (GaAs) и твердый раствор Al_xGa_1-xAs, в котором часть атомов галлия замещена атомами алюминия. Величина x – это доля атомов галлия, замещенных атомами алюминия, обычно она изменяется в пределах от 0,15 до 0,35. Ширина запрещенной зоны в арсениде галлия составляет 1,5 эВ, а в твердом растворе Al_xGa_1-xAs она растет с ростом x. Tак, при x = 1, то есть в соединении AlAs, ширина запрещенной зоны равна 2,2 эВ. Чтобы вырастить квантовую яму, необходимо во время роста менять химический состав атомов, летящих на растущий слой. Сначала нужно вырастить слой полупроводника с широкой запрещенной зоной, то есть Al_xGa_1-xAs, затем слой узкозонного материала GaAs и, наконец, снова слой Al_xGa_1-xAs.

В отличие от ямы показанной в соответствии с рисунок 6.12, эта яма имеет конечную глубину (несколько десятых долей электрон-вольта). В ней находятся только два дискретных уровня, а волновые функции на границе ямы не обращаются в нуль. Значит, электрон можно обнаружить и за пределами ямы, в области, где полная энергия меньше потенциальной. Конечно, такого не может быть в классической физике, а в квантовой физике это возможно. Причем, поскольку ширина потенциальной ямы принята очень узкой, то изгибы зон в ней спрямляются и поэтому потенциальная яма имеет практически прямоугольный вид в соответствие с рисунком 6.13.