НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Наноэлеюронные устройства с резонансным туннелированием

Г. Помренке1

История устройств с туннельными переходами разного типа (в том числе резо­нансными) насчитывает почти три десятилетия, однако лишь после 1997 г. ста­ла рассматриваться возможность их применения в качестве функциональных элементов электронных схем. В технологии изготовления таких квантовых ус­тройств особое значение имело внедрение методов эпитаксиального роста кристаллов и контроля над этими процессами в наномасштабе, что привело к организации их промышленного производства с гибкими технологическими схемами и высокой воспроизводимостью. Диод с резонансным туннелирова­нием содержит области эмиттера и коллектора, а также барьер двойного тунне - лирования (рис. 6.11). Квантовая яма является настолько узкой (5—10 нм), что в ней может содержаться только один, так называемый «резонансный» энерге­тический уровень.

Резонансный

_ энергетический

Потенциальная ур0Вень

Энергия /

Ж

Эмиттер Коллектор

В

Поток электронов

С

| Диаграммы энергетических зон|

Рис. 6.11. Характеристики устройства с резонансным туннелированием [51].

Принцип действия таких устройств состоит в том, что электроны могут пе­ретекать от эмиттера к коллектору только после того, как их энергия поднима­ется до резонансного уровня. Первоначально, когда приложенное поперек устройства напряжение мало (рис. 6.11, А), энергия электронов ниже резонан­сного уровня, и ток через устройство не протекает. С ростом напряжения линия потенциальной энергии в области эмиттера поднимается, а в области коллектора — опускается, в результате чего энергетическая зона электронов в эмиттере выходит на резонансный уровень энергии и начинается свободное туннелирование (в направлении слева направо, как показано на рис. 6.11, В). Этому процессу соответствует нарастание тока до пикового значения в точке В. С ростом напряжения поперек устройства энергия электронов становится вы-

Рис. 6.12. Ядро сумматора с резонансным туннелированием [52].

Ше резонансной, туннелирование прекращается и ток резко спадает до точки С. При дальнейшем росте напряжения все больше электронов становятся спо­собными проходить над барьером туннелирования, и поэтому ток снова нара­стает. Вольт-амперная характеристика такого устройства соответствует харак­теристике туннельного диода. Различие состоит в том, что резонансный тун­нельный диод (РТД) имеет значительно меньшую емкость, что увеличивает скорость срабатывания. Кроме того, форма вольт-амперной характеристики РТД (т. е. положения пика и долины) может изменяться путем соответствую­щего конструирования запрещенной энергетической зоны.

Программа «Ультраэлектроника» (Ultra Electronics Program), осуществляе­мая Управлением перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA), включает разработку и моделирование миниатюр­ных суммирующих устройств с гигагерцевой частотой на основе элементов с избыточной и многозначной логикой. Впервые в мире было продемонстриро­вано интегрированное запоминающее устройство, которое может использо­ваться в сумматорах (рис. 6.12), процессорах и схемах с многозначной логи­кой. Разработанная технология позволила создать аналогово-цифровой преобразователь (4 бит, 2 ГГц), динамический квантователь (3 ГГц, 40 дБ), ус­тройство выборки и хранения информации (3 ГГц, линейность 55 дБ), схемы синхронизации, сдвиговые регистры и статические запоминающие устройст­ва с произвольной выборкой, имеющие сверхнизкое энергопотребление (50 нВт/бит) [52].

В начале 1980-х годов были разработаны функциональные устройства с квантовым удержанием. В оптоэлектронике примером приборов такого типа служит устройство для фотонного переключения на основе самоэлект - рооптического эффекта (эффект Штарка с квантовыми ограничениями). В качестве еще одного примера можно отметить поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором, важное средство оптической связи. Та­кой лазер обеспечивает двукратное увеличение быстродействия, имеет в 10 раз меньшую стоимость компонентов и в 10—2000 раз меньшее энергопот­ребление.