Рис. 1. Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с испусканием оптического фонона.

Для самой распространенной гетеросистемы GaAs-AlxGa1-x с x = 0. 2—0. 25 условие резонанса выполняется для ям с толщиной, кратной 40—45 А. Если а = 40—45 А, то диапазон фоточувствительности структуры лежит в области длин волн порядка 8 мкм, соответствующей одному из окон атмосферной прозрачности и потому очень важной для практических применений. Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe — важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона. Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур.

Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

Рис. 2. Способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами.

а — через скошенный торец подложки, б — с помощью дифракционной решетки 1 — подложка, 2 — фоточувствительная структура с квантовыми ямами, 3 —дифракционная решетка.

В связи с тем что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может направляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки (рис. 2 a). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры (рис. 2 б).

Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs-AlxGa1-xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.

Квантово-точечные клеточные автоматы и беспроводная электронная логика

Потребности в разработке логических устройств для нано-компьютеров с очень высокой плотностью логических элементов и с максимально возможно низким потреблением энергии на одно переключение привели к предложениям использовать в логических элементах проводящие островки очень малого размера — квантовые точки. В таких приборах для реализации вычислений логических булевых функций используют массивы связанных взаимодействующих квантовых точек. Эти новые приборы называют квантово-точечными клеточными автоматами (QCA — Quantum Cellular Automata).

Основу прибора составляет ячейка, состоящая из четырех или пяти квантовых точек. На рис. 1 представлена ячейка из пяти квантовых точек: четыре точки расположены в углах квадрата, а одна — в его центре. В ячейку при помощи внешнего напряжения через дополнительный электрод вводятся два избыточных электрона, и ячейка приобретает электрический заряд. Квантовые точки в ячейке располагаются таким образом, что возможно туннелирование только через центральную точку. Из-за электростатического отталкивания между избыточными электронами вся система будет иметь минимальную энергию только в том случае, если электроны расположатся как можно дальше друг от друга, т. е. в углах квадрата, соединенных диагональю. Поскольку таких возможных положений всего два, то система имеет всего два устойчивых состояния (две поляризации), и, следовательно, одно из этих состояний можно считать логической единицей («1»), а второе — логическим нулем («0»). При переходе системы из одного устойчивого состояния в другое меняются поляризация системы и распределение электрических полей вокруг ячейки. С помощью дополнительных электродов, связанных с ячейкой емкостной связью, можно навязать ячейке необходимое состояние и перевести ее в состояние «1» или «О». Если рядом с первой ячейкой расположить вторую (в которой также находится два дополнительных электрона), то электростатическое поле первой ячейки заставит электроны располагаться так, чтобы обеспечить минимум электростатической энергии всей системы (рис. 1). Составляя комбинации из расположенных разным образом ячеек, можно реализовать разнообразные логические функции и выполнить необходимые логические преобразования и вычисления. На рис. 2 представлен пример комбинации ячеек, при которой состояние на выходе определяется большинством состояний на входе (логическая функция «Majority»). Предложены разнообразные комбинации ячеек для реализации логических операций. На основе таких элементов возможно создание нанокомпьютера. Важно отметить, что взаимное расположение ячеек обеспечивает передачу логического сигнала без перемещения зарядов вдоль цепочки — в бестоковом режиме, только за счет передачи вдоль цепочки состояния поляризации.

„1" „0" „1" „1"

Состояние с высокой энергией Состояние с низкой энергией

Рис. 1. Различные конфигурации ячеек квантово-точечных автоматов.

Преимущества логических устройств на основе квантово-точечных клеточных автоматов состоят в том, что по сравнению с аналогичными устройствами на основе полевых транзисторов требуется значительно меньший объем активной области. Например, полный сумматор на основе клеточных автоматов с размером точки 20 нм можно расположить на площади около 1 мкм2, в то время как такую же площадь занимает всего лишь один полевой транзистор. Для построения такого же сумматора на основе полевых транзисторов требуется примерно 40 транзисторов. Если еще учесть области коммутации транзисторов между собой, а они, как известно, занимают объем, сравнимый или даже превосходящий объем, занятый активными приборами, то преимущества использования клеточных автоматов становятся очевидными.

Принципиальная возможность функционирования логических элементов на основе клеточных автоматов была продемонстрирована при Т = 15 мК на примере ячейки, изготовленной при помощи стандартной электронно-лучевой литографии из алюминиевых островков на поверхности окисленной кремниевой пластины. Площадь прибора составляла величину ~50 X 50 нм2.