KR0137601B1 - 전자의 간섭성을 이용한 양자간섭 트랜지스터 - Google Patents

전자의 간섭성을 이용한 양자간섭 트랜지스터

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박경완
이성재
신민철
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양승택
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Abstract

본 발명은 주기적인 게이트 폭의 변화를 갖는 양자간섭 트랜지스터에 관한 것이다. 전자의 파동성은 전자의 파장으로 표시되며 이 파장은 전자의 밀도 즉, 게이트 전압과 밀접한 관계가 있다. 트랜지스터의 구조에서 게이트를 주기적인 변화 폭을 갖도록 제작하여, 두가지의 전자통로 사이에 전자의 위상차를 만들어 준다. 이러한 위상의 차이에 따라 소스와 드레인 사이의 전자는 파동과 같이 간섭현상을 일으킨다. 이러한 간섭현상은 소스와 드레인 사이의 전류의 크고 작음으로 나타나며, 이 전류의 변화는 게이트의 전압으로 조절할 수 있다. 게이트 전압에 의한 전자의 양자간섭 현상에 의하여 드레인 전류의 크기는 고전적으로 생각되는 전류의 크기보다 크거나 작게되는 간섭 현상이 나타나게 되어, 기존의 동작영역에서 트랜스컨덕턴스는 증가되며, 여러가지 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 극대/극소화 현상의 다기능성이 나타난다.

