Резонансно-туннельный диод
Резонансно -туннельный диод ( RTD ) — это диод с резонансно-туннельной структурой, в которой электроны могут туннелировать через некоторые резонансные состояния на определенных энергетических уровнях. На вольт-амперной характеристике часто наблюдаются области отрицательного дифференциального сопротивления .
Все типы туннельных диодов используют квантово-механическое туннелирование .Характерной чертой соотношения ток-напряжение туннельного диода является наличие одной или нескольких областей отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать множество уникальных приложений. Туннельные диоды могут быть очень компактными, а также способны работать на сверхвысокой скорости, поскольку эффект квантового туннелирования через очень тонкие слои представляет собой очень быстрый процесс. Одно из направлений активных исследований направлено на создание генераторов и переключающих устройств, способных работать на терагерцовых частотах. [1]
Введение
[ редактировать ]РДТ может быть изготовлен с использованием множества различных типов материалов (таких как полупроводники III–V, типа IV, II–VI) и различных типов резонансно-туннельных структур, таких как сильнолегированный p-n-переход в диодах Эсаки , двойной барьер, тройной барьер, квантовая яма или квантовая проволока . Структура и процесс изготовления резонансных межзонных туннельных диодов Si/SiGe подходят для интеграции с современной Si-комплементарной технологией металл-оксид-полупроводник ( КМОП ) и биполярной технологией гетероперехода Si / SiGe .
Один тип РТД представляет собой структуру с одной квантовой ямой, окруженную очень тонкими слоями барьеров. Такая структура называется структурой с двойным барьером. Носители, такие как электроны и дырки, могут иметь только дискретные значения энергии внутри квантовой ямы. Когда на RTD подается напряжение, излучается терагерцовая волна , поэтому значение энергии внутри квантовой ямы равно значению энергии на стороне эмиттера. При увеличении напряжения терагерцовая волна затухает, поскольку значение энергии в квантовой яме находится за пределами энергии на стороне эмиттера.
Еще одна особенность, наблюдаемая в структурах RTD, — это отрицательное сопротивление при приложении смещения, что можно увидеть на изображении, созданном с помощью Nanohub . Формирование отрицательного сопротивления будет подробно рассмотрено в разделе «Работа» ниже.
Эту структуру можно вырастить методом молекулярно-лучевой гетероэпитаксии . GaAs и AlAs Для формирования этой структуры, в частности, используются AlAs/ InGaAs или InAlAs . Можно использовать /InGaAs.
Работу электронных схем, содержащих РДД, можно описать системой уравнений Льенара , которые являются обобщением уравнения генератора Ван дер Поля . [2] [3] [4]
Операция
[ редактировать ]Следующий процесс также проиллюстрирован на рисунке справа. В зависимости от количества барьеров и количества замкнутых состояний внутри ямы описанный ниже процесс может повторяться.
Область положительного сопротивления
[ редактировать ]При низком смещении по мере увеличения смещения первое ограниченное состояние между потенциальными барьерами приближается к уровню Ферми источника , поэтому ток, который оно несет, увеличивается.
Область отрицательного сопротивления
[ редактировать ]По мере дальнейшего увеличения смещения первое ограниченное состояние становится более низким по энергии и постепенно переходит в энергетическую область запрещенной зоны, поэтому ток, который оно несет, уменьшается. В это время второе ограниченное состояние все еще имеет слишком высокую энергию, чтобы проводить значительный ток.
2-я область положительного сопротивления
[ редактировать ]Как и в первой области, по мере того, как 2-е ограниченное состояние становится все ближе и ближе к исходному уровню Ферми, оно пропускает больше тока, что приводит к новому увеличению общего тока.
Внутризонное резонансное туннелирование
[ редактировать ]При квантовом туннелировании через одиночный барьер коэффициент прохождения, или вероятность туннелирования, всегда меньше единицы (для энергии входящей частицы меньше высоты потенциального барьера). Рассматривая потенциальный профиль, содержащий два барьера (расположенных близко друг к другу), можно рассчитать коэффициент прохождения (как функцию энергии налетающих частиц) любым из стандартных методов.
