КВАНТОВО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1996 года по МПК H01L29/16 

Изобретение относится к области техники полупроводников с использованием квантовых эффектов в твердом теле и может быть использовано в микроэлектронике и вычислительной технике.

Известен квантово-интерференционный транзистор [1] т.н. WВТ-транзистор, содержащий гетеропереход. Работа транзистора основана на управлении двумерным электронным потоком, сформированным на гетеропереходе между двумя слоями полупроводника, при этом нижний слой выполнен из полупроводника арсенида галлия GaAs, а верхний из полупроводника арсенида галлия GaAs с допированием алюминием Аl. Управление проводимостью гетероперехода осуществляют путем модуляции потенциала гетероперехода с помощью системы металлических электродов, расположенных упорядоченно с заданным периодом над верхним слоем АlGaAs. Недостатками известного транзистора являются относительно большие размера (период структур около 500 нм) и, как следствие, большое управляющее напряжение и необходимое снижение рабочей температуры до 0,1К для обеспечения большой длины свободного пробега, сравнимой с размером транзистора.

Известен квантово-интерференционный транзистор, работа которого основана на квантовом эффекте Ааронова-Бома [2] заключающемся в управлении фазами двух интерферирующих электронных потоков в плечах интерферометра с помощью внешнего поля. Известное устройство содержит изолирующую подложку и размещенные в ее плоскости замкнутый интерференционный контур из квантовой проволоки, размеры которого меньше длины свободного пробега электрона, к двум сторонам которого присоединены токовводы, и управляющие электроды, расположенные по обе стороны от контура. Размер интерференционного контура порядка 4000 . Известное устройство позволяет использовать одномерные электронные потоки, что повышает плотность интеграции элементов на поверхности и делает транзистор более миниатюрным, чем WВТ-транзистор. Однако интерференционный контур в виде петли, имеющий 2 плеча, с необходимостью имеет относительно большие размеры для реализации определенных фазовых соотношений электронных потоков в плечах контура, которыми управляют электроды. Для выполнения условий интерференции электронов в потоке требуется исключить (или ограничить) тепловой разброс длин волн электронов, а это возможно лишь при понижении температуры до долей ^oК, если обеспечивать высокий коэффициент модуляции тока. В силу сказанного диапазон рабочих температур известного устройства ограничен, поскольку при появлении теплового разброса скоростей электронов возникают условия для многомодового режима интерференции, а возникающие фазовые сдвиги между плечами чувствительны к величине управляющих напряжений, и температурные характеристики устройства ухудшаются.

Известное устройство принято за прототип, поскольку общими признаками с предлагаемым техническим решением являются изолирующая подложка и размещенные на ней интерференционный элемент, выполненный из квантовой проволоки, размеры которого меньше длины свободного пробега электрона и который соединен с токовводами, и система управляющих интерфенционным элементом электродов.

Задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении эксплуатационных характеристик квантово-интерференционного транзистора за счет расширения диапазона рабочих температур, снижения чувствительности к фазовым искажениям и сдвигам, а также миниатюризация устройства.

Задача решена тем, что в квантово-интерференционном транзисторе, содержащем изолирующую подложку и размещенные на ней интерференционный элемент, выполненный из квантовой проволоки, размеры которого меньше длины свободного пробега электрона и который соединен с токовводами, и систему управляющих интерференционным элементом электродов, в соответствии с изобретением интерференционный элемент выполнен в виде отрезка квантовой проволоки, а система управляющих электродов содержит один управляющий электрод, который выполнен в виде периодической гребенки и размещен вдоль одной из сторон интерференционного элемента. При этом интерференционный элемент может быть выполнен в виде прямолинейного отрезка квантовой проволоки, а управляющий электрод размещен параллельно интерференционному элементу.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 4. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлена схема определения энергии Ферми Е_F, которой определяется коэффициент пропускания транзистора, на фиг. 3 и 4 приведены расчеты коэффициента пропускания в зависимости от энергии электронов, испытывающих интерференцию в квантовом проводнике (интерференционном элементе).

Сущность изобретения заключается в реализации эффекта Пайерлса, стимулированного электрическим полем, и создании условий надбарьерного отражения электронов в многолучевой интерференции в одном квантовом проводнике. Управляющий электрод в виде периодической гребенки создает скачки потенциала, который дробит электронный поток на интерферирующие. При этом высота скачка периодического потенциала, наведенного в интерференционном элементе, V, связана с параметрами гребенки управляющего электрода и электрофизическими характеристиками квантовой проволоки интерференционного элемента следующими соотношениями

где a ширина зуба гребенки, d расстояние между соседними зубьями гребенки, m эффективная масса электрона, Е_F энергия Ферми, отсчитываемая от дна рабочей подзоны проводимости проводника интерференционного элемента, n_a и n_d целые числа, нумерующие запрещенные щели в коэффициенте пропускания интерференционного элемента. Рассматривая процесс надбарьерного отражения, при котором V<E_F, можно показать, что минимальное значение коэффициента пропускания транзистора, определяемое энергетическим уровнем запрещенной щели, описывается выражением
TminN

При этом энергетическая ширина запрещенной щели, центр которой приходится на уровень Ферми E_F, определяется соотношением
ΔE = 2•V/(π(n_a+n_d+1)). (3)
В случае теплового разброса скоростей электронов и ΔE = k_БT, где k_Б константа Больцмана, можно определить величину температуры Т, при которой возможна работа транзистора.

