Отчет «Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфраструктуры наноиндустрии»

1.2.2.2. Легированные сверхрешетки Термином «легированная сверхрешетка» принято называть периодическую последовательность слоев одного и того же полупроводника, легированных двумя различными способами. Донорные атомы в слоях n-типа поставляют электроны, которые связываются акцепторными атомами в слоях р-типа. Результирующее распределение заряда создает совокупность параболических потенциальных ям. Необычные электронные свойства легированных сверхрешеток вытекают из специфического характера сверхрешеточного потенциала, который в этом случае является потенциалом ионизованных примесей в легированных слоях [126, 127, 167] в отличие от потенциала в композиционных сверхрешетках, определяемого различием ширин запрещенной зоны компонент сверхрешетки. Потенциал объемного заряда в легированных сверхрешетках модулирует края зон исходного материала таким образом, что электроны и дырки оказываются пространственно разделенными. Соответствующим выбором параметров структуры (уровней легирования и толщин слоев) это разделение можно сделать практически полным. Одной из привлекательных черт легированных сверхрешеток является возможность использования для их создания любого полупроводника, допускающего легирование примесями как n-, так и р-типа. Чаще всего используется GaAs, получаемый методом МЛЭ [158], но предлагались также такие материалы, как Si [167], и соединения РbTе, Pb1-xGexTe или Pb1-xSnxTe [168]. Другое характерное преимущество легированных сверхрешеток связано со структурным совершенством этих многослойных систем. Относительно малая концентрация примесей в легированных сверхрешетках, как правило 1017—1019 см -3 [167], вносит несущественные искажения в решетку исходного материала. Следовательно, легированные сверхрешетки не содержат типичных для композиционных сверхрешеток гетерограниц, с которыми связаны возможности разупорядочения состава или появления напряжений несоответствия. Мы имеем дело с однородным полупроводником, который лишь модулирован чередующимся типом легирования. Кроме того, эффективной ширине запрещенной зоны в легированной сверхрешетке можно придавать любое значение от нуля до ширины зоны исходного материала путем должного подбора уровней легирования и толщин слоев. 1.2.2.3. Легированные композиционные сверхрешетки В обычных композиционных сверхрешетках полупроводниковые слои не легированы, благодаря чему квантовые ямы можно считать прямоугольными (см. рис. 5). Ситуация меняется, если один из полупроводников в сверхрешетке, например широкозонный, легировать донорной примесью. Эта специфическая ситуация изучалась в сверхрешетке GaAs—AIxGa1-xAs с модулированным легированием [115]. Поскольку край зоны проводимости в GaAs лежит ниже по энергии, чем донорные состояния в AIxGa1-xAs, электроны, покинувшие доноры в AIxGa1-xAs, могут диффундировать в нелегированные слои GaAs, пространственно разделяясь с породившими их ионизованными донорами. В конечном итоге все подвижные носители становятся локализованными в слоях GaAs, где они могут двигаться параллельно гетерогранице, не рассеиваясь на ионизованных примесях. Это приводит к существенному возрастанию подвижности указанных электронов в слоях узкозонных полупроводников. Но пространственный перенос подвижных носителей создает в сверхрешетке области объемного заряда чередующегося знака, что вызывает периодические изгибы краев зон, показанные на рис. 8. Подвижность электронов, заполняющих состояния в квантовых ямах GaAs сверхрешеток с модулированным легированием вплоть до уровня Ферми EF, можно еще увеличить, если ввести тонкие нелегированные широкозонные прослойки [169], т. е. оставить нелегированными участки барьеров толщиной 5 —10 нм вблизи границ с GaAs. Эффект возрастания подвижности в указанных сверхрешетках наиболее выражен при низких температурах, когда слабы процессы фононного рассеяния, конкурирующие с сильно подавленным кулоновским рассеянием. При 4,2 К были достигнуты максимальные подвижности, превышающие 106 см2/(В·с) [170]. Как видно из рис. 8, в сверхрешетках с модулированным легированием привычные прямоугольные ямы сверхрешеток типа I следует трансформиро- Рис. 8. Схема расположения последовательности слоев (слева) и координатная зависимость зонной диаграммы (справа) для сверхрешеток i-GaAs—n + - AIxGa1-xAs с модулированным легированием. Изгибы зон вблизи гетерограниц создаются пространственными зарядами, возникающими при переходе свободных электронов с ионизованных доноров в барьерах n + - AIxGa1-xAs в потенциальные ямы i-GaAs. вать в квантовые ямы параболического типа. Новый тип легированных сверхрешеток на гетероструктурах, обладающих перестраиваемыми электронными свойствами (характерная