Dispositivo semiconductor de caja cuántica
Descripción general
 Se refiere cuántica dispositivo de caja de semiconductor flexibilidad de la portadora para controlar las transiciones de soporte entre la caja cuántica de dimensión cero, y un objeto del mismo es proporcionar un dispositivo cuántico cuadro de semiconductor de estructura novedosa. ] Y el portador emisor de formación de estructura de caja cuántico en un semiconductor, y una pluralidad de portadores de colector de inyección de túnel puede medida cerca de la formada en la estructura de caja cuántico semiconductor de dichos emisores de transporte, cajas cuánticas del colector portador Y medios de control para controlar el tamaño con un voltaje externo.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un dispositivo semiconductor, y más particularmente a un dispositivo semiconductor de caja cuántica para controlar la transición del portador entre cajas cuánticas que tienen un grado cero de libertad de portadores.
A medida que la tecnología de microfabricación de semiconductores ha avanzado, los dispositivos semiconductores pueden fabricarse con un tamaño submicrónico o inferior. Las propiedades mecánicas cuánticas de los portadores aparecen en regiones semiconductoras miniaturizadas a un tamaño aproximadamente igual a la longitud de onda de Broglie de los electrones intra-sólidos. Como resultado, los niveles de energía de los electrones y los agujeros se cuantifican.
La tunelización por resonancia es una de las nuevas funciones que utilizan estos niveles cuantificados. Este fenómeno selectivamente portador sólo cuando los dos niveles de energía coincide próxima la que la transición túnel, transistor de electrones caliente resonante (Rhet) son prototipo usando el mismo al emisor.
Antecedentes de la técnica
En el caso de RHET, la portadora (electrón) generalmente transita el nivel entre dos capas de pozos cuánticos adyacentes. Es decir, el grado de libertad del transportista es bidimensional.
Sin embargo, la temperatura ambiente no se puede evitar la influencia de la vibración térmica de enrejado, para la falta de definición de la distribución de energía y el nivel de energía de la portadora, es a menudo características afiladas no se pueden obtener.
Se propone nivel Por lo tanto, limita aún más la libertad de la portadora, alambres cuánticos permitió localizada (portadora 1-dimensional) y cajas cuánticas (transportadoras 0-dimensional), se han estudiado aplicación al dispositivo.
Por ejemplo, la marca de TI conduce et al. Da a conocer un dispositivo semiconductor que utiliza un túnel resonante de cero dimensiones (JP No. 61 123 174, JP 61 No. 81662, JP No. 61 82 470, JP 61 82 471 Issue, JP-A-61/82472 y JP-A-61/82473). Este es un elemento lógico que realiza el control de túneles de los electrones mediante la utilización de cambios en el potencial externo de los electrones.
Tarea de solución
O más en el dispositivo de cuantificación de semiconductores convencional descrito es totalmente modular un potencial campo externo de la región que contiene el potencial de la región que contiene el pozo de potencial, o electrones cero-dimensionales de poner las cajas cuánticas. Por lo tanto, se propaga un campo eléctrico para controlar el funcionamiento del dispositivo de cuantificación de semiconductor a una región que no sea el nivel cuántico de, por lo que resulta límite en las proximidades del dispositivo de cuantificación de semiconductores.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un nuevo dispositivo semiconductor de caja cuántica. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo semiconductor de caja cuántica basado en un método de accionamiento capaz de una alta integración.
Solución
dispositivo de caja de semiconductor Quantum de la presente invención incluye un emisor de portadora de formación de estructura de caja cuántico en un semiconductor, una pluralidad de soportes de colector de formación de estructura de caja cuántica en dicho semiconductor lo suficientemente cerca para inyección en el túnel desde el emisor portador Y medios de control para controlar el tamaño de la caja cuántica del colector portador con un voltaje externo.
Cuando se cambia el tamaño de la caja cuántica, cambia el nivel cuántico permitido en la caja cuántica. El fenómeno de efecto túnel de resonancia puede controlarse utilizando el cambio en el nivel cuántico.
