KR0170473B1 - 공진 터널링 전자장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속 전자 장치 또는 논리 스위칭 장치에 사용되는 반도체 이질접합 양자우물구조에 관한 것으로 특히, 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 상기 전위 장벽층을 수성하는 양자 우물층들의 넓이가 점차 감소하는 경우 양자 장벽층의 높이가 점차 증가하는 방법으로 양자 우물층과 장벽층들의 비대칭 적으로 교대로 조합 적용되어 Stark shift에 의한 반도체 이질접합 구조의 양자속박 준위들의 정렬(alignment)을 이용한 공진터널링의 증가 효과에 의한 픽전류 감소 방지 효과와 유효(effective barrier)높이의 증가 효과로 인한 밸리 전류 감소로 인한 PVR의 증가가 유도되는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치에 관한 것이다.
Description
제1도는 본 발명의 일 실시예에 의한 공진 터널링 전자장치의 횡단면도.
제2a도 내지 제2c도는 각 전압 하에서의 각 충돌 내에서 도전 밴드의 최저 준위와 밸런스 밴드의 최고준위를 나타내는 에너지 밴드 예시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 도전형 에미터(E) 2 : 제1양자장벽층
3 : 제1양자우물층 4 : 제2양자장벽층
5 : 제2양자우물층 6 : 제3양자장벽층
7 : 도전형 콜렉터(C) 8 : 기판
EF : 페르미에너지 준위 EC I : 에미터 도전밴드 최소치
ECBI : 제1양자장벽층의 도전밴드 최소치
ECBII : 제2양자장벽층의 도전밴드 최소치
ECBIII : 제3양자장벽층의 도전밴드 최소치
EC II : 정공의 장벽층의 도전밴드 최소치
EQ I : 전자의 제1양자우물내 양자속반 에너지 준위
EQ II : 전자의 제2양자우물내 양자속반 에너지 준위
LQ I : 제2양자우물층의 넓이 LQ II : 제2양자우물층의 넓이
LB I : 제1양자장벽층의 넓이 LB II : 제2양자장벽층의 넓이
LB III : 제3양자장벽층의 넓이 Ver : 공진터널링전압
Veor : 오프-공진터널링 전압
본 발명은 고속 전자 장치 또는 논리 스위칭 장치에 사용되는 반도체 이질접합 양자우물구조에 관한 것으로 특히, 양자속박준위들의 스타크 쉬프트(Stark shift)에 의한 정렬(alignment)을 통한 공진 터널링(resonant tunneling)증가효과 의한 픽전류의 증가와 유효장벽(effective barrier)높이의 증가로 인한 밸리전류 감소로 PVR(peak to valley ratio)의 증가가 유도되어 개선된 스위칭 장치 및 논리 장치로 응용 가능한 공진 터널링 전자장치에 관한 것이다.
최근 수년동안 분자 빙 에피택시(MBE), 금속유기화합물 증착법(MOCVD)등의 반도체 성장기술이 발전함에 따라 이질접합 구조(heterostructure)를 사용하는 반도체 장치들의 개발이 활성화 되어 왔다.
이러한 이질접합 장치들의
GaAs/AlAs,GaAs/GaAlAs,InAs/GaSb,InAs/ZnTe등과 같은 이질접합구조의 밴드 정렬(band line -up)로 인한 양자 우물 구조에서 나타나는전자들의 양자속박 준위들(quantum-confined states)을 통한 전자의 공진 터널링 효과(resonant tunneling effect)에 대해 지대한 관심들이 집중되고, 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 공진 터널링을 이용한 전자의 빠른 전자의 이동 효과와 대단히 짧은 천이시간은 소자의 테라급 작동을 가능하게 할 수 있다.
특히, 공진터널리을 통한 전류의 NDR(negative differential resistance)특성은 그들의 빠른 스위칭 시간(switching time)과 낮은 전력 소모(dissipation)때문에 초고속(ultra-high speed) 스위칭 장치(switching device), 마이크로파 소자(microwave device)및 논리 소자(logic device)로의 응용등 기술적 중요성을 가지고 있다.
