10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника

Одним из возможных путей развития наноэлектроники является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов (в частности, одного электрона). Это направление можно назватьодноэлектроникой. Оно относится к направлениям квантовой наноэлектроники.

Создание одноэлектронных приборов открывает большие перспективы цифровой одноэлектроники, в которой бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение электрона происходит путем туннелирования. Поскольку времена туннелирования малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок.

Работа, необходимая для перемещения электрона, мала, следовательно, энергопотребление одноэлектронных схем должно быть очень малым. Так, по оценкам основоположника одноэлектроники К. К. Лихарева, теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц, а энергопотребление – 3∙10^-8Вт.

Для исследования базовых эффектов одноэлектроники часто используют структуру: туннельнопрозрачный барьер между двумя электродами (берегами) (рис. 10.10, а) или двубарьерную структуру берег-гранула-берег. Барьеры между берегами и гранулой также туннельнопрозрачны (рис. 10.10,б). Если гранула имеет размеры порядка одного нанометра, ее можно рассматривать как квантовую точку. Используют также многобарьерные структуры.

а)б)

Рис. 10.10. Модели квантовых ям: а– берег-берег;б– берег-остров-берег; 1,2 – берега; 3 – гранула-остров-квантовая точка

Кратко рассмотрим основные эффекты, возможные в одно- или многобарьерных структурах.

Эффект кулоновскойблокадызаключается в отсутствии тока в туннельном переходе при приложении к нему напряжения из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Напряжение, необходимое для преодоления кулоновской блокады, зависит от емкости системы С

. (10.17)

Рассмотрим процесс протекания тока через туннельный переход. Заряд на одном береге контакта накапливается постепенно и при достижении величины e/2 происходит туннелированиеодногоэлектрона. Величина заряда на электроде может бытьлюбой, поскольку определяется поляризацией электродов заряженными примесями и т.д.

Заряд одного электрона накапливается при токе Iза времяt=e/I, затем электрон туннелирует через переход. Процесс повторяется периодически с частотой

. (10.18)

Такие осцилляции названы одноэлектронными туннельными осцилляциями.

Осцилляции возможны, если минимальное изменение энергии больше температурных флуктуаций

(10.19)

и проводимость перехода Gудовлетворяет соотношению

. (10.20)

Условия (10.19) и (10.20) устанавливают зависимость минимальной емкости системы от температуры

. (10.21)

Выражение (10.21) дает очень малую величину емкости (Т>77К;С<10^-18Ф), что технологически проблематично. Поэтому часто используют двупереходную систему.

Выше мы говорили о нульмерных квантовых объектах – квантовых точках (см. рис. 10.4, КТ). Здесь рассмотрим явления, протекающие в этих объектах, а также приборы, основанные на таких явлениях.

При использовании систем с двумя и более переходами между двумя электродами находятся малые объекты, которые при определенных условиях (малые размеры или низкая температура) могут рассматриваться как квантовые точки, т.е. нульмерные объекты. Энергетический спектр представляет собой набор дискретных уровней (см. рис. 10.4). Так, для зерна алюминия размером в 4,3 нм для наблюдения квантово-размерных эффектов необходима температура менее 1,5К. Для полупроводниковых точек необходимая температура будет выше вследствие более низкой плотности состояний.

Важным явлением для одноэлектроники является влияние внешних полей на высотупотенциальныхбарьеров, окружающих точку, а следовательно на транспорт электронов через нее. Это могут быть не только электрические, но и, например, акустические поля.

Эффекты, связанные с кулоновской блокадой также могут быть использованы в одноэлектронике: изменение положениякулоновского островка относительно электродов, изменениеформыостровка и т.д.

Конструкции одноэлектронных приборов различны, однако их можно классифицировать по следующим признакам [22].

По направлению протеканиятока относительно поверхности конструкции делятся на горизонтальные и вертикальные.

По способу формированияквантовых точек различают конструкции с постоянными или временными квантовыми точками. Временная квантовая точка создается в двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений во время работы прибора.

По количествуквантовых точек приборы бывают нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемостипараметрами квантовых точек приборы делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные с одним или несколькими затворами).

В качестве примера приведем прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа (рис. 10.11, а). Между иглой микроскопа и проводящей подложкой располагается малая металлическая частица, изолированная воздушным промежутком от иглы и пленкой оксида от подложки. Эти изоляторы образуют потенциальные барьеры. Таким образом, металлическая частица играет роль квантовой точки в двубарьерной системе. По приведенной выше классификации этовертикальный нульмерный неуправляемый прибор на постоянной квантовой точке.

Приведенная система является физической моделью для исследования явлений в двубарьерной квантовой точке.