La figura 1 muestra esquemáticamente el principio de la presente invención. 1 (A) es un diagrama de potencial que ilustra el estado cuántico de la 8A colector portadora adyacente al emisor portador 7 a (uno de una pluralidad de portadores de colector). A medida que el tamaño de la caja cuántica se reduce, su distribución potencial dibuja una cola como se muestra en la figura, lo que dificulta el cambio brusco.
La parte superior de la figura 1 (A) muestra un estado en el que no se aplica voltaje externo al colector 8 del transportador A. La figura por simplicidad muestra un caso donde 8A colector portador nivel 6AA que el nivel cuántico 5 del emisor portador 7 está en la posición con energía inferior, la presente invención no es, por supuesto, limitada a los mismos.
En el diagrama superior de la figura. 1 (A), la como medios para el lado izquierdo del emisor soporte 7 para el suministro de portadores al emisor 7, la fuente 2 se indica mediante flechas, es también a la derecha de la 8A colector portador dicha Un drenaje 4 A para extraer portadores del colector 8 A está indicado por una flecha.
Figura 1 (A) como se muestra en el medio, una tensión externa medios de aplicación a la 8A colector portador ahora, por ejemplo, se aplica un voltaje desde el electrodo adjunto, un tamaño de la caja cuántico en la dirección indicada por la flecha 1 mediante la expansión de la periferia de la región de agotamiento Cuando se contrae, el nivel cuántico 6 Ab del colector de soporte 8 A se desplaza al lado de alta energía. Al mismo tiempo, se eleva el fondo del potencial.
Cuando el nivel cuántico de portadores emisor 7 y el soporte de colector 8A igual con energía, se produce un túnel de resonancia, portadores inyectados desde la fuente 2 al transportista emisor 7 tránsitos a la 8A colector portador.
Por lo tanto, si los niveles cuánticos del colector de soporte 8A y el drenaje 4A coinciden por medios apropiados, los portadores fluyen desde la fuente 2 al drenaje 4A en este momento. Por supuesto, si el drenaje 4A no está cuantificado, el transportador que ha hecho la transición al colector de soporte 8A puede fluir inmediatamente al interior del drenaje 4A en estado caliente.
A temperatura ambiente, el nivel cuántico se ve borroso debido a la vibración de la red y otros mecanismos de dispersión de la portadora, por lo que la probabilidad de transición tiene un cierto ancho. A continuación, se mejorará aún más la tensión externa, como se muestra en la Fig. 1 (A), los niveles cuánticos inferiores 6Ac colector portador 8A es energéticamente más alto que el nivel cuántico 5 del emisor portador 7, el estado no resonante . Como resultado, la transición desde el emisor portador 7 al colector de portador 8 A se detiene nuevamente.
Control de nivel de la caja cuántica de la presente invención puede ser por una tensión externa aplicada a la caja cuántica, no se refiere necesariamente a la potencial fuera alrededor de las cajas cuánticas, la rodea como dispositivo de caja cuántica de la impureza de la técnica anterior Es difícil verse afectado por cargas eléctricas como.
La figura 1 (B) muestra un ejemplo de disposición de una pluralidad de colectores de soporte (tres colectores de soporte 8 A, 8 B y 8 C en la figura) de la presente invención. Con el objetivo de explicarlo ahora, consideremos el tamaño de cada colector de transportista,
8 A <8 B <8 C
Como se muestra en la Fig. Además, el transportista es un electrón e.
Los tamaños de los colectores de soporte 8 A, 8 B, 8 C se pueden controlar como se muestra en la figura 1A cuando no se aplica voltaje externo. A medida que la aplicación de una tensión externa, por la relación de tamaño de cajas cuántica, y el 8A nivel cuántico portadores 6A colector en primera posición más energéticamente superior coincida con el nivel cuántico 5 del emisor portador 7, de la fuente 2 Los electrones e inyectados en el emisor portador 7 se inyectan de forma resonante en el túnel en el colector portador 8 A.
Si mejorará aún más la tensión externa, el 8A colector portador se convierte en no resonante, colector portador 8B que tiene el siguiente nivel de energía más alto en lugar se convierte en estado de resonancia, los electrones de inyección de túnel desde el nivel cuántico 5 a la 6B nivel cuántico Ocurre
Además, el aumento gradual de tensión externa, 8B colector portador también se convierte en no resonante hasta 8C colector portador nivel cuántico 6C que estaba en el estado no resonante se produce una coincidencia túnel resonante el portador nivel emisor 5.
