Наноразмерные гетероструктуры

Полупроводниковые гетероструктуры являются основой многочисленных исследований фундаментальных физических свойств, а также разнообразных приборных приложений [1,7,11].

Гетероструктура – полупроводниковая структура, образуемая в результате контакта двух полупроводников разных по химическому составу и физическим свойствам. Основной элемент гетероструктуры – гетеропереход, представляющий собой контакт двух химически различных материалов, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала. На гетеропереходе происходит скачкообразное изменение свойств материала: эффективной массы, ширины запрещенной зоны, положение краев валентной зоны и зоны проводимости, упругих и фононных характеристик и т.д. Практически с каждым из перечисленных свойств связаны конкретные приборные применения гетероструктур.

При переходе к наноразмерной шкале скачки зон на гетеропереходах можно использовать для ограничения движения носителей заряда и в этом случае определяющую роль будут играть размерные квантовые эффекты, т.е. будет иметь место размерное квантование. При уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба на гетеропереходах возникают композиции из объектов с квантовыми ямами, нитями (проволоками), точками. Квантовая яма – это объект, в котором движение носителей заряда ограничено в одном направлении и носители заряда являются двумерными. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный). Квантовая нить – объект, в котором движение носителей заряда ограничено уже в двух направлениях и носители заряда считаются одномерными. Основные физические явления в квантовых нитях: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Квантовая точка является квазинульмерной структурой, в которой движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях. Квантовая точка обладает полностью дискретным энергетическим спектром (рис. 28).

Рис. 28. Плотность состояний N(E) для носителей заряда как функция размерности полупроводника: (3D) трехмерный полупроводник, (2D) квантовая яма, (1D) квантовая проволока, (0D) квантовая точка.

Квантовую точку иногда называют «искусственным» атомом или «сверхатомом». Размеры квантовых точек имеют порядок нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Квантовые точки реализуют предельный случай размерного квантования в полупроводниках, когда модификация электронных свойств материалов наиболее выражена.

Одно из интересных свойств квантовых точек – то, что значение ширины их запрещенного энергетического слоя намного больше, чем то же в макроскопическом материале. Причем, чем меньше квантовая точка, тем больше ширина запрещенной зоны (E). Например, для массивного арсенида галлия E=1,52 eV, для квантовой точки из 933 молекул арсенида галлия E=2,8 эВ, а у такой же квантовой точки, состоящей из 465 молекул, E=3,2 eV [49,51]. Схематическая модель квантовой точки показана на рис. 29.

Рис. 29. Модель квантовой точки

Гетероструктуры, полученные чередованием слоев нанометровой толщины, можно рассматривать как новые, не существующие в природе полупроводники с необычными свойствами. Их фундаментальные физические свойства могут существенным образом отличаться от свойств трехмерных систем. Как уже указывалось, в двумерном электронном газе были открыты целочисленный и дробный эффекты Холла. В одномерных проводниках проводимость квантуется уже в отсутствие магнитного поля и без учета межэлектронных взаимодействий. Квантовые точки позволяют исследовать явления, протекающие в обычных системах на атомном уровне. Полностью дискретный энергетический спектр квантовых точек открывает возможность создания на их основе элементов квантовых компьютеров. Основными способами получения гетерофазных наноструктур являются молекулярно-лучевая эпитаксия, химическая сборка, МОС-гидридная технология.

Свойства и возможности применения наноструктур целесообразно рассмотреть вместе с условиями их самоорганизации, т.е. когда большое количество нанообъектов выстраивается в стабильные и упорядоченные структуры. Выделяют четыре основные группы упорядоченных наноструктур, представленных на рис. 30 [50]:

а) наноструктуры с периодической модуляцией твердых растворов полупроводников;

б) периодически фасетированные поверхности;

в) периодические структуры плоских поверхностных доменов;

г) упорядоченные структуры трехмерных островков на подложке.

Рис 30. Спонтанно упорядоченные наноструктуры с периодом D.

Процессы самоорганизации имеют различную физическую природу и обусловлены разными механизмами. Для первой группы спонтанное возникновение упорядоченных наноструктур связано с неустойчивостью однородного твердого раствора относительно спинодального распада, т.к. свободная энергия твердого раствора с неоднородным составом меньше свободной энергии однородного твердого раствора. Конечным состоянием распадающего твердого раствора является одномерная слоистая структура концентрационных упругих доменов (рис. 30, а), для второй группы наноструктур (рис. 30, б) причиной спонтанного фасетирования плоской поверхности кристалла является ориентационная зависимость поверхностной свободной энергии. Плоская поверхность имеет тенденцию самопроизвольно трансформироваться в систему впадин и гребней. Несмотря на увеличение поверхности, при определенном значении периода D достигается минимум поверхностной энергии. Периодически фасетированные поверхности позволяют получать упорядоченные массивы квантовых нитей.

Третья группа наноструктур (рис. 30, в) возникает, когда на поверхности могут сосуществовать различные фазы, островки монослойной высоты и т.д. В этом случае на границах доменов возникают силы, создающие поле упругих деформаций, и полная энергия плоских доменов всегда имеет минимум при некотором периоде D. Такой способ синтеза также приводит к созданию квантовых нитей.

