Туннелирование носителей заряда через потенциальные барьеры . <...> Следует различать понятия «наноразмерные структуры» и «низкоразмерные структуры». <...> Развитию нанотехнологий во многом способствовало постоянное совершенствование традиционных методов изготовления полупроводниковых приборов, таких как химическое осаждение из газовой фазы, молекулярно-лучевая эпитаксия и электронно-лучевая литография. <...> Кроме того применение сканирующих атомарно острых зондов и саморегулирующихся процессов значительно расширило возможности создания твердотельных наноструктур. <...> На транспорт носителей заряда накладывает свой отпечаток и специфическая для низкоразмерных структур дискретность разрешенных энергетических состояний. <...> Надеемся, что приведенные в книге материалы позволят читателю овладеть физическими и технологическими основами наноэлектроники и использовать их для дальнейшего развития этого перспективного направления. <...> ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ Поведение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в низкоразмерных структурах определяют три группы фундаментальных явлений: квантовое ограничение, баллистический транспорт и квантовая интерференция, а также туннелирование (рис. <...> Квантовое ограничение возникает, когда свободное движение электронов в одном из направлений оказывается ограниченным потенциальными барьерами, образующими наноструктуру, в которой эти электроны находятся. <...> В случае движения носителей вдоль потенциальных барьеров доминирующими эффектами оказываются баллистический транспорт и квантовая интерференция. <...> Прохождение же носителей заряда через потенциальные барьеры происходит исключительно посредством их туннелирования, что и обеспечивает перенос носителей заряда из одной области наноэлектронного прибора в другую. <...> Физические основы наноэлектроники Бесконечно высокий потенциальный барьер делает невозможным нахождение электрона <...>
Наноэлектроника_теория_и_практика.pdf
УЧЕБНИК ДЛЯ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ТЕОРИЯ
И ПРАКТИКА
УЧЕБНИК
5-е издание, электронное
Утверждено
Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений
по специальностям
«Квантовые информационные системы»,
«Микро и наноэлектронные технологии и системы»,
«Нанотехнологии и наноматериалы
в электронике»
Лаборатория знаний
2020
Москва
Стр.2
УДК 621.382(075.8)
ББК 32.844.1
Б82
С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Борисенко В. Е.
Б82 Наноэлектроника: теория и практика : учебник
/ В. Е. Борисенко, А. И. Воробьева, А. Л. Данилюк,
Е. А. Уткина. — 5-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020.—369 с. —(Учебник
для высшей школы). — Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-732-5
Подробно рассмотрены фундаментальные физические эффекты
и электронные процессы, характерные для наноразмерных
структур. Описаны принципы функционирования и
типы наноэлектронных приборов для обработки информации.
Приведены нанотехнологические подходы, позволяющие
формировать приборные структуры наноэлектроники
и спинтроники. Наряду с обновленным и расширенным
теоретическим материалом предыдущего издания в данное
издание включены практические задачи и контрольные
вопросы для самопроверки, призванные закрепить изучаемый
теоретический материал.
Для студентов, магистрантов и аспирантов, профессионально
ориентированных на карьеру в области современной
электроники и нанотехнологий.
УДК 621.382(075.8)
ББК 32.844.1
Деривативное издание на основе печатного аналога: Наноэлектроника:
теория и практика : учебник / В. Е. Борисенко,
А. И. Воробьева, А. Л. Данилюк, Е. А. Уткина.—2-е изд., перераб.
и доп.—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.—
366 с. : ил.—(Учебник для высшей школы).—ISBN 978-59963-1015-9.
