ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, Том 2, М2, 2006, стр. 8-16
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.3.049.771.14
СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОЙ ПЕРЕДИСЛОКАЦИИ МАКСИМУМА ВОЛНОВОЙ ФУНКЦИИ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
© 2006 г. Е.А. Рындин1
Предложены принципы построения и структуры сверхбыстродействующих интегральных коммутирующих элементов сверхбольших интегральных схем (СБИС) на основе управляемой передислокации максимума волновой функции носителей заряда в гетеропереходных квантовых областях, позволяющие преодолеть ограничения, связанные с временем пролета каналов электронами. Обсуждаются результаты численного моделирования наноразмерных интегральных коммутирующих элементов, проблемы и перспективы их использования в СБИС.
Создание элементной базы интегральных схем на основе квантовых областей, образованных гетеропереходами, является одним из основных направлений развития наноэлектроники, в рамках которого разработаны полупроводниковые приборы, характеризуемые быстродействием, не ограниченным временем пролета каналов электронами [1-6].
В основу функционирования приборов данного класса положен принцип управляемой передислокации максимума волновой функции электронов между туннельно-связанными квантовыми ямами, что приводит к изменению проводимо-стей квантовых ям (каналов) и к изменению выходного состояния прибора. В любой момент времени один из туннельно-связанных каналов обеднен электронами и закрыт, а второй обогащен носителями и открыт. При переходе прибора в противоположное состояние отпирание закрытого канала происходит в основном за счет передислокации максимума плотности электронов из открытого связанного канала, проводимость которого при этом уменьшается. В результате при условии сохранения практически неизменного суммарного числа электронов в системе туннельно-связанных квантовых ям быстродействие прибора определяется инерционностью процесса передислокации (туннелирования) электронов, а не временем пролета.
Идея создания логических элементов, в которых преобразование информации осуществляется непосредственно за счет управляемой передис-
1 Южный научный центр Российской академии наук, Ро-стов-на-Дону.
локации волновых функций электронов в системе квантовых ям, разделенных туннельными барьерами, впервые была предложена в работах [5,6].
В [7] представлены принципы построения, структуры и результаты моделирования интегральных логических элементов и элементов памяти на основе туннельно-связанных квантовых ям с взаимно дополняющими типами проводимости и показано, что использование управляемой туннельной передислокации, парафазного управления и принципов комплементарной логики обеспечивает не только сверхвысокое быстродействие, но и высокую помехоустойчивость логических элементов.
Целью данной работы является использование принципов управляемой передислокации волновой функции подвижных носителей для построения сверхбыстродействующих интегральных коммутаторов, играющих важную роль в цифровых и аналоговых устройствах различного назначения.
В качестве аналога разрабатываемых квантовых коммутаторов может быть рассмотрен базовый элемент современных интегральных коммутирующих устройств - двунаправленный проходной ключ на комплементарных транзисторах со структурой металл-окисел-полупроводник (КМОП-ключ), максимальное быстродействие которого определяется временем пролета носителями каналов [8].
Эквивалентная схема предлагаемого двунаправленного интегрального коммутатора на основе гетеропереходных наноструктур с взаимодополняющими типами проводимости приведена на рис. 1.
Коммутатор содержит две пары туннельно-связанных квантовых ям (каналов с электронной Chnb Chn2 и дырочной Chpl, Chp2 проводимостью), условно показанных, на эквивалентной схеме в виде транзисторов, соединенных пунктирными линиями, которые образуют два двунаправленных ключа, управляемых сигналами G0, G, и работающих в противофазе.
Структуры туннельно-связанных каналов с электронным и дырочным типами проводимости аналогичны рассмотренным в работе [7] и приведены на рис. 2. Наименования контактов на рис. 2 соответствуют обозначениям эквивалентной схемы (рис. 1).
Туннельно-связанная наноструктура каждого типа проводимости содержит две GaAs квантовые ямы, характеризующиеся равной шириной, глубиной и подвижностью носителей и разделенные туннельно-прозрачным Al0¿Ga^ 7As-барье-ром. Квантовые ямы имеют раздельные омические контакты Сп, С12, С21, С22 и парафазное управление передислокацией максимума волновых функций посредством затвора Шоттки G, и управляющего р-л-перехода G0.
Управляющие /»-«-переходы выполнены с использованием скрытых эпитаксиальных pin-Alfl 3Gao ^As- слоев. Контактные области к данным слоям и контакт G0 выполнены на периферии наноструктур и на рис. 2 не показаны.
Высоколегированные области омических контактов Сп, С и, С2\, С 22 разделены слоями не легированного AlAs толщиной более 20 нм для предотвращения туннелирования носителей между ними. Легированные барьерные области п/р-Al^Ga^Ae отделены от GaAs квантовых ям i-AlojGao 7As спейсерами для ослабления рассеяния подвижных носителей в квантовых ямах на даль-нодействующем кулоновском потенциале ионов примесей. Каждая туннельно-связанная наноструктура изолирована от соседних на кристалле областями аморфизации и полуизолирующей GaAs-подложкой.
