Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками

Использование: для изготовления СВЧ гетеротранзисторов. Сущность изобретения заключается в том, что гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками содержит введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме, при этом используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей. Технический результат: обеспечение возможности увеличения быстродействия и улучшения энергетических параметров и частотных характеристик приборов СВЧ. 8 з.п. ф-лы, 7 табл.

 

Изобретение относится к полупроводниковым наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ гетеротранзисторов на квантовых точках и монолитных интегральных схем с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками.

Известен аналог «Полупроводниковая наногетероструктура In0,52Al0,48As/InxGa1-xAs с составной активной областью In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As с двумя вставками InAs» (патент на полезную модель RU 113071 U1, опубл.27.01.2012), в котором введены две наноразмерные вставки InAs внутрь активного слоя с целью уменьшения эффективной массы электронов для повышения электронной подвижности μe и увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов υdr, и вследствие этого увеличения быстродействия СВЧ устройства. Введение вставки InAs увеличивает подвижность μе за счет возрастающего энергетического зазора между подзонами размерного квантования и уменьшения эффективной массы в квантовой яме InGaAs.

Недостатком аналога является отсутствие причинно-следственной связи между составом материала квантовой ямы InGaAs, зонной структурой, эффективной массой электронов в квантовой яме InGaAs с подвижностью μe и дрейфовой скоростью носителей υdr. Другим недостатком аналога является отсутствие количественных данных по увеличению подвижности и дрейфовой скорости электронов в связи с применением двух вставок InAs.

Согласно уровню науки и техники в самой простой теории электронного транспорта Друде дрейфовая скорость носителей пропорциональна электронной подвижности μе и обратно пропорциональна эффективной массе

где - напряженность электрического поля, в котором помещен полупроводниковый кристалл;

е - заряд электрона;

τ - среднее время свободного пробега заряда.

В канале полевых транзисторов напряженность электрического поля Е превышает 103…104 В/см и дрейфовая скорость электронов достигает своего максимального значения υs≈107 см/с, которое соответствует насыщению тока [Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 362].

Для рассматриваемой выше наногетероструктуры In0,52Al0,48As/InxGa1-xAs подвижность μe≥10000 см2/(В⋅с), а с учетом одной вставки InAs подвижность повышается на 25% до 12500 см2/(В⋅с) и более. Для двух вставок InAs с μе>12500 см2/(В⋅с) с учетом, например, Е=3⋅104 В/см следует ожидать υdr>3,75⋅108 см/с, что значительно превосходит скорость насыщения υs≈107 см/с.

На критичность упрощенных подходов (1) указывает и следующий пример. Так, в другом аналоге, в гетероструктуре AlGaAs/GaAs удалось добиться значения электронной подвижности выше μе=106 см2/(В⋅с) при Т=4,2 К [П. Мальцев. Полупроводниковая СВЧ-электроника в России. Институт СВЧПЭ РАН - исследования и разработки. // Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. №10 (00150), 2015, с. 115]. С учетом подвижности μе=106 см2/(В⋅с) и напряженности электрического поля Е=3⋅104 В/см дрейфовая скорость электронов в канале гетеротранзистора теоретически достигает скорости света υdr=3⋅108 м/с. Таким образом, формула (1) не обеспечивает ограничения максимального значения дрейфовой скорости носителей.

Известен аналог, в котором слой InAs с высоким числом квантовых точек (КТ) вводится непосредственно в слой GaAs вблизи поверхности гетероперехода AlGaAs/GaAs с модулированным легированием и, несмотря на снижение низкополевой подвижности электронов, их максимальная дрейфовая скорость, соответствующая насыщению тока в сильных полях, значительно возрастает. В результате существенно улучшаются усилительные и частотные характеристики прибора [В. Мокеров, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с повышенной максимальной дрейфовой скоростью электронов. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 367].

Недостатком аналога является отсутствие причинно-следственной связи между составом материала активной области гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs со сформированными квантовыми точками в слоях InAs, и прежде всего квантовой ямы GaAs, и характеристиками данного материала такими, как зонная структура и эффективные массы носителей, с экспериментально установленной повышенной скоростью дрейфа носителей υs=2⋅108 см/с в канале GaAs. Представленная в данном аналоге модель «Вольт-амперные характеристики и крутизна транзистора с квантовыми точками» дает расчетное значение υs=108 см/с, что приводит к току который в два раза ниже экспериментальной величины тока 1,4 ма, которому соответствует скорость υs=2⋅108 см/с.

