Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками

Использование: для изготовления СВЧ гетеротранзисторов. Сущность изобретения заключается в том, что гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками содержит введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме, при этом используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей. Технический результат: обеспечение возможности увеличения быстродействия и улучшения энергетических параметров и частотных характеристик приборов СВЧ. 8 з.п. ф-лы, 7 табл.

 

Изобретение относится к полупроводниковым наногетероструктурам, используемым для изготовления СВЧ гетеротранзисторов на квантовых точках и монолитных интегральных схем с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками.

Известен аналог «Полупроводниковая наногетероструктура In_0,52Al_0,48As/In_xGa_1-xAs с составной активной областью In_0.53Ga_0.47As/InAs/In_0.53Ga_0.47As/InAs/In_0.53Ga_0.47As с двумя вставками InAs» (патент на полезную модель RU 113071 U1, опубл.27.01.2012), в котором введены две наноразмерные вставки InAs внутрь активного слоя с целью уменьшения эффективной массы электронов для повышения электронной подвижности μ_e и увеличения дрейфовой скорости насыщения электронов υ_dr, и вследствие этого увеличения быстродействия СВЧ устройства. Введение вставки InAs увеличивает подвижность μ_е за счет возрастающего энергетического зазора между подзонами размерного квантования и уменьшения эффективной массы в квантовой яме InGaAs.

Недостатком аналога является отсутствие причинно-следственной связи между составом материала квантовой ямы InGaAs, зонной структурой, эффективной массой электронов в квантовой яме InGaAs с подвижностью μ_e и дрейфовой скоростью носителей υ_dr. Другим недостатком аналога является отсутствие количественных данных по увеличению подвижности и дрейфовой скорости электронов в связи с применением двух вставок InAs.

Согласно уровню науки и техники в самой простой теории электронного транспорта Друде дрейфовая скорость носителей пропорциональна электронной подвижности μ_е и обратно пропорциональна эффективной массе

где - напряженность электрического поля, в котором помещен полупроводниковый кристалл;

е - заряд электрона;

τ - среднее время свободного пробега заряда.

В канале полевых транзисторов напряженность электрического поля Е превышает 10³…10⁴ В/см и дрейфовая скорость электронов достигает своего максимального значения υ_s≈10⁷ см/с, которое соответствует насыщению тока [Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 362].

Для рассматриваемой выше наногетероструктуры In_0,52Al_0,48As/In_xGa_1-xAs подвижность μ_e≥10000 см²/(В⋅с), а с учетом одной вставки InAs подвижность повышается на 25% до 12500 см²/(В⋅с) и более. Для двух вставок InAs с μ_е>12500 см²/(В⋅с) с учетом, например, Е=3⋅10⁴ В/см следует ожидать υ_dr>3,75⋅10⁸ см/с, что значительно превосходит скорость насыщения υ_s≈10⁷ см/с.

На критичность упрощенных подходов (1) указывает и следующий пример. Так, в другом аналоге, в гетероструктуре AlGaAs/GaAs удалось добиться значения электронной подвижности выше μ_е=10⁶ см²/(В⋅с) при Т=4,2 К [П. Мальцев. Полупроводниковая СВЧ-электроника в России. Институт СВЧПЭ РАН - исследования и разработки. // Электроника: Наука. Технологии. Бизнес. №10 (00150), 2015, с. 115]. С учетом подвижности μ_е=10⁶ см²/(В⋅с) и напряженности электрического поля Е=3⋅10⁴ В/см дрейфовая скорость электронов в канале гетеротранзистора теоретически достигает скорости света υ_dr=3⋅10⁸ м/с. Таким образом, формула (1) не обеспечивает ограничения максимального значения дрейфовой скорости носителей.

Известен аналог, в котором слой InAs с высоким числом квантовых точек (КТ) вводится непосредственно в слой GaAs вблизи поверхности гетероперехода AlGaAs/GaAs с модулированным легированием и, несмотря на снижение низкополевой подвижности электронов, их максимальная дрейфовая скорость, соответствующая насыщению тока в сильных полях, значительно возрастает. В результате существенно улучшаются усилительные и частотные характеристики прибора [В. Мокеров, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с повышенной максимальной дрейфовой скоростью электронов. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 367].

