一种电子束准直装置及电子束准直系统

摘要

本发明提供的一种电子束准直装置及电子束准直系统，其中，一种电子束准直装置，包括准直模块，该准直模块包括叠在一起的三层外尔半金属薄膜，三层外尔半金属薄膜中位于两侧的两层外尔半金属薄膜为相同的薄膜，且位于中间的外尔半金属薄膜与位于两侧的外尔半金属薄膜的外尔节点能量不同，以由垂直外尔半金属薄膜射入准直模块且能量在预设能量范围内的电子中获取横向动量在预设动量范围内的电子并射出。由此，由垂直外尔半金属薄膜射入的电子中获取到横向动量在预设动量范围内的电子，进而将其射出，其中，预设动量范围为0或者接近于0的范围，因此，射出电子不会在横向动量的影响下偏移原来的轨道运动，准直效果较佳。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种电子束准直装置及 电子束准直系统。

背景技术

在传统半导体材料中，目前实现电子束准直主要采用半导体量子阱结 构，具体来说，将电子限制在纳米尺寸的半导体量子阱结构的沟道中，使 电子只能沿该沟道运动，达到让电子束准直传输的目的。

但是，由于电子的量子力学效应，电子总是存在一个有限的横向动量。 当电子束在半导体量子阱结构中传输时，其可以达到准直效果，但是，在 其输出半导体量子阱结构后，由于其横向动量，会导致其运动方向在一定 程度上偏移原来的轨道，最终造成准直效果不佳。

综上所述，现有技术中利用半导体量子阱结构实现电子束准直存在准 直效果较差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子束准直装置及电子束准直系统，以解决现 有技术中利用半导体量子阱结构实现电子束准直时存在的准直效果较差的问 题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电子束准直装置，包括准直模块，该准直模块包括叠在一起的三层 外尔半金属薄膜，所述三层外尔半金属薄膜中位于两侧的两层外尔半金属薄 膜为相同的薄膜，且位于中间的外尔半金属薄膜与位于两侧的外尔半金属薄 膜的外尔节点能量不同，以由垂直所述外尔半金属薄膜射入所述准直模块且 能量在预设能量范围内的电子中获取横向动量在预设动量范围内的电子并射 出。

优选的，所述三层外尔半金属薄膜中位于中间的外尔半金属薄膜为三元 合金外尔半金属薄膜，位于两侧的两层外尔半金属薄膜为二元合金外尔半金 属薄膜。

优选的，所述三层外尔半金属薄膜中位于中间的外尔半金属薄膜的厚度 为m^-8-m^-6量级的厚度。

优选的，所述三层外尔半金属薄膜均为利用分子束外延技术实现的外尔 半金属薄膜。

优选的，所述准直模块的数量为多个，且全部所述准直模块中外尔半金 属薄膜的中点的连线与每个所述准直模块中外尔半金属薄膜的面垂直。

一种电子束准直系统，包括电子束发射装置及如上述任一项所述的电子 束准直装置，其中，所述电子束发射装置用于发射垂直于所述外尔半金属薄 膜射入所述准直模块且能量在预设能量范围内的电子。

优选的，所述电子束发射装置发射的电子的能量与所述三层外尔半金属 薄膜中位于中间的外尔半金属薄膜的外尔节点能量相同。

本发明提供的一种电子束准直装置及电子束准直系统，其中，一种电子 束准直装置，包括准直模块，该准直模块包括叠在一起的三层外尔半金属薄 膜，所述三层外尔半金属薄膜中位于两侧的两层外尔半金属薄膜为相同的薄 膜，且位于中间的外尔半金属薄膜与位于两侧的外尔半金属薄膜的外尔节点 能量不同，以由垂直所述外尔半金属薄膜射入所述准直模块且能量在预设能 量范围内的电子中获取横向动量在预设动量范围内的电子并射出。通过本申 请公开的上述电子束准直装置，能够由垂直外尔半金属薄膜射入的电子中获 取到横向动量在预设动量范围内的电子，进而将其射出，由此，射出电子束 准直装置的电子均为横向动量在预设动量范围内的电子，而预设动量范围为0 或者接近于0的一定范围，因此，射出的电子不会在横向动量的影响下偏移原 来的轨道运动，即射出上述电子束准直装置的电子能够按照其原来的轨道运 动，准直效果较佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电子束准直装置中准直模块的三层外尔 半金属薄膜的位置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电子束准直装置中准直模块的三层外尔 半金属薄膜形成的电子势能示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电子束准直装置中不同能量的电子的透 射率模拟实验结果图；