De esta forma, los portadores de un emisor de portador 7 pueden cambiar arbitrariamente a una pluralidad de canales conductivos (compuestos de un colector de portador y un drenaje) con un umbral relativamente agudo.
Estado como el principio descrito con referencia a la Fig. 1, utilizando un heterocigoto modulación de dopaje, por ejemplo, se utilizan en alta transistor movilidad (HEMT), puede ser incorporada por micromecanizado una formación electrodo adecuado.
Es decir, una baja concentración de impurezas, por encima o por debajo de la primera semiconductor que tiene un intersticio de banda estrecha, una alta concentración de impurezas, al apilar el segundo semiconductor que tiene una amplia banda prohibida, se forma la estructura de dopado de modulación, la primera Una capa de pozo está formada por una banda doblada en la interfaz de heterounión del semiconductor, y los electrones están integrados en la capa del pozo. Como se trata de un gas de electrones bidimensional, al aislar la periferia con una capa de agotamiento, se puede crear un estado unidimensional o de dimensión cero.
El uso de tal estado cero-dimensional, la Fig. 1 (A), la condición de resonancia incluso sin formar el exterior excepcional gradiente de potencial mediante la realización de un control, cajas cuánticas de cajas cuánticas tamaño como se muestra en (B) Puede ser controlado
De aquí en adelante, la presente invención se describirá con más detalle en base a ejemplos.
La figura 2 muestra una vista en planta de la región de capa funcional de un dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal de acuerdo con una realización de la presente invención. La configuración de sección transversal XY de la figura 2 es como se muestra en la figura 3, por ejemplo.
La figura 2 es un caso similar de la Fig. 1 (B), (tamaño 48 <50 <52 orden) diferentes de colección caja cuántica de soporte 48, 50, 52 del tamaño cerca de la portadora caja cuántica emisor 46 está localizado Indica que es.
El intervalo de emisor / colector es de varias decenas de nanómetros que pueden inyectarse en un túnel incluso por reducción de tamaño debido al agotamiento del colector. Además, cada tamaño del emisor y el colector es de varias decenas de nm.
Una fuente 38 está dispuesta en las proximidades del emisor portador 46, y los drenajes 40, 42 y 44 están dispuestos en la proximidad de los colectores 48, 50 y 52, respectivamente. En el caso del dibujo, cada región de drenaje tiene una estructura de canal unidimensional (cable cuántico), pero puede no necesariamente cuantificarse.
nivel cuántico de los drenajes 40, 42, 44, cada uno de los electrodos de puerta (no mostrado) al ser controlado de manera que coincida con los respectivos colectores de soporte 48, 50, 52 un nivel cuántico.
La fuente 38 está conectada a la región de gas de electrones bidimensional 72, y el electrodo de fuente 30 está dispuesto en la región 72. Por otro lado, conectado a los drenajes 40, 42 y 44 también cada región 2-dimensional de electrones de gas 74, 76, 78, drenar respectivamente electrodo 32, 34, 36 se proporciona en cada una de las regiones. En el colector de soporte 48, 50, 52, se proporciona un electrodo de puerta común 54.
Dicha estructura se fabrica, por ejemplo, como se describió anteriormente. En primer lugar, como se muestra en la Figura 3, una capa de GaAs no dopado 62 que tiene un espesor de 500 nm sobre un sustrato de GaAs semi-aislante 60, una sin dopar AlGaAs capa espaciadora 64 que tiene un espesor de la misma de 10 nm, el espesor de 45 nm sobre el mismo, una concentración de impurezas de 1 x n-tipo de capa de suministro de electrones AlGaAs 66 de 1018Cm3, al respecto a un espesor de 45 nm, una capa de contacto n + de tipo GaAs 68 que tiene una concentración de portadores 1 × 1018cm3, obtener una estructura multi-capa continua formada por MBE.
