Создание элементов квантового аналога КМОП-транзистора

КМОП элементная база в настоящее время не удовлетворяет требованиям разработчиков аппаратуры, прежде всего по потребляемой мощности. Поэтому актуальна задача разработки новой элементной базы, обладающей более высокой экономичностью по энергопотреблению в сочетании с высоким быстродействием и высокой плотностью компоновки.

Одним из основных направлений развития высокопроизводительной вычислительной техники, средств связи и систем обработки видеоинформации является разработка приборов на новых физических принципах, которые обеспечивают меньшее энергопотребление и большую скорость обработки и преобразования сигналов. Достигнутый в настоящее время уровень технологии позволяет создавать структуры с характерными размерами толщин слоев порядка нескольких нанометров, что сравнимо с длиной волны электрона. Физические свойства таких структур определяются законами квантовой механики. Это открывает путь к использованию фундаментальных квантовомеханических эффектов для обработки и преобразования информации. Основные особенности квантовых структур обусловлены размерным квантованием энергетического спектра и интерференцией различных квантовых состояний. Цифровое кодирование информации предполагает наличие у прибора дискретных логических уровней. Различные логические уровни отвечают устойчивым состояниям физического прибора и характеризуются заданными распределениями заряда и тока. В классическом приборе такие устойчивые состояния формируются в результате диффузионно-дрейфового перераспределения носителей заряда. Дискретность состояний квантовых систем носит фундаментальный характер и внутренне присуща этим системам.

Был предложен и развивается подход, в котором носителем информации выступает амплитуда электронной волновой функции в данной области квантовой системы (максимуму амплитуды отвечает логическая «1», минимуму амплитуды — логический «О»). Приложение к структуре внешнего напряжения изменяет энергетический спектр и позволяет управлять квантовой интерференцией. Это вызывает контролируемую передислокацию электронной плотности в системе, соответствующую преобразованию информации по заданному закону.

В качестве физической основы для ре&тизации приборовс управляемой передислокацией электронной плотности предполагалось использовать структуру с набором туннельно-связанных квантовых ям. Так как время выполнения логической операции в такой структуре определяется временем туннелирования, то, теоретически, оно может быть меньше 1 псек. Указанный принцип позволяет реализовать квантовые аналоги КМОП схем, не потребляющие энергии в стационарном состоянии. Энергопотребление квантового прибора в переходном режиме также может быть существенно снижено, что создает уникальные перспективы для построения сверхбыстродействующих систем сверхвысокой степени интеграции. К началу данного исследования были разработаны теоретические основы для создания таких приборов.

Для реализации квантового аналога КМОПтранзистора необходимы высококачественные гетероструктуры с высокими электрофизическим параметрами, технология формирования независимых омических контактов к отдельным квантовым ямам для снятия информации о состоянии квантовой системы (существующие на сегодня технологии сложны и не годятся для производства интегральных схем), а также информация о механизмах латерального транспорта в структурах с квантовыми ямами. Это обусловливает актуальность представленной работы.

Целью данной работы являлось создание элементов квантового аналога КМОПтранзистора, а именно: создание высококачественных гетероструктур с квантовыми ямами на основе соединений 1пОаА8/АЮаА8- изучение латерального транспорта и эффектов взаимодействия квантовых ям в многоямных структурахразработка технологии формирования омических контактов к отдельным квантовым ямам.

В связи с вышесказанным, в настоящей работе ставились задачи:

1. Создание высококачественных гетероструктур с квантовыми ямами на основе соединений Са (1п)А8/АЮаА8 методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке «ЦНА-18» и изучение влияния технологических условий роста на электрофизические (концентрация и подвижность двумерного газа электронов) и фотолюминесцентные (положение, интенсивность и ширина линий) свойства полученных гетероструктур.

2. Разработка технологии формирования омических контактов к отдельным квантовым ямам в двухъямных структурах,.

3. Исследование латерального транспорта и эффектов взаимодействия электронов в квантовых ямах в структурах с двумя прямоугольными туннельно-связанными квантовыми ямами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые численно, с помощью уравнения Шредингера в одноэлектронном приближении в рамках метода огибающей волновой функции рассчитаны энергии переходов с первого электронного уровня на уровень тяжелых дырок в структурах ОаАзЛпСаАз с прямоугольными квантовыми ямами с учетом областей сегрегации;

2. Проведены комплексные исследования влияния условий роста и параметров структур АЮаАяЛпОаАз/ОаЛх на их электрофизические характеристики и вид спектров фотолюминесценции и впервые показано, что вид спектров определяется соотношением интегралов перекрытия волновых функций электронов первой и второй подзон с волновой функцией тяжелых дырок.