Туннелирование через двойной барьер было впервые решено в приближении Венцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ) Дэвидом Бомом в 1951 году, который указал, что резонансы в коэффициенте пропускания возникают при определенных энергиях падающих электронов. Оказывается, для некоторых энергий коэффициент прохождения равен единице, т.е. двойной барьер полностью прозрачен для прохождения частиц. Это явление называется резонансным туннелированием. [5] Интересно, что хотя коэффициент пропускания потенциального барьера всегда меньше единицы (и уменьшается с увеличением высоты и ширины барьера), два барьера подряд могут быть полностью прозрачными при определенных энергиях налетающей частицы.
Позднее, в 1964 г., Л. В. Иогансен обсудил возможность резонансного прохождения электрона через двойные барьеры, образующиеся в полупроводниковых кристаллах. [6] В начале 1970-х годов Цу , Эсаки и Чанг вычислили двухполюсную вольт-амперную характеристику (ВАХ) конечной сверхрешетки и предсказали, что резонансы могут наблюдаться не только в коэффициенте прохождения, но и в ВАХ. [7] Резонансное туннелирование происходит и в потенциальных профилях с более чем двумя барьерами. Достижения в технике MBE привели к наблюдению отрицательной дифференциальной проводимости (NDC) на терагерцовых частотах, как сообщили Sollner et al. в начале 1980-х годов. [8] Это вызвало значительные исследовательские усилия по изучению туннелирования через многобарьерные структуры.
Потенциальные профили, необходимые для резонансного туннелирования, могут быть реализованы.в полупроводниковой системе с использованием гетеропереходов, в которых используются полупроводникиразличных типов для создания потенциальных барьеров или ям в проводимостизона или валентная зона.
Резонансно-туннельные диоды III-V
[ редактировать ]Резонансно-туннельные диоды обычно реализуются в системах соединений материалов III-V , где гетеропереходы, состоящие из различных соединений полупроводников III-V, используются для создания двойных или множественных потенциальных барьеров в зоне проводимости или валентной зоне. Были реализованы резонансно-туннельные диоды III-V с достаточно высокими характеристиками. Такие устройства еще не вошли в массовое применение, поскольку обработка материалов III-V несовместима с технологией Si CMOS, а стоимость высока.
В большинстве полупроводниковой оптоэлектроники используются полупроводники III-V, поэтому можно комбинировать RTD III-V для создания оптоэлектронных интегральных схем (OEICS), которые используют отрицательное дифференциальное сопротивление RTD для обеспечения электрического усиления оптоэлектронных устройств. [9] [10] Недавно изменчивость вольт-амперной характеристики RTD от устройства к устройству была использована как способ уникальной идентификации электронных устройств в так называемой физической неклонируемой функции с квантовым ограничением (QC-PUF). [11] Пиковое поведение в RTD исследуется для оптических нейроморфных вычислений . [12]
Резонансно-туннельные диоды Si/SiGe
[ редактировать ]Резонансно-туннельные диоды также могут быть реализованы с использованием системы материалов Si/SiGe. Наблюдалось как туннелирование дырок, так и туннелирование электронов. Однако характеристики резонансно-туннельных диодов Si/SiGe были ограничены из-за ограниченной зоны проводимости и разрывов валентной зоны между сплавами Si и SiGe. Резонансное туннелирование дырок через гетеропереходы Si/SiGe было предпринято в первую очередь из-за того, что разрыв валентной зоны в гетеропереходах Si/SiGe обычно относительно больший, чем разрыв зоны проводимости для (сжимающе) напряженных слоев Si 1-x Ge x , выращенных на подложках Si. Отрицательное дифференциальное сопротивление наблюдалось только при низких температурах, но не при комнатной температуре. [13] Резонансное туннелирование электронов через гетеропереходы Si/SiGe было получено позже с ограниченным отношением тока пика к впадине (PVCR) 1,2 при комнатной температуре. [14] Последующие разработки позволили реализовать Si/SiGe RTD (электронное туннелирование) с PVCR 2,9 и PCD 4,3 кА/см. 2 [15] и PVCR 2,43 при PCD 282 кА/см. 2 при комнатной температуре. [16]
Межзонные резонансно-туннельные диоды
[ редактировать ]Резонансные межзонные туннельные диоды (RITD) сочетают в себе структуру и поведение как внутризонных резонансно-туннельных диодов (RTD), так и обычных межзонных туннельных диодов, в которых электронные переходы происходят между уровнями энергии в квантовых ямах в зоне проводимости и в валентной зоне. . [17] [18] Как и резонансно-туннельные диоды, резонансные межзонно-туннельные диоды могут быть реализованы как в системах материалов III-V, так и в Si/SiGe.
