Бесконтактный режим. В этом режиме используются межатомные силы притяжения (область 2 на рис. 2,б), расстояние от острия до поверхности ~ 5–10 нм. В области расстояний, соответствующих бесконтактному режиму, наклон кривой меньше, чем в области сил отталкивания, и в этом режиме при изменении расстояния между острием и образцом кантилевер отклоняется значительно меньше, чем в контактном режиме. Это снижает чувствительность метода. Поэтому применяется другой, более чувствительный способ детектирования изменения расстояния, на котором зонд находится от поверхности. Используется дополнительный пьезоэлемент, который вызывает колебания кантилевера на частоте (обычно 0,2–0,3 МГц), близкой к собственной (резонансной), с амплитудой в несколько нанометров. Величина резонансной частоты зависит от наличия внешней силы, поэтому при сканировании происходит изменение резонансной частоты из–за изменения расстояния Z. Система обратной связи поддерживает резонансную частоту постоянной, опуская или поднимая кантилевер, когда зонд находится над впадиной или выступом соответственно, сохраняя таким образом среднее расстояние между острием и поверхностью. Данные о вертикальных перемещениях сканирующего устройства используются для формирования изображения.
Преимущества бесконтактного режима – возможность работы с мягкими и эластичными материалами (например, биологическими) и с материалами, свойства которых могут меняться при касании зонда (например, полупроводниковыми кристаллами и структурами). Следует отметить, что если на поверхности имеется несколько монослоев воды, то в контактном режиме АСМ даст изображение поверхности, а в бесконтактном – изображение слоя воды, так что изображения в двух режимах могут различаться.
Полуконтактный режим (режим «обстукивания»). На практике чаще используется этот режим, он аналогичен бесконтактному. Кантилевер колеблется на резонансной частоте с большой амплитудой (от нескольких десятков до 100 нм) и в амплитуде касается поверхности (обстукивает ее). При сближении зонда и образца происходит изменение резонансной частоты колебаний и увеличивается их демпфирование за счет ударов о поверхность. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Система обратной связи поддерживает амплитуду колебаний постоянной, поднимая (или опуская) кантилевер. Данные о вертикальных перемещениях кантилевера использу-
ются для формирования изображения. В режиме «обстукивания» достигается атомное разрешение. Вероятность повреждения образца меньше, чем в контактном режиме, так как давление зонда на несколько порядков слабее и зонд не цепляется за неровности поверхности. Чтобы зонд мог проходить через слой воды до поверхности и подниматься обратно, вертикальная сила должна быть больше капиллярной.
Разрешающая способность АСМ. Поскольку силы взаимодействия атомов острия и поверхности очень быстро уменьшаются с расстоянием, вертикальное разрешение ограничено собственными шумами системы детектирования и тепловыми флуктуациями кантилевера. Вертикальное разрешение может быть не хуже 0,1 нм. В горизонтальной плоскости разрешение зависит от радиуса острия зонда, расстояния между зондом и
поверхностью, сил взаимодействия, упругости образца и других факторов. В настоящее время с помощью АСМ получены изображения кристаллических поверхностей с реальным атомным разрешением.
Зондовые датчики АСМ. Зондовый датчик АСМ – это кантилевер с зондом на конце. Такие датчики промышленно изготовляются методами микролитографии из материалов, широко используемых в полупроводниковой технологии (кремний, нитрид кремния).
Основные параметры, определяющие свойства датчиков, – это радиус кривизны острия зонда, коэффициент жесткости и частота собственных колебаний кантилевера. Радиус кривизны острия R может иметь значение от 1 до 50 нм (обычно R ~ 10 нм). Длина острия лежит в диапазоне 3–15 мкм. Наиболее распространенные формы кантилеверов – прямоугольная (I–образная) и треугольная (V–образная). В последнем случае зонд крепится в вершине кантилевера, а два конца кантилевера укреплены на основании датчика.