따라서, 이러한 NDR(negative differential resistance)을 가진 반도체 장치에서의 높은 픽전류(peak current)와 높은 PVR의 성취(achievement)는 소자의 성능(performance)개선에 중요한 요인으로 작용하였으며 그에 대한 요구가 증가함에도 불구하고 이를 종래의 기술로는 제대로 수용하지 못하는 문제점이 발생되었다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 양자속박 준위들의 스타크 쉬프트(Stark shift)에 의한 정렬(alignment)을 통한 공진 터널링(resonant tunneling)증가효과에 의한 픽전류의 증가와 유효장벽(effective barrier)높이의 증가로 인한 밸리전류 감소로 PVR(peak to valley ratio)의 증가가 유도되어 개선된 스위칭 장치 및 논리 장치로 응용 가능한 공진 터널링 전자장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 상기 전위 장벽층을 수성하는 양자 우물층들의 넓이가 점차 감소하는 경우 양자 장벽층의 높이가 점차 증가하는 방법으로 양자 우물층과 장벽층들이 비대칭 적으로 교대로 조합 적용한데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은, 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 상기 전위 장벽층을 수성하는 양자 우물층들의 넓이가 점차 감소하는 경우 양자 장벽층의 높이가 점차 증가하는 방법으로 양자 우물층과 장벽층들이 비대칭 적으로 교대로 조합 적용되어 Stark shift에 의한 반도체 이질접합 구조의 양자속박 준위들의 정렬(alignment)를 이용한 공진터널링의 증가 효과에 의한 픽전류 감소 방지 효과와 유효(effective barrier)높이의 증가 효과로 인한 밸리전류 감소로 인한 PVR의 증가가 유도되는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징은, 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 공진 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 전위 장벽층이 복수의 양자우물 층들과 양자 장벽 층들로 이루어진 구조에서, 전자의 양자 우물층들의 넓이와 양자 장벽층의 높이가 비대칭적 조합(aymmetric combination)구조로 이루어지고, 이에 의해 Stark shift에 의한 양자속박 준위들의 정렬을 통한 공진터널링을 이용하는데 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
제1도는 본 발명의 일 실시예에 의한 공진 터널링 전자장치(Resonant tunneling electronic device(RTD)) 구조의 횡단면도이다.
양자 장벽층(quantum barrier)들의 높이가 점차로 증가하고, 전자(electron)의 양자 우물층(quantum-well)들의 넓이가 점차로 감소하는 방법으로, 양자 장벽층과 양자 우물층 구조들이 교대로 조합 적용된 구조이다.
상기와 같이 구성되는 구조의 구성상의 특징은 2개 이상의 양자 우물구조(3개 이상의 양자 장벽구조)에서 전자(electron)의 양자 속박 상태(quantum-well states)를 제공하는 양자우물층의 넓이(quantum-well width)를 점차로 감소시키고, 양자 장벽층의 높이(quantum-well height)를 점차로 증가시키는 방법의 비대칭적 조합구조로 구성된다.
또한, 외부 전압(external bias)적용시, 전자의 양자 속박준위들의 일치(alignment)가 일어날 수 있게 되며, 이들 align된 states를 통한 공진 터널링 효과가 증대될 수 있는 공진 전압(resonant voltages)시에는 픽전류가 증가하게 되고, 비공진 전압(off resonant voltage)시에는 기존의 대칭적 이중장벽 공진 터널링 구조에 비하여, 전압강하에 의한 장벽 높이 감소가 보충되어, 유효 장벽 높이(effective barrier height)이 증가하여, 밸리 전류(valley current)의 감소 효과가 나타나게 된다.
또한, 양자 장벽층(quantum-barrier)들의 높이가 점차로 증가하고, 전자(electron)의 양자 우물층( quantum-well)들의 넓이가 점차로 감소하는 방법으로, 양자 장벽층과 양자 우물층 구조들이 교대로 조합적용된 구조이다.
제2도의 도표들은 각 전압하에서의 각 층들내에서 도전밴드의 최저 준위와 밸런스 밴드의 최고 준위를 나타내는 에너지 밴드 도표(Schematic energy diagram)로서, 제2a도는 열평형 상태에서의 공진 터널링 전기장치(RTD)구조층들의 에너지 밴드 도표이고, RTD의 동작상태의 예로서, 전자의 공진터널링 전압(electron resonant voltage) (Ver)하에서 전자의 양자속박 준위들의 정렬이 일어나고 이를 통한 공진 터널링이 일어나고(제2b도), 전자의 오프-공진터널링 전압(electron off-resonant voltage)(Veor)적용시의(제2c도) RTD의 동작상태의 에너지 밴드 도표의 예로, 전압과 양자준위들과는 다음과 같은 관계식에 성립한다.