РПД III-V
[ редактировать ]В системе материалов III-V были получены RITD InAlAs/InGaAs с отношением пикового тока (PVCR) выше 70 и до 144 при комнатной температуре, а также RITD на основе Sb с PVCR при комнатной температуре до 20. . [19] [20] [21] Основным недостатком РИТД III-V является использование материалов III-V, обработка которых несовместима с обработкой Si и является дорогостоящей.
Si/SiGe RITD
[ редактировать ]В системе материалов Si / SiGe также были разработаны резонансные межзонные туннельные диоды Si/SiGe, которые потенциально могут быть интегрированы в основную технологию Si-интегральных схем. [22]
Структура
[ редактировать ]Пять ключевых моментов дизайна:(i) внутренний туннельный барьер,(ii) инжекторы с дельта-легированием ,(iii) смещение плоскостей дельта-легирования от границ гетероперехода ,(iv) низкотемпературный молекулярно-лучевой эпитаксиальный рост (LTMBE) и(v) постростовой быстрый термический отжиг (RTA) для активации легирующих примесей и снижения плотности точечных дефектов. [22]
Производительность
[ редактировать ]Минимальный PVCR около 3 необходим для типичных применений в схемах. Si/SiGe RITD с низкой плотностью тока подходят для приложений памяти с низким энергопотреблением, а туннельные диоды с высокой плотностью тока необходимы для высокоскоростных приложений с цифровыми/смешанными сигналами. Si/SiGe RITD были разработаны с учетом PVCR при комнатной температуре до 4,0. [23] Та же самая структура была продублирована другой исследовательской группой с использованием другой системы MBE , и были получены PVCR до 6,0. [24] Что касается пиковой плотности тока, пиковая плотность тока варьируется от 20 мА/см. 2 и достигает 218 кА/см. 2 были достигнуты на семь порядков. [25] Резистивная частота среза 20,2 ГГц была реализована при фотолитографии, определенной SiGe RITD, с последующим мокрым травлением для дальнейшего уменьшения размера диода, который должен быть в состоянии улучшиться, когда RITD еще меньшего размера будут изготовлены с использованием таких методов, как электронно-лучевая литография. [26]
Интеграция с Si/SiGe CMOS и биполярными транзисторами с гетеропереходом.
[ редактировать ]Была продемонстрирована интеграция Si/SiGe RITD с Si CMOS. [27] Также была продемонстрирована вертикальная интеграция биполярных транзисторов с гетеропереходом Si/SiGe RITD и SiGe, в результате чего был реализован 3-контактный элемент схемы с отрицательным дифференциальным сопротивлением и регулируемым соотношением пикового тока к минимуму. [28] Эти результаты показывают, что Si/SiGe RITD являются многообещающим кандидатом на интеграцию с технологией Si-интегральных схем.
Другие приложения
[ редактировать ]Другие применения SiGe RITD были продемонстрированы с использованием макетных схем, включая многоуровневую логику. [29]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Саидкиа, Д. (2013). Справочник по терагерцовым технологиям для визуализации, зондирования и связи . Эльзевир. п. 429. ИСБН 978-0857096494 .