Коэффициент упругости (жесткость) k и собственная (резонансная) частота изгибных колебаний определяются свойствами материала и размерами кантилевера. Коэффициент k определяет чувствительность кантилевера, т. е. соотношение между силой, действующей на зонд, и отклонением кантилевера ΔZ имеет вид: |F| = k ΔZ. Чтобы быть вибростойким, кантилевер должен иметь высокую собственную частоту ω. Значение ω важно знать при использовании колебательных режимов работы АСМ.
Модифицированные зонды. Возможности АСМ как инструмента исследований и нанотехнологии во многом определяются его датчиком – зондом. Для специальных исследовательских и технологических задач разработаны модифицированные кантилеверы и зонды.
1. Ультратонкие кантилеверы, способные детектировать силы ~ 10–18 Н. Размеры кантилевера: l = 220 мкм, h = 6 мкм, d = 60 нм. Такие кантилеверы можно использовать для регистрации отдельного спина электрона.
2. Пирамидальные острия с радиусом 10 нм, которые получаются микролитографией алмазной пленки, выращенной на оксидированной поверхности кремния. Высокая механическая твердость и электропроводность позволяют использовать подобные зонды в различных методах нанолитографии.
3. Кремниевый кантилевер с диодом Шоттки на острие. Реагирует на изменение температуры, интенсивности светового излучения, напряжения вдоль поверхности.
4. Зонд с одноэлектронным транзистором, сформированным на острие. Предназначен для измерения потенциального рельефа поверхности.
5. Вольфрамовый зонд с выращенным на конце с помощью специальной методики дополнительным, более тонким (5–20нм), карбоновым зондом; такой зонд часто называют сверхострым алмазоподобным зондом.
6. Зонд для АСМ с углеродной нанотрубкой с закрытыми концами. Углеродные нанотрубки прочнее стали, могут иметь диаметр около 0,5 нм при длине до нескольких десятков мкм. Нанотрубки можно прикреплять к кремниевым зондам по специальным технологиям. При использовании зонда с нанотрубкой достигается более высокое разрешение. Результаты применения нанотрубок показали улучшение изображений.
Сенсоры различного назначения. Кантилевер может изгибаться не только под действием механической силы, но и при других воздействиях, например, при нагревании или химических реакциях на его поверхности. Это дает возможность использовать специальным образом сконструированные кантилеверы в качестве сенсоров.
Чтобы сделать кантилевер термически чувствительным, его покрывают пленкой из материала с большим, чем у тела кантилевера, коэффициентом теплового расширения. Такой кантилевер изгибается при изменениях температуры на величину ~ 10–5 К.
Имеются кантилеверы с прикрепленной химическим способом биомолекулой на кончике острия зонда. Такой сенсор позволяет обнаруживать отдельные молекулы в растворе (захват молекулы из раствора и связывание ее с молекулой на зонде приводит к изменению резонансной частоты кантилевера).
Основу химических сенсоров составляют кантилеверы, покрытые с одной стороны материалом, вступающим в специфические химические реакции или сорбционные процессы с окружающим газом или жидкостью. Химические процессы приводят к изменению поверхностного механического напряжения и соответственно к изгибу кантилевера.
Применение СТМ и АСМ в нанотехнологиях. В настоящее время АСМ широко используется как многофункциональный аналитический инструмент для исследования структуры поверхностей, распределения приповерхностных силовых и температурных полей, распределений величин-характеристик физических свойств с нанометровым или даже с атомным разрешением. Кроме исследовательских и диагностических целей, АСМ применяется в качестве инструмента для локальных модификаций поверхностей и для нанолитографии.
Для исследования и диагностики полупроводниковых материалов и структур используют как СТМ, так и АСМ, но каждый прибор имеет свои преимущества. СТМ, как правило, дает несколько лучшее разрешение, чем АСМ, хотя атомное разрешение достигается и с помощью АСМ. Атомно–силовой микроскоп дает изображение реальной поверхности, сканирующий
туннельный микроскоп – плотности электронных состояний. С помощью АСМ нельзя получить информацию об электронных свойствах, что имело бы большую ценность в привязке к топологии поверхности. Для СТМ необходимы хорошо проводящие подложки; при исследовании высокоомных и полуизолирующих полупроводников могут возникнуть трудности – система обратной связи будет двигать зонд до касания поверхности (чтобы обеспечить необходимую для работы микроскопа величину туннельного тока). Структуру непроводящих поверхностей можно исследовать только с помощью АСМ.