Недостатком аналога является отсутствие причинно-следственной связи между составом материала активной области гетероструктуры AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs со сформированными квантовыми точками в слоях InAs, и прежде всего квантовой ямы GaAs, и характеристиками данного материала такими, как зонная структура и эффективные массы носителей, с экспериментально установленной повышенной скоростью дрейфа носителей υ_s=2⋅10⁸ см/с в канале GaAs. Представленная в данном аналоге модель «Вольт-амперные характеристики и крутизна транзистора с квантовыми точками» дает расчетное значение υ_s=10⁸ см/с, что приводит к току который в два раза ниже экспериментальной величины тока 1,4 ма, которому соответствует скорость υ_s=2⋅10⁸ см/с.

В аналоге, учитывающим квантование моментов оптических фононов и увеличение дрейфовой скорости в слоистой гетероструктуре AlGaAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, удалось приблизить расчетное максимальное значение дрейфовой скорости электрона υ_max к требуемой величине υ_s=2⋅10⁸ [Ю.К. Пожела, В.Г. Мокеров. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора. // ФТП, 2006, том 40, вып. 3, с. 362-366]. При этом расчет производился по формуле

где L_opt=π/k_opt=12,5 нм (k_opt - момент электрона в материале GaAs с энергией оптического фонона где ω₀ - частота оптического фонона; m_е - масса электрона; - постоянная Планка);

l_х - размер длины квантования (толщина слоя GaAs между квантовой точкой InAs и гетеропереходом), l_х≈4 нм.

Из формулы (2) следует υ_max=2,15⋅10⁸ см/с, что примерно соответствует υ_s=2⋅10⁸ см/с. Дальнейшее уменьшение размера длины квантования l_х приводит к еще большему увеличению расчетной максимальной дрейфовой скорости. Так, для структуры с размером l_х≈1 нм по формуле (2) получим субрелятивистскую скорость υ_max≈3,1⋅10⁹ см/с.

Следовательно, формула (2), как и формула (1), не обеспечивает ограничения на максимальное значение дрейфовой скорости носителей.

Аналог, представляющий собой гетероструктуру с введенными барьерами в виде квантовых точек в квантовой яме, выбираем в качестве прототипа.

Для гетероструктур на квантовых точках характерна полная температурная стабильность - независимость порового тока от температуры [Ж.И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. // ФТП, 1998, том 32, №1, с. 12]. С другой стороны «… интервал энергий, в котором происходят квантовые флуктуации, не зависит от температуры. Это следует из соотношения неопределенности» [В.Ф. Гантмахер, В.Т. Долгополов. Квантовые фазовые переходы «локализованные делокализованные электроны». // УФН, 2008, том 178, №1, с. 5].

Изложенное выше является обоснованием квантового ограничения на максимальное значение дрейфовой скорости носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках. А при учете квантовых флуктуаций дрейфовая скорость носителей должна определяться неопределенностью скорости внешних электронов атомов элементов Периодической системы, входящих в состав материала квантовой ямы гетероструктуры на квантовых точках.

Квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости приводит к установлению причинно-следственной связи материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале.

Согласно микроскопическим флуктуационным подходам уравнение движения электрона в центральном поле для случая отрицательного собственного значения энергии Е имеет вид [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. СО. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2011, 220 с. С. 207-209; Плахотник А.С. Основы микроскопической флуктуационной теории. Избранные труды Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. - Москва.: РАН, 2011, 154 с. С. 122-123]:

где - постоянная Планка;

Ψ - волновая функция;

m_е - масса элементарного заряда;

∇² - оператор Лапласа;

Е - собственное значение энергии электрона;

е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε₀r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число.

В радиальных волновых функциях формула (3) принимает вид

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции.

Решение уравнения (4) дает собственные значения энергии электрона

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

N_z - параметр флуктуации.

Находим параметр флуктуации N_z, приравнивая одно из решений (5) потенциалу ионизации E_z атома элемента Периодической системы,

где R_∞ - постоянная Ридберга,

С учетом параметра флуктуации N_z рассчитываем неопределенность скорости электрона на внешней орбите атома любого элемента

где r_z - радиус атома с атомным номером Z.

В табл. 1 приведены данные по расчету параметра флуктуации N_z и неопределенности скорости электронов Δυ_z на внешней орбите свободных атомов для ряда элементов согласно формулам (6) и (7).

Скорость дрейфа электронов в канале гетероструктуры на квантовых точках квантово ограничена неопределенностью скорости электронов на внешней орбите атомов квантовой ямы Δυ_zi табл.1 и вычисляется по упрощенной формуле

где n - количество элементов материала квантовой ямы.