В аналоге, учитывающим квантование моментов оптических фононов и увеличение дрейфовой скорости в слоистой гетероструктуре AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, удалось приблизить расчетное максимальное значение дрейфовой скорости электрона υmax к требуемой величине υs=2⋅108 [Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 362-366]. При этом расчет производился по формуле

где Lopt=π/kopt=12,5 нм (kopt - момент электрона в материале GaAs с энергией оптического фонона где ω0 - частота оптического фонона; mе - масса электрона; - постоянная Планка);

lх - размер длины квантования (толщина слоя GaAs между квантовой точкой InAs и гетеропереходом), lх≈4 нм.

Из формулы (2) следует υmax=2,15⋅108 см/с, что примерно соответствует υs=2⋅108 см/с. Дальнейшее уменьшение размера длины квантования lх приводит к еще большему увеличению расчетной максимальной дрейфовой скорости. Так, для структуры с размером lх≈1 нм по формуле (2) получим субрелятивистскую скорость υmax≈3,1⋅109 см/с.

Следовательно, формула (2), как и формула (1), не обеспечивает ограничения на максимальное значение дрейфовой скорости носителей.

Аналог, представляющий собой гетероструктуру с введенными барьерами в виде квантовых точек в квантовой яме, выбираем в качестве прототипа.

Для гетероструктур на квантовых точках характерна полная температурная стабильность - независимость порового тока от температуры [Ж.И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. // ФТП, 1998, том 32, №1, с. 12]. С другой стороны «… интервал энергий, в котором происходят квантовые флуктуации, не зависит от температуры. Это следует из соотношения неопределенности» [В.Ф. Гантмахер, В.Т. Долгополов. Квантовые фазовые переходы «локализованные делокализованные электроны». // УФН, 2008, том 178, №1, с. 5].

Изложенное выше является обоснованием квантового ограничения на максимальное значение дрейфовой скорости носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках. А при учете квантовых флуктуаций дрейфовая скорость носителей должна определяться неопределенностью скорости внешних электронов атомов элементов Периодической системы, входящих в состав материала квантовой ямы гетероструктуры на квантовых точках.

Квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости приводит к установлению причинно-следственной связи материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале.

Согласно микроскопическим флуктуационным подходам уравнение движения электрона в центральном поле для случая отрицательного собственного значения энергии Е имеет вид [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. СО. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2011, 220 с. С. 207-209; Плахотник А.С. Основы микроскопической флуктуационной теории. Избранные труды Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. - Москва.: РАН, 2011, 154 с. С. 122-123]:

где - постоянная Планка;

Ψ - волновая функция;

mе - масса элементарного заряда;

2 - оператор Лапласа;

Е - собственное значение энергии электрона;

е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε0r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε0 - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число.

В радиальных волновых функциях формула (3) принимает вид

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции.

Решение уравнения (4) дает собственные значения энергии электрона

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

Nz - параметр флуктуации.

Находим параметр флуктуации Nz, приравнивая одно из решений (5) потенциалу ионизации Ez атома элемента Периодической системы,

где R - постоянная Ридберга,

С учетом параметра флуктуации Nz рассчитываем неопределенность скорости электрона на внешней орбите атома любого элемента

где rz - радиус атома с атомным номером Z.

В табл. 1 приведены данные по расчету параметра флуктуации Nz и неопределенности скорости электронов Δυz на внешней орбите свободных атомов для ряда элементов согласно формулам (6) и (7).

Скорость дрейфа электронов в канале гетероструктуры на квантовых точках квантово ограничена неопределенностью скорости электронов на внешней орбите атомов квантовой ямы Δυzi табл.1 и вычисляется по упрощенной формуле

где n - количество элементов материала квантовой ямы.

Для квантовой ямы GaAs неопределенность скорости электронов на внешней орбите атомов Ga Δυ31 и Δυ33 находится из табл. 1, а скорость дрейфа электронов (8), учитывающая примерное равенство носителей в зоне проводимости, поступающих от атомов элементов материала квантовой ямы, равна υdr=(Δυ31+Δυ33)/2≈2,018⋅108, что соответствует экспериментально установленной скорости дрейфа зарядов υs=2⋅108 см/с с погрешностью 0,9%.