черта легированных сверхрешеток) и одновременно существенно увеличенными подвижностями электронов и дырок в квантовых ямах (характерная черта сверхрешеток с модулированным легированием), был предложен Делером [171] и экспериментально реализован с помощью метода МЛЭ [172]. В такой сверхрешетке используется периодически повторяющаяся система из десяти различным образом легированных сверхтонких слоев. В общем случае структура является периодическим повторением элементов вида n-AIxGa1-xAs/i-AIxGa1-x As/i-AIyGa1-yAs/i-AIxGa1-xAs/n-AIxGa1-xAs/p-AIxGa1-xAs/i-AIxGa1-xAs/i-AIyGa1-y As/ i-AIxGa1-xAs/p-AIxGa1-xAs с у << х или у = 0. Основная идея, которой руководствовались при создании такой легированной гетеросверхрешетки, состоит в модификации обычной легированной сверхрешетки из широкозонного материала, например AIxGa1-xAs, путем периодического включения в нее специально нелегированных i-слоев из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, например AIyGa1-yAs. В качестве иллюстрации на рис. 9 показаны последовательность расположения слоев в рассматриваемой периодической структуре с у = 0 и ход краев энергетических зон (в реальном пространстве) в пределах одного периода структуры. ↑ Рис. 9. Схема расположения последовательности слоев (слева) и координатная зависимость зонной диаграммы (справа) для легированной сверхрешетки GaAs — AIxGa1-xAs. Период сверхрешетки состоит из десяти отдельных слоев. Стрелка на левом рисунке показывает направление роста. Сверхтонкие нелегированные слои i-GaAs зажаты между чередующимися легированными п- и р-слоями AIxGa1-xAs. Желаемый эффект пространственного разделения перешедших в слои GaAs свободных носителей и породивших их ионизованных примесей усиливается при введении тонких нелегированных прослоек i - AIxGa1-xAs на гетерограницах. Таким образом, период такой сверх-решетки содержит по одной легированной области AIxGa1-xAs n- и р-типа, т. е. в целом каждый период сверхрешетки состоит из 10 слоев. Это означает, что обычный ход потенциала легированной сверхрешетки периодически преры-вается потенциальными ямами, образованными материалом с меньшей шириной запрещенной зоны. Отсюда следует, что движение носителей параллельно слоям сверхрешетки почти свободно (если пренебречь остаточным примесным и фононным рассеянием), в то время как движение в направлении периодичности квантовано одномерным потенциалом, модулирующим края зон. В основном состоянии системы амплитуда периодического потенциала объемного заряда определяется уровнями легирования и толщинами чередующихся n- и р-слоев AIxGa1-xAs. Таким образом, зонную диаграмму легированных гетеросверхрешеток можно намеренно перестраивать в широких пределах, задавая необходимым образом параметры в ходе эпитаксиального роста. Кроме того, потенциал объемного заряда, а следовательно, зонную структуру, можно изменять путем электрического или оптического возбуждения кристалла. 1.2.2.4. Классификация полупроводниковых сверхрешеток На рис. 10 показана общая классификация сверхрешеток по структурным признакам. Здесь основным классификационным критерием является кристалличность слоев, образующих сверхрешетку. В качестве вторичного критерия используется физическая природа сверхрешеточного потенциала. На рис. 11 представлена классификация композиционных сверхрешеток. Здесь критерием является характер относительного расположения краев зон на гетерограницах в сверхрешетке. Наконец, на рис. 12 приведена классификация композиционных сверхрешеток типа I. Здесь критериями служат характер материалов, образующих сверхрешетку, и степень согласия постоянных решетки на гетерограницах. В настоящее время в литературе накоплен достаточно большой объем информации по сверхрешеткам и он постоянно растет. Поэтому, естественно, что некоторые вопросы остались неохваченными или же охвачены не в той степени, чтобы удовлетворить пожелания всей достаточно разнородной пользовательской аудитории. Можно было бы более подробно рассмотреть эффекты переноса в сверхрешетках и, в первую очередь, их вольтамперную характеристику, фотопроводимость, высокочастотные свойства сверхрешеток и их приборные применения. Для более углубленного изучения этих вопросов можно рекомендовать следующие статьи: [172] (описание большого числа зарубежных статей и патентов, содержащих идеи приборов на основе сверх- Рис. 10. Общая классификация полупроводниковых сверхрешеток — многослойных структур, содержащих одномерный искусственный периодический потенциал с периодом, меньшим длины свободного пробега электронов. Приведены примеры сверхрешеток. Рис. 11. Классификация композиционных сверхрешеток —структур, в которых сверхрешеточный потенциал создается периодическим изменением состава слоев. Приведены примеры сверхрешеток. Рис. 12. Классификация композиционных сверхрешеток типа I—структур, в которых запрещенные зоны соседних слоев полностью перекрываются, создавая в узкозонных полупроводниках две потенциальные ямы: одну для электронов и одну для дырок. Приведены примеры сверхрешеток. решеток); [173] (обзор целого ряда современных аспектов физики сверхрешеток); [174] (подробный анализ высокочастотных свойств сверхрешеток); [175] (исследование электронных свойств сверхрешеток с помощью комбинационного рассеяния света); [176] (длинноволновая фотопроводимость сверхрешеток и фотоприемник на ее основе); [178] (квантовый эффект Холла в сверхрешетках); [179] (проводимость вдоль оси сверхрешетки в сильных электрических полях). 