A continuación, sobre la capa de tipo n + GaAs contacto 68, el electrodo de fuente 30 y drenaje electrodo 32, 34 y 36 hecho de Auge / Au (espesor de 20 nm / 200 nm) utilizando una deposición de vapor y un método normal lift-off.
A continuación, se realiza un tratamiento térmico para alear el electrodo. La región aleada alcanza la capa de gas de electrones bidimensional 70 en la dirección de la profundidad. En consecuencia, la conexión eléctrica desde el electrodo de fuente 30 y los electrodos de drenaje 32, 34, 36 a la capa de gas de electrones bidimensional 70 se forma a través de la región de aleación.
La capa 62 de canal GaAs sin dopar y la capa 66 de suministro de electrones AlGaA de tipo n forman una heterounión dopada modulada. En la capa de gas de electrones bidimensional 70 se forma en la región de interfaz heterounión entre la capa de canal de GaAs no dopado 62, la concentración de portadores de hoja de aproximadamente 2,3 × 1011cm-2, la movilidad de los electrones es de aproximadamente 800000cm2 / V sec.
Para formar el portador de emisor 46 y el colector de soporte 48, 50, 52 a la capa de gas bidimensional de electrones 70, como se muestra en la Fig. 3, n + de tipo GaAs capa de contacto 68 y la de tipo n de electrones AlGaAs usando grabado en seco selectivo Una porción de la capa de suministro 66 se excava hacia regiones separadas correspondientes a la región fuente, el emisor portador, el colector portador y la región de drenaje.
En la capa de canal de GaAs no dopado 62 inmediatamente por debajo de las regiones grabadas al agua fuerte, la capa de gas de electrones bidimensional 70 desaparece de la región de interfaz heterounión por empobrecido. Por último, con el fin de controlar el tamaño de la caja cuántica del colector portador 48, 50, 52 por tensión externa, depositar un electrodo de puerta Schottky 54 hecha de Al película del espesor correspondiente de 300 nm en una región de la capa de contacto 68. El electrodo 54 se forma continuamente para controlar la totalidad del colector de soporte 48, 50, 52 como se indica mediante una línea de puntos en la figura 2.
Como se muestra en la figura 3, el electrodo de compuerta Schottky 54 está formado no solo por la superficie de la región en forma de isla de la capa de contacto sino también por una película de Al depositada alrededor de la superficie lateral. La figura 3 (B) muestra otra forma del electrodo de puerta Schottky 54. En este caso, la película de Al no se deposita en la superficie superior de la región de la isla de la capa de contacto 68, sino solo en la superficie lateral.
Así, cuando reducción sólo tamaño de la caja cuántica mediante la aplicación de un voltaje a los electrodos 54 formados en la superficie lateral, en comparación con el caso en toda la superficie de la formación del electrodo, la relación de cambio de nivel cuántico que la relación de reducción del tamaño del colector portador para llegar a ser grande, el aumento de la salida para el mismo cambio en la tensión de puerta, la caída es fuerte, también tiene la ventaja de que la separación de salida de la multi-canal se vuelve más clara que a través de una pluralidad de portadores de colector.
Los tamaños de caja cuántica de los colectores de soporte 48, 50 y 52 formados como se describió anteriormente en esta realización son,
Colector 50 Haz una relación así.
Es decir, el nivel cuántico de cada colector de portador cuando el voltaje externo no se aplica está en la posición de energía más baja del colector 52, luego el colector 48 y luego el colector 50.
Por simplicidad, ahora se supone que el tamaño del emisor de portadora 46 se hace más pequeño que el del colector de portador 50. En este momento, entre las cajas cuánticas, el nivel cuántico del emisor portador 46 llega a la posición de energía más alta.
Por supuesto, el tamaño del emisor portador puede ser mayor o igual que los otros cuadros cuánticos. Estos simplemente desplazan la energía de nivel cuántico relativo con relación al voltaje aplicado al electrodo 54 de compuerta, y no afectan inherentemente al funcionamiento del dispositivo semiconductor.
nivel cuántico del cable cuántico región 38, 40, 42, 44 formadas respectivamente en las regiones de la caja cuántica 46, 48, 50, 52 suficientemente cerca para ser inyección en el túnel es energéticamente que el nivel de la caja cuántica Está en una posición baja.