ЛЕКЦИЯ 2
Классификация наноструктур и сущность нанотехнологий
Под наноструктурами (НС) следует понимать такие структуры и формы материалов, элементы которых имеют субмикронный наноразмер, по крайней мере, в одном направлении, в результате чего у них появляются размерные эффекты. В окружающем мире всегда в изобилии существовали наночастицы (окрашенные стекла, элементы клеток организмов).
Первое научно обоснованное указание на важность исследований и разработок в области нанообъектов было дано американским физиком, нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. Поэтому Фейнмана называют «отцом нанотехнологии».
В 1959 г. в лекции «Внизу полным–полно места: приглашение войти в новый мир физики», прочитанной в Калифорнийском технологическом институте, Фейнман обратил внимание на то, что законы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами, укладывая их поштучно в нужном порядке, создавая вещественные структуры с заданными свойствами. Однако уровень развития науки и техники 1950–х гг. не позволял реализовать такие технологии. Нанотехнологии стали входить в электронику и другие области техники лишь в конце 80–х гг. прошлого столетия.
В соответствии с принятой классификацией наноструктурных материалов (НсМ) их делят на полимерные и неполимерные. В основу классификации положена форма кристаллитов и их химический состав, причем межкристаллитные границы считаются строительными блоками НсМ наравне с кристаллитами. В классификацию включены только трехмерные (3D) наноструктуры НС. Такая классификация (Гляйтера) оказалась неполной: не учтены нульмерные (0D), одномерные (ID) и двумерные (2D) структуры, например нанотрубки, волокна, пены.
Следует отличать НС и НсМ. Наноструктуры – это теоретические построения, которые имеют только форму без учета состава.
Наноструктурные материалы – это составы, обладающие формой НС, которые приобретут конечную форму после их переработки в наноизделия или наноприборы. Таким образом, в основу классификации НсМ должны быть положены и структура, и состав. Наноструктурой формально считается
такой объект, у которого хотя бы один из размеров d меньше d* = 100–500 нм. Параметр d* не имеет строгого значения, так как определяется физическими изменениями свойств и характеристик материалов при достижении одного из его размеров d = d*. Внутренние размерные эффекты (теплофизические свойства, например, изменение температуры плавления и
др.), как правило, начинают проявляться при d* ~ 10–100 нм. Однако внешние эффекты могут наблюдаться и при больших размерах, например, при взаимодействии частиц материала со светом (d* = λ = 500 нм).
Классификации НС, в основе которой лежит размерность, предусматривает четыре типа: 0D, 1D, 2D, 3D. Все НС возможно построить из элементарных строительных элементов (блоков), которые разделены на 3 класса: 0D, 1D, 2D. Элементарные единицы 3D не являются НС, так как из них в общем нельзя построить структуры меньшей размерности.
Обозначение наноструктуры представляют следующей записью: kDlmn..., где k – размерность наноструктуры; l, т, п – размерности строительных единиц, причем количество чисел равно количеству элементарных единиц. Из определения наноструктур k > l, т, п, причем k, l, т, п = 0, 1, 2, 3 соответственно.
Из этих условий вытекает, что существуют всего 3 элементарных класса НС (0D, 1D, 2D), 9 одинарных классов типа kDl построенных из строительных единиц одного типа, 19 бинарных классов типа kDlт, построенных из строительных единиц двух типов, а также множество тройных, четверных классов и т. д. Сложных НС из последних классов создано еще очень мало, поэтому, если ограничиться только основными классами тройных структур, то получится всего 36 классов НС.
В приведенную классификацию укладываются все синтезированные и еще не синтезированные НС.