- ^ Слайт, Томас Дж.; Ромейра, Бруно; Ван, Лицюань; Фигейредо, Хосе МЛ; Васиге, Эдвард; Айронсайд, Чарльз Н. (2008). «Гибридная интегральная схема с резонансным туннельным диодом и лазерным диодом с генератором Льенара: модель и эксперимент» (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 44 (12): 1158. Бибкод : 2008IJQE...44.1158S . дои : 10.1109/JQE.2008.2000924 . S2CID 28195545 .
- ^ Ромейра, Б.; Незначительный, JML; Фигейредо, Ти Джей; Васиге, Л.; Ван, Э.; Кинтана, Китай; Айронсайд, Дж. М.; Аведильо, MJ (2008). «Синхронизация и хаос в лазерном диоде, управляемом резонансно-туннельным диодом». ИЭТ Оптоэлектроника . 2 (6): 211. doi : 10.1049/iet-opt:20080024 .
- ^ Ромейра, Б.; Фигейредо, ЖМЛ; Слайт, Ти Джей; Ван, Л.; Васиге, Э.; Айронсайд, Китай; Кинтана, Дж. М.; Аведильо, MJ (4–9 мая 2008 г.). «Наблюдение разделения частот и хаоса в лазерном диоде, управляемом резонансно-туннельным диодом». 2008 Конференция по лазерам и электрооптике . стр. 1–2. дои : 10.1109/CLEO.2008.4551318 . ISBN 978-1-55752-859-9 . S2CID 45107735 .
- ^ Дэвид Бом, Квантовая теория, Прентис-Холл, Нью-Йорк, 1951.
- ^ Л. В. Иогансен, "О возможности резонансной передачи электронов в кристаллах через систему барьеров", ЖЭТФ СССР по физике, 1964, 18 , с. 146.
- ^ Цу, Р.; Эсаки, Л. (1973). «Туннелирование в конечной сверхрешетке». Письма по прикладной физике . 22 (11): 562. Бибкод : 1973АпФЛ..22..562Т . дои : 10.1063/1.1654509 .
- ^ Сольнер, TCLG; Гудхью, штат Вашингтон; Танненвальд, ЧП; Паркер, CD; Пек, Д.Д. (1983). «Резонансное туннелирование через квантовые ямы на частотах до 2,5 ТГц» . Письма по прикладной физике . 43 (6): 588. Бибкод : 1983ApPhL..43..588S . дои : 10.1063/1.94434 .
- ^ Слайт, Ти Джей; Айронсайд, Китай (2007). «Исследование интеграции резонансного туннельного диода и лазера оптической связи: модель и эксперимент» (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 43 (7): 580. Бибкод : 2007IJQE...43..580S . дои : 10.1109/JQE.2007.898847 . S2CID 35679446 .
- ^ Фигейредо, ЖМЛ; Ромейра, Б.; Слайт, Ти Джей; Ван, Л.; Васиге, Э.; Айронсайд, Китай (2008). «Автоколебания и добавление периода из схемы резонансно-туннельный диод – лазерный диод» (PDF) . Электронные письма . 44 (14): 876. Бибкод : 2008ElL....44..876F . дои : 10.1049/эл:20080350 .
- ^ Робертс, Дж.; Багчи, И.Е.; Завави, МАМ; Секстон, Дж.; Халберт, Н.; Нури, Ю.Дж.; Янг, член парламента; Вудхед, CS; Миссус, М.; Мильорато, Массачусетс; Рёдиг, У.; Янг, Р.Дж. (10 ноября 2015 г.). «Использование квантового ограничения для однозначной идентификации устройств» . Научные отчеты . 5 : 16456. arXiv : 1502.06523 . Бибкод : 2015НатСР...516456Р . дои : 10.1038/srep16456 . ПМЦ 4639737 . ПМИД 26553435 .
