Резонансный полупроводниковый прибор на основе квантовых биений

 

Использование: в микроэлектронике, нанотехнологии и оптоэлектронике. Техническим результатом изобретения является увеличение быстродействия и снижение трудоемкости изготовления. Сущность изобретения: тонкопленочный нанокристаллический кремний, легированный атомами родия до создания примесных уровней в запрещенной зоне нанокристаллов кремния с энергиями 0.353 и 0.591 эВ от дна зоны проводимости кремния, позволяет при приложенном напряжении при электромагнитном поле получить высокочастотные осцилляции электрического или оптического сигналов с частотой более 10¹³ Гц. 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и приборам электронной техники с квантовыми потенциальными ямами.

Известно устройство [1], содержащее слоистую структуру легированного арсенида галлия (GaAs), нелегированного AlAs толщиной 5 нм, образующих первый потенциальный барьер, нелегированного GaAs толщиной 5 нм, представляющего энергетическую потенциальную квантовую яму, затем нелегированного AlAs толщиной 5 нм, являющегоя вторым потенциальным барьером, и легированного GaAs.

Принцип действия резонансного туннельного прибора [1] состоит в следующем. По мере возрастания приложенного напряжения к наружным слоям легированного GaAs ток, протекающий через слои от эмиттера к коллектору, первоначально нелинейно возрастает до своего резонансного значения, затем убывает при отстройке от резонанса из-за существования потенциальных барьеров и далее нерезонансно возрастает из-за возникновения тока утечки.

Недостатком этого технического решения является сложность изготовления свертонких слоев, высокая трудоемкость процесса молекулярно-лучевой эпитаксии слоев и низкое быстродействие по сравнению с частотами оптического диапазона.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [2], включающее в себя слои Аl₂О₃, формирующие потенциальные барьеры, электроды истока и стока и широкий (135 нм) и узкий (50 нм) затворы, позволяющие управлять током исток-сток. Формируемая энергетическая потенциальная яма глубиной 10-15 мэВ и высотой барьеров, близкой к энергии Ферми-электронов, позволяет при наложении малой величины напряжения реализовать резонансный процесс туннелирования с частотой от 90 до 360 ГГц.

Недостатками прототипа [2] являются низкое быстродействие по сравнению с частотами оптического диапазона и чувствительность к температуре, что приводит к необходимости охлаждать прибор в связи с увеличением неуправляемого тока утечки при нагревании. Кроме того, недостатком является сложность его изготовления, обусловленная формированием потенциальной энергетической ямы с заданными параметрами. Заявляемое устройство направлено на повышение быстродействия системы, снижение трудоемкости его изготовления и повышение стабильности его характеристик по отношению к температуре.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при формировании энергетической потенциальной ямы используется нанокристалл кремния (фиг.1), потенциальный барьер формируется слоем аморфного гидрогенизированного соединения SiO_x, окружающим нанокристаллы, а резонансные уровни в запрещенной зоне кремния реализуются за счет примесных атомов родия (с концентрацией 10¹⁴ см³) с энергиями 0.353 и 0.591 эВ от дна зоны проводимости. Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что используется эффект квантовой интерференции уровней атома родия с отношением сечений для них 0.04. Оптическая или электрическая накачка зоны проводимости за счет создания неравновесных носителей приводит к их релаксации на примесные уровни родия Rh1 и Rh2 с временами жизни на них 0.19 и 4.6 нс соответственно [3].

Квантовые биения уровней или квантовое модулирование фотолюминесцентного сигнала облучаемого полупроводникового материала обусловлено эффектом квантовой интференции флуоресцентных сигналов с близко расположенных на энергетической диаграмме уровней [4]. Причем волновая функция возбужденного электрона представляет собой линейную комбинацию функций вероятности уровней

где а и b - амплитуды вероятности нахождения электрона на уровнях 1 и 2;

Г₁ и Г₂ - спектральные ширины уровней.

Тогда интенсивность излучения или спектральная характеристика тока будут иметь вид

где W₁₂=E₁₂/h, Е₁₂ - разница в энергетических положениях двух уровней 1 и 2.

На чертеже схематично представлено резонансное туннельное полупроводниковое устройство (фиг.2) на основе квантовых биений уровней [5]. Устройство содержит металлический электрод, слой поликристаллического кремния, легированного родием, толщиной 300 нм, подложку кремния р-типа проводимости и второй металлический электрод. Приложенное напряжение создает ток, который нелинейно зависит от напряжения. Созданная напряженность поля порядка 810⁵ В/м за счет приложенного к электродам напряжения позволяет реализовать резонансный режим работы прибора, при которой через верхний уровень Rh1 осуществляется туннелирование, или релаксация электронов при возможной частоте осцилляции на уровне 10¹³ Гц.

Снижение трудоемкости осуществляется за счет использования поликристаллического кремния, легированного атомами родия, получаемого в результате вакуумно-плазменного осаждения [5].

Повышение стабильности по отношению к температуре достигается тем, что используются для реализации резонансного туннелирования фиксированные дискретные уровни родия в запрещенной зоне кремния.

Примеры конкретного исполнения могут быть следующими.

1. Полярный транзистор на основе поликристаллического кремния состоит из электрода, служащего истоком, поликристаллической пленки кремния, электрода, служащего затвором, и электрода-стока. Подаваемое напряжение на затвор регулирует вид нелинейной зависимости вольтамперной характеристики (I-Vси) прибора (см. фиг. 3).

2. Фотоэлектронный прибор, преобразующий световую энергию в электрическую, выполнен в виде тонкой пленки поликристаллического кремния, на поверхность которой нанесены два электрода. За счет облучения светом определенной длины волны происходит генерация неравновесных носителей, служащих источником тока (см. фиг. 4).

Источники информации

1. Maezawa K., NTT Review. V. 8, N 4, 1996, p.48-51.

2. Hu Q. et al. Semiconductor Science and Technology. V. 11, 1996, p.1888-1894.

3. Lisiak K. and Milnes A. Solid-State Electronics. V. 19, 1976, p.115-119.

4. Milovzorov D. Electrochemical and Solid State Letters. V. 4, 2001, p.1-3.

5. Milovzorov D., Inokuma T., Kurata Y. and Hasegawa S. Journal of Electrochemical Society. V. 145, N 10, 1998, p.3615-3620.

Формула изобретения

Прибор, содержащий полупроводниковый элемент и присоединенные к нему электроды для создания электрического поля, создающего ток, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент выполнен в виде пленки поликристаллического кремния, легированного атомами родия, создающими уровни в запрещенной зоне кремния с энергиями 0,353 и 0,591 эВ от дна зоны проводимости кремния, позволяющего осуществить резонансное туннелирование и квантовые биения интенсивности электрического и оптического сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4