Сущность нанотехнологий состоит в их способности работать на атомном, молекулярном и надмолекулярном уровнях в интервале размеров от 1 до 50 нм. Цель таких технологий – создавать, обрабатывать и использовать материалы, устройства и системы, обладающие новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малому размеру элементов и их структуры.
С физической точки зрения переход к наносостоянию связан с появлением размерных квантовых эффектов. Для таких состояний принципиальным является тот факт, что состояние системы достаточно адекватно может быть описано только на основании законов квантовой физики. Другими словами, составляющие системы, например электроны – носители заряда, ведут себя как квантовые объекты. Обычно принято выделять три основных типа таких микроструктур или микрообъектов: квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки. Названные структуры, а также переходные состояния между ними принято называть гетеросистемами пониженной размерности или низкоразмерными структурами. Как уже отмечалось, низкоразмерным, в отличие от объемного (3D), называется такое состояние, при котором движение носителей заряда ограничено в одном, двух или трех измерениях. Поэтому принято говорить
о двумерных (2D), одномерных (1D) и нульмерных (0D) объектах. Квантовое ограничение реализуется в тех случаях, когда характерная квантовая длина носителя заряда, определяемая длиной волны де Бройля, становится равной или меньше соответствующего физического размера объекта.
В технологическом смысле появление размерных эффектов можно понимать как комплекс явлений, обусловливаемых изменением свойств вещества вследствие совпадения размера микроструктуры и некоторой критической длины, характеризующей данное явление. Это может быть длина свободного пробега электронов, толщина стенки доменов, критический радиус дислокационной петли и т. д. Размерные эффекты проявляются, когда средний размер кристаллических зерен составляет менее 50 нм, и наиболее отчетливо наблюдается при размере зерен около 10 нм. В этой связи наноматериалы предложено классифицировать по геометрической форме и размеру структурных элементов, из которых они состоят.
Основными типами наноматериалов по размеру зерен являются кластерные материалы, волоконные материалы, пленки и покрытия, многослойные или многокомпонентные структуры, а также объемные нанокристаллические материалы, зерна которых имеют нанометровые размеры во всех трех направлениях.
Необходимо отметить, что к наноматериалам не следует относить традиционные дисперсно–упрочненные сплавы, в структуре которых имеются мелкие частицы нанометровых размеров. Объемная доля таких частиц обычно составляет 5–20 %. В этом случае логично говорить о модификации традиционных материалов путем введения в их состав определенного количества частиц нанометрового размера.
Границы зерен влияют в основном на внутренние классические (1С) размерные эффекты. А поверхность раздела фазы определяет форму, размерность и тип НС. Резкая поверхность раздела в отличие от размытых границ зерен имеет свойство не только пропускать, но и зеркально отражать электромагнитные, акустические и де–бройлевские волны. Коэффициенты
отражения, поглощения и пропускания границ и поверхностей становятся важнейшими характеристиками наноструктур.
Ограничение размера НС приводит к размерному квантованию (confinement) и вызывает внутренние квантовые (IQ) эффекты, которые проявляются в оптических спектрах. Они обусловлены отражением электронных волн от стенок НС и интерференцией их внутри НС, когда длина волны де Бройля соизмерима с размером НС (λе ≈ d).Отражение электронов от стенок НС, когда длина их пробега le превышает размер НС, le = d, приводит к образованию куперовских пар. Отражение фононов от стенок НС, когда длина их пробега превышает размер НС, приводит к обрезанию длинноволновой части фононного спектра и, как следствие, к падению теплопроводности, теплоемкости, температуры Дебая, возможности генерации акустических колебаний гиперзвукового диапазона и к другим квантовым внутренним (IQ) эффектам.
Множество внешних размерных эффектов, как классических (ЕС), так и квантовых (EQ), возникает при взаимодействии наноструктур с внешним электромагнитным полем, когда длина волны соизмерима с размером НС, λет = d, и удовлетворяет условию полного внутреннего отражения, или брэгговской дифракции. Например, при соблюдении условия dsinθ = пλет / 2
НС класса 2D11 фотонные кристаллы могут действовать не только как дифракционные решетки или резонаторы, но и как световолноводы. На их основе возможны «левые вещества» с отрицательным показателем преломления, проявлением инверсных эффектов Допплера и Черенкова.
