Легирование играет в полупроводниковой электронике чрезвычайно важную роль. Добавление в полупроводник даже мизерного количества примесей (одной на миллиард атомов матрицы) может привести к очень существенным изменениям электрических и оптических свойств материала.

Неизовалентные примеси служат источником свободных носителей заряда и тем самым на много порядков увеличивают проводимость полупроводников при низких температурах. По мере уменьшения размеров полупроводниковых устройств до нанометровых масштабов и расширения их функциональных возможностей все более важным фактором становится не просто концентрация примесей (и связанная с ней концентрация подвижных электронов), а конкретный вид волновой функции электрона в окрестности донора. Разработка способов контроля состояний отдельных донорных электронов в перспективе позволит не только значительно повысить быстродействие наноэлектронных приборов, но и сделает возможным создание твердотельных квантовых компьютеров.

В работе [1] для управления состоянием электрона единичного донора в Si предложено использовать структуру, аналогичную полевому транзистору (см. рис.). Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать эффективную ширину и глубину квантовой ямы на границе раздела Si/диэлектрик.

Управление состоянием единичного электрона в кремнии. (a) В отсутствие напряжения на затворе электрон локализован на донорном атоме;
(b) При достаточно большом напряжении электрон может перейти с донорного атома в квантовую яму, формирующуюся на границе раздела кремния и оксидного барьера (потенциал донора на этом рисунке не показан); ( c ) При промежуточной величине потенциала имеет место гибридизация электронных состояний, локализованных в яме и на доноре, в результате чего электронная плотность “размывается” между ямой и донорным атомом (при этом в поперечном направлении электрон остается локализован даже в области ямы)

Несмотря на то, что яма и донор представляют собой физические объекты различной мерности (двумерный и нульмерный, соответственно), создаваемый ими для электрона потенциал является так называемым “двухъямным”, то есть имеет два пространственно разнесенных минимума энергии. Если расстояние L от донора до границы раздела сравнимо с его эффективным боровским радиусом a_B (в кремнии – несколько нанометров), то путем подбора соответствующего потенциала на затворе электрон можно “размазать” между ямой и донором (при L >> a_B электрон оказывается локализованным в одном из минимумов потенциала, то есть либо в яме, либо на доноре).

Справедливости ради следует отметить, что в отсутствие надежных методов позиционирования доноров с атомарной точностью авторы [1] просто перебирали прибор за прибором в надежде “наткнуться” на приемлемое соотношение между L и a*_B. Из сотни исследованных приборов таковых (с L = 3 ¸ 5 нм) оказалось всего шесть. Для них на вольт-амперных характеристиках наблюдались характерные максимумы тока, обусловленные прохождением электрона через связанные состояния доноров. Полученные в [1] результаты можно, в частности, попробовать использовать для практической реализации идеи Кейна [2] о создании квантового компьютера на основе доноров в кремнии.

Л. Опенов

• 1. G.P.Lansbergen et al., Nature Phys. 4, 656 (2008)
• 2. B.E.Kane, Nature 393, 133 (1998)