La figura 4 (A) muestra el estado potencial de cada región cuando no se aplica voltaje al electrodo de puerta 54. nivel Quantum 47 del soporte de emisor 46 es energéticamente más alto que el nivel cuántico 51 del colector de soporte 50, el nivel cuántico 49 del colector portador 48 es más bajo que el nivel cuántico 51, también nivel cuántico 53 del colector portador 52 Es incluso más bajo que el nivel cuántico 49.
Ahora, el aumento del nivel cuántico de la fuente 38 mediante la aplicación de un voltaje negativo al electrodo de fuente 30, cuando coincide con el nivel cuántico 47 del soporte de emisor 46, se produce túnel resonante, los electrones inyectados en el soporte de emisor 46 .
También se aplica un voltaje negativo al electrodo 34 de drenaje de modo que el nivel cuántico del drenaje 42 se haga coincidir con el nivel cuántico 51 del colector 50 de soporte con antelación. Sin embargo, dado que el nivel cuántico 51 está en una posición inferior en energía que el nivel cuántico 47, la corriente de drenaje no fluye.
A continuación, cuando se aplica una tensión negativa al electrodo de compuerta Schottky 54, el nivel cuántico de cada colector sube enérgicamente. Primer nivel cuántico 51 del colector de soporte 50 es consistente con el nivel cuántico 47 del soporte de emisor 46 se convierte en estado de resonancia, las transiciones electrónicas desde el emisor portador al colector portador.
Los electrones túnel a inyectar en los niveles cuánticos 51, ya que el nivel cuántico del nivel cuántico 51 y drenaje 42 son coincidentes, el flujo inmediatamente al drenaje 42 por túnel resonante, para formar una corriente de drenaje. Esto se muestra en la figura 4 (B).
Mientras tanto, el nivel cuántico del otro colector de portadores, y la Fig. 4 (B) medio, como se muestra en la parte inferior, energéticamente que el nivel cuántico 47 del soporte de emisor 46, observada desde la posición inferior, la corriente fluye de drenaje No Los niveles cuánticos de los drenajes 40 y 44 se hacen coincidir con los niveles cuánticos 49 y 53 de los colectores de soporte 48 y 52.
Toma la tecla gradualmente sesgar profundamente el electrodo de puerta 54, el nivel cuántico del colector portadora se eleva, a continuación, el desagüe 40 del colector portador 48, más entonces fluye una corriente a través del drenaje 44 del colector portador 52 clara Ahí Cuando la corriente de drenaje fluye a través de cada colector de transporte, las otras corrientes de drenaje son casi cero.
La figura 5 muestra la relación de la corriente de drenaje que fluye con respecto a la tensión de la puerta Schottky. Drenaje de corriente por las vibraciones del enrejado y por nivel de transición entre tales a temperatura ambiente no se convierta completamente cero, pero afilada de corte de la corriente es difícil, se puede cambiar el canal de la corriente que fluye a través de sólo la magnitud de la tensión de puerta a una alta velocidad .
Tal dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal es adecuado para la aplicación a dispositivos altamente integrados tales como redes neuronales. En las realizaciones anteriores, se disponen tres canales alrededor del emisor portador 46, pero es posible, por supuesto, aumentar o disminuir el número de canales según sea necesario. Además del método de grabado mencionado anteriormente, se puede usar un método de implantación de iones para formar la caja cuántica.
En la realización anterior, aunque la capa de gas de electrones bidimensional 70 está formado por AlGaAs / GaAs dopado modulación, otros materiales, combinaciones, por ejemplo, es evidente que puede usarse InAlAs / InGaAs o similares. Además, la fuente 38 y los drenajes 40, 42, 44 pueden ser estructuras de pozos cuánticos o pueden no estar cuantificados.
En las realizaciones descritas anteriormente, los portadores que se desplazan son electrones, pero es evidente a partir del principio de la presente invención que se pueden usar orificios. La presente invención ha sido descrita en conexión con las realizaciones preferidas, pero la invención no está limitada a los mismos. Por ejemplo, será obvio para los expertos en la técnica que pueden realizarse diversas modificaciones, mejoras, combinaciones y similares.
