Резонансный полупроводниковый прибор на основе квантовых биений

Использование: Изобретение относится к полупроводниковым приборам и приборам электронной техники с квантовыми потенциальными ямами и может быть использовано в микроэлектронике, нанотехнологии и оптоэлектронике. Техническим результатом изобретения является увеличение быстродействия и снижение трудоемкости изготовления. Сущность изобретения: тонкопленочный оксидированный нанокристаллический кремний, содержащий в запрещенной зоне примесный уровень с энергией 0,14 эВ от дна зоны проводимости кремния, позволяет при воздействии приложенного электрического потенциала или электромагнитного излучения получить высокочастотные осцилляции электрического или оптического сигналов с частотой более 34 ГГц. 2 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, образующим первый потенциальный барьер, нелегированного GaAs, толщиной 5 нм, представляющего энергетическую потенциальную квантовую яму, затем нелегированного AlAs толщиной 5 нм, являющийся 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], в котором при формировании энергетической потенциальной ямы используется нанокристалл кремния, 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, равной 10¹⁴ см³), с энергиями 0.353 эВ 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 нс и 4.6 нс, соответственно [3]. Представленное резонансное туннельное полупроводниковое 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. Создаваемая напряженность электрического поля порядка 8·10⁵ 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. Повышение стабильности по отношению к температуре достигается тем, что используются для реализации резонансного туннелирования фиксированные дискретные уровни родия в запрещенной зоне кремния.

Недостатками прототипа [2] являются низкое быстродействие, негомогенность электрофизических свойств, обусловленная неоднородностью пространственного распределения атомов примесей в нанокристаллической пленке. Также, другим недостатком является сложность его изготовления, связанная с напылением наноструктуры кремния легированного атомами родия.

Техническим решением задачи является использование в качестве прибора на основе квантовых биений нанокристаллической пленки кремния, содержащей оксидный слой с определенными силоксеновыми связями кремния с атомами кислорода, внедренными в интерфейсную область, обеспечивающими наличие примесного уровня в запрещенной зоне, энергетическое положение которого составляет 0.14 эВ от дна зоны проводимости. Оптическая или электрическая накачка зоны проводимости за счет создания неравновесных носителей приводит к их последующей релаксации как в результате непрямых межзонных переходов, так и переходов через примесные уровни кислорода [4, 5]. За счет эффекта квантовой интерфенренции возникают осцилляции интенсивности излучения и туннельного тока. При этом величина амплитуды и период осцилляции определяется концентрацией кремний-кислородных связей по формулам [4]:

На чертеже схематично представлено резонансное туннельное полупроводниковое устройство (фиг.1) на основе квантовых биений уровней [4]. Устройство содержит металлический электрод, слой оксидированного нанокристаллического кремния 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 8·10⁵ В/м, за счет приложенного к электродам напряжения, позволяет реализовать резонансный режим работы прибора, при которой через примесный уровень осуществляется туннелирование или релаксация электронов при возможной частоте осцилляции на уровне 34 ГГц.

Повышение стабильности по отношению к температуре достигается тем, что используются пленки нанокристаллического кремния, подвергнутые предварительному нагреванию до температур выше 150°С. При этом гидроксильные соединения трансформируются в силоксеновые связи атомов кремния и кислорода.

Примеры конкретного исполнения могут быть следующими.

1. Полевой транзистор на основе поликристаллического кремния (фиг.1) состоящий из электрода, служащего истоком (s), поликристаллической пленки кремния, слоя оксидированного кремния, изолирующего пленку от электрода, служащего затвором (g), и электрода - стока (d). Подаваемое напряжение на затвор регулирует вид нелинейной зависимости вольт-амперной характеристики прибора, оказывая влияние на вероятность туннелирования электронов в нанокристаллическом кремнии и туннельный ток I_sd. Пленка нанокристаллического кремния подвергается термической обработке (150°С) в атмосфере кислорода для создания высокой концентрации силоксеновых связей. Подаваемое напряжение между электродами s и d обеспечивает протекание тока таким образом, что уровень Ферми в металле, из которого выполнен электрод s, лежит ниже энергетического положения дна зоны проводимости в нанокристалле кремния и выше уровня, соответствующего силоксеновой конфигурации связей Si-O-Si в нанокристаллическом кремнии, а уровень Ферми металла, из которого выполнен электрод d, находится в положении, равном или меньшем энергии валентной зоны нанокристаллического кремния.

2. Фотоэлектронный прибор, преобразующий световую энергию в электрическую, выполненный 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. Присутствие в запрещенной зоне полупроводника уровня, положение которого на 0.14 эВ ниже дна зоны проводимости нанокристалла, обусловливает квантовую интерференцию уровней, проявляющуюся в виде осцилляции интенсивности излучения, при которой спектральный пик силоксеновых связей проявляется в диапазоне около 1100 см^-1. Разница в энергиях обеспечивает колебания интенсивности с частотой 34 ГГц. Амплитуда модуляции зависит от концентрации Si-O-Si связей в пленке. Использование тонкого слоя кремния, напыленного на нанокристаллическую пленку, приводит к снижению интенсивности излучения за счет непрямых межзонных переходов и увеличению амплитуды осцилляции оптического сигнала. Уровень Ферми в металле, из которого выполнен электрод s, лежит ниже энергии дна зоны проводимости в нанокристалле кремния и энергии примесного уровня, соответствующего силоксеновой конфигурации связей Si-O-Si в нанокристаллическом кремнии, а уровень Ферми металла, из которого выполнен электрод d, находится в положении большем, чем энергия валентной зоны нанокристаллического кремния, но меньшем, чем положения уровня примеси.

Источники информации:

1. K.Maezawa, NTT Review, vol.8, N4, 1996, pp.48-51.

2. Миловзоров Д.Е., Резонансный полупроводниковый прибор на основе квантовых биений. Заявка на изобретение №2001132736 от 5.12.2001.

3. Q.Hu et al., Semiconductor Science and Technology, v.11, 1996, pp.1888-1894.

4. D.Milovzorov, Electrochemical and Solid State Letters, v.4, 2001, pp.1-3.

5. D.Milovzorov, T.Inokuma, Y.Kurata, and S. Hasegawa, Journal of Electrochemical Society, v.145, №10, 1998, pp.3615-3620.

Прибор, содержащий полупроводниковый элемент и присоединенные к нему электроды для создания электрического поля, создающего ток, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент выполнен в виде пленки оксидированного нанокристаллического кремния с высоким содержанием силоксеновых связей Si-O-Si, позволяющим осуществить резонансное туннелирование и квантовые биения интенсивности электрического и оптического сигналов.