1.2.3. Магнитные наноструктуры Магнитные свойства наноструктур обладают большим разнообразием и значительно отличаются от массивного материала. Основной вклад здесь вносят размерные эффекты, влияние поверхности, образующих наноструктуру кластеров, межкластерные взаимодействия или взаимодействия кластера с матрицей и межкластерная организация. Особенности формирования наноструктур и их свойства позволяют синтезировать новые магнитные наноматериалы и магнитные наноустройства на их основе. К числу наиболее характерных и впечатляющих свойств нанокластеров и наноструктур следует отнести, прежде всего, суперпарамагнетизм, который проявляется при размерах магнитных кластеров 1-10 нм, магнитную однодоменность нанокластеров и наноструктур вплоть до 20 нм, процессы намагничивания, которые чувствительны не только к характеру магнитного упорядочения кластера, но и к его размеру, форме, магнитной анизотропии, эффекты магнитного квантового туннелирования, при которых намагниченность меняется скачками, подобно эффектам одноэлектронной проводимости, и эффекты гигантского магнетосопротивления. Представляют большой интерес магнитные фазовые переходы первого рода в нанокластерах и наноструктурах, когда магнитное упорядочение в наносистеме исчезает скачком и наносистема переходит в парамагнитное состояние, минуя суперпарамагнитное состояние, для которого характерно сохранение магнитного упорядочения ниже точки Кюри. Развитие методов напыления сверхтонких пленок и нанолитографии привело в последнее десятилетие к активному изучению магнитных наноструктур. Стимулом этой активности является идея о создании новых магнитных наноматериалов для сверхплотной записи и хранения информации. При этом предполагается, что каждая частица несет один бит информации. Если расстояние между частицами составляет 100 нм, то ожидаемая плотность записи — 10 Гбит/см2. Принципиальными ограничениями плотности записи при таком подходе являются магнитостатическое взаимодействие частиц и значительные термические флуктуации. Последние имеют существенную специфику для малых ферромагнитных частиц, которая проявляется в экспоненциальном росте вероятности распада намагниченного состояния с уменьшением размера частицы (суперпарамагнетизм). Достижением в исследовании магнетизма наноматериалов является открытие эффекта гигантского магнитосопротивления. Суть эффекта заключается в изменении сопротивления (порядка нескольких десятков процентов) многослойной структуры из сверхтонких ферромагнитных и диамагнитных слоев (например, Со/Сu) при смене ферромагнитного упорядочения в структуре на антиферромагнитное. Можно сказать, что такие многослойные структуры представляют собой новый тип доменной структуры ферромагнетика, в котором роль доменов играют ферромагнитные пленки, а доменными стенками являются пленки диамагнетика. Этот эффект находит свое применение при создании новых датчиков магнитного поля, а также при разработке сред для сверхплотной записи информации. Дальнейшее продвижение в область малых размеров привело к открытию нового явления — туннелирования магнитного момента в сверхмалых ферромагнитных частицах. К этой группе наноматериалов относятся искусственные кристаллы, содержащие магнитные кластеры Мn12 и Fe3. Магнитный момент таких кластеров равен 10 магнетонам Бора, т. е. занимает промежуточное положение между магнитными моментами атомов и макроскопических частиц. Обменное взаимодействие между кластерами в кристалле отсутствует, а магнитная анизотропия весьма высока. Таким образом, появляется возможность квантовых переходов между магнитными равновесными состояниями в кластерах. Изучение этих процессов представляется интересным и важным с точки зрения разработки элементной базы квантовых компьютеров. Прямым следствием уменьшения размеров существующих магнитных, а также электронных и оптических устройств до наноразмеров является значительная миниатюризация различных схем и развитие нанотехнологий для их получения. Для ЭВМ это ведет к резкому росту плотности записи информации, емкости и быстродействию. По