共鳴トンネルダイオード
共振トンネリングダイオード ( RTD )は、電子があるエネルギーレベルでいくつかの共振状態をトンネリングすることができる共鳴トンネル構造を有するダイオードである。 電流 - 電圧特性は、しばしば負の微分抵抗領域を示す。
すべてのタイプのトンネルダイオードは、 量子力学的トンネリングを利用する 。 トンネルダイオードの電流 - 電圧関係の特徴は、1 つ以上の負の微分抵抗領域が存在することであり、多くの独自の応用が可能である。 トンネリングダイオードは非常にコンパクトであり、非常に薄い層を通る量子トンネル効果が非常に高速なプロセスであるため、超高速動作も可能である。 活発な研究の 1 つの分野は、 テラヘルツ周波数で動作することができる発振器およびスイッチングデバイスを構築することに向けられている。 [1]
はじめに
共鳴トンネルダイオード素子の動作機構と出力特性の負性微分抵抗。 ゲートバイアスを有するソースフェルミ準位よりも低い第 1 のエネルギー準位の減少により、第 1 の電流ピークの後に負の抵抗特性が存在する。 (左: バンドダイヤグラム ;中心: 透過係数 ;右:電流 - 電圧特性)。 右図に示す負性抵抗挙動は、閉じ込め状態とソースフェルミ準位とバンドギャップの相対的な位置によって引き起こされます。
RTD は、 エサキダイオードの高ドープ p-n 接合、二重障壁(double barrier)、高濃度ドープ p-n 接合などの様々なタイプの材料(III-V、タイプ IV、II-VI 半導体など)三重障壁、 量子井戸 、または量子細線が含まれる 。 Si / SiGe 共鳴トンネルダイオードの構造および製造プロセスは、現代の Si 相補型金属酸化物半導体( CMOS )および Si / SiGe ヘテロ接合バイポーラ技術との集積化に適している。
1 つのタイプの RTD は、非常に薄い層障壁によって囲まれた単一の量子井戸構造として形成される。
この構造は二重障壁構造と呼ばれている。 電子および正孔のようなキャリアは、量子井戸内で離散したエネルギー値しか持たない。 RTD を横切って電圧を印加すると、 テラヘルツ波が放出され、量子井戸内のエネルギー値がエミッタ側のそれと等しいのはこのためです。 電圧が増加するにつれて、テラヘルツ波は、量子井戸内のエネルギー値がエミッタ側のエネルギーの外側にあるため、消滅する。
RTD 構造に見られるもう 1 つの特徴は、 Nanohub から生成された画像に見られるように、バイアス印加時の負の抵抗である。 負性抵抗の形成については、以下の操作の項で詳しく検討する。
この構造は、分子ビームヘテロエピタキシーによって成長させることができる。 この構造を形成するために特に GaAs および AlAs が使用される。 AlAs / InGaAs または InAlAs / InGaAs を用いることができる。RTD を含む電子回路の動作は、 Van der Pol 発振器方程式の一般化である Liemnard 方程式系によって記述することができる。 [2] [3] [4]
操作
次のプロセスは右側の図からも示されています。 障壁の数およびウェル内の閉じ込められた状態の数に応じて、以下に説明するプロセスを繰り返すことができる。
陽性抵抗領域
低バイアスの場合、バイアスが増加すると、ポテンシャル障壁間の第 1 の閉じ込め状態がソースフェルミレベルに近づいているので、それが運ぶ電流が増加する。
負の抵抗領域バイアスがさらに増加すると、第 1 の閉じ込め状態はエネルギーが低くなり、徐々にバンドギャップのエネルギー範囲に入るので、それが運ぶ電流は減少する。 この時点では、第 2 の閉じ込め状態は依然として大きな電流を流すには高すぎるエネルギーである。
2 番目の正の抵抗領域
第 1 の領域と同様に、第 2 の閉じ込め状態がソースフェルミ準位に近づくと近づくにつれて、それはより多くの電流を運び、全電流を再び増加させる。
イントラバンド共鳴トンネリング
障壁高さ未満のエネルギーで左から入射する粒子による二重障壁ポテンシャルプロファイル。