Кроме размерных эффектов в НС возможен ряд резонансных явлений, в частности магнитоакустический, фотогальванический и другие эффекты, в которых НС может выступать в качестве резонатора акустических, электронных и электромагнитных волн, как в лазерах. Для некоторых специальных нанотрубчатых кристаллов на определенной характерной суперчастоте возможен уникальный фотоакустоэлектронный суперрезонанс между микроволнами, гиперзвуком и волнами де Бройля. Фактически – это новое нанотрубчатое состояние вещества, в котором возможна перекачка без потерь электронной, акустической и микроволновой энергии друг в друга.
О наноприборах и наноизделиях
Актуальной задачей наноматериаловедения становится разработка новых наноархитектур, микроэлектромеханических систем, наноприборов и наноизделий. Это логическое следствие тенденции к миниатюризации – размер наноприборов уменьшается и становится соизмеримым с размером 0D–порошков и частиц, 1D–волокон и нитей, 2D–слоев и пластин, поэтому грань между наноматериалами и наноприборами стирается.
Наноприборы – комплексные конструкции из наноматериалов, имеющие функциональное назначение. Например, полупроводниковый лазерный диод на двойном гетеропереходе Ме /Al0,3GaO0,7As(n) /GaAs(n)/ GaAs(p)/Al0,3GaO0,7As(p)/Me представляет собой НС 3D2222. Наноматериаловедение превращается в наноприборостроение, и наоборот.
С учетом данной концепции геометрическая форма поверхности НС выступает как основной фактор, формирующий и обусловливающий свойства НсМ. Геометрия всегда играла и играет важную роль в физике. Например, на основе общей теории относительности Эйнштейна можно сформулировать следующее: физика – это геометрия плюс физические законы.
Как следует из предложенной классификации, данный принцип действует и в нанокосмосе, наномире: геометрические формы поверхности и размер НС плюс критические характеристики физических явлений – это физические размерные эффекты в материалах, т. е. физика НС, нанофизика. Геометрические формы можно конструировать теоретически, строя наноархитектуры, и формировать экспериментально, управляя технологическими параметрами.
Внутренние размерные эффекты можно теоретически предвидеть, предсказать, зная: 1) размер и геометрическую форму НС; 2) критические длины физических явлений (длины свободных пробегов, акустических и электронных волн, волн плазменных, фононных, оптических колебаний), диффузионные длины, длины корреляции; 3) скорости электронов, фононов, других квазичастиц и т. п.
Внешние размерные эффекты можно предсказать, зная, кроме вышеупомянутого о внутренних, параметры внешних воздействий (длину электромагнитных и акустических волн, параметры электрических и магнитных полей, глубину проникновения внешнего поля и др.).
В сочетании формы НС и характеристик материала открывается возможность конструировать размерные эффекты, а значит, теоретически конструировать новые физические свойства НС. Фактически это значит, что создание материалов с заранее заданными свойствами может найти практическую реализацию.
Тем не менее, число классов геометрических форм и число критических характеристик материалов ограничено. Предположим, что число первых, согласно предложенной классификации, равно примерно 36, и число критических характеристик – 10, тогда получим 360 основных классов размерных эффектов. Наномир можно представить как «многоквартирный (360) дом размерных эффектов».
Таким образом, принципиально новым результатом предложенной классификации является следующее: зная класс наноструктуры, тип материала и размерные эффекты, можно априори предсказать свойства наноструктурного материала.
В 1962 г. Л. В. Келдыш показал возможность создания в кристалле особой периодической структуры, которая называется сверхрешеткой.
