量子效应器件正在崛起

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:400

(无锡市罗特电子有限公州，江苏无锡 214002)

摘要：本文介绍了量子效应器件的定义、分类、特点、工作原理、特性、制造方法和应用。还介绍了国内研制量子效应器件的动态和成果。

关键词：量子效应器件，共振隧穿二极管，量子点激光器，晶圆，器件

中图分类号：tn305.94文献标识码：a文章编号：1681-1070(2005)07-01-05

1 前言

在当今半导体行业中，有两大轮子推动半导体产业链不断地向前发展，一个是不断地缩小芯片的特征尺寸；另一个是不断地扩大晶圆尺寸。[1]不断缩小芯片的特征尺寸(或半导体器件的几何尺寸，如下同)将产生尺寸效应，当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布洛

电子在波粒二重性中主要呈波动性。这种电子的波动性就是一种量子效应。所谓量子效应是电子的能量被量子化，电子的运动在某个方向上受到约束。西安交大丁秉钧教授认为：金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应，出现量子效应的判据是eg>kbt，其中eg为能隙，kbt为热起伏能。[2]所以，人们把利用电子的某种量子效应原理制作的器件称为量子效应器件或量子器件，如利用量子共振隧穿效应制成共振隧穿器件；利用量子化效应制成量子点器件等。黄昆、郑厚植院士等认为：21世纪前沿科学技术的关键是量子效应，它有可能引起计算机革命、材料革命、光革命甚至生物工程革命等。随着同态器件朝着小尺度、低维方向发展，它已成为一种纳米量子结构，纳米量子结构中波函数工程的提出，将使人们能从量子态波函数出发来设计新一代量子器件，开辟量子相干的电子、光电子学新领域，它标志着信息电子、光电子技术进入了"全量子化"的新阶段。[3]

2 分类与特点

国内外大多数专家认为：量子效应器件应满足如下两个条件：(1)器件的工作原理基于某种量子效应；(2)器件的结构的纳米量子结构，如隧穿势垒包围势阱的结构。[4]目前量子效应器件可分成：(1)共振隧穿器件(含共振隧穿二极管rtd和共振隧穿晶体管rtt)；(2)量子点器件(qd)。相对比较成熟的量子效应器件是共振隧穿二极管。量子效应器件的分类如表1所示。共振隧穿器件只有一维(势阱宽度)尺度为几个纳米量级，所以仅在一维发生量子化。量子点器件有三维尺度都为几个纳米量级，所以在三维都发生量子化。发生量子化的结果是势阱中出现分立能级，量子化程度越强，能级间隙能量δε就越大。我们可把势垒和势阱看成一个孤立的电子系统。势阱中的电子能稳定地处于阱内而不逸出，其能量必须低于势垒高度。若从外界将一个电子移入阱内，必须克服阱内所有电子对该电子的排斥作用，具备u的能量才有可能，这种u称为充电能u与势阱的三维尺度有关，势阱的体积越小，阱内电子相距越近，相互作用越强，u就越大。相反，势阱的体积越大，u就越小。共振隧穿器件在一维发生量子化，δε较大，同时势阱体积较大，u很小，所以δε>>u。量子点器件在三维发生量子化，由于δε和u都较大，所以δε≈u。共振隧穿器件势阱中的电子能量分布为δε很大的分直能级。当发射极中费米能级ef以下的电子与势阱中基态能级￡o发生共振隧穿时，i-v特性出现一个电流峰，随着电压增大，电子与第一激发态能级e1发生共振隧穿时,i-v特性出现第二个电流峰，由于δε较大，所以两个峰间对应的电压偏移较大，见表1的，i-v特性栏．．由于量子点器件u≈δε，势阱中的能量分布为在u的基础上能量间隙δε与u幅度同量级的能级分布，所以在表1中出现大台阶套小台阶的，i-v特性。[4]

量子效应器件不同于经典的电子器件，具有超高速(10-12～10-13s)、超高频(>1 000ghz)、高集成度(>1010元器件／cm2)、高效低功耗和极低阈值电流密度(亚微安)、极高量子效率、高的调制速度、极窄带宽和高特征温度等特点，在未来纳米电子学、光子学、光电集成、固态量子电路等领域有着极其广泛的应用前景[5]。

3 共振隧穿器件

3．1器件工作原理[4]

这里以rtd来讨论共振隧穿器件。rtd的结构为两个势垒包围单个势阱的结构，见图1。势垒一般