単一の障壁を通る量子トンネリングでは、透過係数またはトンネリング確率は、常に(潜在的な障壁高さよりも低い入射粒子エネルギーに対して)1 未満である。 2 つの障壁(お互いに近接して配置される)を含む潜在的なプロファイルを考慮すると、標準的な方法のいずれかを使用して(入射粒子エネルギーの関数として)透過係数を計算することができる。
二重障壁を通るトンネリングは、1951 年 David Bohm による Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似で最初に解決された。彼らは、ある入射電子エネルギーで透過係数の共鳴が生じることを指摘した。 特定のエネルギーの場合、透過係数は 1 に等しい、すなわち、二重障壁が粒子透過に関して完全に透明であることが分かる。 この現象を共振トンネルといいます。 興味深いことに、ポテンシャル障壁の透過係数は常に 1 より小さく(障壁の高さと幅が増加するにつれて減少する)、1 つの行の 2 つの障壁は、入射粒子の特定のエネルギーに対して完全に透明であり得る。
その後、1964 年に LV Iogansen は、半導体結晶中に形成された二重障壁を介した電子の共鳴透過の可能性について議論した。 1970 年代初め、Tsu、Esaki、Chang は有限超格子の 2 端子電流 - 電圧(I-V)特性を計算し、伝送係数だけでなく I-V 特性においても共振が観測できると予測した。 [7]共鳴トンネリングはまた、3 つ以上の障壁を有する潜在的プロファイルにおいても生じる。 MBE 技術の進歩は、Sollner らによって報告されたように、テラヘルツ周波数での負の微分コンダクタンス(NDC)の観測につながった。 1980 年代初めに。 [8]これは、マルチバリア構造を通るトンネリングを研究するためのかなりの研究努力を引き起こした。
共鳴トンネリングに必要な潜在的なプロファイルは、異なるタイプの半導体を利用して伝導帯または価電子帯に障壁または井戸を形成するヘテロ接合を使用する半導体システムで実現することができる。
III-V 共鳴トンネルダイオード
共鳴トンネルダイオードは、典型的には、 III-V 族化合物材料系で実現され、様々な III-V 族化合物半導体からなるヘテロ接合を用いて、伝導帯または価電子帯に二重障壁または多重ポテンシャル障壁を形成する。 適度に高性能の III-V 共鳴トンネルダイオードが実現されている。 このようなデバイスは、III-V 材料の処理が Si CMOS 技術と互換性がなく、コストが高いため、主流のアプリケーションにはまだ入っていない。
半導体オプトエレクトロニクスのほとんどは III-V 半導体を使用しているため、オプトエレクトロニクスデバイスに電気利得を提供するために RTD の負の微分抵抗を使用するオプトエレクトロニクス集積回路(OEICS)を作るために III-V RTD を組み合わせることが可能です。 最近、 量子閉じ込め物理的クローン化不可能な機能 (QC-PUF)として知られている、電子デバイスを一意的に識別する方法として、RTD 電流 - 電圧特性におけるデバイス間のばらつきが用いられている。 [11]
Si / SiGe 共鳴トンネルダイオード
共鳴トンネルダイオードは、Si / SiGe 材料系を用いて実現することもできる。 ホールトンネリングと電子トンネリングの両方が観察されている。 しかしながら、Si / SiGe 共鳴トンネリングダイオードの性能は、Si と SiGe 合金との間の伝導帯および価電子帯の不連続点が限られているために制限されていた。 Si / SiGe ヘテロ接合を通るホールの共鳴トンネリングは、Si 基板上に成長された(圧縮された)歪み Si 1-x Ge x 層の伝導帯不連続よりも Si / SiGe ヘテロ接合における典型的に比較的大きな価電子帯不連続のために最初に試みられた。 負の微分抵抗は低温でのみ見られたが、室温では見られなかった。
