4. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках.

Модулированно-легированные гетероструктуры с квантовыми точка­ми, встроенные в токовый канал, представляют значительный инте­рес для устройств как в микро- так и в наноэлект­ронике. Транзисторы на кванто­вых точках представляют, по существу, новый тип приборов на горячих элект­ронах, весьма перспектив­ный для СВЧ-электроники.

На рис. 3.14 представле­на структура модулированно-легированного транзи­стора с квантовыми точками.

Рис. 1.14. Структура модулированно-легированого транзистора с квантовыми точка­ми: 1— не легированный слой GaAs (6 нм); 2 — δ(Si)-слой (2∙10¹² см^-2); 3, 4 — InAs 1,07 нм (0,7 нм).

Такие гетероструктуры растят по модели Странски -

Крастанова, согласно кото­рой эпитаксиальный слой формируется на подложке с другими параметрами решетки. Квантовые точки возникают в слое, если его толщина превышает некоторое критическое значение.

На полу изолирующую подложку GaAs (100) мето­дом молекулярно-лучевой эпитаксии наносится нелегированный бу­ферный слои GaAs толщиной ~0,5 мкм. Затем наносятся два тон­ких слоя InAs, которые разделяются нелегированным «спейсер»-слоем GaAs. Толщина слоев InAs составляет 0,7 ÷ 1,0 нм, а слоя GaAs — 3,5 ÷ 5,6 нм. При этом формируется два слоя квантовых точек, размер и плотность которых варьируются в различных струк­турах. Затем выращивается второй «спейсер»-слой Al_0,2Ga_0,8As тол­щиной 10 нм. Далее выращиваются слои: δ(Si)-легированный и нелегированный слой Al_0,2Ga_0,8As толщиной 35 нм.

Формирование такой гетероструктуры завершается выращивани­ем нелегированного стоя GaAs толщиной 6 нм и легированного кремнием (п+ = 3∙10¹⁸ см^-3) контактного слоя GaAs толщиной 40 нм. После нанесения электродов транзистор готов к исследо­ваниям, причем длина затворов составляет 0,3 ÷ 0,4 мкм. Выясни­лось, что подвижность и концентрация электронов в двумерном газе уменьшаются из-за наличия квантовых точек. Это означает, что квантовыми точками захватывается меньшее число электронов. Транспорт электронов в гетероструктурах с квантовыми точка­ми имеет две компоненты. Одна компонента формируется подвиж­ными электронами из двумерного газа и соответствует насыщению их дрейфовой скорости, другая обус­ловлена электронами, локализован­ными в квантовых ямах. Вторая компонента дает вклад в электрон­ный транспорт только в сильных электрических полях.

На рис. 3.15 приведены вольт-амперные характеристики гетероструктурных транзисторов на квантовых точках с длиной затвора 0,35 мкм при различных значениях напряжения на затворе U_з. Дискретность изменения U_з при переходе от одной кривой к другой составляет 0,5 В. Эти характеристики принципиально отлича­ются от характеристик обычных МОП-транзисторов, так как для них токи насыщения управляются напряжением на затворе.

Рис. 3.15. Вольт -амперные ха­рактеристики гетеротранзисторов на квантовых ючках: I_c — ток стока; U_з— напряжение на затворе; U_с — напряжение стока.

В транзисторах на квантовых точках концентрация участвую­щих в транспорте электронов в сильных полях не зависит от напря­жения на затворе. Пороговое же напряжение, необходимое для эмиссии электронов из квантовых точек, уменьшается, когда напря­жение на затворе становится отрицательным.

Если в МОП-транзисторных структурах происходит запирание транзистора при отрицательных напряжениях на затворе, то в тран­зисторах на квантовых точках ток стока в области малых напряже­ний на стоке имеет тенденцию увеличения.

Пороговая напряженность E_пор, при которой стимулируется эмиссия электронов из глубоких уровней квантовых точек, опреде­ляется из ВАХ (см. рис. 3.15) для беззатворных приборов:

E_пор = U_пор/d_кт = 4∙10⁴ В/см

Опенка глубины (энергии залегания) E_кт , заполненных электрон­ных уровней квантовых точек дает значение

E_кт =q∙ E_пор∙ d_кт ≈160 мэВ,

где d_кт — латеральный размер квантовой точки, который принима­ется за 40 нм.

Такой тип транзисторов принципиально отличается от всех из­вестных полевых транзисторов. Они имеют высокую крутизну, ма­лую емкость, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры надеяться на их использование в СВЧ-приборах.