Сверхрешетка – это кристаллическая структура, обладающая помимо периодического потенциала, свойственного кристаллической решетке, дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут создаваться в проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах. Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. В этом случае сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные системы потенциальных ям, разделенных сравнительно узкими потенциальными барьерами с заметной туннельной прозрачностью. Примером могут служить слоистые неоднородные наноструктуры – сверхрешётки, в которых чередуются твёрдые сверхтонкие слои (толщиной от нескольких до ста нанометров) кристаллической решётки двух различных веществ – например, оксидов. Такая структура представляет собою кристалл, в котором наряду с обычной решёткой из периодически расположенных атомов существует сверхрешётка из повторяющихся слоев разного состава. Благодаря тому, что толщина нанослоя сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, в сверхрешётках реализуется квантовый размерный эффект. Использование эффекта размерного квантования в многослойных наноструктурах позволяет создавать электронные устройства с повышенными быстродействием и информационной ёмкостью.
Простейшим электронным устройством такого типа является, например, двухбарьерный диод AlAs/GaAs/AlAs, состоящий из слоя арсенида галлия толщиной 4–6 нм, расположенного между двумя слоями арсенида алюминия толщиной 1,5–2,5 нм.
На основе сверхрешеток созданы приборы с отрицательной (N–образной) вольт–амперной характеристикой, способные усиливать и генерировать электромагнитные колебания, а также эффективные светоизлучающие приборы и приборы другого назначения.
В сверхрешетках может проявляться так называемый резонансный туннельный эффект. Этот эффект состоит в резком увеличении вероятности прохождения микрочастиц, например электронов, сквозь двух– или многобарьерную структуру, когда исходная энергия частицы совпадает с энергетическим уровнем в смежной потенциальной яме (резонансный уровень).
Этот эффект широко используется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродействующих приборов. Идея использования резонансного туннелирования для создания быстродействующих приборов, предложенная еще в 60–е гг. прошлого столетия, была реализована лишь в 1970г. (Л. Есаки) благодаря появлению метода молекулярно–лучевой эпитаксии. В настоящее время молекулярная эпитаксия – самый эффективный метод наращивания на плоскую подложку слоев иного состава наноразмерной толщины. Такие слои являются квантовыми ямами для электронов.
В 1986г. К. К. Лихаревым были теоретически предсказаны кулоновская блокада туннелирования и одноэлектронное туннелирование, т.е. прохождение электронов через туннельный барьер по одному. Эти эффекты подтвердились экспериментально. На их основе созданы одноэлектронные транзисторы и элементы памяти.
Вслед за сверхрешетками были теоретически описаны и получены на практике одномерные (малые в двух измерениях) и нульмерные (малые в трех измерениях) наноструктуры, называемые квантовыми проволоками (нитями) и квантовыми точками соответственно. В каждом слое сверхрешетки (двухмерная потенциальная яма) движение электронов ограничено лишь в одном измерении и реализуется в этом измерении за счет туннельного эффекта. В квантовой нити движение электронов ограничено в двух измерениях (нить наноразмерной толщины). В квантовых точках движение электронов ограничено в трех измерениях (наноразмерный кристаллик). В последнем случае реализуется предельный вариант размерного квантования, когда модификация электронных свойств наиболее выражена. Энергетический спектр электрона, принадлежащего квантовой точке, дискретен, подобно энергетическому спектру электрона в изолированном атоме. Однако реальная квантовая точка может содержать многие тысячи атомов. Например, квантовая точка в арсениде галлия размером в 14 нм содержит более 105 атомов.
Квантовые ямы, квантовые нити и точки открывают широкие возможности для создания различных наноэлектронных приборов.
