квантові нитки

Можна створити одномірні електронні системи, часто звані квантовими нитками, в яких рух електронів різко обмежена в двох напрямках з трьох і лише вздовж осі нитки (напрямок уздовж осі х) залишається вільним.

Більшість способів виготовлення квантових ниток грунтується на тому, що в системі з двовимірним електронним газом (як правило, на основі гетероструктур) виробляють «вирізання» вузької смужки за допомогою літографічної техніки (ріс.16.9, а). Для отримання квантових ниток шириною в сотні ангстрем немає необхідності в техніці надвисокої роздільної здатності, тому що на бічних гранях витравленої смужки, як і на вільної поверхні напівпровідника, утворюються поверхневі стану, створюють шар збіднення. Цей шар викликає додаткове звуження провідного каналу, в результаті чого квантові ефекти можна спостерігати і в смужках більшої ширини - порядку часткою мікрона.

При іншому способі поверхню напівпровідникової структури покривають металевим електродом, що створює з напівпровідником контакт Шотткі і мають вузьку щілину (рис. 16.9, б). Якщо гетерограніцамі знаходиться досить близько від поверхні, в шарі збідніння, то двовимірні електрони на кордоні будуть відсутні всюди, крім вузької області під щілиною. Такий тип одновимірної структури володіє додатковою перевагою: змінюючи напругу на затворі, можна управляти ефективної шириною квантової нитки і концентрацією носіїв в ній.

Мал. 16.9. Напівпровідникові гетероструктури з квантовими нитками, отриманими за допомогою субмикронной літографії за рахунок витравлювання вузької смужки з самої структури (а) або щілини в затворі Шотткі (б): 1 - напівпровідник з широкою забороненою зоною (наприклад, AlGaAs), 2 - напівпровідник з вузькою забороненою зоною (наприклад, GaAs), 3 - металевий затвор. Утворений поблизу гетеромежі вузький електронний канал показаний штриховою лінією. Заштриховані області збідніння електронами

квантові ями

Квантові ями створюють, поміщаючи тонкий шар напівпровідника з вузькою забороненою зоною між двома шарами матеріалу з більш широкою забороненою зоною (ріс.16.10). В результаті електрон виявляється замкненим в одному напрямку, що призводить до квантування енергії поперечного руху. У той же час в інших напрямках рух електронів буде вільним, тому можна сказати, що електронний газ в квантовій ямі стає двовимірним.

Для вирощування квантових ям найбільш вдалою парою вважаються напівпровідник GaAs- арсенід галію і твердий растворAlx Ga1-x As, в якому частина атомів галію заміщена атомами алюмінію. Величинах - це частка атомів галію, заміщених атомами алюмінію, зазвичай вона змінюється в межах від 0,15 до 0,35. Ширина забороненої зони в арсеніді галію становить 1,5 еВ, а в твердому раствореAlx Ga1-x Asона зростає з ростомх. Так, приходять = 1, тобто в соедіненііAlAsшіріна забороненої зони дорівнює 2,2 еВ.

Щоб виростити квантову яму, необхідно під час росту міняти хімічний склад атомів, що летять на зростаючий шар. Спочатку потрібно виростити шар напівпровідника з широкою забороненою зоною, тобто Alx Ga1-x As, потім шар вузькозонних матеріалаGaAsі, нарешті, знову слойAlx Ga1-x As.

Ріс.16.10. Квантова яма, сформована в шарі напівпровідника з вузькою забороненою зоною, укладеного між двома напівпровідниками, що володіють більш широкою забороненою зоною

Енергетична схема приготовленої таким чином квантової ями приведена на рис. 16.10. Ця яма має кінцеву глибину (декілька десятих часток електрон-вольта). У ній знаходяться тільки два дискретних рівня, а хвильові функції на кордоні ями не звертаються в нуль. Значить, електрон можна виявити і за межами ями, в області, де повна енергія менше потенційної. Це може бути пояснено в рамках квантової фізики.