Для квантовой ямы GaAs неопределенность скорости электронов на внешней орбите атомов Ga Δυ₃₁ и Δυ₃₃ находится из табл. 1, а скорость дрейфа электронов (8), учитывающая примерное равенство носителей в зоне проводимости, поступающих от атомов элементов материала квантовой ямы, равна υ_dr=(Δυ₃₁+Δυ₃₃)/2≈2,018⋅10⁸, что соответствует экспериментально установленной скорости дрейфа зарядов υ_s=2⋅10⁸ см/с с погрешностью 0,9%.

Установим причинно-следственную связь зонной структуры и эффективных масс носителей канала GaAs прототипа со скоростью дрейфа зарядов, формулы (7) и (8).

Зонная структура GaAs. Ширина запрещенной зоны при 300 К: E_g1=1,35 эВ; E_g2=1,43 эВ [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 88, 210, 380]; E_g3=1,424 эВ [https://ru.wikipedia Арсенид галлия]; в Г-долине в X-долине в L-долине [Т.С. Шамирзаев. Полупроводниковые гетероструктуры первого рода с непрямой зоной проводимости. // ФТП, 2011, том 45, вып.1, с. 97-103. С. 98.].

Эффективные массы электронов: [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 380]; в Г-долине в X-долине в L-долине [https.V/ru.wikipedia Арсенид галлия].

Эффективные массы дырок: [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 380]; [https://ru.wikipedia Арсенид галлия]. Согласно микроскопическим флуктуационным подходам применяем уравнение движения флуктуирующего электрона [Плахотник А.С. Неопределенность в пространственном заряде прибора сверхвысокой частоты и в измерении. // Успехи современной радиоэлектроники, 2009, с. 67-73. С. 69; Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. СО. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА», 2011, 220 с. С. 118; Плахотник А.С Основы микроскопической флуктуационной теории. Избранные труды Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. - Москва.: РАН, 2011, 154 с. С. 52]:

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х,у,z,t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

V - скорость движения заряда, V=const.

Выражение в круглых скобках справа уравнения (9) позволяет рассчитать переменную скорость движения флуктуирующего электрона

где

Среднее значение соответствующей скоростям (10) кинетической энергии электрона равно

где - эффективная масса электрона.

Расчет эффективной массы для внешних электронов свободных атомов всех элементов Периодической системы с учетом формул (7) и (11) приводит к выражению

где N_z≡N* - некоторое действительное число; V≡Δυ_z=const.

Случаю выражения (12) соответствует формула

скорости V=Av_z=const из выражения (11)

которая совпадает с формулой (7).

Случаювыражения (12) соответствует формула скорости

которая также совпадает с формулой (7).

Результаты (13) и (14) доказывают, что, независимо от значения эффективной массы неопределенность скорости Δυ_z для внешних электронов свободных атомов конкретного элемента величина постоянная.

Для внешних электронов связанных атомов элементов в простом веществе, либо в соединениях двух, трех и т.д. элементов в результате взаимодействия атомов эффективные массы внешних электронов становятся отличными от значений (12). В этом случае Δυ_z=const обеспечивается изменением эффективных параметров флуктуации в формулах (13) и (14) соответственно изменению эффективных масс.

Для случая

а в случая

Когда эффективная масса электрона становится отрицательной то частица называется «дыркой» и ее неопределенность скорости Δυ_z равна

а эффективные параметры флуктуациирассчитываются по формуле

Обобщенная формула неопределенность скорости для случаев (13), (14) и (17) имеет вид

Обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации равна

где знак «+» в выражении под радикалом соответствует случаю

Связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы GaAs прототипа устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности. Сначала по формулам (15), (16) и (18) рассчитываются эффективные параметры флуктуации для установленных эффективных масс носителей. Затем рассчитывается ширина запрещенной зоны E_g для конкретного квантового состояния носителей по формуле

При расчетах также учитывается возможное изменение квантового состояния внешних электронов атома конкретного элемента в результате взаимодействия с другими атомами в кристалле. Некоторые расчеты зонной структуры GaAs представлены в таблицах 2-5.

Актуально решение и обратной задачи: расчет значения эффективной массы по известной ширине запрещенной зоны E_g.

Согласно табл. 2 для основного квантового состояния 4р внешних электронов атома Ga связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины, строчка 6 - для X-долины, строчка 7 - для и E_g2=1,43 эВ, E_g3=1,424 эВ.

