Проблеммы одноэлектроники

В последнее время в связи с приближением к пределам миниатюризации классических микроэлектронных приборов усилился интерес к приборам, могущим обеспечить дальнейший прогресс электроники. Одним из возможных путей такого прогресса является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов, в частности, одного электрона. Создание так называемых одноэлектронных приборов открывает перспективы цифровой одноэлектроники, в которой бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение электрона происходит посредством туннелирования. Так как времена туннелирования электрона достаточно малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок. С другой стороны, работа, необходимая для перемещения одного электрона, также мала, следовательно, энергопотребление одноэлектронных схем должно быть чрезвычайно небольшим. Так, по оценкам основоположника одноэлектроники К. К. Лихарева теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц (терагерц), а энергопотребление одного прибора - 3 х10^-8 Вт.

Первые эксперименты проводились при очень низких температурах — несколько мК, а в настоящее время одноэлектронные эффекты наблюдаются и при комнатной температуре, однако это осуществлено лишь при использовании сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), и приборов, работающих при комнатной температуре, до сих пор не создано. Устойчиво функционирующие приборы с воспроизводимыми характеристиками существуют лишь при температуре 4.2 К. Однако в отличие от ситуации с высокотемпературной сверхпроводимостью, где неясно, возможна ли сверхпроводимость при комнатной температуре, одноэлектронные эффекты при комнатной температуре уже наблюдались и проблема заключается в создании работоспособных приборов.

Слайд 20 Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады

Рассмотрим процесс протекания тока через одиночный туннельный переход. Так как ток является величиной непрерывной, то заряд на одной стороне перехода накапливается постепенно. При достижении величины е/2 происходит туннелирование одного электрона через переход и процесс повторяется. Это аналогично падению капель из неплотно закрытого крана: при достижении некоторой критической массы капля отрывается от крана и начинается образование следующей (такая аналогия была предложена Лихаревым.) Заряд одного электрона е накапливается при токе I за время t: е=Ixt, затем электрон туннелирует через переход. Нетрудно видеть, что процесс повторяется периодически с частотой

f =I/e      

где I – ток через переход. Такие осцилляции были названы одноэлектронными туннельными (Single Electron Tunneling-SET) осцилляциями. Подставив численные значения е и k, получим, что для наблюдения эффекта

C<<e²/2kT      

при 4.2К необходима емкость <<2х10^-16Ф, а для Т=77К и T=300К соответственно <<10^-17 и <<3x10^-18. Таким образом, для работы приборов при высоких температурах (выше 77К) необходима емкость 10^-18 – 10^-19 Ф или 0.1 – 1 аФ (аттофарада).

Методы получения тонкопленочных структур

Молекулярно-лучевая эпитаксия

В вакуумном объёме — металлической бочке кубометровых объемов с чрезвычайно высоким вакуумом внутри, располагается подложка, на которую из источников по одному атомному слою наносится вещество и, таким образом, получают искусственные кристаллы, гетеропереходы и сверхрешетки. Особенностью этой методики является большое количество аналитических методов, таких как дифракция медленных электронов, эллипсометрия, дают возможность в процессе создания говорить об атомном составе создаваемых структур. Слайд 22. Слайд 24 Так выглядит установка МЛЭ в реальности.

МЛЭ используется для изготовления пленок и слоистых структур при создании приборов на (GaAs) и (AlxGa1-xAs). К таким приборам относятся лавиннопролетные диоды, переключающие СВЧ-диоды, полевые транзисторы с барьером Шоттки, интегральные оптические структуры.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии перспективен для твердотельной электроники создания СВЧ-приборов и оптических твердотельных приборов и схем, в которых существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров. При этом особое значение придается возможности выращивания слоев с различным химическим составом.

Слайд 25. Это типичный образец продукции, которая получена с помощью метода МЛЭ, т.е. поатомной сборки — здесь представлена микрофотография, полученная методом электронной микроскопии высокого разрешения.

Расстояние между точками на этом снимке равно межатомному. Хорошо видны отдельные атомные слои. На соседней фотографии они показаны при более сильном увеличении. Видны детали атомной структуры отдельных границ раздела. Крайняя картинка показывает, что процесс выращивания структур не прост, так как если его проводить в неоптимальных условиях, то правильной структуры не получить не удастся — будут развиваться морфологические нестабильности поверхности роста и т. д.

На основе слоев с высокоподвижным двумерным газом электронов в создан так называемый квантовый интерферометр для электронов проводимости (Слайд 26). На фото представлен вид сверху интерферометрической структуры, сделанной с помощью тонких методов электронно-лучевой литографии: двумерный газ существует только в тех областях, которые здесь являются светлыми.

Видно колечко субмикронного размера в центре, которое соединяет, грубо говоря, два моря двумерных электронов. Показаны контактные области. Удалось доказать, что транспорт электронов через такое колечко претерпевает интерференцию. Это понятно из оптической аналогии, хотя для электронов проводимости из-за их малой длины свободного пробега наблюдать их интерференцию чрезвычайно трудно и наблюдение возможно только при температурах порядка десятой или сотой долей градуса Кельвина. Здесь можно наблюдать изумительно красивые для физика, который этим занимается, осцилляции магнетосопротивления от магнитного поля — по величине их амплитуды это тоже в некотором роде мировой рекорд. Этот результат важен для разработки приборов будущего, в которых будут использоваться одиночные электроны, в отличие от классической микроэлектроники, где для передачи бита информации используются от тысячи до сотен тысяч электронов.

Магнетронное распыление (Слайд 27)

Слайд 28 пример тонкопленочной субмикронной нанолитографии.