поводу миниатюризиции устройств представляет интерес закон Мура, согласно которому размеры микроэлектронных устройств должны уменьшаться вдвое каждые четыре года. Согласно этому прогнозу, размеры наноустройств должны быть в 2006 г. около 100 нм, в 2012 г. — 50 нм, к 2020 г. — 10 нм, а к 2035 г. — порядка атомов. В действительности совершенствование логических устройств по этому закону должно прекратиться еще ранее (около 2012 г.) вследствие нарастания квантовых эффектов при уменьшении размеров нанокластеров. Это стимулирует, в свою очередь, развитие новых методов ЭВМ для хранения и обработки информации. Перспективным направлением здесь являются квантовые вычислительные устройства. В таких компьютерах квантовые эффекты, например магнитного квантового туннелирования или гигантского магнитного резонанса, не ограничивают, а расширяют возможности вычислений и увеличивают быстродействие. Следует пояснить, что в обычных, цифровых ЭВМ, информация сохраняется в виде последовательности символов «0» и «1» (бит информации соответствует набору одной из этих цифр). Информация в квантовых битах записывается суперпозицией состояний «0» и «1», точное значение которых одновременно определяется в момент измерения. Последовательность из N цифровых битов может представлять любое число в интервале от 0 до 2N — 1, в то время как N квантовых битов могут представить все эти 2N чисел одновременно. К примеру, квантовый компьютер с 300 такими битами может описывать систему с числом элементов 2300 ~ 10100, что превышает число атомов Вселенной. При поиске данных в массиве из N элементов скорость квантовых компьютеров в N1/2 раз превосходит скорость цифровых ЭВМ [180]. Таким образом, именно нанотехнология может решить проблему изготовления большого числа квантовых битов и вывести вычислительную технику к пределам действия закона Мура.

Похожие:

	Урок 4 Класс: 11. Тема урока: «Способы организации баз данных: иерархический,... ...		2. Поля Цель курса получение студентами знаний об этапах разработки баз данных; о перспективных направлений развития баз данных
	А. Л. Исаев, А. М. Чеповский введение в теорию баз данных Введение в теорию баз данных: Учебно-методическое пособие по курсам «Вычислительная техника и информационная технология» и «Базы...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Создание информационной инфраструктуры школы, как основы формирования икт-компетентности педагога в образовательном процессе»
	Тема: "Концептуальное и логическое проектирования баз данных" Курсовой проект предназначен для практического освоения проектирования реляционных баз данных (БД). В работе используется трехуровневый...		Методические рекомендации по курсу базы данных подготовки бакалавриата... Цель данного курса дать основные понятия теории баз данных и подходы к проектированию реляционных баз данных. Представить современные...
	Конкурсная документация открытого конкурса «Создание научно-технической... Якутского государственного университета, основанная на портальных технологиях (2 этап), включая создание баз данных для поддержки...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Место урока в теме – урок проводится в ходе изучения темы “Информационные системы”, после изучения понятий базы данных, видов баз...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Место урока в теме – урок проводится в ходе изучения темы “Информационные системы”, после изучения понятий базы данных, видов баз...		Исследование методов информационной защиты баз данных в социально-экономической сфере Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева
	Конспект урока по информатике Тема: «Связывание таблиц базы данных»... Воспитательная: воспитание аккуратности, наблюдательности и упорства в достижении цели		Программа дисциплины опд. Ф. 10 «базы данных» Курс относится к общепрофессиональному циклу дисциплин и имеет целью овладение знаниями в области применения баз данных в автоматизированных...
	Т. К. Гоманова к э. н., доцент кафедры «Банковское дело» В статье рассмотрены теоретические и практические аспекты развития банковской инфраструктуры России в современных условиях. Проанализированы...		Урока. Тема урока «Отмена крепостного права» План урока Актулизация... Работа с информационными средами на основе баз данных и баз знаний, позволяющие осуществить как прямой, так и удаленный доступ к...
	Инновационная экономика. Агарунов Даниил Семенович, Бурнашев Константин... Венчурные компании являются основной составляющей инновационной инфраструктуры, ведь они объединяют инновации с капиталом. Россия...		Создание и использование комплексных баз и банков данных Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, изучающая вопросы хранения, передачи обработки и анализа информации с помощью...