Согласно табл. 3 для квантового состояния 5s внешних электронов атома Ga связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчка 1 - для и E_g2=1,43 эВ, E_g3=1,424 эВ, строчка 2 - для и E_g2=1,43 эВ, E_g3=1,424 эВ, и строчки 8 и 9 - для и E_g2=1,43 эВ.

Согласно табл. 4 для квантового состояния 5d внешних электронов атома As связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины, строчка 6 - для X-долины.

Согласно табл. 5 для квантового состояния 5s внешних электронов атома As связь зонной структуры и эффективных масс носителей подтверждается в том числе хорошим совпадением с установленными данными по эффективным массам и ширине запрещенной зоны: строчки 3 и 4 - для L-долины.

Можно найти квантовые состояния, в которых всем установленным эффективным массам соединения GaAs соответствует конкретная ширина запрещенной зоны, например, E_g1=1,35 эВ (табл. 6 и 7).

В табл. 6 и 7 представлены данные расчета ширины запрещенной зоны E_gl=1,35 эВ [Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 391 с. С. 88] с учетом квантового состояния 7f внешних электронов атома Ga и с учетом квантового состояния 6р внешних электронов атома As.

Таким образом, установлена причинно-следственная связь между составом материала активной области гетероструктуры со сформированными квантовыми точками, и прежде всего квантовой ямы, и характеристиками материала квантовой ямы такими, как зонная структура и эффективные массы носителей, с экспериментально установленной повышенной скоростью дрейфа носителей в квантовой яме. Причем, причинно-следственная связь материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей. С помощью формул (7), (8), (13), (14), (17) и (19) выполнены расчеты, результаты которых (табл. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) указывают на зависимость скорости дрейфа носителей в составной квантовой яме от материала квантовой ямы и его характеристик, а также на зависимость неопределенности скорости внешних электронов атомов только от конкретного элемента Периодической системы.

Согласно табл. 1 и формулы (8) материал квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, обеспечивает повышенную квантово ограниченная дрейфовую скорость носителей υ_dr≈2,018⋅10⁸ см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs может содержать один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл. 1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,28⋅10⁸ см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs может содержать один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,72⋅10⁸ см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb может содержать один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл.1) согласно формуле (8) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈5,21⋅10⁸ см/с. При этом гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe может содержать один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры могут быть реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, включающей такой материал составной квантовой ямы, который обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υ_dr, позволяющую значительно увеличить быстродействие и соответственно улучшить технические характеристики, такие, как энергетические параметры и частотные свойства прибора СВЧ.

Реализация указанной технической задачи заявленным изобретением обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

- используется материал составной квантовой ямы гетероструктуры, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υ_dr, увеличивающую быстродействие гетеротранзистора на квантовых точках;

- причинно-следственная связь материала составной квантовой ямы гетероструктуры и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей;

- подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈2,018⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,28⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,72⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈5,21⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев, обеспечивающих реализацию повышенной квантово ограниченной дрейфовой скорости носителей и дополнительное повышение выходной мощности за счет увеличения количества канальных слоев, которое, как и максимальное значение n, ограничивается тепловым режимом работы прибора или техническим заданием на выходную мощность.

Для достижения указанного технического результата предложена «Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками», содержащая введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме.

Принципиальным отличием предлагаемой гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками от прототипа является то, что используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υ_dr, вычисляемую по упрощенной формуле (8)

где n - количество элементов материала квантовой ямы;

Δυ_zi=Δυ_z - неопределенность скорости движения электронов в центральном поле на внешней орбите свободных атомов элементов (табл. 1), входящих в состав материала квантовой ямы, причем, движение электронов соответствует уравнению движения в радиальных волновых функциях (4)

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции;

- постоянная Планка;

m_е - масса элементарного заряда;

Е - собственное значение энергии электрона; е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε₀r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число,

а решение уравнения движения в радиальных волновых функциях дает собственные значения энергии электрона (5)

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

N_z - параметр флуктуации,

причем, одно из решений приравнивается потенциалу ионизации E_z атома элемента Периодической системы (6)

где R_∞ - постоянная Ридберга,

для нахождения параметра флуктуации N_z и соответствующей неопределенности скорости движения электронов Av_z на внешней орбите свободных атомов элементов (7)