- ^ Чжан, Вэйкан; Аль-Халиди, Абдулла; Фигейредо, Хосе; Аль-Тааи, Кусай Рагиб Али; Васиге, Эдвард; Хэдфилд, Роберт Х. (июнь 2021 г.). «Анализ возбудимости в резонансно-туннельных диод-фотодетекторах» . Наноматериалы . 11 (6): 1590. дои : 10.3390/nano11061590 . ПМЦ 8234959 . ПМИД 34204375 .
- ^ Геннсер, Ульф; Кесан, вице-президент; Айер, СС; Буселот, Ти Джей; Ян, ES (1990). «Резонансное туннелирование дырок через кремниевые барьеры». Журнал вакуумной науки и техники Б. 8 (2): 210. Бибкод : 1990JVSTB...8..210G . дои : 10.1116/1.584811 .
- ^ Исмаил, К.; Мейерсон, Б.С .; Ван, Пи Джей (1991). «Резонансное туннелирование электронов в диодах с двойным барьером Si / SiGe». Письма по прикладной физике . 59 (8): 973. Бибкод : 1991ApPhL..59..973I . дои : 10.1063/1.106319 .
- ^ П. См.; диджей Пол; Б. Холландер; С. Мантл; И.В. Зозуленко, К.-Ф. Берггрен (2001). «Высокопроизводительные Si/Si 1−x Ge x резонансные туннельные диоды». Письма об электронных устройствах IEEE . 22 (4): 182. Бибкод : 2001IEDL...22..182S . дои : 10.1109/55.915607 . S2CID 466339 .
- ^ П. Си и диджей Пол (2001). «Масштабированные характеристики резонансно-туннельных диодов Si / Si 1−x Ge x ». Письма об электронных устройствах IEEE . 22 (12): 582. Бибкод : 2001IEDL...22..582S . дои : 10.1109/55.974584 . S2CID 10345069 .
- ^ Суини, Марк; Сюй, Цзинмин (1989). «Резонансные межзонные туннельные диоды» . Письма по прикладной физике . 54 (6): 546. Бибкод : 1989ApPhL..54..546S . дои : 10.1063/1.100926 .
- ^ Квок К. Нг (2002). Полное руководство по полупроводниковым устройствам (2-е изд.). Уайли-Интерсайенс.
- ^ День, диджей; Чунг, Ю.; Уэбб, К.; Экстайн, Дж. Н.; Сюй, Дж. М.; Суини, М. (1990). «Двойные квантовоямные резонансные туннельные диоды». Письма по прикладной физике . 57 (12): 1260. Бибкод : 1990ApPhL..57.1260D . дои : 10.1063/1.103503 .
- ^ Цай, Х.Х.; Су, Ю.К.; Лин, Х.Х.; Ван, РЛ; Ли, ТЛ (1994). «Резонансный межзонный туннельный диод с двойной квантовой ямой PN с отношением пикового тока к впадине 144 при комнатной температуре». Письма об электронных устройствах IEEE . 15 (9): 357. Бибкод : 1994IEDL...15..357T . дои : 10.1109/55.311133 . S2CID 34825166 .
- ^ Седерстрем, младший; Чоу, Д.Х.; МакГилл, TC (1989). «Новое устройство отрицательного дифференциального сопротивления на основе резонансного межзонного туннелирования» (PDF) . Письма по прикладной физике . 55 (11): 1094. Бибкод : 1989ApPhL..55.1094S . дои : 10.1063/1.101715 .
- ^ Перейти обратно: а б Роммель, Шон Л.; Диллон, Томас Э.; Дэшил, Миссури; Фэн, Х.; Колодзей, Дж.; Бергер, Пол Р.; Томпсон, Филипп Э.; Хобарт, Карл Д.; Лейк, Роджер; Сибо, Алан К.; Климек, Герхард; Бланкс, Дэниел К. (1998). «Работа при комнатной температуре эпитаксиально выращенных Si/Si[sub 0,5]Ge[sub 0,5]/Si резонансных межзонных туннельных диодов» . Письма по прикладной физике . 73 (15): 2191. Бибкод : 1998ApPhL..73.2191R . дои : 10.1063/1.122419 .
