共振隧穿

共振隧穿器件及共振隧穿晶体管共振隧穿晶体管（RTT）是共振隧穿器件的一种，它与共振隧穿二极管（RTD）一样都是利用量子共振隧穿效应而制成的一种高速纳米电子器件。共振隧穿器件由于具有高频、高速、低功耗、负阻、双稳、自锁及用少量器件完成多种逻辑功能等特点，因而在未来电子信息技术领域中具有很大的发展潜力。1共振隧穿器件1.1共振隧穿效应共振隧穿器件是以共振隧穿效应为物理依据，共振隧穿效应是量子隧穿效应的一种特殊情况。如图1所示，若Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅴ区均是金属、半导体或超导体，而Ⅱ区与Ⅳ区是极薄的绝缘层（厚度约为0.1nm）。图1势垒形状设电子开始处在左边的金属中，可认为电子是自由的，在金属中的势能为零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个壁垒，我们将它称为势垒。一个高度为U0、宽为a的势垒，势垒右边有一个电子，电子能量为E。因电子的能量小于区域Ⅱ中的势能值U0，若电子进入Ⅱ区，就必然出现“负动能”，这是不可能发生的。但用量子力学的观点来看，电子具有波动性，其运动用波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程，求解薛定谔方程可知电子在Ⅱ区甚至Ⅲ区等区域出现的概率不为零。像这种电子穿透比它动能更高的势垒的现象，称为隧穿效应。它是粒子波动性的表现。图2共振隧穿效应类比图而共振隧穿可以简单理解为，在某一个能量值时电子的隧穿机率出现尖锐峰值。这种现象类似于光通过两个平行界面构成像Fabry-Perot标准具这样的光学滤波器一样，光强作为波长的函数，形成尖锐的跃迁峰值，如图2所示。1.2共振隧穿器件分类共振隧穿器件的分类如表1所示。表1共振隧穿器件的分类种类结构分类工作原理特点RTDRTD在同一能带（导带或价带）中发生共振隧穿，期间的发射区、势阱和集电区为同种或相近材料两端，特性不能调制，速度、频率高RITD在不同带间发生共振隧穿，E、C区为一种能带或材料，势阱为另一种能带或材料两端，特性不能调制，一般PCVR较大RTTGRTT通过栅极的shottky结或势阱区的pn结来控制RTD的电流三端，特性可调，速度比RTD低RTMESFET以RTD的双势垒结构为源区的MESFET器件，其IDVDS特性上也存在负阻特性三端，具有电流增益，又分为纵横两种结构RTBT以RTD的双势垒结构作为发射区的双极管或HBT三端，具有电流增益RHET以RTD的双势垒结构作为发射极的热电子晶体管三端，具有电流增益ORTDORTD以光信号改变RTD的负阻特性光触发，两端负阻器件RTD型光调制器基于RTD的光调制器光调制器的一种共振隧穿器件可以应用于三个方面：一个是用于模拟电路，做成微波和毫米波振荡器等；另一个是用于高速数字电路，与MESFET，HBT，HEMT等进行集成构成高速数字电路；还可以用ORTD或与常规光电探测器件构成高速光电集成电路。1.3共振隧穿器件的特点（1）高频高速在半导体器件各种载流子输运机制中,隧穿机制是比扩散、漂移等更快的物理机制，利用此种机制制造的共振隧穿器件具有更高的频率和开关速度。如RTDmaxf的理论预计值为2.5THz,实际RTDmaxf为712GHz,RTD的开关时间tr低到1.5ps。故RTD已成为目前速度最快的器件之一。（2）制备工艺相对简单共振隧穿器件结构上的最大特点是只有在某一维的尺寸为纳米量级,而其他两维尺寸为微米量级,这个特点体现在器件制备工艺方面即在器件纳米方向上的尺寸采用高精度的分子束外延(MBE)或金属有机化合物淀积(MOCVD)等技术来控制。器件在微米量级方向上的加工则可通过常规IC工艺来完成。因此，一般共振隧穿器件可以通过常规IC工艺来制备。其他纳米电子器件(如单电子晶体管SET,量子点器件QD和量子分子器件等)三维尺寸皆纳米量级，不能用常规IC工艺来制备。（3）I-V曲线呈现负阻特性构成RTD或RTT的核心结构是双势垒单势阱系统（DBS）。该系统由宽带隙化合物材料（如AlAs）在导带中形成两个势垒和夹在其中间、由窄带隙材料（GaAs或InGaAs）构成的势阱构成，一般情况下势垒和势阱的宽度都为几个纳米的量级。纳米级的势垒可以发生量子遂穿效应，纳米级势阱中的能量可以发生量子化效应分裂为分离的能能级。如图3所示，E0为势阱中的基态能级，DBS（双势垒结构）的左右侧分别重掺杂n型杂质窄带隙材料构成的发射区E和集电区C，其费米能级EF位于导带底EC以上。当不加偏压时[如图3（a）所示]，E0位于EF之上，不发生共振隧穿；加偏压后[如图3（b）所示]，能带倾斜，E0下降和EF与EC之间的能量E对准，发生共振隧穿，隧穿几率变得非常大，隧穿电流也变大。随着偏压V增加，隧穿电流也逐渐增大，直到E0与发射区的EC对准时电流达到最大。而后E0对准EC以下的禁带时，共振隧穿过程停止，电流突然下降，产生负阻特性，如图3（c）所示。