Description

전자의 간섭성을 이용한 양자간섭 트랜지스터
제1도는 본 발명에 의한 주기적인 게이트 변화폭을 갖는 양자간섭 트랜지스터의 구조를 도시한 도면.
제2도는 제1도의 게이트 구조를 하나의 주기만으로 확대 도시한 도면.
제3도는 본 발명의 게이트 전위에 따른 소스와 드레인 사이의 전류의 크기를 종래 트랜지스터와 비교하여 도시한 도표이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : GaAs 기판12 : GaAs층
14 : 이차원 전자가스총15 : AlGaAs층
20 : 게이트30 : 소스/드레인
본 발명은 전자의 간섭현상을 이용하는 양자간섭 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소오스와 드레인 사이의 전류의 크기를 제어하는 게이트의 폭을 주기적으로 변화를 주고, 이 게이트 폭의 변화에 따른 전자들의 파동적 위상차를 이용하는 양자간섭 트랜지스터에 관한 것이다.
전자의 파동성이란 전자가 움직일때, 전자가 파동과 같이 행동하는 현상을 말한다.
특히, 전자의 간섭성이란 파동이 두개의 다른 경로를 통과하여 다시 합쳐질때, 합쳐진 파동의 크기가 나누어진 두개의 파동이 지나온 경로 차이에 따라 달라진다는 것을 의미한다.
즉, 전자의 간섭성(구체적으로는 가간섭성)이란 전자가 파동과 같이 위상을 갖으며, 서로 다른 위상을 갖는 전자들이 같은 방향으로 진행할때 그 전자들이 위상차이에 따라 간섭현상을 일으킴으로써, 그 전자들의 전체 흐름의 세기, 즉 전류의 크기가 바뀔 수 있다는 현상을 말한다. 그리고, 이 현상들이 현대의 양자역학적 기술로서 설명되므로, 이 현상을 이용한 트랜지스터를 양자간섭 트랜지스터라고 한다.
한쪽 통로의 전자의 위상을 인위적인 게이트 전압으로 조절하고, 이로 인하여 출력전류의 크기가 바뀌는 양자간섭 트랜지스터는 기존의 트랜지스터와 같은 동작형태를 갖게 되고, 전자의 탄동적 움직임도 함께 이용되기 때문에 빠른 동작특성 등의 장점을 갖는다.
그러나, 고체(solid state)내에서 이러한 가간섭성은 전자가 포논(phonon)과 같은 물리적 요인과 불순물이나 그레인 바운더리(grain boundary)와 같은 재료적 요인들과의 비탄성 충돌에 의하여 가간섭성을 잃게 되므로, 양자역학적 간섭성에 의한 트랜지스터의 동작을 얻기 위하여는 비탄성 충돌요인을 줄이거나, 전자가 비탄성 충돌 이전에 서로 양자간섭을 일으킬 수 있게 트랜지스터의 크기를 줄이는 것이 필요하다.
근래에 이르러 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)와 같은 고순도 단결정 박막 성장 기술의 발전에 의하여, 박막내의 비탄성 충돌요인을 상당량 줄이는데 성공하였고, 전자 빔 리소그라피의 발달로 미세 형상의 패턴을 형성하는 것이 가능하게 되었다.
이에 따라, 여러가지 형태의 전자의 간섭현상을 이용한 소자가 출현하고 있는 실정이다. 대표적인 구조가 금속으로된 병렬형 게이트 구조를 갖는 양자간섭 트랜지스터이다(참조문헌 : Physical Review Letters, vol. 59, pp.1791, 1987).
이 구조는 소스와 드레인 및 소스와 드레인 사이의 전자통로들이 모두 금속으로 되어 있기 때문에 이들 전자의 스크리닝(screening)현상으로 인하여 높은 게이트 전압이 요구된다. 또한, 같은 크기의 반도체 소자에 비해 채널수가 많게 되고, 이들 채널 갯수에 따른 평균화(averaging) 현상 때문에 간섭성의 크기가 매우 작게되어 실용화에 큰 어려움이 있었다.
본 발명의 목적은 반도체를 재질로 하고, 전자의 위상을 조절하는 게이트의 구조를 변화시킴으로써, 여러가지 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 극대/극소화 현상의 다기능성을 가지면서 트랜스 컨덕턴스를 증가시킬 수 있는 양자간섭 트랜지스터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자간섭 트랜지스터는 트랜지스터의 활성영역이 AlGaAs/GaAs의 이종접합 구조로 구성되고, 상기 활성영역의 채널은 상기 AlGaAs/GaAs의 계면에 형성되는 이차원 전자가스층으로 이루어지며, 상기 AlGaAs층 상부와 소스/드레인 사이에 형성되는 게이트는 상기 이차원 전자가스층 내의 전자들이 서로의 위상차에 의해 간섭이 일어날 수 있도록 게이트 폭을 주기적으로 다르게 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 의한 양자간섭 트랜지스터의 구조를 도시한 것으로서, 반절연성 GaAs 기판(10)위에 고순도로 성장된 GaAs층(12)과 AlGaAs층(16)이 순차적으로 형성되어 있으며, 상기 AlGaAs층(16)/GaAs층(12)의 계면에 형성되는 박형의 이차원 전자가스층(14)을 전자통로인 채널로 이용한다.