图4为本发明实施例提供的一种电子束准直装置中负能量价电子纵向动 量固定时电子的透射率与y方向和z方向横向动量的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种电子束准直装置，该电子束准直装置具体可以 为电子束准直晶体管，可以包括准直模块，该准直模块包括叠在一起的三层 外尔半金属薄膜，三层外尔半金属薄膜中位于两侧的两层外尔半金属薄膜为 相同的薄膜，且位于中间的外尔半金属薄膜与位于两侧的外尔半金属薄膜的 外尔节点能量不同，以由垂直外尔半金属薄膜射入准直模块且能量在预设能 量范围内的电子中获取横向动量在预设动量范围内的电子并射出。

其中，预设动量范围为0或者接近于0的一定范围，即，由上述装置射出 的电子可能包括横向动量为0或者横向动量接近于0的电子。

需要说明的是，准直模块中包含的三层外尔半金属薄膜组成类似三明治 结构，其位置示意图可以如图1所示，具体包括位于中间的外尔半金属薄膜B 及位于两侧的外尔半金属薄膜A。其中，三层外尔半金属薄膜中相邻两层外 尔半金属薄膜之间可以互相紧贴。而外尔半金属为一种新型的半金属材料， 由于准直模块中外尔半金属薄膜B的外尔节点能量与外尔半金属薄膜A的外 尔节点能量不同，三层外尔半金属薄膜就形成一个量子势阱或量子势垒，此 时，电子垂直于外尔半金属薄膜射入准直模块后，即平行于图1中的y方向 射入，电子中具有较大横向动量的电子均被筛选掉，由准直模块射出的电子 均为横向动量为0或者接近于0的电子，且模拟计算证明，由准直模块射出 的横向动量在为0或者接近于0的电子的比例比电子射入准直模块前包含的 横向动量为0或者接近于0的电子的比例高很多。其中，外尔半金属薄膜A 和外尔半金属薄膜B的外尔节点能量的能量差的范围具体可以根据实际需要 进行限定，在此不做具体限定。另外，外尔半金属薄膜A的外尔节点能量可 以高于外尔半金属薄膜B，也可以低于外尔半金属薄膜B，其中，外尔半金属 薄膜A的外尔节点能量高于外尔半金属薄膜B时三层外尔半金属薄膜电子势 能示意图如图2所示，其中，图中A和B所指示的部分分别对应外尔半金属 薄膜A和外尔半金属薄膜B。

另外，电子垂直于外尔半金属薄膜射入，由此，电子能够顺利通过三层 外尔半金属薄膜，进而在三层外尔半金属薄膜形成的量子势阱或量子势垒的 作用下，获取到横向动量为0或者接近于0的电子，而其余电子则在通过三 层外尔半金属薄膜前被反射，进而无法通过三层外尔半金属薄膜并射出。同 时，电子能量的预设能量范围可以根据实际需要进行确定，但是，模拟计算 表明，电子的能量越接近于外尔半金属薄膜B的外尔节点能量，本申请中的 电子束准直装置的准直效果越好，因此，当电子的能量与外尔半金属薄膜B 的外尔节点能量相等时，电子束准直装置的准直效果最好。假设外尔半金属 薄膜A的外尔节点能量为能量零点，则外尔半金属薄膜B的外尔节点能量即 为外尔半金属薄膜A和外尔半金属薄膜B的外尔节点能量的能量差，用V表 示，则电子只需平行于y轴射入外尔半金属薄膜，即可获得横向动量在预设 动量范围内的电子，且，电子的能量越接近V得到的准直效果越好。因此， 预设能量范围可以为包含V的一定范围，也可以仅仅包括V，具体可以根据 实际需要进行确定。

另外，作为优选的，三层外尔半金属薄膜中位于中间的外尔半金属薄膜 的厚度可以为m^-8-m^-6量级的厚度，如200nm、500nm等，具体也可以根据 实际需要进行其他设置，均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

