Электронные и оптоэлектронные устройства наноэлектроники

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

Кафедра «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» (РТ)

 

Реферат

по дисциплине «Физические основы микро и нано электроники»

 

на тему «Электронные и оптоэлектронные устройства наноэлектроники»

 

Выполнил: Инкин Р.В.

Ин ЭТМ

Курс 2

Специальность ИКТСзс 2

Шифр 131366

Проверил: Ушаков Н.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов – 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ

3 ФОТОПРИЕМНИК НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ

4 ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 РАБОТА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С N-КАНАЛОМ

5 ОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНЗИСТОР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

 

Введение

Прогресс в развитии наноэлектроники обусловлен развитием техники осаждения очень тонких пленок, образующих гетероструктуры, и новых технологий, таких, как молекулярно- пучковая эпитаксия (МПЭ) и газофазная эпитаксия на основе металлоорганических соединений (МОС ГФЭ). Метод МПЭ позволяет получать сверхтонкие пленки одноэлементных полупроводников и соединений, и послойно выращивать пленки и сверхрешетки, а также легировать их атомами заданного типа. При создании приборных структур учитываются технологические пределы, которые определяются тепловыделением работающего электронного прибора, которое не может быть сведено к нулю, поскольку тепловой баланс системы ограничивается соответствующими коэффициентами теплопроводности используемых материалов и числом молекулярных слоев и фактором разброса параметров в производственном процессе.

Наноэлектроника развивается также на основе молекулярной электроники, на основе использования различных состояний или конфигураций молекул. При этом изменение состояний может быть быстрым и не требовать значительных расходов энергии, а также стимулироваться внешними сигналами, регистрироваться зондами и т.п. Преимуществом молекул выступает присущая им способность к самоорганизации в трехмерные супрамолекулярные структуры, развитие сканирующей атомно-силовой микроскопии позволяет манипулировать отдельными молекулами. Одной из основных проблем молекулярной электроники является задача обеспечения интерфейса или создания коммуникационных связей “вычислительных молекул” с внешним миром, т.е. с гораздо более крупными системами.

 

 

 

1 Тенденции развития оптоэлектроники

В небольших по размеру твердых телах и структурах (размеры которых сопоставимы с характеристическими для данного материала длинами, например, с длиной волны де Бройля, длиной когерентности, длиной локализации и т.д.) начинают проявляться новые физические свойства, обусловленные квантовыми эффектами. К таким эффектам можно отнести квантовые осцилляции проводимости, квантовый эффект Холла, резонансное туннелирование, одноэлектронный перенос и другие явления, которые могут проявляться и использоваться в специально создаваемых объемных наносистемах. Явления в твердотельных квантовых структурах имеют также и практическое значение, поскольку на их основе создаются новые поколения микроэлектронных и оптоэлектронных приборов.

Эволюция микроэлектронных приборов определяется требованиями к постоянному росту объема памяти интегральных схем и скорости передачи информации, к повышению

эффективности оптической связи и др. Этим требованиям удовлетворяют электронные приборы с повышенным быстродействием и уменьшенными размерами, как в случае

кремниевых интегральных схем, в частности, динамических ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).

Некоторые задачи современной электроники требуют больших вычислительных мощностей, поэтому исследователи занимаются поиском новых приборов и материалов. Предлагается использовать спинтронику, в которой для записи информации используется ориентация спина электрона. Электрон-спиновые транзисторы представляют собой трехслойную структуру, в которой слой полупроводника заключен между двумя слоями ферромагнетика. Электроны, магнитное состояние которых определяется эмиттером, поступают в коллектор через базу только в том случае, если их спины параллельны направлению намагниченности коллектора. Такие разработки проводят параллельно с работами в магнетоэлектронике для создания магнитных оперативных запоминающих устройств, основанных на эффекте гигантского магнетосопротивления и на магнитных туннельных переходах.

Развиваются полупроводниковые лазеры на квантовых ямах с очень низким значением порогового тока, а также фотодетекторы, которые постепенно заменяют обычные, особенно в оптической связи на больших расстояниях.

Гетеропереходы, представляющие собой поверхности раздела между двумя полупроводниками с различными запрещенными зонами, являются чрезвычайно важными и разнообразными блоками электронных приборов.

Сверхрешетки находят множество применений в инфракрасной оптике благодаря малой ширине энергетических зон и щелей, а также квазипрямым оптическим переходам. Под влиянием только электрического поля в наноструктурах могут наблюдаться неожиданные и интересные явления, связанные с переносом.

Основные механизмы рассеяния электронов при продольном переносе в полупроводниковых наноструктурах связаны как и в объемных образцах, с фононами и атомами примесей (заряженными или нейтральными). Кроме того, возникают и дополнительные механизмы, специфические именно для наноструктур.

Развитие методов выращивания квантовых точек приобрело в последнее время особое значение, поскольку выяснилось, что именно технология изготовления определяет важнейшие характеристики квантовых точек, таких, как их структура, форма и распределение по размерам, стехиометрия, структура границ и поверхностей раздела.

