RU2226306C2 - Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device - Google Patents
Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2226306C2 RU2226306C2 RU2001132736/28A RU2001132736A RU2226306C2 RU 2226306 C2 RU2226306 C2 RU 2226306C2 RU 2001132736/28 A RU2001132736/28 A RU 2001132736/28A RU 2001132736 A RU2001132736 A RU 2001132736A RU 2226306 C2 RU2226306 C2 RU 2226306C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quantum
- silicon
- semiconductor device
- levels
- beat based
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым приборам и приборам электронной техники с квантовыми потенциальными ямами.The invention relates to semiconductor devices and electronic devices with quantum potential wells.
Известно устройство [1], содержащее слоистую структуру легированного арсенида галлия (GaAs), нелегированного AlAs толщиной 5 нм, образующих первый потенциальный барьер, нелегированного GaAs толщиной 5 нм, представляющего энергетическую потенциальную квантовую яму, затем нелегированного AlAs толщиной 5 нм, являющегоя вторым потенциальным барьером, и легированного GaAs.A device [1] is known containing a layered structure of doped gallium arsenide (GaAs), unalloyed AlAs with a thickness of 5 nm, forming the first potential barrier, undoped GaAs with a thickness of 5 nm, representing an energy potential quantum well, then unalloyed AlAs with a thickness of 5 nm, which is the second potential barrier , and doped GaAs.
Принцип действия резонансного туннельного прибора [1] состоит в следующем. По мере возрастания приложенного напряжения к наружным слоям легированного GaAs ток, протекающий через слои от эмиттера к коллектору, первоначально нелинейно возрастает до своего резонансного значения, затем убывает при отстройке от резонанса из-за существования потенциальных барьеров и далее нерезонансно возрастает из-за возникновения тока утечки.The principle of operation of a resonant tunneling device [1] is as follows. As the applied voltage to the outer layers of GaAs doped increases, the current flowing through the layers from the emitter to the collector initially increases nonlinearly to its resonance value, then decreases during detuning from resonance due to the existence of potential barriers, and then increases nonresonantly due to the appearance of a leakage current .
Недостатком этого технического решения является сложность изготовления свертонких слоев, высокая трудоемкость процесса молекулярно-лучевой эпитаксии слоев и низкое быстродействие по сравнению с частотами оптического диапазона.The disadvantage of this technical solution is the complexity of manufacturing super-thin layers, the high complexity of the molecular beam epitaxy of the layers and low speed compared to the frequencies of the optical range.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [2], включающее в себя слои Аl2О3, формирующие потенциальные барьеры, электроды истока и стока и широкий (135 нм) и узкий (50 нм) затворы, позволяющие управлять током исток-сток. Формируемая энергетическая потенциальная яма глубиной 10-15 мэВ и высотой барьеров, близкой к энергии Ферми-электронов, позволяет при наложении малой величины напряжения реализовать резонансный процесс туннелирования с частотой от 90 до 360 ГГц.Closest to the claimed device is [2], which includes Al 2 O 3 layers forming potential barriers, source and drain electrodes, and wide (135 nm) and narrow (50 nm) gates that allow controlling the source-drain current. The generated energy potential well with a depth of 10-15 meV and a barrier height close to the Fermi electron energy allows the resonant tunneling process to be realized with a frequency from 90 to 360 GHz when applying a small voltage value.
Недостатками прототипа [2] являются низкое быстродействие по сравнению с частотами оптического диапазона и чувствительность к температуре, что приводит к необходимости охлаждать прибор в связи с увеличением неуправляемого тока утечки при нагревании. Кроме того, недостатком является сложность его изготовления, обусловленная формированием потенциальной энергетической ямы с заданными параметрами. Заявляемое устройство направлено на повышение быстродействия системы, снижение трудоемкости его изготовления и повышение стабильности его характеристик по отношению к температуре.The disadvantages of the prototype [2] are low speed compared to the frequencies of the optical range and sensitivity to temperature, which leads to the need to cool the device due to the increase in uncontrolled leakage current during heating. In addition, the disadvantage is the complexity of its manufacture, due to the formation of a potential energy well with specified parameters. The inventive device is aimed at increasing the speed of the system, reducing the complexity of its manufacture and increasing the stability of its characteristics with respect to temperature.