- ^ Парк, С.-Ю.; Чунг, С.-Ю.; Бергер, PR; Ю, Р.; Томпсон, ЧП (2006). «Плазменное травление с низким повреждением боковой стенки с использованием ICP-RIE с химией HBr резонансных межзонных туннельных диодов Si / SiGe». Электронные письма . 42 (12): 719. Бибкод : 2006ЭЛ....42..719П . дои : 10.1049/эл:20060323 . S2CID 98806257 .
- ^ Душль, Р; Эберл, К. (2000). «Физика и применение резонансных межзонных туннельных диодов Si/SiGe/Si». Тонкие твердые пленки . 380 (1–2): 151–153. Бибкод : 2000TSF...380..151D . дои : 10.1016/S0040-6090(00)01491-7 .
- ^ Джин, Н.; Чунг, С.-Ю.; Ю, Р.; Хейнс, Р.М.; Бергер, PR; Томпсон, ЧП (2006). «Влияние толщины прокладки на характеристики резонансных межзонных туннельных диодов на основе кремния и их применение в схемах SRAM с туннельными диодами малой мощности». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 53 (9): 2243. Бибкод : 2006ITED...53.2243J . дои : 10.1109/TED.2006.879678 . S2CID 13895250 .
- ^ С.Ю. Чунг; Р. Ю; Н. Джин; Си Парк; PR Бергер и PE Томпсон (2006). «Si/SiGe резонансный межзонный туннельный диод с частотой f r0 20,2 ГГц и пиковой плотностью тока 218 кА/см 2 для приложений со смешанными сигналами в K-диапазоне». IEEE Electron Device Letters . 27 (5): 364. Bibcode : 2006IEDL...27..364C . doi : 10.1109/LED.2006.873379 . S2CID 17627892 .
- ^ С. Судирго, Д. Д. Павлик, С. К. Куринец, П. Е. Томпсон, Дж. В. Долтон, С. Ю. Парк, Р. Ю, П. Р. Бергер и С. Л. Роммель, Статическая оперативная память на резонансном межполосном туннельном диоде NMOS / SiGe, дайджест 64-й конференции по исследованию устройств, стр. 265, 26–28 июня 2006 г., Государственный университет Пенсильвании, Юниверсити-Парк, Пенсильвания.
- ^ Чунг, Сун-Ён; Джин, Ню; Бергер, Пол Р.; Ю, Жунхуа; Томпсон, Филипп Э.; Лейк, Роджер; Роммель, Шон Л.; Куринец, Сантош К. (2004). «Трехконтактный элемент схемы отрицательного дифференциального сопротивления на основе кремния с регулируемым соотношением пикового тока к впадине с использованием монолитной вертикальной интеграции» . Письма по прикладной физике . 84 (14): 2688. Бибкод : 2004ApPhL..84.2688C . дои : 10.1063/1.1690109 .
- ^ Н. Джин; С.Ю. Чунг; Р.М. Хейнс; и PR Бергер; Р. Ю; П. Е. Томпсон и С. Л. Роммель (2004). «Логика трех состояний с использованием вертикально интегрированных Si-резонансных межзонных туннельных диодов с двойным NDR». Письма об электронных устройствах IEEE . 25 (9): 646. Бибкод : 2004IEDL...25..646J . дои : 10.1109/LED.2004.833845 . S2CID 30227 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Информацию об оптоэлектронном применении термометров сопротивления см. по адресу http://userweb.elec.gla.ac.uk/i/ironside/RTD/RTDOpto.html .
- Инструмент моделирования резонансно-туннельных диодов на Nanohub позволяет моделировать резонансно-туннельные диоды в реалистичных условиях смещения для реалистично расширенных устройств.