3. Впервые предложена и реализована методика создания селективных омических контактов к системе двух независимых или туннельно-связанных квантовых ям, основанная на использовании различающихся по составу квантовых ям;

4. Впервые предложена и реализована структура транзистора с модулированной подвижностью с рекордной глубиной модуляции, равной 30 при температуре 77 К.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

1. С помощью комплекса методов исследования выполнены оценки степени совершенства эпитаксиальных структур ОаА8/1пСаА8 и выявлены причины образования дефектных областей. Установлена связь электрофизических параметров структур АЮаАзЯпОаАз/ОаАз с технологическими режимами роста, химическим составом и толщинами слоев. Оптимизированы технологические условия роста и получены гетероструктуры с высокимиу |2 параметрами (концентрация двумерного газа электронов — 1.5' 10 -ь2.8−10 см" «, подвижность при 77 К — 7000-^21 100 см» /В-с). На основе полученных структур изготовлены транзисторы с длиной канала 1 мкм и крутизной вольт-амперной характеристики 300 мСм/мм;

2. Предложена и реализована методика создания селективных омических контактов к системе двух независимых или туннельно-связанных квантовых ям, основанная на использовании различающихся по составу квантовых ям. Предложенная методика открывает новые возможности не только для исследования свойств отдельных квантовых ям и их взаимодействия, но и для создания приборов на основе новых физических принципов (например, туннельно-резонансного транзистора).

3. Оптимизирована структура невплавных омических контактов к структурам на СаАв, основанная на применении приконтактного варизонного слоя 1пхСа^хА8. На основе данной технологии изготовлены базовые матричные кристаллы (БМК), содержащие 40 тыс. транзисторов с длиной затвора 1 мкм в кристалле размером 7.3×7.3 мм, позволяющие сформировать более 10 тыс. вентилей;

4. На основе структуры с двумя асимметричными туннельно-связанными квантовыми ямами реализован макет транзистора с модулированной подвижностью с глубиной модуляции, равной 30 при температуре 77 К. Модуляция подвижности осуществляется за счет делокализации волновой функции электронов из широкой квантовой ямы с высокой подвижностью при приложении внешнего электрического поля.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые, с помощью решения уравнения Шредингера в одноэлектронном приближении в рамках метода огибающей волновой функции, рассчитаны энергии переходов с первого электронного уровня на первый уровень тяжелых дырок в структурах ОаАвЛпОаАз с учетом областей обеднения атомами индия.

2. Вид спектров фотолюминесценции структур АЮаАзЛпОаАз/ОаАв с.

12 1 ^ ^ концентрацией двумерного газа электронов 1.5'10 — 2.8' 10 «см» -определяется соотношением интегралов перекрытия волновых функций электронов первой и второй подзон с волновой функцией тяжелых дырок. Интегралы перекрытия определяются встроенным электрическим полем, обусловленным наличием двумерного газа электронов.

3. Впервые предложена и реализована методика создания селективных омических контактов к системе двух независимых или туннельно-связанных квантовых ям изотипной проводимости, основанная на использовании различающихся по составу квантовых ям.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить соавторов по публикациям и коллег по научной работе за всестороннюю помощь и поддержку.

Выражаю глубокую благодарность Садофьеву Юрию Григорьевичу (ФИ РАН) и Евстигнееву C.B. (МИЭТ) за неоценимую помощь при подготовке работы.

Хочу выразить благодарность Колтыженкову В. М., Бирюлину П. В., Цибизову А. Г (НОЦ «Квантовые приборы и нанотехнологии») за помощь при проведении компьютерного моделирования и Шмелеву С. С. (НОЦ «Квантовые приборы и нанотехнологии») за подготовку образцов.

Хочу поблагодарить Капаева В. В. (ФИ РАН) за предоставленные программы компьютерного моделирования и Трофимова В. Т. (ФИ РАН) за измерение вольт-амперных характеристик образцов.