전자들이 밀집된 상기 이차원 전자가스층(14)내의 전자들의 위상을 조절하기 위한 게이트(20)는 소스/드레인(30) 사이의 상기 AlGaAs층(16) 위에 형성된다.
이때, 상기 소스/드레인(30)간의 거리는 전자들의 가간섭성 길이보다 작으며, 전자들의 전체 흐름의 세기 즉 전류의 크기는 전자가스층(14)내의 전자들의 위상을 제어하는 게이트(20) 전위에 의해 결정된다. 그리고, 전자들이 느끼는 이 게이트 전위는 게이트(20)의 구조에 따라 다르다.
본 발명은 상기 이차원 전자가스층(14)내의 전자들이 서로 다른 전위를 느낄 수 있도록 다시 말해, 전자들이 서로의 위상차에 의해 간섭이 일어날 수 있도록 게이트(20)의 폭이 주기적으로 다르게 형성된다.
제2도는 본 발명에 의한 게이트 구조를 확대 도시한 도면으로서, 하나의 주기만을 갖는 게이트 전위에서 소스/드레인(30) 사이의 전위를 보여주고 있다.
제2도에 도시한 바와 같이, 전자의 경로는 두가지로 나누어진다. 이때, 전자의 파장은 페르미 에너지를 갖는 전자의 파장으로 결정되며, 이 파장(λ)은 다음식에 의해 전자 밀도의 깊은 관계가 있다.
λ=(2π/n)1/2………………………………………………식(1)
여기서, n은 전자의 밀도를 나타내며, 이 전자밀도는 게이트 전압에 따라 결정된다.
임의의 게이트 전압에서 소스와 드레인 사이의 두가지 경로에 따라 전자의 위상이 달라지게 된다. 이 두가지의 다른 경로에서 전자의 파동적 위상차는 다음식으로 주어진다.
△ψ=(2π/λ2-2π/λ1)L…………………………………식(2)
여기서, λ1과 λ2은 게이트가 있는 부분과 없는 부분의 전자의 파장을 각각 나타내며, L은 게이트 폭을 나타낸다.
λ1은 게이트의 전압에 따라 결정되며, λ2은 AlGaAs/GaAs의 제작조건에 따라 결정된다. 이때, 제2도에 도시한 바와 같은 서로 다른 폭을 갖는 게이트 구조가 주기적으로 연결되어 있는 본 발명에서는, 바로 이웃하지 않는 게이트 밑을 통과한 전자들이 합쳐질때의 경로는 전자의 가간섭성 길이보다 크기 때문에 이들 전자들에 의한 간섭현상은 무시할 정도로 작다. 따라서, 위상차는 식(2)로 근사될 수 있다.
본 발명의 트랜지스터는 e1 통로를 지나는 전자들의 위상보다 e2를 지나는 전자들의 위상이 더 많이 바뀔 수 있으므로, 게이트 폭인 L의 길이를 적절하게 조절하여 전자의 양자간섭 현상을 용이하게 제어할 수 있다. 위상차가 정수배일 때, 즉 상기 식(2)에서 nπ일때, 전자들의 위상은 서로 보강 간섭을 일으키므로 소스와 드레인 간의 전류는 극대화된다.
반면, 상기 식(2)에서 △ψ가 (n+1/2)π일때, 전자들의 위상은 서로 상쇄 간섭을 일으켜 전류는 극소화될 수 있다. 이때, n은 정수이다.
제3도는 본 발명의 게이트 전위에 따른 소스와 드레인 사이의 전류의 크기를 종래 트랜지스터와 비교하여 도시한 도표로서, A 곡선은 종래 트랜지스터의 특성 곡선을, B는 본 발명의 양자간섭 효과를 이용한 양자소자의 특성 곡선을 각각 나타낸다. 제3도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 양자간섭 트랜지스터는 종래의 트랜지스터 보다 높은 트랜스 컨덕턴스를 갖음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, AlGaAs/GaAs의 계면에 형성되는 박형의 이차원 전자가스층을 전자통로로 이용하고, 이 전자통로를 지나는 전자들의 위상을 주기적으로 변화되는 폭을 갖는 게이트로 간섭현상을 일으킴으로써, 드레인 전류의 극대/극소화 현상의 다기능성을 가지면서 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 증가시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

Claims (1)

  1. 전자의 간섭성을 이용한 양자간섭 트랜지스터에 있어서, 트랜지스터의 활성영역이 AlGaAs/GaAs의 이종접합 구조로 구성되고, 상기 활성영역의 채널은 상기 AlGaAs/GaAs의 계면에 형성되는 이차원 전자가스층으로 이루어지며, 상기 AlGaAs층 상부와 소스/드레인 사이에 형성되는 게이트는 상기 이차원 전자가스층내의 전자들이 서로 다른 전위를 느낄 수 있도록 게이트 폭을 주기적으로 다르게 형성한 것을 특징으로 하는 양자간섭 트랜지스터.
KR1019940023653A 1994-09-16 1994-09-16 전자의 간섭성을 이용한 양자간섭 트랜지스터 KR0137601B1 (ko)

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