Efecto de la invención
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con la presente invención, un tamaño de la caja cuántica del colector portador que constituye el multicanal cambiando en eficazmente la tensión externa, es posible cambiar el nivel cuántico en el cuadro cuántica. Cambiando apropiadamente el nivel cuántico de cada colector de portador con voltaje, es posible seleccionar un canal arbitrario y fluir selectivamente una corriente por efecto túnel resonante.
Como el nivel cuántico se controla cambiando el tamaño de la caja cuántica, es menos susceptible a la influencia de las cargas eléctricas debidas a las impurezas circundantes y similares y se puede miniaturizar aún más. Por lo tanto, es posible formar un circuito de conmutación de alta velocidad con alta integración.
Breve descripción de los dibujos
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS FIG.
La figura 2 es una vista en planta que muestra una región de operación de la realización de la presente invención.
La figura 3 es un diagrama de configuración esquemático en la sección transversal XY de la figura 2.
La figura 4 es una vista esquemática para explicar el funcionamiento de la realización mostrada en las figs.
La figura 5 es un gráfico que muestra un cambio de corriente de cada canal mediante la operación mostrada en la figura 4.
La aplicación de voltaje externo significa a una caja cuántica
2 Fuente de estructura de alambre cuántico
3 Barrera potencial de emisor / colector portador
4 Drenaje de la estructura del cable cuántico
5 Nivel cuántico de emisor portador
6 Nivel cuántico de colector portador
7 Emisor portador
8 Coleccionista portador
30 Electrodo fuente
32, 34, 36 electrodo de drenaje
38 Fuente
40, 42, 44 drenaje
46 Emisor portador
47 Nivel cuántico de emisor portador
48, 50, 52 Carrier coleccionista
49, 51, 53 Nivel cuántico de colector portador
54 Electrodo de puerta Schottky
60 sustrato semi-aislante GaAs
62 capa de canal de GaAs no dopada
64 capa espaciadora AlGaAs no dopada
66 capas de suministro de electrones AlGaAs tipo n
Capa de contacto GaAs tipo 68 n +
70 Capa de gas de electrones bidimensional
72 Región de fuente de gas de electrones bidimensional
74, 76, 78 región bidimensional de drenaje de gas de electrones
Reclamo
En la reivindicación 1 emisor portador de formar estructura de caja cuántico en un semiconductor (7), una pluralidad de portadores de colector de formación de estructura de caja cuántica en dicho semiconductor lo suficientemente cerca para inyección en el túnel desde el emisor de soporte (7) (8A, 8B, ...) y medios de control (1) para controlar el tamaño de la caja cuántica del colector de soporte (8A, 8B, ...) con una tensión externa.
La reivindicación 2 en el que además la fuente del pozo cuántico o estructura cable cuántico para el suministro de un portador al emisor de soporte (7) (2) y el colector de soporte (8A, 8B, ...) de los pozos cuánticos para la elaboración de soportes de cada uno o 4. Dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal según la reivindicación 1, que comprende un drenaje (4A, 4B, ...) de una estructura de cable cuántico.
La reivindicación 3 en el que la pluralidad de colector portador (8A, 8B, ...) con antelación forma diferente el tamaño de la caja cuántica, tener los medios para los medios de control (1) se aplica una misma tensión externa a una pluralidad de portadores de colector 3. Un dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se genera una inyección de túnel resonante desde dicho emisor de soporte (7) a diferentes colectores de soporte de acuerdo con la tensión.
La reivindicación 4, caracterizado porque la fuente (2), el emisor de soporte (7), formando un colector de soporte (8A, 8B, ...) y el desagüe (4A, 4B, ...) es una región de gas de electrones bidimensional que apareció por heterouniones de modulación dopada 14. Dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal según la reivindicación 13,
5. Dispositivo semiconductor de caja cuántica multicanal según la reivindicación 4, en el que los medios de control (1) incluyen electrodos Schottky formados en la pluralidad de colectores de soporte (8A, 8B, ...).
Dibujo :
Application number :1994-005879
Inventors :富士通株式会社
Original Assignee :齋藤美寿