Снижение характерных размеров приборов в нанометровом диапазоне приводит к заметному уменьшению числа электронов, соответствующих прохождению электрического сигнала через прибор. Эта тенденция неизбежно подводит к созданию так называемых одноэлектронных транзисторов. Характеристики одноэлектронных транзисторов определяются эффектом кулоновской блокады, проявляющимся в нульразмерных полупроводниковых структурах, типа квантовых точек. Электронный ток через квантовую точку в одноэлектронном транзисторе, соединенном с выводами посредством туннельных переходов, позволяет контролировать поток электронов “поштучно” подачей сигнала на электрод, который в данном случае ведет себя подобно вентилю (затвору) транзистора.

Биполярные транзисторы на гетеропереходах позволяют создать транзисторы с высокой степенью легирования базы, малым сопротивлением базы и малым временем пролета электронов через базовую область. Кроме того, можно уменьшать степень легирования базы, вследствие чего должна уменьшаться паразитная емкость, связанная с переходом эмиттер – база. Одновременное уменьшение сопротивления базы и емкости перехода эмиттер – база позволяет улучшить рабочие характеристики приборов на основе гетеропереходов.

Другой важной особенностью гетеропереходов является возможность создания на их основе биполярных транзисторов с базой переменного состава, в которых ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается от эмиттера к коллектору. В такой системе создается внутренне электрическое поле, позволяющее ускорять электроны при прохождении базовой области и тем самым дополнительно повышать быстродействие транзисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Полупроводниковые лазеры на квантовых ямах

Лазер на квантовых точках - полупроводниковый лазер, который использует в качестве активной лазерной среды квантовые точки в их излучающей области. Из-за жёстких ограничений на передвижение носителей заряда в квантовых точках, они имеют электронную структуру, похожую на атомы. Лазеры, изготовленные на активных средах, обладают характеристиками, похожими на характеристики газовых лазеров, и в них удаётся избежать некоторых негативных аспектов устройств, которые имеются у тради-ционных полупроводниковых лазеров с активной средой на основе объёмных структур или на квантовых ямах. Наблюдается улучшение характеристик по полосе частот, порогу генерации, относительной интенсивности шума, увеличению ширины спектральной линии и нечувственности к колебаниям температуры. Активную область квантовой точки можно также рассчитать для работы на различных длинах волн, изменяя размер и состав точки. Появилась возможность производить лазеры на квантовых точках для работы на таких длинах волн, на которых ранее сделать это не представлялось возможным с использова- нием прежних технологий полупроводниковых лазеров. Устройства с активными средами на основе квантовых точек находят коммерческое применение в медицине (лазерные скальпели, оптическая когерентная томография), технологии (проекционные устройст- ва, лазерные телевизоры), спектроскопии и телекоммуникации. Лазер на квантовых точ- ках на 10 Гбит/с, нечувствительный к колебаниям температуры, разработан с примене- нием этой технологии для работы в оптических линиях связи и оптических сетях. Лазер обеспечивает высокую скорость работы на длине волны 1,3 мкм в температурном диапазоне от 20 °C до +70 °C. Он работает в оптических системах передачи данных, оптических локальных сетях и городских вычислительных сетях. По сравнению с характеристиками предыдущих обычных лазеров на квантовых ямах новые лазеры на квантовых точках имеют значительно более высокую температурную стабильность.

 

3 Фотоприемник на квантовых  ямах

Процессы оптической ионизации квантовых ям могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника (потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетеро-структуры. По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы. Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей выступает характерное время захвата в квантовую яму τq. По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом на рекомбинационные центры, τq обладает двумя важными отличиями. Во-первых, τq значительно меньше времени захвата на центры. Причина в том, что акт захвата связан с необходимостью передачи решетке от носителя большой энергии, равной энергии связи центра или же величине ΔE при захвате в квантовую яму. Наиболее эффективный механизм передачи энергии - это испускание оптических фотонов с энергией hω0/2π. Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает с hω0/2π, и потому такой процесс невозможен. Электрон должен отдавать энергию в ходе значительно более медленного каскадного процесса испускания многих акустических фононов. В случае квантовой ямы наличие непре-рывного спектра движения в плоскости ямы существенно меняет ситуацию. Становится возможным переход на связанное состояние в яме при испускании оптического фонона с одновременной передачей оставшейся избыточной энергии в движение в плоскости ямы (Рис. 1.). Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то из Рис. 1. видно, что испускаемый фонон должен иметь достаточно большой импульс: q = [2m (ΔE - E1 - hω0/2π)]1/2  в плоскости квантовой ямы. Значительно большая величина взаимодействия электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость τq по сравнению со временем захвата из центра. Во-вторых, τq немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции 71 электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой ψ£. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции в непосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала. Собственно, τq будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т. е. τq падает. Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту погло-щения α, времени жизни в делокализованном состоянии τq и эффективной подвижности в нем μэф, которая должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Первый и третий факторы максимальны для резонансных квантовых ям, а τq, напротив, минимально для них. Однако совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.

Рис. 1. Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму

с испусканием оптического фонона.

Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувстви-тельным структурам на основе твердых растворов CdHgTe — важнейшему типу прием-ников для данного спектрального диапазона. Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур. Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельст-во связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоио-низации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

Рис. 2. Способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами: а — через скошенный торец подложки, б — с помощью дифракционной решетки; 1 — подложка, 2 — фоточувствительная структура с квантовыми ямами, 3 —дифракционная решетка.

В связи с тем, что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет тре-буемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может направляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки (Рис. 2 a). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверх-ность структуры (Рис. 2. б). Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs-AlxGa1-xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.