비공진 전압시에는 기존의 대칭적 이중장벽 공진 터널링 구조에 비하여, 전압 강하에 의한 장벽 높이 감소가 보충되어, 유효 장벽 높이(effective barrier height)가 증가시킬 수 있어, 밸리 전류( valley current)의 감소 효과가 나타나게 된다.
상기 제2도에서 보는 바와 같이 양자우물 속박준위들은 각층(laver)들의 넓이와 양자 장벽층의 높이에 의해 제어(control)될 수 있다.
또한, 에미터와 콜렉터 사이에 도우핑이 안된 스페이서층 즉, 전위변화 흡수(완충)층의 자유도를 도입하여 활용 할 수 있다.
그리고, 3개 이상의 양자우물 구조를 사용한 경우, 양자속박 준위들의 갯수 증가로 다양성이 제공된다.
즉, 전자의 양자 우물층들의 비대칭적 조합(asymmetic combination)과 Stark 효과에 의해, 다양한 multi-level의 배합(combination)의 정렬(alignment)이 가능하게 된다.
상기와 같이 동작하는 발명에 따른 공진 터널링 전자장치를 제공하면, 전자의 공진 터널링 전자장치(RTD)구조는 전자의 공진 터널링 효과를 증대시켜 픽전류를 증가시키고, 유효 장벽(effective barrier)높이 증가 효과로 인한 밸리전류 감소로 인해 전류의 PVR의 증가가 유도되어, 개선된 초고속 논리장치 및 스위칭 장치등으로 응용 가능하다.
여기서 공진 터널링 구조의 변수, 즉 위치변화, 이종접합 물질들의 선택에 따른 양자우물 양자 준위의 변화 및 양자 우물 준위 갯수의 변화(multi levels), 그리고 양자우물 갯수의 변화등에 따라 다양한 새로운 형태로의 반도체 장치의 테일러링(Tailoring)가능하다.
즉, 이러한 테일러링에 의해 전자의 양자속박 준위들의 Stark shift에 의한 정렬(alignment)의 조합(combination)을 조정함으로써 멀티 픽(multi-peaks)의 형성이 가능하고, 이로 인해 논리소자의 갯수를 줄일 수 있는 새로운 고속 논리 기능소자로 응용 가능하다.
Claims (5)
- 도전층의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 상기 전위 장벽층을 수성하는 양자 우물층들의 넓이가 점차 감소하는 경우 양자 장벽층의 높이가 점차 증가하는 방법으로 양자 우물층과 장벽층들이 비대칭 적으로 교대로 조합 적용한 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치.
- 제1항에 있어서, 전위변화 완충층이 도입된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치.
- 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 상기 전위 장벽층을 수성하는 양자 우물층들의 넓이가 점차 감소하는 경우 양자 장벽층의 높이가 점차 증가하는 방법으로 양자 우물층과 장벽층들이 비대칭 적으로 교대로 조합 적용되어 Stark shift에 의한 반도체 이질접한 구조의 양자 속박 준위들의 정렬(alignment)를 이용한 공진터널링의 증가 효과에 의한 픽전류 감소 방지 효과와 유효(effective barrier)높이의 증가 효과로 인한 밸리전류 감소로 인한 PVR의 증가가 유도되는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치.
- 제3항에 있어서, 전위변화 완충층이 도입된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치.
- 도전형의 에미터층과 콜렉터 층들 사이에 배치되어 있는 전위 장벽층으로 구성되어 있는 공진 터널링 고속 반도체 장치에 있어서, 전위 장벽층이 복수의 양자우물 층들과 양자 장벽 층들로 이루어진 구조에서, 전자의 양자 우물층들의 넓이와 양자 장벽층의 높이가 비대칭적 조합(aymmetric combination)구조로 이루어지고, 이로 인해 Stark shift에 의한 양자속박 준위들의 정렬을 통한 공진터널링을 이용하는 것을 특징으로 하는 공진 터널링 전자장치.
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