Наноэлектроника

Введение .................................................................................................... 6

1 История наноэлектроники и нанотехнологий .......................................... 9

1.1 Bell Telephone Company: от изобретения телефона до изобретения транзистора ....... 9

1.2 Гордон Мур: от компании Шокли до компании Intel, закон Мура ............................... 14

1.3 Наноразмерные объекты в традиционной полупроводниковой электронике............. 19

1.4 Внедрение в микроэлектронику новых эпитаксиальных и ионно-лучевых (плазменных) технологий ....22

1.5 Технологические проблемы на пути перехода от микро- к наноэлектронике ........................................ 30

1.6 Физические проблемы и новые подходы к созданию электроники наноразмерных элементов и наноструктур ..........35

2 Необходимые сведения из квантовой физики ......................................... 40

2.1 Переход от классической физики к квантовой ...................................... 40

2.2 Работы Эйнштейна ................................................................................. 48

2.3 Работы Резерфорда и Бора .................................................................... 52

2.4 Волны де Бройля и квантово-волновой дуализм частиц вещества ........ 58

2.5 Волновая механика и уравнение Шредингера ....................................... 61

2.6 Принцип запрета Паули, вырождение состояний и снятие вырождения под внешним воздействием ...... 70

2.7 Образование энергетических зон и их заполнение в кристаллах .......... 74

2.8 Соотношение неточностей Гейзенберга .................................................. 77

3 Квантовое поведение электронов в кристалле ..........................................82

3.1 Уравнение Шредингера для кристалла ....................................................82

3.2 Модель Кронига – Пенни ........................................................................84

3.3 Переход к нанофизике полупроводников ...............................................89

3.4 Поведение носителей заряда в прямоугольной потенциальной яме. Квантовое ограничение ......... 92

3.4 Квантовые структуры с двумерным электронным газом .................... 96

3.5 Квантовые структуры с одномерным электронным газом .................. 98

3.6 Квантовые структуры с нульмерным электронным газом ................. 100

3.7 Баллистический транспорт .................................................................103

3.8 Туннелирование .................................................................................106

4 Полупроводниковые гетеростуктуры и сверхрешетки ..........................110

4.1 Гетеропереходы и гетероструктуры ................................................... 111

4.2 Сверхрешетки .................................................................................... 117

5 Технологии формирования квантоворазмерных наноструктур .............123

5.1 Формирование квантовых ям .............................................................125

5.2 Формирование квантовых точек.........................................................126

5.3 Формирование квантовых проволок (нитей) ......................................131

6 Квантовые эффекты ..............................................................................135

6.1 Двумерный электронный газ в магнитном поле .................................135

6.2 Целочисленный и дробный квантовый эффект Холла........................ 136

6.3 Эффект Ааронова – Бома ...................................................................140

6.4 Квантово-размерный эффект Штарка ................................................143

6.5 Квантово-размерный туннельный эффект ..........................................150

6.6 Эффект Джозефсона ...........................................................................153

6.7 Кулоновская блокада ......................................................................... 162

6.7.1 Кулоновская блокада с одним туннельным переходом ....................163

6.7.2 Кулоновская блокада с двумя туннельными переходами .................166

6.7.3 Сотуннелирование ............................................................................168

6.8 Квантовое магнетосопротивление. Спинтроника ................................170

6.9 Эффект Кондо ..................................................................................... 177

7 Устройства наноэлектроники ................................................................. 183

7.1 Приборы на одноэлектронном туннелировании ................................. 183

7.1.1 Одноэлектронный транзистор ...........................................................184

7.1.2 Одноэлектронный насос (стандарт силы тока). Одноэлектронная память ..........187

7.2 Приборы на резонансном туннелировании ..........................................192

7.2.1 Диоды на резонансном туннелировании ...........................................192

7.2.2 Транзисторы на резонансном туннелировании ................................. 196

7.2.3 Логические элементы на резонансно-туннельных приборах..............198

7.3 Приборы на основе сверхрешеток ....................................................... 202

7.3.1 Инфракрасные фотоприемники ..........................................................203

7.3.2 Сверхрешетки в лазерных структурах .................................................205

7.3.3 Лавинные фотодиоды ......................................................................... 210

7.3.4 Оптические модуляторы ......................................................................212

7.4 Транзисторы для СВЧ-электроники ....................................................... 214

7.4.1 Транзисторы с высокой подвижностью (НЕМТ) .................................. 216

7.4.2 Транзисторы на основе SiGe-технологии ............................................ 222

7.4.3 Транзисторы на основе технологии нитрида галлия (GaN) на подложке из карбида кремния (SiC) ........225

7.5 Перспективные материалы и приборы ................................................. 227

7.5.1 Молибденит MoS2 – перспективный материал наноэлектроники ......227

7.5.2 Алмаз как материал для СВЧ-приборов ................................... ......... 231

7.5.3 Транзисторы на антимонидах и арсенидах индия ............................. 233

7.5.4 Транзисторы на углеродных нанотрубках .......................................... 236

8 Графеновая электроника ......................................................................... 244

8.1 Получение и открытие свойств графена ............................................... 244

8.2 В направлении к графеновой электронике ........................................... 247

8.3 Первые транзисторы на графене .......................................................... 252

8.4 Создание графеновой транзисторной технологии GNRFETs ................. 253

8.5 Высокоскоростные графеновые транзисторы ...................................... .255

Заключение .................................................................................................259

Литература.................................................................................................. 261

Глоссарий ....................................................................................................276