请参阅图3，即为外尔半金属薄膜A的外尔节点能量为能量零点，且 L＝200nm(L为外尔半金属薄膜B的厚度)，V＝-50meV的电子束准直装置 进行透射率模拟的结果，透射率即为电子束中某方向运动电子能够通过准 直模块并射出的电子占该运动方向全部电子的比例，因此，准直方向透射 率越高，而其他方向透射率越低，表明电子束准直装置的效果越佳。图中 不同的曲线为不同能量的电子的透射率与其横向动量的关系，其中，横坐 标为电子的横向动量，纵坐标为电子的透射率，点线、虚线、实线、点虚 线分别一一对应于电子能量为-75meV、-50meV、-25meV、50meV。由图3 可以看出，电子能量为-50meV时，横向动量在预设动量范围内的电子的透 射率为百分之百，由于透射率随横向动量迅速衰减，只有横向动量接近于 零的电子才具有较大的透射率，这时电子束准直装置具有非常好的准直效 果。可见，电子的能量越接近于V，电子束的准直效果越佳。另外，请参阅 图4，其为负能量价电子纵向动量k_x＝0.02nm^-1固定时电子的透射率(黑度) 与y方向和z方向横向动量的关系。可见，对于不同能量的电子，经过该装 置的准直后，它们的横向动量/纵向动量比将被限制在一个很小的比值范围 内，因此，本申请公开的一种电子束准直装置，具有较佳的准直效果。

通过本申请公开的上述电子束准直装置，能够由垂直外尔半金属薄膜射 入的电子中获取到横向动量在预设动量范围内的电子，进而将其射出，由此， 射出电子束准直装置的电子均为横向动量在预设动量范围内的电子，而预设 动量范围为0或者接近于0的一定范围，因此，射出的电子不会在横向动量 的影响下偏移原来的轨道运动，即射出上述电子束准直装置的电子能够按照 其原来的轨道运动，准直效果较佳。

本发明实施例提供的一种电子束准直装置中，三层外尔半金属薄膜均为 利用分子束外延技术实现的外尔半金属薄膜。其中，分子束外延技术是一种 器件结构的制造方式，利用分子束外延技术可以将不同分子粉刷成一层层的 薄膜材料，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种电子束准直装置中，三层外尔半金属薄膜中位 于中间的外尔半金属薄膜为三元合金外尔半金属薄膜，位于两侧的两层外尔 半金属薄膜为二元合金外尔半金属薄膜。

需要说明的是，三层外尔半金属薄膜的具体选材可以根据实际需要进行 设置，本发明实施例中，以外尔半金属薄膜B为三元合金外尔半金属薄膜、 外尔半金属A为二元合金外尔半金属薄膜进行说明，其中，三元合金外尔半 金属薄膜可以为A_xB_z-xC_y，二元合金外尔半金属薄膜可以为B_zC_y，其中，A、 B、及C可以表示不同的元素，然后使用成熟的分子束外延将一层厚度为L 的A_xB_z-xC_y夹在两层B_zC_y之间使其势能形成一个量子势阱或量子势垒结构。 简单来说，本发明实施例提供的一种电子束准直装置可以相当于一个电子 动量过滤器，只有严格垂直于外尔半金属薄膜，即严格平行于图2中的y 轴方向的电子才能通过外尔半金属薄膜并射出，进而得到被准直的电子。

另外需要说明的是，准直模块的数量可以为多个，且全部准直模块中外 尔半金属薄膜的中点的连线与每个准直模块中外尔半金属薄膜的面垂直。

其中，不同的准直模块可以具有完全相同的三层外尔半金属薄膜，此时， 当电子束射入第一个准直模块后，可以继续射入其他准直模块，最后射出电 子束准直装置，从而更加准确地得到横向动量在预设动量范围内的电子。不 同的准直模块也可以具有不完全相同的三层外尔半金属薄膜，由此，能够通 过设置不同的准直模块中外尔半金属薄膜A与外尔半金属薄膜B的外尔节点 能量的能量差不同，最终获得横向动量在预设动量范围内且能量不同的电子。 当然，也可以根据实际需要设置成部分准直模块完全相同，其他不同等，均 在本发明的保护范围之内。本发明实施例还提供了一种电子束准直系统，包 括电子束发射装置及如上述实施例任一项的电子束准直装置，其中，电子束 发射装置用于发射垂直于外尔半金属薄膜射入准直模块且能量在预设能量范 围内的电子。

其中，只要电子束发射装置发射的电子能够达到上述要求，其与电子束 准直装置的具体相对位置可以根据实际需要进行设置。

优选的，电子束发射装置发射的电子的能量与三层外尔半金属薄膜中位 于中间的外尔半金属薄膜的外尔节点能量相同。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发 明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文 中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实 施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要 符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。