Решение поставленной задачи достигается тем, что при формировании энергетической потенциальной ямы используется нанокристалл кремния (фиг.1), потенциальный барьер формируется слоем аморфного гидрогенизированного соединения SiOx, окружающим нанокристаллы, а резонансные уровни в запрещенной зоне кремния реализуются за счет примесных атомов родия (с концентрацией 1014 см3) с энергиями 0.353 и 0.591 эВ от дна зоны проводимости. Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что используется эффект квантовой интерференции уровней атома родия с отношением сечений для них 0.04. Оптическая или электрическая накачка зоны проводимости за счет создания неравновесных носителей приводит к их релаксации на примесные уровни родия Rh1 и Rh2 с временами жизни на них 0.19 и 4.6 нс соответственно [3].The solution of this problem is achieved by the fact that when forming the energy potential well, a silicon nanocrystal is used (Fig. 1), the potential barrier is formed by a layer of an amorphous hydrogenated SiO x compound surrounding the nanocrystals, and the resonance levels in the band gap of silicon are realized due to impurity rhodium atoms (with a concentration 10 14 cm 3 ) with energies of 0.353 and 0.591 eV from the bottom of the conduction band. The achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that the effect of quantum interference of the levels of the rhodium atom with a ratio of cross sections for them of 0.04 is used. Optical or electric pumping of the conduction band due to the creation of nonequilibrium carriers leads to their relaxation to impurity levels of rhodium Rh1 and Rh2 with lifetimes of 0.19 and 4.6 ns, respectively [3].
Квантовые биения уровней или квантовое модулирование фотолюминесцентного сигнала облучаемого полупроводникового материала обусловлено эффектом квантовой интференции флуоресцентных сигналов с близко расположенных на энергетической диаграмме уровней [4]. Причем волновая функция возбужденного электрона представляет собой линейную комбинацию функций вероятности уровнейQuantum level beats or quantum modulation of the photoluminescent signal of an irradiated semiconductor material is due to the effect of quantum interference of fluorescent signals from levels closely located on the energy diagram [4]. Moreover, the wave function of an excited electron is a linear combination of level probability functions
где а и b - амплитуды вероятности нахождения электрона на уровнях 1 и 2;where a and b are the amplitudes of the probability of finding an electron at
Г1 и Г2 - спектральные ширины уровней.G 1 and G 2 are the spectral widths of the levels.
Тогда интенсивность излучения или спектральная характеристика тока будут иметь видThen the radiation intensity or spectral characteristic of the current will have the form
где W12=E12/h, Е12 - разница в энергетических положениях двух уровней 1 и 2.where W 12 = E 12 / h, E 12 is the difference in the energy positions of the two
На чертеже схематично представлено резонансное туннельное полупроводниковое устройство (фиг.2) на основе квантовых биений уровней [5]. Устройство содержит металлический электрод, слой поликристаллического кремния, легированного родием, толщиной 300 нм, подложку кремния р-типа проводимости и второй металлический электрод. Приложенное напряжение создает ток, который нелинейно зависит от напряжения. Созданная напряженность поля порядка 8·105 В/м за счет приложенного к электродам напряжения позволяет реализовать резонансный режим работы прибора, при которой через верхний уровень Rh1 осуществляется туннелирование, или релаксация электронов при возможной частоте осцилляции на уровне 1013 Гц.The drawing schematically shows a resonant tunneling semiconductor device (figure 2) based on quantum beat levels [5]. The device contains a metal electrode, a layer of polycrystalline silicon doped with rhodium, 300 nm thick, a p-type silicon substrate of conductivity and a second metal electrode. The applied voltage creates a current that depends non-linearly on the voltage. The created field strength of the order of 8 × 10 5 V / m due to the voltage applied to the electrodes makes it possible to realize the resonant mode of operation of the device, in which tunneling or relaxation of electrons is carried out through the upper level Rh1 at a possible oscillation frequency of 10 13 Hz.
Снижение трудоемкости осуществляется за счет использования поликристаллического кремния, легированного атомами родия, получаемого в результате вакуумно-плазменного осаждения [5].The complexity is reduced due to the use of polycrystalline silicon doped with rhodium atoms, obtained as a result of vacuum-plasma deposition [5].
Повышение стабильности по отношению к температуре достигается тем, что используются для реализации резонансного туннелирования фиксированные дискретные уровни родия в запрещенной зоне кремния.An increase in stability with respect to temperature is achieved by using fixed discrete levels of rhodium in the band gap of silicon to realize resonant tunneling.
Примеры конкретного исполнения могут быть следующими.Examples of specific performance may be as follows.
1. Полярный транзистор на основе поликристаллического кремния состоит из электрода, служащего истоком, поликристаллической пленки кремния, электрода, служащего затвором, и электрода-стока. Подаваемое напряжение на затвор регулирует вид нелинейной зависимости вольтамперной характеристики (I-Vси) прибора (см. фиг. 3).1. A polycrystalline silicon-based polar transistor consists of an electrode serving as a source, a polycrystalline silicon film, a gate electrode, and a drain electrode. The voltage applied to the gate regulates the type of non-linear dependence of the current-voltage characteristic (I-Vсi) of the device (see Fig. 3).