Резонансный туннельный эффект
В гетеропереходах и квантовых ямах отклик электронов на приложенное электрическое поле, направленное параллельно поверхности раздела, соответствует очень высокой подвижности. Рассмотрим отклик электронов на электрические поля, направленные перпендикулярно потенциальным барьерам на поверхностях раздела. В этом случае электроны могут, при соблюдении определенных условий, просто туннелировать через потенциальные барьеры, осуществляя так называемый перпендикулярный транспорт. Туннельные токи через гетеропереходы могут приводить к формированию областей с отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) на вольт–амперной характеристике, для которых величина протекающего тока уменьшается с ростом прикладываемого напряжения. Этот эффект впервые был обнаружен Лео Эсаки еще в 1957 г. при изучении туннельных диодов с р–n переходами. В 1970 г. он (вместе с Тцу) предположил, что такой же эффект может наблюдаться в токах, протекающих через квантовые ямы, однако лишь к середине 1980–х г. развитие методов осаждения позволило вырастить структуры с гетеропереходами и квантовыми ямами, на основе которых удалось создать реальные устройства, в которых используется обсуждаемый эффект.
Действие электронных устройств на основе эффекта отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) квантовых ям связано с так называемым эффектом резонансного туннелирования (RTE), наблюдаемым при прохождении электрического тока через структуру из двух тонких барьеров, между которыми располагается квантовая яма. Вольт–амперная характеристика (зависимость I–U) этих устройств похожа на характеристики туннельных диодов Эсаки. На рис.1,а схематически представлена зона проводимости для двойного гетероперехода с квантовой ямой между переходами. Предполагается, что ширина квантовой ямы настолько мала (5—10 нм), что яма может содержать лишь один электронный уровень с энергией Et (резонансный уровень). Область ямы состоит из слаболегированного GaAs, окруженного слоями AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны. Внешние слои состоят из сильнолегированного GaAs n–типа (n+ GaAs), который обеспечивает электрические контакты. Уровень Ферми для п+ GaAs располагается в зоне проводимости, поскольку этот материал может рассматриваться как вырожденный полупроводник
Рис.1. Схематическое представление зоны проводимости резонансного туннельного диода: а– в отсутствие внешнего напряжения;б–г – при повышении приложенного напряжения; д – вольт–амперная характеристика системы
Рассмотрим поведение описываемой системы при повышении приложенного электрического напряжения V, начиная с напряжения 0В. Можно ожидать, что при небольшом приложенном напряжении электроны будут туннелировать из зоны проводимости п+ GaAs через потенциальный барьер, в результате чего увеличение напряжения должно приводить к возрастанию тока, что и демонстрирует участок 1–2 в области малых напряжений на вольт–амперной характеристике (рис.1,д). При дальнейшем росте напряжения до значения 2E1/е энергия электронов в п+ GaAs в окрестности уровня Ферми совпадает с резонансным уровнем E1 электронов внутри квантовой ямы, как показано на рис.1, б).
Такое совпадение соответствует резонансу, при котором коэффициент квантовой проницаемости барьера резко возрастает. Резонанс объясняется тем, что при этих условиях волновая функция электрона в яме когерентно отражается между двумя барьерами (этот эффект аналогичен оптическому отражению в резонаторах Фабри – Перо). При этом электронная волна, попадающая в структуру слева возбуждает резонансный уровень электронов в яме, повышая тем самым коэффициент прохождения электронов (а, следовательно, и величину тока) через потенциальный барьер, что соответствует области точки 2 на вольтамперной характеристике рис. 1,д. Возникающую при этом ситуацию можно сравнить с впрыскиванием электронов слева в квантовую яму и их дальнейшим освобождением через второй барьер.
При дальнейшем повышении напряжения (рис. 1,в) резонансный уровень энергии в яме расположен ниже уровня Ферми в катоде, и ток начинает уменьшается (область 3, рис.1,д ), в результате чего и возникает эффект отрицательного дифференциального сопротивления (NDR), соответствующий участку на вольт–амперной характеристики рис.1,д в промежутке между точками 2 и 3. Затем, при дальнейшем повышении напряжения, ток через структуру начинает возрастать благодаря термоионной эмиссии через барьер (область 4 на рис.1,г и промежуток между точками 3 и 4 на характеристике).