（a）无偏压时的能带图（b）加偏压时的能带图（c）RTD的I-V特性图3RTD的工作原理1.4共振隧穿器件的应用性能（1）共振隧穿器件都是电压控制器件：通过改变栅极电压Vg来把量子阱相对源的能级进行调整,使得实现电流开关或放大。因此,用小的栅极电压可以控制流过器件的大电流。（2）可用作为开关或放大器：这种纳米尺寸的量子效应器件的开关性能比MOSFET更优越。（3）可实现多态逻辑功能：如果势阱中的能级被分离得足够宽,则当偏压(或栅极电压)增加时,势阱内的不同能级将会依次连续地与源导带发生共振和非共振,将出现电流的多次开和关,即出现多个状态。对RTT,这种多态特征可通过改变栅极电压而获得。相对于两态的MOSFET,若采用这种多态量子效应器件来实现某个逻辑功能的话,需要的器件数目要少,则每一功能的热耗散就少。利用多态量子效应器件的这种优势，可做成混合微电子-纳米电子器件。2共振隧穿晶体管研究共振隧穿晶体管的一个重要的实际意义就是弥补共振隧穿二极管的不足，共振隧穿二极管(RTD)虽然具有高频、高速、双稳、自锁等优点,但它没有增益、扇出和驱动能力小、对I-V特性没调制功能、输入和输出回路间不能隔离等,这给电路设计带来了不便。而具有控制极的三端共振隧穿器件—共振隧穿晶体管(RTT)则可克服以上缺点。RTT的频率一般为几十个GHz的量级,不如RTD的频率高，但在微波和高速数字集成电路中仍具有重要的应用价值。而在另一方面，RTT和其他的高速三端器件HBT、HEMT、MESFET等相比，不仅具有高频和高速的特点，而且还有负阻双稳、自锁特性，在同样功能的电路中可节约大量器件数目，相当于提高了电路的集成度。相对的是，RTT的制做对工艺的要求比较高，国外相关报道比较多，国内仅有少数大学或研究所展开了相关项目的研究。2.1共振隧穿晶体管的结构分类共振隧穿晶体管（RTT）有多种结构，它们都是在双势垒-量子阱共振隧穿二极管（RTD）的基础上,再加上一个栅极而构成的。改变栅电压Vg来控制共振隧穿的穿透率,从而控制通过器件的电流。各种具体结构RTT的工作原理和特点是：（1）量子阱栅极结构：改变Vg时,阱中的能级上下变动,从而可控制电流。为了确保势阱的导电性,阱中的基态能级应该比电极的费米能级EF要低。量子阱材料可用InGaAs或金属来制作。（2）Schottky栅(或p-n结栅)结构：反偏Vg改变耗尽层宽度，使S-D电流通路的横截面积改变,从而控制电流的大小。（3）表面共振隧穿FET：表面沟道垂直于势垒和量子阱；改变Vg，使量子阱中2-DEG的费米能量(即入射电子波的波长)改变，导致电子波的透过特性变化，从而S-D电流变化。（4）共振隧穿热电子晶体管(RHET)：用RTD取代BJT中的发射结即构成。其输入特性具有高度的非线性特性(电流峰值对应于共振隧穿)，从而增强了器件的电路应用功能。2.2一种肖特基栅型共振隧穿三极管在GaAs基GRTT的DBS中，势垒一般为AlAs或AlGaAs；势阱为GaAs或In0.1Ga0.9As；E和C极为n-—GaAs；接触层为n+—GaAs，如图4所示。作为栅极的肖特基结，用Ti/Pt/Au金属通过自对准蒸发工艺来完成。肖特基栅位于RTD的中部，使其在反偏下所产生的耗尽区贯穿DBS区，限制在两个n—GaAs以内，如图5所示。在这种情况下，当栅电压为Vg时，肖特基结的耗尽区厚度可表示为d，则02DgVVdqn(1)式中：为电容率；0为GaAs介电常数；DV为肖特基势垒高度或势垒电压；q为电子电荷；n为耗尽区处的平衡电子浓度。从式（1）可知，当耗尽区位于n-区时由于电子浓度低，可得到较大的d值，当栅极反偏时，括弧内数值变为（DV+|gV|），d随gV增大。由图5可知，耗尽区同时向纵向和横向扩展，使从源（或发射）极向下流向漏（或集电）极的电子通道变窄。如果两侧栅电极的间距为ggL，则电流通道的尺度便是2ggLd，与电流垂直方向上的导电截面面积为(2)ggSWLd(2)式中W为GRTT器件与纸面垂直方向上的宽度。根据式（1）和（2），当反偏增大时流过的通道变窄，电流变小。这就是栅控GRTT电流的原理。图4GRTT材料结构图5GRTT原理软件仿真得到该RTT的器件特性：I-V输出特性如图6所示。从图6可见，底端接地时，栅压调制能力较弱，且趋于饱和；而顶端接地时，则栅压调控能力较强，且不饱和。（a）底端接地（b）顶端接地图6GRTTI-V特性对特性曲线的解释：虽然器件的材料结构设计是非常对称的，但是由于器件的上半部直径小于下半部，当上部接正偏压底部接地时，随着栅压增大耗尽效应很强，电流沟道较窄；而当底部接正偏压，顶部接地时，耗尽效应较弱，而且不饱和，故形成图6（b）的情况。3总结共振隧穿器件由于其特殊的工作原理而使其具有其它纳米电子器件所不具有的优良性能，应用前景广阔。在目前的研究工作中，由于制作工艺的限制，制备更为容易的RTD的研究远远超过RTT，RTT的研究仍有待深入。此外，共振隧穿器件的优异特点使其特别适于超高速集成电路发展的需要,共振隧穿器件集成技术的研究与应用将成为大家关注的焦点。