Установим причинно-следственную связь зонной структуры и эффективных масс носителей канала GaAs прототипа со скоростью дрейфа зарядов, формулы (7) и (8).

Зонная структура GaAs. Ширина запрещенной зоны при 300 К: Eg1=1,35 эВ; Eg2=1,43 эВ [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 88, 210, 380]; Eg3=1,424 эВ [https://ru.wikipedia Арсенид галлия]; в Г-долине в X-долине в L-долине [Т.С. Шамирзаев. Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой зоной проводимости. // ФТП, 2011, том 45, вып.1, с. 97-103. С. 98.].

Эффективные массы электронов: [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 380]; в Г-долине в X-долине в L-долине [https.V/ru.wikipedia Арсенид галлия].

Эффективные массы дырок: [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 380]; [https://ru.wikipedia Арсенид галлия]. Согласно микроскопическим флуктуационным подходам применяем уравнение движения флуктуирующего электрона [Плахотник А.С. Неопределенность в пространственном заряде прибора сверхвысокой частоты и в измерении. // Успехи современной радиоэлектроники, 2009, с. 67-73. С. 69; Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. СО. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2011, 220 с. С. 118; Плахотник А.С Основы микроскопической флуктуационной теории. Избранные труды Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. - Москва.: РАН, 2011, 154 с. С. 52]:

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х,у,z,t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

V - скорость движения заряда, V=const.

Выражение в круглых скобках справа уравнения (9) позволяет рассчитать переменную скорость движения флуктуирующего электрона

где

Среднее значение соответствующей скоростям (10) кинетической энергии электрона равно

где - эффективная масса электрона.

Расчет эффективной массы для внешних электронов свободных атомов всех элементов Периодической системы с учетом формул (7) и (11) приводит к выражению

где Nz≡N* - некоторое действительное число; V≡Δυz=const.

Случаю выражения (12) соответствует формула

скорости V=Avz=const из выражения (11)

которая совпадает с формулой (7).

Случаювыражения (12) соответствует формула скорости

которая также совпадает с формулой (7).

Результаты (13) и (14) доказывают, что, независимо от значения эффективной массы неопределенность скорости Δυz для внешних электронов свободных атомов конкретного элемента величина постоянная.

Для внешних электронов связанных атомов элементов в простом веществе, либо в соединениях двух, трех и т.д. элементов в результате взаимодействия атомов эффективные массы внешних электронов становятся отличными от значений (12). В этом случае Δυz=const обеспечивается изменением эффективных параметров флуктуации в формулах (13) и (14) соответственно изменению эффективных масс.

Для случая

а в случая

Когда эффективная масса электрона становится отрицательной то частица называется «дыркой» и ее неопределенность скорости Δυz равна

а эффективные параметры флуктуациирассчитываются по формуле

Обобщенная формула неопределенность скорости для случаев (13), (14) и (17) имеет вид

Обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации равна

где знак «+» в выражении под радикалом соответствует случаю

Связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы GaAs прототипа устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности. Сначала по формулам (15), (16) и (18) рассчитываются эффективные параметры флуктуации для установленных эффективных масс носителей. Затем рассчитывается ширина запрещенной зоны Eg для конкретного квантового состояния носителей по формуле

При расчетах также учитывается возможное изменение квантового состояния внешних электронов атома конкретного элемента в результате взаимодействия с другими атомами в кристалле. Некоторые расчеты зонной структуры GaAs представлены в таблицах 2-5.

Актуально решение и обратной задачи: расчет значения эффективной массы по известной ширине запрещенной зоны Eg.

Согласно табл. 2 для основного квантового состояния 4р внешних электронов атома Ga связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины, строчка 6 - для X-долины, строчка 7 - для и Eg2=1,43 эВ, Eg3=1,424 эВ.

Согласно табл. 3 для квантового состояния 5s внешних электронов атома Ga связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчка 1 - для и Eg2=1,43 эВ, Eg3=1,424 эВ, строчка 2 - для и Eg2=1,43 эВ, Eg3=1,424 эВ, и строчки 8 и 9 - для и Eg2=1,43 эВ.