Именно на этом эффекте основано действие многих промышленно выпускаемых диодов с резонансным туннелированием (RTD), широко применяемых в микроволной технике. Основной характеристикой, используемой для оценки рабочих параметров, выступает отношение токов пикового тока к минимальному току (PVCR) на вольт–амперной характеристике, т. е. отношение максимального тока (точка 2) к минимальному току на впадине (точка 3). Для обычных структур AlGaAs–GaAs при комнатных температурах это отношение составляет около 5, однако в структурах из напряженных слоев InAs, окруженных барьерами из материала AlAs, работающих при температуре жидкого азота, это отношение может быть доведено до 10.
Диод с резонансным туннелированием (RTD) можно представить в виде отрицательного сопротивления, соединенного с параллельной емкостью диода С и последовательным сопротивлением Rs (так же, как и в случае обычных диодов). Эта схема позволяет довольно легко продемонстрировать, что максимум рабочей частоты повышается при уменьшении С. Диод с резонансным туннелированием обычно изготовляется из низколегированных полупроводников, в результате чего возникает достаточно широкая область пространственного заряда между барьерами и областью коллектора, которой соответствует малая эквивалентная емкость. Вследствие этого рабочие частоты RTD и могут достигать нескольких терагерц (ТГц), что значительно выше рабочих частот туннельных диодов Эсаки (порядка 100 ГГц, с временем отклика до 10-13 с). Низкие значения отрицательного дифференциального сопротивления, т. е. очень резкий спад после максимума на вольт-амперной характеристике, позволяет обеспечивать высокую частоту работы устройства, вследствие чего RTD являются единственными электронными приборами, способными функционировать на частотах порядка 1 ТГц, т. е. являются приборами с минимальным временем пролета электронов.
Вообще говоря, передаваемая от транзисторов RTD на внешнюю нагрузку мощность, достаточно мала, и их выходной импеданс также достаточно мал, вследствие чего такие транзисторы очень трудно согласовать в схемах с волноводами или антеннами. Выходной сигнал таких транзисторов обычно составляет лишь несколько милливатт, поскольку их выходное напряжение обычно меньше 0,3 В, что обусловлено значениями высоты барьеров и энергетических уровней в квантовых ямах. В настоящее время диоды с резонансным туннелированием очень часто используются для демонстрации различных возможностей их применения в разнообразных устройствах, включая статические запоминающие устройства с произвольным доступом (статические ОЗУ), генераторы импульсов, многозначные запоминающие устройства, многозначные и переключающиеся логические устройства, аналогово–цифровые преобразователи, осцилляторы, сдвиговые регистры, усилители с низким уровнем шумов, логические схемы типа MOBILE или нечеткой логики, умножители частоты, нейронные сети и т. п. В частности, особый интерес создателей различных логических схем привлекают устройства со значениями коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в долине) порядка 3 или выше, особенно в сочетании с высокими значениями плотности пикового тока Jp.
Структуры со значениями PVCR порядка 3 и величиной Jp около нескольких А/м-2 представляются почти идеальными для создания многих типов запоминающих устройств, а высокие значения Jp и коэффициенты PVCR ~ 2 очень удобны для создания новых типов высокочастотных осцилляторов. В табл. 1 приводятся характерные значения параметров устройств такого вида, создаваемых на основе существующих полупроводниковых систем.
Таблица 1.
Материал
|
InGaAs
|
InAs
|
Si/SiGe
|
GaAs
|
Si (диод Эсаки)
|
J, кА/см-2
|
460
|
370
|
282
|
250
|
151
|
PVCR
|
4
|
3,2
|
2,4
|
1,8
|
2,0
|
ΔIΔV
|
5,4
|
9,4
|
43,0
|
4,0
|
1,1
|
Rd (Ω)
|
1,5
|
14,0
|
12,5
|
31,8
|
79,5
|
Площадь, мкм2
|
16
|
1
|
25
|
5
|
2,2
|
В таблице приведены значения плотности пикового тока Jp, коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в долине); предельная мощность устройства, т, е. максимум произведения ΔIΔV в области отрицательного дифференциального сопротивления NRD (в предположении 100%-й эффективности) и значение отрицательного сопротивления диода RD в области NRD.
ЛЕКЦИЯ 3
1. Одноэлектронные устройства
|