2. Фотоэлектронный прибор, преобразующий световую энергию в электрическую, выполнен в виде тонкой пленки поликристаллического кремния, на поверхность которой нанесены два электрода. За счет облучения светом определенной длины волны происходит генерация неравновесных носителей, служащих источником тока (см. фиг. 4).2. A photoelectronic device that converts light energy into electrical energy is made in the form of a thin film of polycrystalline silicon, on the surface of which two electrodes are deposited. Due to the irradiation of light with a specific wavelength, nonequilibrium carriers are generated that serve as a current source (see Fig. 4).
Источники информацииSources of information
1. Maezawa K., NTT Review. V. 8, N 4, 1996, p.48-51.1. Maezawa K., NTT Review. V. 8, N 4, 1996, p. 48-51.
2. Hu Q. et al. Semiconductor Science and Technology. V. 11, 1996, p.1888-1894.2. Hu Q. et al. Semiconductor Science and Technology. V. 11, 1996, p. 1888-1894.
3. Lisiak K. and Milnes A. Solid-State Electronics. V. 19, 1976, p.115-119.3. Lisiak K. and Milnes A. Solid-State Electronics. V. 19, 1976, p. 115-119.
4. Milovzorov D. Electrochemical and Solid State Letters. V. 4, 2001, p.1-3.4. Milovzorov D. Electrochemical and Solid State Letters. V. 4, 2001, p. 1-3.
5. Milovzorov D., Inokuma T., Kurata Y. and Hasegawa S. Journal of Electrochemical Society. V. 145, N 10, 1998, p.3615-3620.5. Milovzorov D., Inokuma T., Kurata Y. and Hasegawa S. Journal of Electrochemical Society. V. 145, N 10, 1998, p. 3615-3620.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001132736/28A RU2226306C2 (en) | 2001-12-05 | 2001-12-05 | Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001132736/28A RU2226306C2 (en) | 2001-12-05 | 2001-12-05 | Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001132736A RU2001132736A (en) | 2003-08-20 |
RU2226306C2 true RU2226306C2 (en) | 2004-03-27 |
Family
ID=32390133
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001132736/28A RU2226306C2 (en) | 2001-12-05 | 2001-12-05 | Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2226306C2 (en) |
-
2001
- 2001-12-05 RU RU2001132736/28A patent/RU2226306C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
HU Q. et al. Semiconductor Scienc and Technology. V.11. - 1996, p.1888-1894. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6846474B2 (en) | Silicon nanoparticle and method for producing the same | |
US6791248B2 (en) | Field emission electron source | |
US4745452A (en) | Tunneling transfer devices | |
JP2016536806A (en) | Terahertz light source chip, light source device, light source unit and manufacturing method thereof | |
JP5582822B2 (en) | Electromagnetic wave generator | |
WO2001067521A1 (en) | Semiconductor device | |
JP3138705B1 (en) | Diamond pn junction diode and method of manufacturing the same | |
Altukhov et al. | Effect of a terahertz cavity on the conductivity of short-period GaAs/AlAs superlattices | |
US7595498B2 (en) | Electromagnetic wave generation apparatus and manufacturing method of electromagnetic wave generation apparatus | |
EP2159877A1 (en) | Terahertz wave generating device and apparatus using the same | |
RU2226306C2 (en) | Quantum-beat based resonance-tuned semiconductor device | |
US10191353B2 (en) | Optically triggered electrical switches with fast recovery based on nonlinear optical response | |
Andronov et al. | Stimulated emission from optically excited CdxHg1− xTe structures at room temperature | |
RU2269182C2 (en) | Resonance-tuned semiconductor device built around quantum beats | |
CN110783416A (en) | Light-operated thyristor based on surface plasmon, manufacturing method and electronic equipment | |
JP2779323B2 (en) | Optically controlled resonant transmission oscillator | |
CN212136456U (en) | Light-operated thyristor based on surface plasmon and electronic equipment | |
JPH0614563B2 (en) | Semiconductor device | |
JP3271589B2 (en) | Ultra high frequency oscillator and ultra high frequency oscillator using the same | |
Nakagawa et al. | Resonant tunneling of holes in AlAs/GaAs triple barrier diodes | |
US20220344587A1 (en) | Gunn diode and method of manufacturing the same | |
Okumura et al. | New method to determine the photoionization threshold energy of a deep level from photocapacitance | |
JP2006074021A (en) | Electromagnetic wave generation apparatus and its manufacturing method | |
US5466965A (en) | High efficiency, high power multiquantum well IMPATT device with optical injection locking | |
RU2383093C1 (en) | Two-section laser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041206 |