В
соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации
ISBN 978-5-00101-732-5
○c Лаборатория знаний, 2015
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБ АВТОРАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1. Фундаментальные явления
в низкоразмерных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1. Квантовое ограничение . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.2. Баллистический транспорт носителей заряда . . . 21
1.1.3. Туннелирование носителей заряда . . . . . . . . . 27
1.1.4. Спиновые эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2. Элементы низкоразмерных структур . . . . . . . . . . . . 38
1.2.1. Свободная поверхность и межфазные границы . . 38
1.2.2. Сверхрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.3. Моделирование атомных конфигураций . . . . . . 45
1.3. Структуры с квантовым ограничением, создаваемым
внутренним электрическим полем . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.1. Квантовые колодцы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.2. Модуляционнолегированные структуры . . . . . 55
1.3.3. Дельталегированные структуры . . . . . . . . . . . 57
1.4. Структуры с квантовым ограничением, создаваемым
внешним электрическим полем . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.1. Структуры металл/диэлектрик/полупроводник . 60
1.4.2. Структуры с расщепленным затвором . . . . . . . 61
ГЛАВА 2. МЕТОДЫФОРМИРОВАНИЯ
НАНОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1. Традиционные методыформирования пленок . . . . . . 67
2.1.1. Химическое осаждение из газовой фазы . . . . . . 67
2.1.2. Молекулярнолучевая эпитаксия . . . . . . . . . . 81
Стр.4
4
Оглавление
2.1.3. Электрохимическое осаждение металлов
и полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.1.4. Электрохимическое оксидирование металлов
и полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.2. Методы, основанные на использовании
сканирующих зондов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.2.1. Физические основы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.2.2. Атомная инженерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.2.3. Зондовые методы формирования наноструктур . 112
2.3. Нанолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.3.1. Электроннолучевая литография . . . . . . . . . . 115
2.3.2. Зондовая нанолитография . . . . . . . . . . . . . . 120
2.3.3. Нанопечать . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.3.4. Сравнение нанолитографических методов . . . . 128
2.4. Саморегулирующиеся процессы . . . . . . . . . . . . . . 132
2.4.1. Самосборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.4.2. Самоорганизация в объемных материалах . . . . 136
2.4.3. Самоорганизация при эпитаксии. . . . . . . . . . 141
2.4.4. Формирование пленок Ленгмюра–Блоджетт . . 151
2.5. Формирование и свойства
наноструктурированных материалов . . . . . . . . . . . 159
2.5.1. Пористый кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.5.2. Пористый оксид алюминия . . . . . . . . . . . . . 164
2.5.3. Пористые оксиды тугоплавких металлов . . . . . 171
2.5.4. Углеродные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . 179
ГЛАВА 3. ПЕРЕНОС НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.1. Транспорт носителей заряда вдоль
потенциальных барьеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.1.1. Интерференция электронных волн . . . . . . . . 199
3.1.2. Вольтамперные характеристики
низкоразмерных структур . . . . . . . . . . . . . . 203
3.1.3. Квантовый эффект Холла . . . . . . . . . . . . . . 210
3.1.4. Электронные приборы на основе
интерференционных эффектов и баллистического
транспорта носителей заряда . . . . . . . . . . . . 216
3.2. Туннелирование носителей заряда
через потенциальные барьеры . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.2.1. Одноэлектронное туннелирование. . . . . . . . . 226
Стр.5
Оглавление
5
3.2.2. Приборы на основе одноэлектронного
туннелирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
3.2.3. Резонансное туннелирование . . . . . . . . . . . . 255
3.2.4. Приборы на основе резонансного
туннелирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
3.3. Спинзависимый транспорт носителей заряда . . . . . . 267
3.3.1. Гигантское магнитосопротивление . . . . . . . . 269
3.3.2. Спинконтролируемое туннелирование . . . . . 278
3.3.3. Управление спинами носителей заряда
в полупроводниках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
3.3.4. Эффект Кондо . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
3.3.5. Спинтронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . 301
ПРAКТИКУМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
1. Низкоразмерные структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
2. Квантовые колодцы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
3. Самоорганизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
4. Проводимость низкоразмерных структур . . . . . . . . . 323
5. Одноэлектронное туннелирование . . . . . . . . . . . . . 324
6. Резонансное туннелирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
7. Гигантское магнитосопротивление . . . . . . . . . . . . . 325
8. Спинконтролируемое туннелирование . . . . . . . . . . 326
ПРИЛОЖЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Нобелевские лауреаты:
краткая история познания наномира . . . . . . . . . . . . . 328
Словарь терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . 359
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Стр.6