Четвертую группу спонтанно упорядоченных наноструктур (рис. 30, г) представляют массивы трехмерных когерентно напряженных островков. Равновесное состояние в системе островков достигается благодаря обмену веществом между островками по поверхности. Анализ взаимодействия между островками показал, что если изменение поверхностной энергии при образовании одного острова отрицательно, то в системе отсутствует тенденция к коалесценции и в этом случае возможно существование равновесного массива островков с оптимальным периодом D, т.е. возникает композиция с квантовыми точками.

Применение квантовых точек как активной среды в различных электронных приборах обеспечивает лучшие свойства по сравнению с аналогичными приборами на квантовых ямах.

Кратко рассмотрим основные электронные приборы, работающие на квантово-механических принципах. При разработке подобных приборов используются такие квантовые явления, как резонансное туннелирование, интерференция электронных волн, квантование проводимости, спиновые явления и др. Одним из первых практических применений наноразмерных гетероструктур было создание лазерных устройств на квантовых ямах [51]. Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществом по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться минимального затухания волны в оптической линии связи. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную населенность. В результате стало возможным создание компактных полупроводниковых лазеров, работающих при комнатной температуре и очень малых токах инжекции. Перспективными являются лазеры с использованием вместо квантовых ям квантовых точек, плотность состояний в которых существенно выше, чем в квантовых ямах.

Квантово размерные структуры были использованы для создания резонансного туннельного диода [7, 51]. В нем используется квантовое явление – «туннельный эффект». Энергетическая схема прибора состоит из двух барьеров, разделенных областью с малой потенциальной энергией (рис. 31).

Рис. 31. Схема работы и вольт-амперная характеристика резонансного туннельного диода [ 51].

а- разность потенциалов равна нулю; б- на приборе резонансное напряжение; в- вольт-амперная характеристика. Зеленый цвет – энергетический уровень между барьерами; красный – уровни электронов в области контактов.

Область между барьерами – это потенциальная яма, в которой есть один или несколько энергетических уровней. Характерная ширина барьеров и расстояние между ними составляет несколько нанометров. «Туннельная прозрачность» барьеров имеет ярко выраженный резонансный характер. В том случае, когда энергия электронов, налетающих на барьеры, равна энергии дискретного уровня, тунельная прозрачность резко возрастает. Ток, протекающий через двойной барьер, зависит от величины приложенного напряжения и достигают максимального значения при напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня (рис.31, б) Резонансный диод может использоваться не только как выпрямитель, но и выполнять самые разнообразные функции. В частности, на его основе созданы основные элементы современной наноэлектроники – сверхбыстродействующие биполярные транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров.

Диоды и транзисторы, строительные блоки любой интегральной схемы, являются основой создания нового поколения суперкомпьютеров.

Разумеется, в одном пособии трудно подробно изложить все области применения наноразмерных гетероструктур. Кроме вышеупомянутых (резонансные туннельные диоды, транзисторы, лазеры) квантовые полупроводниковые гетероструктуры нашли применение для создания светодиодов, фотоприемников, однофотонных приемников и генераторов, устройств сверхплотной записи информации, наномеханики и др. [51-53].

В последнее время начались разработки нового класса наноструктур (нанооболочек, нанотрубок, наноколец и т.п.) из монокристаллических гетероструктур на основе полупроводников типа A³B⁵, Si/GeSi и др. [53,54]. В основе метода формирования нанообъектов лежит процесс изгиба и сворачивания освобожденных от связей с подложкой напряженных полупроводниковых наноразмерных гетеропленок, представляющих собой готовые элементы для создания приборов наноэлектроники, наномеханики.

По существу предложенная технология является молекулярной технологией, позволяющей манипулировать со слоями с минимальной толщиной в два монослоя. На рис. 32 демонстрируется схема формирования нанотрубок на примере гетеропленок Si/GeSi, GaAs/InAs с толщиной слоев в два монослоя. Для освобождения от связи с подложкой пленок Si/GeSi и GaAs/InAs используется селективное травление для удаления слоев Si и AlAs, дополнительно выращенных между пленками и подложкой (рис. 32 а).

Рис. 32 . Схематичная иллюстрация метода формирования нанотрубок.
а)изгиб пленок Si/GeSi и GaAs/InAs (каждый слой содержит два молекулярных монослоя) после селективного удаления слоев Si и AlAs;
b) самосворачивание пленки Si/GeSi в трубку-свиток

Предложенная технология дает принципиальную возможность получать самые разнообразные трехмерные нанооболочки и создавать на их основе сложные наноприборы различного функционального назначения.

Многообещающими являются наноструктуры, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. Это приводит к дальнейшей миниатюризации электронных устройств, повышению их быстродействия и информационной емкости. Вполне вероятно, что чипы интегральных схем по размерной шкале переместятся до отдельных молекул и на первое место через несколько лет выйдет молекулярная наноэлектроника.