Согласно табл. 4 для квантового состояния 5d внешних электронов атома As связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины, строчка 6 - для X-долины.

Согласно табл. 5 для квантового состояния 5s внешних электронов атома As связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины.

Можно найти квантовые состояния, в которых всем установленным эффективным массам соединения GaAs соответствует конкретная ширина запрещенной зоны, например, Eg1=1,35 эВ (табл. 6 и 7).

В табл. 6 и 7 представлены данные расчета ширины запрещенной зоны Egl=1,35 эВ [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 88] с учетом квантового состояния 7f внешних электронов атома Ga и с учетом квантового состояния 6р внешних электронов атома As.

Таким образом, установлена причинно-следственная связь между составом материала активной области гетероструктуры со сформированными квантовыми точками, и прежде всего квантовой ямы, и характеристиками материала квантовой ямы такими, как зонная структура и эффективные массы носителей, с экспериментально установленной повышенной скоростью дрейфа носителей в квантовой яме. Причем, причинно-следственная связь материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей. С помощью формул (7), (8), (13), (14), (17) и (19) выполнены расчеты, результаты которых (табл. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) указывают на зависимость скорости дрейфа носителей в составной квантовой яме от материала квантовой ямы и его характеристик, а также на зависимость неопределенности скорости внешних электронов атомов только от конкретного элемента Периодической системы.

Согласно табл. 1 и формулы (8) материал квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, обеспечивает повышенную квантово ограниченная дрейфовую скорость носителей υdr≈2,018⋅108 см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs может содержать один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл. 1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,28⋅108 см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs может содержать один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,72⋅108 см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb может содержать один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл.1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈5,21⋅108 см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe может содержать один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, включающей такой материал составной квантовой ямы, который обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υdr, позволяющую значительно увеличить быстродействие и соответственно улучшить технические характеристики, такие, как энергетические параметры и частотные свойства прибора СВЧ.

Реализация указанной технической задачи заявленным изобретением обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

- используется материал составной квантовой ямы гетероструктуры, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υdr, увеличивающую быстродействие гетеротранзистора на квантовых точках;

- причинно-следственная связь материала составной квантовой ямы гетероструктуры и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей;

- подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈2,018⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,28⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,72⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈5,21⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев, обеспечивающих реализацию повышенной квантово ограниченной дрейфовой скорости носителей и дополнительное повышение выходной мощности за счет увеличения количества канальных слоев, которое, как и максимальное значение n, ограничивается тепловым режимом работы прибора или техническим заданием на выходную мощность.

Для достижения указанного технического результата предложена «Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками», содержащая введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме.

Принципиальным отличием предлагаемой гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками от прототипа является то, что используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υdr, вычисляемую по упрощенной формуле (8)

где n - количество элементов материала квантовой ямы;

Δυzi=Δυz - неопределенность скорости движения электронов в центральном поле на внешней орбите свободных атомов элементов (табл. 1), входящих в состав материала квантовой ямы, причем, движение электронов соответствует уравнению движения в радиальных волновых функциях (4)

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции;

- постоянная Планка;

mе - масса элементарного заряда;

Е - собственное значение энергии электрона; е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε0r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε0 - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число,

а решение уравнения движения в радиальных волновых функциях дает собственные значения энергии электрона (5)

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

Nz - параметр флуктуации,

причем, одно из решений приравнивается потенциалу ионизации Ez атома элемента Периодической системы (6)

где R - постоянная Ридберга,

для нахождения параметра флуктуации Nz и соответствующей неопределенности скорости движения электронов Avz на внешней орбите свободных атомов элементов (7)

где rz - радиус атома с атомным номером Z,

причем, неопределенность скорости движения электронов Δυz - const для конкретного элемента, независимо от эффективной массы носителя, которую определяют на основании анализа уравнения движения флуктуирующего электрона (9)

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х,у,z,t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

2 - оператор Лапласа;

V - скорость движения заряда, V=const,

а выражение в круглых скобках справа уравнения позволяет рассчитать переменные скорости движения флуктуирующего электрона (10)

при этом указанным скоростям соответствуют средние значения кинетической энергии электрона (11)

где - эффективная масса электрона;

а обобщенная формула неопределенности скорости Δvz для различных значений эффективной массы носителей имеет вид (19)