Весьма благодарен Хабарову Ю. В. (ИРЭ РАН) за измерение спектров фотолюминесценции, а также Имамову P.M., Ломову A.A. и Чуеву М. А. (Институт кристаллографии РАН) за измерение и обработку спектров двухкристалльной рентгеновской дифрактометрии.

4.3. Выводы по Главе 4.

1. На основе структуры с двумя асимметричными туннельно-связанными квантовыми ямами реализован транзистор, в котором изменение проводимости определяется модуляцией подвижности. Впервые получена глубина модуляции подвижности более 30 при температуре 77 К. Модуляция подвижности осуществляется за счет делокализации волновой функции электронов из широкой квантовой ямы с высокой подвижностью при приложении внешнего электрического поля. Структура эффективно управляется одним затвором.

Заключение

.

Основные положения и выводы:

1. Профиль распределения атомов индия в структурах с ОаЛзЛпОаАз квантовыми ямами сильно зависит от условий роста: толщина области обеднения атомами индия, обусловленной сегрегацией, возрастает с увеличением температуры роста и увеличением потока атомов индия.

2. Впервые, с помощью решения уравнения Шредингера в одноэлектронном приближении в рамках метода огибающей волновой функции, рассчитаны энергии переходов с первого электронного уровня на первый уровень тяжелых дырок в структурах ОаАзЛпОаАБ с учетом областей обеднения атомами индия.

3. Вид спектров фотолюминесценции структур АЮаАзЛпОаАз/СаАз с концентрацией двумерного газа электронов 1.5 1012 — 2.8 1012 см" 2 определяется соотношением интегралов перекрытия волновых функций электронов первой и второй подзон с волновой функцией тяжелых дырок. Интегралы перекрытия определяются встроенным электрическим полем, обусловленным наличием двумерного газа электронов.

4. Впервые предложена и реализована методика создания селективных омических контактов к системе двух независимых или туннельно-связанных квантовых ям изотипной проводимости, основанная на использовании различающихся по составу квантовых ям. Контакты к нижней квантовой яме с меньшей шириной запрещенной зоны формируются путем напыления алюминия на боковые поверхности меза-структуры.

Публикации по теме диссертации.

1. Игнатьев A.C., Копылов В. Б., Шмелев С. С., Шипицин Д. С., Евстигнеев C.B. Локальные контакты и латеральный перенос носителей в системах с асимметричными квантовыми ямами. Тезисы доклада на Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика». Москва,.

1995 г., стр. 13−14.

2. Бирюлин П. И.,. Волчков Н. А,. Евстигнеев С. В, Трофимов В. Т., Шипицин Д. С. Полевой транзистор с модулированной подвижностью на основе MQW-структуры AlGaAs/GaAs. Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Микро-электроника и информатика». Москва,.

1996 г., стр. 8.

3. Евстигнеев C.B., Шипицин Д. С. Формирование независимых омических контактов к двухъямной гетероструктуре с GaAs и InxGajxAs квантовыми ямами. Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика». Москва, 1997 г., стр. 31.

4. Евстигнеев C.B., Шипицин Д. С. Несплавные омические контакты к структуре рНЕМТ-транзистора. Тезисы доклада на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика». Москва, 1998 г., стр. 28.

5. Евстигнеев C.B., Садофьев Ю. Г., Шипицин Д. С., Шмелев С. С. Невплавные алюминиевые омические контакты к структуре рНЕМТ-транзистора. Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. 1998. № 4, стр. 21−24.

6. Евстигнеев C.B., Копаев Ю. В., Садофьев Ю. Г., Шипицин Д. С., Шмелев С. С. Несплавной селективный омический контакт к системе параллельных.

126 квантовых ям изотипной проводимости. Микроэлектроника. 1998. Том 27, № 4, стр. 317−320.

7. Евстигнеев C.B., Шипицин Д. С. Новые подходы к созданию омических контактов к гетероструктурам с квантовыми ямами. Физическое образование в ВУЗах. 1999. Том 5, № 1, стр. 85−91.

8. Евстигнеев C.B., Имамов P.M., Ломов A.A., Садофьев Ю. Г., Хабаров Ю. В., Шипицин Д. С. Исследование InxGai. xAs/GaAs квантовых ям, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Тезисы доклада на Российской конференции «Полупроводники-99». Новосибирск, 1999 г.