공명 터널링 다이오드

Resonant-tunneling diode

공명 터널링 다이오드(RTD)는 특정 에너지 수준에서 전자가 일부 공명 상태를 통해 터널링할 수 있는 공명 터널링 구조를 가진 다이오드다.전류 전압 특성은 종종 음의 차동 저항 영역을 나타낸다.

모든 종류의 터널링 다이오드는 양자역학적 터널링을 사용한다.터널링 다이오드의 전류-전압 관계에 대한 특징은 하나 이상의 음의 차동 저항 영역이 존재하며, 이 영역은 많은 고유한 용도를 가능하게 한다.터널링 다이오드는 매우 콤팩트할 수 있으며 매우 얇은 층을 통한 양자 터널링 효과가 매우 빠른 공정이기 때문에 초고속 작동이 가능하다.활성 연구의 한 분야는 테라헤르츠 주파수에서 작동할 수 있는 오실레이터와 스위칭 소자를 만드는 것이다.[1]

소개

공명 터널링 다이오드 소자의 작동 메커니즘과 출력 특성에서 음의 차동 저항.첫 번째 전류 피크 후 게이트 바이어스와 함께 첫 번째 에너지 레벨이 소스 페르미 레벨 아래로 감소하기 때문에 음의 저항 특성이 있다.(왼쪽: 밴드 다이어그램, 중앙: 전송 계수, 오른쪽: 전류-전압 특성).오른쪽 그림에서 나타난 부정적 저항 행동은 근원인 페르미 수준과 밴드갭에 대한 구속 상태의 상대적 위치에 의해 발생한다.

RTD는 다양한 유형의 재료(II-V, 타입 IV, II–VI 반도체 등)와 에사키 다이오드의 도핑이 심한 p-n 접합부, 이중 장벽, 삼중 장벽, 양자 우물 또는 양자 와이어와 같은 다양한 유형의 공명 터널링 구조를 사용하여 제작할 수 있다.Si/SiGe 공명형 간 터널링 다이오드의 구조와 제작 공정은 현대 Si 보완금속-산화물-반도체(CMOS) 및 Si/SiGe 이질결합 양극화 기술과의 통합에 적합하다.

한 종류의 RTD는 매우 얇은 층 장벽으로 둘러싸인 단일 양자 우물 구조로 형성된다.이 구조물을 이중 장벽 구조라고 한다.전자나 구멍 같은 운반체는 양자 우물 안쪽에만 이산 에너지 값을 가질 수 있다.전압이 RTD에 걸쳐 놓이면 테라헤르츠 파동이 방출되는데, 이것이 양자 우물 내부의 에너지 값이 방출측과 같은 이유다.전압이 증가하면 양자 우물 내 에너지 값이 방출체 측 에너지 밖에 있기 때문에 테라헤르츠 파동은 소멸한다.

RTD 구조에서 볼 수 있는 또 다른 특징은 나노허브에서 생성된 영상에서 볼 수 있는 바이어스 적용 시 음의 저항이다.음의 저항 형성은 아래 작동 섹션에서 자세히 검사할 것이다.

이 구조는 분자 빔 이성애에 의해 성장할 수 있다.특히 GaAs와 AlAs가 이 구조를 형성하는데 사용된다.AlAs/InGaAs 또는 InAlAs/InGaAs를 사용할 수 있다.

RTD를 포함하는 전자 회로의 작동은 Van der Pol 오실레이터 방정식의 일반화인 방정식의 Liénard 시스템으로 설명할 수 있다.[2][3][4]

작전

다음 과정은 오른쪽 그림에서도 설명된다.우물 내부의 장벽 수와 제한 상태에 따라 아래에 기술된 과정이 반복될 수 있다.

양저항영역

낮은 편향의 경우 편향이 증가함에 따라 잠재적 장벽 사이의 1차 제한 상태가 근원 페르미 수준에 가까워지고 있어 이를 운반하는 전류는 증가한다.

음저항영역

편향이 더 증가하면 1차 구속상태는 에너지가 더 낮아지고 점차 밴드갭의 에너지 범위로 들어가므로 운반하는 전류는 감소한다.이 때, 제2의 제한 상태는 여전히 에너지가 너무 높아 상당한 전류를 전도할 수 없다.

2차 양성저항영역

첫 번째 지역과 마찬가지로 제2의 제한 상태가 점점 근원 페르미 수준에 가까워질수록 더 많은 전류를 전달해 총 전류가 다시 증가하게 된다.