Si / SiGe ヘテロ接合を通る電子の共鳴トンネリングは、後で得られ、室温での 1.2 のピークツーバレー電流比(PVCR)が制限された。 その後の開発では、室温で PCD が 282kA / cm 2 の PVCR が2.9 であり、PCD が 4.3kA / cm 2 、PVCR が 2.43 である Si / SiGe RTD(電子トンネリング)が実現した。 [15]
帯域間共鳴トンネルダイオード
共鳴トンネルダイオード(RITD)は、伝導帯の量子井戸と価電子帯の量子井戸のエネルギー準位間で電子遷移が起こる、 イントラバンド共鳴トンネリングダイオード( IPD )と従来のバンド間トンネリングダイオードの構造と挙動を組み合わせたものである。 共鳴トンネルダイオードのように、III-V および Si / SiGe 材料系の共鳴バンド間トンネリングダイオードを実現することができる。
III-V RITD
III-V 材料系では、室温で 70 より高く、144 より高いピークツーバレー電流比(PVCR)を有するInAlAs / InGaAs RITD と、室温 PVCR が 20 と高い Sb ベースの RITD が得られている。 III-VRITD の主な欠点は、処理が Si 処理と両立せず、高価である III-V 族材料の使用である。
Si / SiGe RITDs
Si / SiGe 共鳴トンネルダイオードの典型的な構造
Gregory Snider の 1D ポアソン/シュレーディンガーソルバーによって計算された典型的な Si / SiGe
共鳴トンネルダイオードのバンド図 。
Si / SiGe 材料系では、Si / SiGe 共鳴トンネルダイオードが開発されており、主流の Si 集積回路技術に統合される可能性がある。 [21]
構造
(i) 真性 トンネリング障壁、(ii) デルタドーピング注入器、(iii) ヘテロ接合界面からのデルタドーピング面のオフセット、(iv)低温分子線エピタキシャル成長 LTMBE)、および(v)ドーパントの活性化および点欠陥密度の低減のための成長後急速熱アニール (RTA)。 [21]
パフォーマンス
一般的な回路アプリケーションでは、約 3 の最小 PVCR が必要です。 低電流密度の Si / SiGe RITDは、低電力メモリ用途に適しており、高速デジタル/ミックスド・シグナル・アプリケーションには高電流密度のトンネル・ダイオードが必要です。 Si / SiGe RITD は、室温までの PVCR を 4.0 にするように設計されています。 同じ構造が別の MBE システムを使用する別の研究グループによって複製され、6.0 までの PVCR が得られた。 ピーク電流密度に関しては、20mA / cm 2 という低い値から218kA / cm 2 の高い値までのピーク電流密度が 7 桁に及んでいる。 [24] 20.2GHz の抵抗カットオフ周波数が、SiGe RITD で定義されたフォトリソグラフィーで実現され、さらにダイオードサイズを縮小するためのウェットエッチングが実現されています。これは、電子リソグラフィ。 [25]
アプリケーション
次のセクションで説明する Si CMOS および SiGe ヘテロ接合バイポーラトランジスタとの統合の実現に加えて、SiGe RITD の他のアプリケーションは、マルチステートロジックを含むブレッドボード回路を使用して実証されています。 [26]
Si / SiGe CMOS およびヘテロ接合バイポーラトランジスタとの統合
Si / SiGe RITD と Si CMOS との統合が実証されている。 Si / SiGe RITD と SiGe ヘテロ接合バイポーラトランジスタの垂直統合も実証され、調整可能なピークツーバレー電流比を持つ 3 端子負性微分抵抗回路素子が実現された。 これらの結果は、Si / SiGe RITD が Si 集積回路技術と統合される有望な候補であることを示している。
参考文献
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