7.4. Нанотранзисторы с резонансным туннелированием

Транзистор на квантовых точках

Модулировано – легированные гетероструктуры с квантовыми точками, встроенные в токовый канал представляют значительный интерес для устройств как микро, так и наноэлектроники.

Транзисторы на квантовых точках представляют, по существу, новый тип приборов на «горячих» электро­нах, весьма перспективный для СВЧ-электроники. На рисунке 7.13 представлена структура модулированно-легированого транзистора с квантовыми точками.

Рис. 7.13. Структура транзистора с квантовыми точками

Такие гетероструктуры растят по модели Странеки-Крастанова, т.е. эпитаксиальный слой формиру­ется на подложке с другими параметрами решетки. Квантовые точки возникают в слое, если его тол­щина превышает некоторое критическое значение.

На полуизолирующую подложку GaAs мето­дом молекулярно-лучевой эпитаксии наносится нелегированный буферный слой GaAs толщиной - 0,5 мкм. Затем наносятся два тонких слоя InAs, которые разделяются нелегированным «спейсер» – слоем GaAs. Толщина слоев InAs составляет от 0,7 до 1,0 нм, а слоя GaAs – от 3,5 до 5,6 нм. При этом формируются два слоя квантовых точек. Размер квантовых точек и их плотность варьируются в различных структурах. Затем выращивается второй «спейсер»-слой A1_0,2 Ga_0,8 As толщиной 10 нм. Далее выращиваются слои: δ(Si)-легированный и нелеги­рованный слой A1_0,2Ga_0,8As толщиной 35 нм.

Формирование такой гетероструктуры завершалось выращиванием нелегированного слоя GaAs толщи­ной 6 нм и легированного кремнием (n⁺=3∙10¹⁸см^-2) контактного слоя GaAs толщиной 40 нм. И, наконец, создавались электроды транзистора исток (И), затвор (З), сток (С). Длина затвора составляла 0,3-0,4 мкм. Выяснилось, что подвижность и концентрация элек­тронов в двумерном газе уменьшаются из-за нали­чия квантовых точек. Это означает, что квантовы­ми точками захватывается меньшее число элект­ронов.

Транспорт электронов в гетероструктурах с кван­товыми точками имеет два компонента. Один ком­понент формируется подвижными электронами из двумерного газа и соответствует насыщению их дрейфовой скорости. Другой компонент обусловлен электронами, локализованными в квантовых ямах. Второй компонент даст вклад в электронный транс­порт только в сильных электрических полях. На рисунке 7.14 приведены вольтамперные характерис­тики гетероструктурных транзисторов на квантовых точках с длиной затвора 0,35 мкм при различных значениях напряжения на затворе U_З.

Рис. 7.14. ВАХ транзистора на квантовых точках

Эти характеристики принципиально отли­чаются от характеристик обычных МОП-транзис­торов. Для них токи насыщения управляются напря­жением на затворе.

В транзисторных структурах на квантовых точках концентрация участвующих в транспорте электро­нов в сильных полях не зависит от напряжения на затворе. Пороговое же напряжение, необходимое для эмиссии электронов из квантовых точек, уменьша­ется, когда напряжение на затворе становится от­рицательным.

Если в МОП транзисторных структурах происходит запирание транзистора при отрицательных напряжениях на затворе, то в транзисторах на квантовых точках ток стока в области малых напряжений на стоке имеет тенденцию увеличения.

Такой тип транзисторов принципиально отличается от всех известных полевых транзисторов. Прибор имеет высокую реальную крутизну

S_MAX ≈ 500 мСм/мм, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры надеяться на их использование в СВЧ-приборах.