где r_z - радиус атома с атомным номером Z,

причем, неопределенность скорости движения электронов Δυ_z - const для конкретного элемента, независимо от эффективной массы носителя, которую определяют на основании анализа уравнения движения флуктуирующего электрона (9)

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х,у,z,t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

∇² - оператор Лапласа;

V - скорость движения заряда, V=const,

а выражение в круглых скобках справа уравнения позволяет рассчитать переменные скорости движения флуктуирующего электрона (10)

при этом указанным скоростям соответствуют средние значения кинетической энергии электрона (11)

где - эффективная масса электрона;

а обобщенная формула неопределенности скорости Δv_z для различных значений эффективной массы носителей имеет вид (19)

где - эффективный параметр флуктуации носителей,

при этом обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации носителей равна (20)

где знак «+» в выражениях (19) и (20) под радикалом соответствует случаю а связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности путем расчета ширины запрещенной зоны для конкретного квантового состояния носителей по формуле (21)

а конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

Дополнительными отличиями является то, что подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As (табл. 1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr ≈ 2,018⋅10⁸ см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr ≈ 3,28⋅10⁸ см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb (табл.1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr ≈ 3,72⋅10⁸ см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в

составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se (табл. 1) обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr ≈ 5,21⋅10⁸ см/с, а гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Именно наличие в заявленном изобретении общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет изготавливать СВЧ гетеротранзисторы на квантовых точках и монолитные интегральные схемы с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками.

Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками включает буферный слой из широкозонного полупроводника, или полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны материала составной квантовой ямы.

Гетероструктура с составной квантовой ямой GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, a барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, a барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Гетероструктура с составной квантовой ямой CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

Составная активная область состоит из п≥2 канальных слоев, в каждый из которых входит слой из материала составной квантовой ямы и слой со сформированными квантовыми точками. Толщина слоя из материала составной квантовой ямы от 2 до 5 нм. Толщина слоя со сформированными квантовыми точками в пределах от 1 до 3 нм, концентрация квантовых точек большая, выше 3⋅10¹⁰ см^-2. Суммарная толщина составной активной области с квантовыми точками зависит от числа n≥2 канальных слоев, обеспечивающих реализацию повышенной квантово ограниченной дрейфовой скорости носителей и дополнительное повышение выходной мощности за счет увеличения количества канальных слоев, которое, как и максимальное значение n, ограничивается тепловым режимом работы прибора или техническим заданием на выходную мощность.

Установленная причинно-следственная связь материала квантовой ямы и его характеристик со скоростью дрейфа носителей в канале гетеротранзистора на квантовых точках определяет квантовое ограничение на максимальное значение дрейфовой скорости носителей. Например, составная квантовая яма GaAs обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υ_dr≈2,108⋅10⁸ см/с, квантовая яма InGaAs - υ_dr≈3,28⋅10⁸ см/с, квантовая яма GaSb - υ_dr≈3,72⋅10⁸ см/с, квантовая яма CdSe - υ_dr≈5,21⋅10⁸ см/с. Условием реализации указанной дрейфовой скорости носителей является исключение рассеяния на оптических фононах, снижающего величину дрейфовой скорости. Для этого вводятся в составную квантовую яму барьеры в виде квантовых точек, которые ионизируются и поляризуются в продольном электрическом поле источника питания и способствуют, в том числе, движению носителей в продольном направлении. Увеличение числа канальных слоев n>2 приводит к дополнительному повышению выходной мощности.

Заявленное изобретение «Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленного изобретения, устройством для изготовления СВЧ гетеротранзисторов на квантовых точках и монолитных интегральных схем с высоким быстродействием и соответственно улучшенными энергетическими параметрами и частотными характеристиками. Заявленное изобретение обладает следующими достоинствами:

- используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивает повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей υ_dr, увеличивающую быстродействие гетеротранзистора на квантовых точках;

- подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈2,108⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,28⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈3,72⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей υ_dr≈5,21⋅10⁸ см/с;

- гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe;

- конструктивная особенность составной активной области гетеротранзистора на квантовых точках состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

Заявленное изобретение промышленно применимо, так как для его реализации используются широко известные материалы и технологии производства СВЧ гетероструктур гетеротранзисторов и монолитных интегральных схем.