밀반입 공진 터널링

장벽 높이보다 작은 에너지를 가진 왼쪽에서 입자가 발생하는 이중 배리어 전위 프로파일.

단일 장애물을 통과하는 양자 터널링에서 전송 계수 또는 터널링 확률은 항상 1보다 작다(입자 에너지가 잠재적 장애물 높이보다 작을 경우).두 개의 장벽(서로 가까운 곳에 위치하는)을 포함하는 잠재적 프로파일을 고려하여 표준 방법 중 하나를 사용하여 (입자 에너지의 함수로서) 전달 계수를 계산할 수 있다.

이중 장벽을 통한 터널링은 1951년 데이비드 봄의 Gandzel-Kramers-Brillouin(WKB) 근사치에서 처음으로 해결되었는데, 이 근사치는 특정 입사 전자 에너지에서 전송 계수의 공명 현상이 발생한다고 지적했다.특정 에너지의 경우 전송 계수는 1과 동일하다는 것이 밝혀졌다. 즉, 이중 장벽은 입자 전송을 위해 완전히 투명하다.이 현상을 공명 터널링이라고 한다.[5]잠재적 장벽의 전송 계수는 항상 1보다 낮지만(그리고 장벽 높이와 폭이 증가함에 따라 감소함), 연속적으로 두 개의 장벽은 입사 입자의 특정 에너지에 대해 완전히 투명할 수 있다는 것은 흥미롭다.

이후 1964년 L. V. 이오간센은 반도체 결정체에 형성된 이중 장벽을 통해 전자의 공명 전송 가능성을 논의하였다.[6]1970년대 초, 츠, 에사키, 장은 유한초과탄의 2단자 전류전압(I-V) 특성을 계산하여, 공진을 전송계수뿐만 아니라 I-V 특성에서도 관측할 수 있다고 예측하였다.[7]공명 터널링은 또한 3개 이상의 장벽이 있는 잠재적 프로파일에서도 발생한다.MBE 기법의 발전은 1980년대 초 솔너 외 연구진이 보고한 바와 같이 테라헤르츠 주파수에서 음의 차동전도(NDC)를 관측하게 했다.[8]이것은 다중 배리어 구조를 통한 터널링을 연구하기 위한 상당한 연구 노력을 촉발했다.

공명 터널링에 필요한 잠재적 프로파일은 다른 유형의 반도체를 활용하여 전도 대역이나 발랑 대역에 잠재적 장벽이나 웰을 만드는 이질 결합을 사용하는 반도체 시스템에서 실현될 수 있다.

III-V 공명 터널링 다이오드

공명 터널링 다이오드는 일반적으로 III-V 복합 재료 시스템에서 실현되며, 다양한 III-V 복합 반도체로 구성된 이질 결합을 사용하여 전도 대역이나 발랑스 대역에서 이중 또는 복수 잠재적 장벽을 만든다.합리적으로 고성능 III-V 공명 터널링 다이오드가 실현되었다.이 같은 기기는 III-V 소재 처리가 Si CMOS 기술과 호환되지 않고 비용도 비싸 아직 주류 애플리케이션에 진입하지 못했다.

반도체 광전자제품은 대부분 III-V 반도체를 사용하기 때문에 III-V RTD를 결합해 광전자 소자에 대한 전기적 이득을 제공하기 위해 RTD의 음의 차등저항을 사용하는 광전자 집적회로(OICS)를 만드는 것이 가능하다.[9][10]최근 RTD 전류 전압 특성의 장치 대 장치 간 가변성은 양자 구속 물리 비클론 함수(QC-PUF)로 알려진 전자 장치를 고유하게 식별하는 방법으로 사용되어 왔다.[11]RTD의 스파이킹 행동은 광학 신경동형 컴퓨팅에 대해 조사중이다.[12]

