6.2. Элементы на основе наноэлектронных структур
6.2.1. Резонансно-туннельный диод
Резонансный туннельный эффект (рис. 6.1) /2/ проявляется в двух- или многобарьерной периодической структуре и состоит в резком увеличении вероятности прохождения частицы сквозь барьеры, если ее энергия совпадает с каким-либо размерным уровнем энергии в потенциальной яме, разделяющей барьеры (рис. 6.1, в).
Резонансное туннелирование сквозь ряд барьеров возникает только в случае, если ширина ям и барьеров имеет порядок длины волны де Бройля. В этом эффекте время прохождения электроном структуры включает, помимо времен туннелирования, время пребывания электрона в яме, разделяющей барьеры, т. е. время его жизни τ на резонансном уровне. Например, согласно оценке, для двойной гетероструктуры, состоящей из слоев Al0,3Ga0,7As (5 нм)-GaAs (7 нм)- Al0,3Ga0,7As (5 нм) при высоте барьеров 0,2 эВ, время τ~8·10-12с, т. е. все же достигается терагерцевый диапазон. Величина τ уменьшается при дальнейшем уменьшении размеров структуры, двухбарьерные структуры представляют большой интерес для электроники, так как на их основе могут работать СВЧ - приборы в диапазоне сотен ГГц и переключатели с задержкой менее 1 пс. Созданы приборы на основе двухбарьерной структуры - резонансно-туннельные диод и транзистор. Разработаны и находят применение многобарьерные структуры, которые называются сверхрешетками.
Рис. 6.1. Структура (а), энергетические диаграммы (б, в, г) и вольт-амперные характеристики (д) резонансно-туннельного диода: пунктир на рис. д - идеализированная характеристика, сплошная кривая - реальная характеристика
Вариант структуры резонансно-туннельного диода изображен на рис. 6.1, а. На рис. 6.1, б, в, г приведены энергетические диаграммы, поясняющие работу диода. Основные части диода: 1 и 5 - сильнолегированные слои n+-GaAs, (эмиттер и коллектор), толщина этих слоев лежит за пределами нанометрового диапазона; 3 - квантовая яма толщиной d3= 3-10 нм, слой (из слаболегированного n-GaAs): 2, 4 - барьеры из AlxGa1-xAs толщиной d2=d4= 2-5 нм. Высота барьеров U0 зависит от концентрации алюминия x. Величина U0 возрастает от 0,2 эВ при x= 0,3 до 0,35 эВ при x= 1. Предполагается, что высота барьера U0 и ширина потенциальной ямы d3 подобраны так, что в яме образуется только один размерный квантовый уровень E1. Величина EC1,5 соответствует дну зоны проводимости арсенида галлия GaAs; величина EC2,4 - дну зоны проводимости соединения AlGaAs; EF1, EF - уровни Ферми в сильнолегированных слоях GaAs. (В сильнолегированных n-полупроводниках уровень Ферми располагается в зоне проводимости, и все уровни от дна зоны проводимости до уровня Ферми при низких температурах заняты электронами. На рис. 6.1, б, в, г штриховкой показаны заполненные уровни.)
Энергетическая диаграмма, представленная на рис. 6.1, б соответствует состоянию равновесия структуры. Напряжение между эмиттерами и коллектором U=0, ток в структуре отсутствует.
На рис. 6.1, д показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) диода: 1 - идеализированная, 2 - реальная. На ВАХ имеется падающий участок при U=U2, т. е. участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать резонансный туннельный прибор для генерации СВЧ - колебаний с частотами выше (на порядок и более), чем в обычных туннельных диодах. В экспериментах достигнута частота генерации 700 ГГц. Величинами U1 и U2можно управлять, изменяя ширину ямы, что приводит к изменению положения размерного уровня.
Резонансно-туннельный диод преобразуется в транзистор, если к центральной части структуры (см. рис. 6.1, а) подвести электрод, регулирующий положение размерного уровня E1 с помощью электрического поля.
На основе резонансно-туннельных диодов разработаны аналого-цифровые преобразователи на несколько ГГц, логические элементы, запоминающие устройства, которые можно использовать в процессорах, и другие цифровые устройства для быстродействующей электроники.