Устройство функционирует следующим образом. При подаче уровня логического нуля на управляющий вход G0 и уровня логической единицы на вход G{ под действием электрического поля происходит туннельная передислокация максимума электронной плотности из канала Chn2 в канал Chnl, а максимума дырочной плотности -из канала Chpl в канал ChpX за время, определяемое инерционностью процессов туннелирования и поперечного дрейфа носителей. В результате проводимость каналов ключа, соединяющего контакты См и С12, возрастает, а ключа, соединяющего контакты С2i и С22, уменьшается.
СиО
C2iO-
~Г-№
CV —w—'—
Г''""]
Chn2 I-
7—\—\Chp2
oc12
■О C-n
Рис. 1. Эквивалентная схема интегрального двунаправленного коммутатора на основе туннельно-связанных квантовых ям с взаимодополняющими типами проводимости
Границы облаете? ионного легирования
Полуизолирующий GaAs
л-GaAs i-GaAs n-Al^GaojAs i-Alo^Gao,7As
Границы р+-областей ионного легирования
Полуизолирующий GaAs
p-GaAs ¿-GaAs p-Alfl^GaojAs ¿-Alo3GaojAs
Рис. 2. Структуры туннельно-связанных каналов двунаправленного квантового коммутатора, а - с электронной проводимостью, б - с дырочной проводимостью
При подаче на вход С0 уровня логической единицы, а на вход логического нуля происходит туннельная передислокация максимума электронной плотности из канала САл1 в канал СИп2, а максимума дырочной плотности из канала Скр{ в канал Скр2, в результате чего проводимость каналов ключа, соединяющего контакты Си и С12,
уменьшается, а ключа, соединяющего контакты Сг, и С22, возрастает.
Как следует из рис. 2, туннельно-связанные квантовые ямы определенного типа проводимости и управляющие переходы представляют собой единую функционально-интегрированную наноструктуру, занимающую на кристалле площадь, примерно равную площади одного транзистора и участвующую при этом в противофазной коммутации двух различных сигналов. Таким образом, по сравнению с КМОП-ключом, в котором два транзистора коммутируют один сигнал, предложенный квантовый коммутатор обеспечивает примерно двукратный выигрыш в площади, занимаемой на кристалле.
Предложенный квантовый коммутатор характеризуется принципиально более высоким быстродействием по сравнению с КМОП-аналогом, поскольку отпирание одного канала является результатом запирания туннельно-связанного с ним и наоборот. Суммарное число носителей заряда в каналах остается практически неизменным, а минимальное время коммутации ограничено инерционностью туннелирования носителей, а не временем их пролета, как в КМОП-ключе.
Ширина квантовых ям составляет не менее 20 нм. Это позволяет, с одной стороны, значительно уменьшить по сравнению с узкими квантовыми ямами рассеяние носителей на границах гетеропереходов и соответственно увеличить их подвижность [9], а с другой - увеличить число дискретных уровней в спектре квантовых ям, уменьшить величины энергетических зазоров между уровнями и, таким образом, обеспечить условия для туннелирования носителей при практически ступенчатом изменении управляющего напряжения на величину полного логического перепада.
Использование узких квантовых ям приведет к уменьшению числа разрешенных уровней и соответственно к увеличению энергетических зазоров между ними. Анализ, проведенный в работах [5, 6], показывает, что в случае узких квантовых ям ступенчатое изменение управляющего напряжения на величину полного логического перепада не приведет к быстрой передислокации максимума электронной плотности между квантовыми ямами. Использование квантовых ям шириной более 20 нм позволяет решить данную проблему.
Результаты численного моделирования статических характеристик туннельно-связанных наноструктур, приведенных на рис. 2, подробно рассмотрены в [7] и в данной работе не приводятся. Учитывая, что максимальное быстродействие рассматриваемого квантового коммутатора оп-
ределяется временем туннельной передислокации максимума амплитуды волновой функции, оценка задержки переключения туннельно-свя-занной наноструктуры коммутатора (рис. 2) производилась по результатам численного решения нестационарного уравнения Шредингера в одномерном приближении [10] (по центральному поперечному сечению наноструктуры, см. рис. 2) в предположении ступенчатого изменения входного напряжения на величину полного логического перепада (от нуля до напряжения питания У<М = = 0,7 В):
1 dt ~ 2
1 Э2У
тЧ*) Эх2
-U V(x, f),
(1)
где д: - координата, г - время; Ч'С*. 0 - нестационарная волновая функция электрона, и - потенциальная энергия, т* - эффективная масса носителя заряда, Н - постоянная Планка.
Энергетический спектр наноструктуры и волновые функции в начальный момент времени определялись из самосогласованного решения уравнения Пуассона и стационарного уравнения Шредингера в соответствии
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.