где - эффективный параметр флуктуации носителей,

при этом обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации носителей равна (20)

где знак «+» в выражениях (19) и (20) под радикалом соответствует случаю а связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности путем расчета ширины запрещенной зоны для конкретного квантового состояния носителей по формуле (21)

а конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

Дополнительными отличиями является то, что подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As (табл. 1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr ≈ 2,018⋅108 см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr ≈ 3,28⋅108 см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr ≈ 3,72⋅108 см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в

составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл. 1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr ≈ 5,21⋅108 см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Именно наличие в заявленном изобретении общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет изготавливать СВЧ гетеротранзисторы на квантовых точках и монолитные интегральные схемы с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками.

Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками включает буферный слой из широкозонного полупроводника, или полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны материала составной квантовой ямы.

Гетероструктура с составной квантовой ямой GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, a барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, a барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Составная активная область состоит из п≥2 канальных слоев, в каждый из которых входит слой из материала составной квантовой ямы и слой со сформированными квантовыми точками. Толщина слоя из материала составной квантовой ямы от 2 до 5 нм. Толщина слоя со сформированными квантовыми точками в пределах от 1 до 3 нм, концентрация квантовых точек большая, выше 3⋅1010 см-2. Суммарная толщина составной активной области с квантовыми точками зависит от числа n≥2 канальных слоев, обеспечивающих реализацию повышенной квантово ограниченной дрейфовой скорости носителей и дополнительное повышение выходной мощности за счет увеличения количества канальных слоев, которое, как и максимальное значение n, ограничивается тепловым режимом работы прибора или техническим заданием на выходную мощность.

Установленная причинно-следственная связь материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей. Например, составная квантовая яма GaAs обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υdr≈2,108⋅108 см/с, квантовая яма InGaAs - υdr≈3,28⋅108 см/с, квантовая яма GaSb - υdr≈3,72⋅108 см/с, квантовая яма CdSe - υdr≈5,21⋅108 см/с. Условием реализации указанной дрейфовой скорости носителей является исключение рассеяния на оптических фононах, снижающего величину дрейфовой скорости. Для этого вводятся в составную квантовую яму барьеры в виде квантовых точек, которые ионизируются и поляризуются в продольном электрическом поле источника питания и способствуют, в том числе, движению носителей в продольном направлении. Увеличение числа канальных слоев n>2 приводит к дополнительному повышению выходной мощности.

Заявленное изобретение «Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленного изобретения, устройством для изготовления СВЧ гетеротранзисторов на квантовых точках и монолитных интегральных схем с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками. Заявленное изобретение обладает следующими достоинствами:

- используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υdr, увеличивающую быстродействие гетеротранзистора на квантовых точках;

- подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈2,108⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,28⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈3,72⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υdr≈5,21⋅108 см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- конструктивная особенность составной активной области гетеротранзистора на квантовых точках состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

Заявленное изобретение промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства СВЧ гетероструктур гетеротранзисторов и монолитных интегральных схем.

1. Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками, содержащая введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме, отличающаяся тем, что используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей vdr, вычисляемую по упрощенной формуле

где n - количество элементов материала квантовой ямы;

Δvzi=Δvz - неопределенность скорости движения электронов в центральном поле на внешней орбите свободных атомов элементов, входящих в состав материала квантовой ямы, причем движение электронов соответствует уравнению движения в радиальных волновых функциях

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции;

- постоянная Планка;

me - масса элементарного заряда;

Е - собственное значение энергии электрона;

е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε0r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε0 - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число,

а решение уравнения движения в радиальных волновых функциях дает собственные значения энергии электрона

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

Nz - параметр флуктуации,

причем одно из решений приравнивается потенциалу ионизации Ez атома элемента Периодической системы

где R - постоянная Ридберга,

для нахождения параметра флуктуации Nz и соответствующей неопределенности скорости движения электронов Δvz на внешней орбите свободных атомов элементов

где rz - радиус атома с атомным номером Z,

причем неопределенность скорости движения электронов Δvz=const для конкретного элемента независимо от эффективной массы носителя, которую определяют на основании анализа уравнения движения флуктуирующего электрона

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х, у, z, t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

- оператор Лапласа;

V - скорость движения заряда, V=const,

а выражение в круглых скобках справа уравнения позволяет рассчитать переменные скорости движения флуктуирующего электрона

при этом указанным скоростям соответствуют средние значения кинетической энергии электрона

где - эффективная масса электрона;

а обобщенная формула неопределенности скорости Δvz для различных значений эффективной массы носителей имеет вид

где - эффективный параметр флуктуации носителей,

при этом обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации носителей равна

где знак «+» в выражениях под радикалом соответствует случаю а связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности путем расчета ширины запрещенной зоны для конкретного квантового состояния носителей по формуле

а конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr≈2,018⋅108 см/с.