Si/SiGe 공명 터널링 다이오드

공명 터널링 다이오드는 Si/SiGe 재료 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다.구멍 터널링과 전자 터널링 모두 관측됐다.단, Si/SiGe 공명 터널링 다이오드의 성능은 Si-SiGe 합금 간 전도 밴드와 발란스 밴드 불연속성이 제한되어 있었다.Si/SiGe 이형 접합부를 통과하는 공진 터널링은 Si 기판에서 자라는 (압축적으로) 변형된 SiGe1−xx 층에 대한 전도 대역 불연속성보다 Si/SiGe 이형 접합부에서 일반적으로 상대적으로 더 큰 발란스 밴드 불연속성 때문에 먼저 시도되었다.음의 차동 저항은 저온에서만 관찰되었지만 실온에서는 관찰되지 않았다.[13]Si/SiGe 이질 결합을 통한 전자 공명 터널링은 나중에 얻었으며 상온에서 피크 대 밸리 전류비(PVCR)가 1.2로 제한되었다.[14]후속 개발로 실온에서 PCD 4.3kA/cm의2 PVCR 2.9와 282kA/cm의2 PCR 2.43의 Si/SiGe RTD(전자 터널링)가 실현되었다.[16]

대역 공진 터널링 다이오드

공명 간 터널링 다이오드(RITD)는 전도 대역의 양자 웰과 발랑 대역의 에너지 레벨 사이에 전자 전환이 발생하는, 유기 내 공명 터널링 다이오드(RTD)와 재래식 인터밴드 터널링 다이오드의 구조와 동작을 결합한다.[17][18]공명 터널링 다이오드와 마찬가지로 공진 대역 간 터널링 다이오드는 III-V 및 Si/SiGe 재료 시스템 모두에서 실현될 수 있다.

III-V RITD

III-V 재료 시스템에서는 상온에서 피크 대 밸리 전류비(PVCR)가 70 이상, 144까지 높은 InAlAs/InGaAs RITD와 실온 PVCR이 20까지 높은 Sb 기반 RITD를 얻었다.[19][20][21]III-V RITD의 주요 단점은 가공이 Si 가공과 호환되지 않고 가격이 비싼 III-V 재료를 사용하는 것이다.

Si/SiGe RITD

Si/SiGe 공명형 인터밴드 터널링 다이오드의 일반적인 구조
그레고리 스나이더의 1D 포아송/슈뢰딩거 솔버가 계산한 일반적인 Si/SiGe 공명형 인터밴드 터널링 다이오드의 밴드 다이어그램.

Si/SiGe 재료 시스템에서는 주류 Si 집적회로 기술에 통합될 가능성이 있는 Si/SiGe 공명 간 터널링 다이오드도 개발되었다.[22]

구조

설계의 5가지 핵심 포인트는 (i) 내인 터널링 장벽, (ii) 델타 도핑 인젝터, (iii) 이질결합 인터페이스에서 델타 도핑 면의 오프셋, (iv) 저온 분자 빔 상피 성장(LTMBE), (v) 도펜트 활성화 및 포인 밀도 저감을 위한 고속 성장 후 열 어닐링(RTA)이다.t [22]결점

퍼포먼스

일반적인 회로 적용에는 최소 3의 PVCR이 필요하다.저전력 메모리 애플리케이션에는 저전류 밀도 Si/SiGe RITD가 적합하며, 고속 디지털/혼합 신호 애플리케이션에는 고전류 밀도 터널 다이오드가 필요하다.Si/SiGe RITD는 실온 PVCR을 최대 4.0까지 갖도록 설계되었다.[23]동일한 구조가 다른 MBE 시스템을 사용하여 다른 연구 그룹에 의해 복제되었으며, 최대 6.0의 PVCR을 획득하였다.[24]피크 전류 밀도 측면에서 최대 전류 밀도는 최대 20mA/cm에서2 최대 218kA/cm로2 7회까지 도달했다.[25]광석학 정의 SiGe RITD에서 20.2GHz의 저항성 차단 주파수가 실현되었고, 이어 다이오드 크기를 더욱 줄이기 위한 습식 식각이 실현되었으며, 이는 전자 빔 리토그래피와 같은 기법을 사용하여 더 작은 RITD도 제작되었을 때 개선될 수 있어야 한다.[26]

Si/SiGe CMOS 및 이질결합 양극 트랜지스터와의 통합

Si/SiGe RITD와 Si CMOS의 통합이 입증되었다.[27]또한 Si/SiGe RITD와 SiGe 이질결합 양극성 트랜지스터의 수직적 통합이 입증되어 피크 대 밸리 전류비를 조절할 수 있는 3단자 음의 차동 저항 회로 요소를 실현했다.[28]이러한 결과는 Si/SiGe RITD가 Si 집적회로 기술과 통합될 수 있는 유망한 후보임을 나타낸다.

기타 응용 프로그램

SiGe RITD의 다른 용도는 다중 상태 논리를 포함하여 브레드보드 회로를 사용하여 입증되었다.[29]

참조

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외부 링크