В силу того, что поперечное движение электронов в квантовой проволоке квантовано, можно выбрать положение дна одной из подзон (рабочей, например), определяемое поперечным размером интерференционного элемента, непосредственно под уровнем Ферми (фиг. 2). Подбор поперечного размера квантового проводника для интерференционного элемента позволяет уменьшить параметр E_F.

Таким образом, выбор параметров управляющего электрода периодической гребенки и подбор проводника для интерференционного элемента позволяют получать требуемый режим работы транзистора.

Управляющий электрод, размещенный в одной плоскости с интерференционным элементом на подложке, ориентирован вдоль проводника и, в частности, параллельно прямолинейному отрезку проводника. В этом случае при постоянстве периода гребенки и одинаковой ширине зубьев гребенки скачки потенциала вдоль проводника будут равными. Отклонение параметров элементов гребенки от идентичности приведет к появлению фазовых искажений, однако они могут быть скорректированы модуляцией работы управляющего электрода. Такой подход справедлив и в случае непараллельности, а также неидентичности (в пределах 20% разброса) геометрических размеров гребенки, что вполне реально при изготовлении квантовых элементов малого поперечного сечения современными методами.

Устройство работает следующим образом. Устройство содержит изолирующую подложку 1, на которой размещен интерференционной элемент 2 в виде отрезка квантовой проволоки, концы которого соединены с токовводами 3 и 4, и управляющий электрод 5 в виде периодической гребенки с токовводом 6 (фиг. 1).

При отсутствии смещения на управляющем электроде 5 ток по квантовому интерференционному элементу 2 идет в баллистическом режиме, т. к. длина отрезка интерференционного элемента меньше длины свободного пробега носителей. При этом снижается выделенное в элементе тепло (волновая функция электрона вдоль оси интерференционного элемента имеет вид плоской волны). При включении смещения управляющий электрод 5 периодически модулирует потенциал в интерференционном элементе 2 и при условии V<E_F при выполнении (1) возникает надбарьерное отражение на каждом скачке потенциала и конструктивная многолучевая интерференция отраженных волн.

Примеры конкретного выполнения.

1. Квантовый интерференционный транзистор выполнен со следующими параметрами: управляющий электрод 5 в виде периодической гребенки имеет 10 периодов гребенки (N 10), ширину зуба , расстояние между соседними зубьями , значение энергии Ферми Е_F 0,075 эВ, параметр V/E_F 0,2. Тогда ширина щели , что соответствует рабочей температуре Т 120К. Зависимость коэффициента пропускания интерференционного элемента от энергии электронов ε в области главного минимума коэффициента T_N(ε) при условии n_a n_d О для данного случая приведена на фиг. 3. Интерференционный элемент 2 выполнен в виде проволоки из InP толщиной порядка .

2. Квантово-интерференционный транзистор выполнен с интерференционным элементом 2 как в примере 1, управляющим электродом 5, имеющим 10 периодов гребенки (N 10) и следующие величины параметров: , , Е_F 0,0095 эВ, V/E_F 0,2. Тогда ширина щели и Т 15К. Аналогично примеру 1 зависимость коэффициента пропускания интерференционного элемента от энергии электронов для данного случая приведена на фиг. 4.

Сравнение с прототипом показывает, что в предлагаемом квантово-интерференционном транзисторе достигается существенное расширение диапазона рабочих температур. Выполнение интерференционного элемента в виде отрезка проволоки в сочетании с использованием управляющего электрода в виде периодической грабенки, размещенной вдоль отрезка квантовой проволоки, вдоль какой-либо стороны этого отрезка, приводит к миниатюризации устройства в целом, что существенно для использования в транзисторных приборах широкого назначения.

Источники информации
1. Appl.Phys.Lett. 1987, 51 (22), p.1807-1808.

2. А.с. СССР N 1562959. Квантово-интерференционный транзистор (прототип).

3. Appl. Phys. Lett. 1987, 50 (7), p.413-415. ЫЫЫ2

Использование: микроэлектроника, интегральные схемы широкого назначения. Сущность изобретения: в квантовом интерференционном транзисторе на изолирующей подложке размещены интерференционный элемент в виде отрезка квантовой проволоки, соединенного с токовводами, а также управляющий электрод в виде периодической гребенки, ориентированной вдоль отрезка проволоки и соединенной с токовводом. Выбором параметров гребенки задают параметры периодического потенциала вдоль оси интерференционного элемента, минимальное значение коэффициента пропускания, энергетическую ширину запрещенной щели в коэффициенте пропускания с центром на уровне Ферми и по ней величину рабочей температуры. При включении смещения управляющий электрод периодически модулирует потенциал в интерференционном элементе и, если периодический потенциал меньше энергии Ферми, отсчитанной от дна рабочей подзоны проводимости проводника интерференционного элемента, возникает надбарьерное отражение на каждом скачке потенциала и многолучевая интерференция отраженных волн. 4 ил.

Квантово-интерференционный транзистор, содержащий изолирующую подложку, размещенные на нем интерференционный элемент, выполненный из квантовой проволоки, имеющий размеры меньше длины свободного пробега электрона и соединенный с токовыводами, и управляющий электрод, отличающийся тем, что интерференционный элемент выполнен в виде прямолинейного отрезка квантовой проволоки, концы которого соединены с токовыводами, а управляющий электрод выполнен в виде периодической гребенки и размещен вдоль интерференционного элемента.