3. Устройство по пп. 1, 2, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr≈3,28⋅108 см/с.

5. Устройство по пп. 1, 4, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr≈3,72⋅108 см/с.

7. Устройство по пп. 1, 6, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей vdr≈5,21⋅108 см/с.

9. Устройство по пп. 1, 8, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроники. Техническим результатом является улучшение теплоотвода и упрощение монтажа.

Излучающий ультрафиолетовый свет нитридный полупроводниковый элемент содержит подслойную часть, включающую подложку, которая состоит из сапфира и имеет поверхность, наклоненную к поверхности (0001) так, что образуется многоступенчатая терраса, слой AlN, образованный на поверхности этой подложки, и светоизлучающую часть, которая образована на поверхности подслойной части и включает активный слой, имеющий полупроводниковый слой на основе AlGaN.

Изобретение относится к активным электронным компонентам. Прецизионный датчик фотонов на полупроводниковом тиристоре с одним фоточувствительным n-p-переходом и двумя светоизлучающими p-n-переходами выполнен в виде полупроводникового прибора.

Изобретение относится к технологиям для отображения на устройствах со светодиодной подсветкой (LED). Технический результат заключается в обеспечении коррекции яркости каждого элемента LED путем уменьшения объема вычислений.

Изобретение относится к светоизлучающему полупроводниковому устройству (100), содержащему подложку (120), светоизлучающую слоистую структуру (155) и геттерный слой (190) из AlGaAs для снижения содержания примесей в светоизлучающей слоистой структуре (155), причем светоизлучающая слоистая структура (155) содержит активный слой (140) и слои с различным содержанием алюминия, причем условия роста слоев светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, различаются по сравнению с условиями роста геттерного слоя (190) AlGaAs.

Изобретение относится к новым цианированным нафталинбензимидазольным соединениям формулы I или их смесям, где R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 и R10 - водород, циано или фенил, который является незамещенным или замещенным RAr, где RAr выбран из циано, галогена, C1-С30-алкила, С2-С30-алкенила, С2-С30-алкинила, С3-С8-циклоалкила, фенила, при условии что соединения формулы I содержат по меньшей мере одну циано группу.

Изобретение относится к структурам светоизлучающих диодов. Светоизлучающий диод состоит из n слоев, где n больше одного, и включает как минимум один светоизлучающий слой и один люминофорный слой, выполненный в виде тонкой керамической люминофорной пластины, при этом керамическая люминофорная пластина выполнена с низким содержанием неосновных нелюминисцирующих фаз менее 3% по массе, при этом профиль нижней поверхности керамической люминофорной пластины, обращенной к светоизлучающему слою, сформирован в виде вогнутых микролинз с характерным диаметром от 0,1 до 0,8 мкм.

Предлагается нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовый свет элемент, способный эффективно отводить отходящее тепло, образуемое в процессе излучения ультрафиолетового света.

Нитридный полупроводниковый элемент содержит сапфировую подложку, содержащую: основную поверхность, проходящую в с-плоскости сапфировой подложки, и множество выступов, расположенных на основной поверхности, причем множество выступов содержат по меньшей мере один выступ, имеющую удлиненную форму на виде в плане; и слой нитридного полупроводника, расположенный на основной поверхности сапфировой подложки.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности передачи и насыщенности красного или зеленого цвета.

Использование: для изготовления СВЧ гетеротранзисторов. Сущность изобретения заключается в том, что гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками содержит введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме, при этом используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей. Технический результат: обеспечение возможности увеличения быстродействия и улучшения энергетических параметров и частотных характеристик приборов СВЧ. 8 з.п. ф-лы, 7 табл.

Наверх