Наноэлектроника. Физические основы. Методы формирования наноразмерных структур. Перенос носителей заряда презентация

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. Физические основы наноэлектроники
Раздел 2. Методы формирования наноразмерных
структур (нанотехнологии)
Раздел 3. Перенос носителей заряда в
низкоразмерных структурах и приборы
на их основе

Л И Т Е Р А Т У Р А
e-library в лаборатории 119-1
отв. Стемпицкий Виктор Романович
В. Е. Борисенко, А. И. Воробьева,
А.Л. Данилюк, Е. А. Уткина
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
(Бином, Москва, 2013)
V. E. Borisenko, S. Ossicini What is What in the Nanoworld (Wiley-VCH, Weinheim, 2012)

Наноэлектроника (nanoelectronics)
это область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты.
нанометровыми размерами элементов
квантовые эффекты

Типичные размеры различных объектов

Перспективные приборы для обработки информации*
*International Technology Roadmap for Semiconductors, 2009
edition. Emerging research devices.

1. Физические основы наноэлектроники
* темы для самостоятельного изучения

1.1.1. Квантовое ограничение (quantum confinement)
1.1. Фундаментальные явления в низкоразмерных структурах
E1
E2
E3
n=1
n=2
n=3
λn = 2a/n (n = 1, 2, ...)
kn = 2π/λn = nπ/a
free electrons:
confined electrons:
Ψ(x)

Элементарные низкоразмерные структуры
(elementary low-dimensional structures)

Люминесценция квантовых точек CdSe
(luminescence of quantum dots)

1.1.2. Баллистический транспорт носителей заряда (ballistic transport)
средняя длина свободного пробега
при упругом рассеянии
средняя длина свободного пробега
при неупругом рассеянии
длина фазовой когерентности
lϕ = (Dτϕ)1/2
lin = vFτϕ
le = vFτsc
τsc = Dd/vF2
EF → vF = (2EF/m*)1/2, kF = (2m*EF)1/2/ħ , λF = 2π/kF
кинетическое уравнение Больцмана

Параметры, характеризующие транспорт электронов
в Si и GaAs при низких температурах (~ 4 K)

Универсальная баллистическая проводимость
(universal ballistic conductance)
I = (μ1 – μ2)ev(dn/dμ)
dn/dμ = 1/πħv (для 2 спинов)
(μ1 – μ2) = e(V1 – V2)
G = I/(V1 – V2)
G = e2/πħ = 2e2/h
e2/h = 38,740 мкСм, h/e2 = 25,812807 кОм
μ1 > μ2

Квантовый точечный контакт
(quantum point contact)
G = N(2e2/h)

1.1.3. Туннелирование носителей заряда
(tunneling of charge carriers)*

Прозрачность туннельного барьера
Надбарьерное прохождение электронов
barrier for
classical
particles
symmetric
rectangular barrier
δ-function barrier
x1, x2 – turning points defined by U(x1) = U(x2) = E

1.1.4. Спиновые эффекты (spin effects)*
x
Спиновая поляризация электронов проводимости

Фундаментальные явления

1.2.1. Свободная поверхность и межфазные границы
(free surface and interfaces)
1.2. Элементы низкоразмерных структур
Реконструкция поверхности (surface reconstruction)
нереконструированная
поверхность
реконструированная
поверхность

Адсорбция/десорбция (adsorption/desorption)
molecular hydrogen on silicon

РОЛЬ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗРАБОТКАХ

1.2.2. Сверхрешетки (superlattices)
film material
substrate material
strained superlattice
substrate
substrate
relaxed superlattice

Конструирование сверхрешеток из полупроводников
правило Вегарда: a(x) = xa1 + (1 - x)a2

Псевдоморфные сверхрешетки
(pseudomorphic superlattices)

Напряженная сверхрешетка
(strained superlattice)

1.2.3. Моделирование атомных конфигураций
(simulation of atomic configurations)
rj
rji
ri
Молекулярная динамика (molecular dynamics)
Потенциалы межатомного парного взаимодействия
φji = Aexp(-arji) + Bexp(‑brji) - Morse potential
φji = ε[(r0/rji)12 – 2(r0/rji)6 ] - Lennard-Jones potential
φji = Aexp(-arji) - Born-Mayer potential
…

Молекулярная механика (molecular mechanics)

The water density exhibits layering for liquid water (red/orange).
Pores of radii smaller than 0.45 nm predominantly contain water vapour (dark blue) although they are still much wider than single water molecules.
Моделирование методом молекулярной динамики
заполнения водой пор гидрофобного материала

1.3.1. Квантовые колодцы (quantum wells)*
1.3. Структуры с квантовым ограничением внутренним электрическим полем
Правило Андерсона (Anderson rule)
ΔEc = EcB – EcA = χA – χB
ΔEv = EgB – EgA – ΔEc
R. L. Anderson, Germanium-gallium arsenide heterojunction, IBM J. Res. Dev. 4(3), 283-287 (1960).

Тип I
Тип IIА
Тип IIВ
пространственно прямозонный
пространственно непрямозонный
Периодические квантовые колодцы (multiquantum wells)

1.3.2. Модуляционно-легированные структуры
(modulation-doped structures)*
EF
EF
ΔEc
semiconductor A
semiconductor B
Ec
Ec
2DEG
T = 0 K
T > 0 K

1.3.3. Дельта-легированные структуры
(delta-doped structures)*

1.4.1. Структуры металл/диэлектрик/полупроводник (metal/insulator/semiconductor structures)*
1.4. Структуры с квантовым ограничением
внешним электрическим полем

1.4.2. Структуры с расщепленным затвором
(split-gate structures)*