1. Гетероструктура с составной активной областью с квантовыми точками, содержащая введенные барьеры в виде квантовых точек в квантовой яме, отличающаяся тем, что используется материал составной квантовой ямы, состав которого и характеристики, в том числе зонная структура и эффективные массы носителей, обеспечивают повышенную квантово ограниченную дрейфовую скорость носителей v_dr, вычисляемую по упрощенной формуле

где n - количество элементов материала квантовой ямы;

Δv_zi=Δv_z - неопределенность скорости движения электронов в центральном поле на внешней орбите свободных атомов элементов, входящих в состав материала квантовой ямы, причем движение электронов соответствует уравнению движения в радиальных волновых функциях

где ƒ(r) - радиальная волновая функция;

ƒ'(r) - первая производная радиальной волновой функции;

ƒ''(r) - вторая производная радиальной волновой функции;

- постоянная Планка;

m_e - масса элементарного заряда;

Е - собственное значение энергии электрона;

е - заряд электрона;

V(r) - заданная функция, зависящая только от радиуса и определяющая потенциал поля, V(r)=Ze/(4πε₀r);

r - радиус траектории движения заряда;

Z- атомный номер;

ε₀ - диэлектрическая постоянная;

N - некоторое действительное число,

а решение уравнения движения в радиальных волновых функциях дает собственные значения энергии электрона

где n - главное квантовое число;

- орбитальное квантовое число;

N_z - параметр флуктуации,

причем одно из решений приравнивается потенциалу ионизации E_z атома элемента Периодической системы

где R_∞ - постоянная Ридберга,

для нахождения параметра флуктуации N_z и соответствующей неопределенности скорости движения электронов Δv_z на внешней орбите свободных атомов элементов

где r_z - радиус атома с атомным номером Z,

причем неопределенность скорости движения электронов Δv_z=const для конкретного элемента независимо от эффективной массы носителя, которую определяют на основании анализа уравнения движения флуктуирующего электрона

где Ψ - волновая функция;

r - радиус траектории движения заряда, r=r(х, у, z, t);

t - момент времени;

i - мнимая единица;

- оператор Лапласа;

V - скорость движения заряда, V=const,

а выражение в круглых скобках справа уравнения позволяет рассчитать переменные скорости движения флуктуирующего электрона

при этом указанным скоростям соответствуют средние значения кинетической энергии электрона

где - эффективная масса электрона;

а обобщенная формула неопределенности скорости Δv_z для различных значений эффективной массы носителей имеет вид

где - эффективный параметр флуктуации носителей,

при этом обобщенная формула для эффективных параметров флуктуации носителей равна

где знак «+» в выражениях под радикалом соответствует случаю а связь зонной структуры и эффективных масс носителей квантовой ямы устанавливается для каждого элемента материала составной квантовой ямы в отдельности путем расчета ширины запрещенной зоны для конкретного квантового состояния носителей по формуле

а конструктивная особенность гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками состоит в использовании n≥2 барьеров в виде квантовых точек, введенных в составную квантовую яму, что образует n≥2 канальных слоев.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы GaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, InAlAs/GaAs/InAs/GaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr≈2,018⋅10⁸ см/с.

3. Устройство по пп. 1, 2, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы InGaAs гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAs, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов In, Ga и As обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr≈3,28⋅10⁸ см/с.

5. Устройство по пп. 1, 4, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме InGaAs содержит один из широкозонных полупроводников из группы AlAs, ZnSe, InAlAs, AlGaAs, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы GaSb гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, AlGaSb/GaSb/InSb/GaSb/InSb, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Ga и Sb обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr≈3,72⋅10⁸ см/с.

7. Устройство по пп. 1, 6, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме GaSb содержит один из полупроводников с большей шириной запрещенной зоны из группы AlSb, ZnTe, GaAsSb, AlGaSb, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подбором материала квантовой ямы CdSe гетероструктуры с составной активной областью с квантовыми точками, например, ZnSe/CdSe/PbSe/CdSe/PbSe, с учетом неопределенности скорости внешних электронов атомов Cd и Se обеспечивается повышенная квантово ограниченная дрейфовая скорость носителей v_dr≈5,21⋅10⁸ см/с.

9. Устройство по пп. 1, 8, отличающееся тем, что гетероструктура с введенными барьерами в виде квантовых точек в составной квантовой яме CdSe содержит один из широкозонных полупроводников из группы ZnSe, ZnTe, CdS, а барьеры реализованы на базе одного типа квантовых точек из группы InAs, InSb, PbSe, PbS, PbTe, SnTe.