УДК 621.3.049.77
РЫНДИН Е.А.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ
ПЕРЕДИСЛОКАЦИЕЙ МАКСМУМА ПЛОТНОСТИ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Южный научный центр РАН,
344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Чехова, 41,
тел.(8634)311584, e-mail: ryn@fep.tsure.ru
Анализ принципов построения логических элементов на основе
туннельно-связанных квантовых ям, проведенный в работах [1, 2], по-
зволяет сделать вывод о перспективности использования управляемой
туннельной передислокации волновой функции подвижных носителей
для построения сверхбыстродействующих интегральных коммутато-
ров, играющих важную роль как в цифровых, так и в аналоговых уст-
ройствах самого различного назначения. Причем наличие туннельного
гетеропереходного барьера, разделяющего квантовые каналы, в общем
не обязательно. Использование наноструктур с объединенными кван-
товыми областями позволяет создавать функционально интегрирован-
ные квантовые коммутаторы, обеспечивающие дополнительное повы-
шение быстродействия, уменьшение занимаемой на кристалле
площади и расширение функциональных возможностей.
Структура одного из устройств данного типа - четырехконтакт-
ного двунаправленного коммутатора в сечении квантовой ямы с элек-
тронной проводимостью представлена на рис. 1. В данном четырех-
контактном двунаправленном коммутаторе отсутствуют туннельные
гетеробарьеры, а управление передислокацией максимума плотности
электронов и дырок в каждой из объединенных квантовых областей
осуществляется четырьмя управляющими переходами: по два перехо-
да Шоттки (Gn1, Gn2 и Gp1, Gp2) на верхней грани кристалла и, соответ-
ственно, по два управляющих p-n-перехода (Gn3, Gn4 и Gp3, Gp4) на гра-
нице с полуизолирующей GaAs-подложкой.
Результаты моделирования временных зависимостей вероятно-
сти нахождения электрона на первом резонансном уровне w(t) в верх-
ней и нижней областях наноструктуры, показанной на рис. 1,а, с ши-
риной объединенной квантовой ямы WW = 45 нм, шириной барьерных
областей управляющих переходов WB = 50 нм, концентрацией леги-
рующих примесей в барьерных областях управляющих переходов
NB = 21017 см-3 приведены на рис. 2. Результаты получены на основе
решения нестационарного уравнения Шредингера. Амплитуда управ-
ляющего сигнала составляла 0,7 В, длительность фронта 0,025 пс.

O
Y
C1
C2
Gn1
X
Gn2
C3
n+ - GaAs
n+ - GaAs
C4
i - AlAs
i - AlAs
w(t)
p - Al0,3Ga0,7As
n+
n - GaAs
Gn4
Границы n+-областей
Gn3
i - GaAs
ионного легирования
n - Al0,3Ga0,7As
Полуизолирующий
i - Al0,3Ga0,7As
GaAs

Рис. 2. Временные зависимости вероят-
ности нахождения электрона на первом
Рис.1. Структура четырехкон-
резонансном уровне в верхней (сплош-
тактного двунаправленного
ная линия) и нижней (пунктирная ли-
квантового коммутатора
ния) областях объединенной квантовой
(гетеротруктура n-типа)
ямы (X - начальный момент фронта
управляющего сигнала)
В соответствии с приведенными графиками, время передисло-
кации максимума волновой функции носителей при отсутствии тун-
нельного барьера в рассматриваемом случае составляет tD ≈ 0,08 пс.
Результаты моделирования распределений концентраций под-
вижных носителей в наноструктуре n-типа с шириной квантовой об-
ласти (по координате x) WW = 65 нм, шириной барьерных областей
управляющих переходов WB = 30 нм, концентрацией легирующих
примесей
в
барьерных
областях
управляющих
переходов
NB = 21017
-3
см , длиной затворов LG = 90 нм, расстоянием между за-
творами (по координате y) LY = 200 нм, шириной изолирующих AlAs-
барьеров Wi = 15 нм, концентрацией легирующих примесей в областях
контактов (С1, С2, С3, С4) NB = 11018
-3
см , для различных управляющих
комбинаций представлены на рис. 3.
Учитывая сравнительно большую ширину квантовой области
(WW = 65 нм), а также то, что в отсутствие туннельного барьера пере-
дислокация электронов носит диффузионно-дрейфовый характер, для
получения результатов моделирования решалась фундаментальная
система уравнений полупроводника в диффузионно-дрейфовом при-
ближении. Из приведенных графиков видно, что несмотря на отсутст-
вие туннельного барьера, разделяющего обедненные и обогащенные
электронами квантовые области, при указанных параметрах наност-
руктур концентрация электронов в обогащенных областях более чем
на 2 порядка превосходит концентрацию носителей в зонах обеднения,
что обеспечивает надежную коммутацию.

а
б
в
Рис. 3. Распределения концентрации электронов в квантовом комму-
таторе для логических управляющих комбинаций (Gn1, Gn2, Gn3, Gn4):
а - (1, 0, 1, 0); б - (0, 1, 1, 0); в - (1, 1, 0, 0).

Z
C5
C6
Рассмотренные
O
Y
Gn5
Gn6
принципы построения по-
C1
C2
C7
C8
зволяют создавать различ-
X
Gn1
Gn2
ные квантовые коммута-
C3
n+ - GaAs
n+ - GaAs
C4
торы, характеризующиеся
i - AlAs
i - AlAs
субпикосекундными
за-
держками и малой зани-
p - Al0,3Ga0,7As
n+
маемой площадью. В ка-
n - GaAs
Gn4
Границы n+-областей
Gn3
i - GaAs
честве примера на рис. 4
ионного легирования
n - Al0,3Ga0,7As
Полуизолирующий
i - Al0,3Ga0,7As
Области
приведена структура кван-
GaAs
аморфизации
тового коммутатора, по-
зволяющего
коммутиро-
Рис.4. Структура восьмиконтактного
вать попарно (или по че-
двунаправленного квантового коммута-
тыре) группу из восьми
тора (гетеротруктура n-типа)
контактов (рис. 4). При
этом каждая квантовая
область будет выполнять функции восьмитранзисторной схемы, то
есть обеспечит по сравнению с аналогами на отдельных транзисторах
уменьшение занимаемой площади примерно в 6 - 8 раз за счет трех-
мерной функциональной интеграции.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства
образования и науки РФ (проект 18782).

1. Gorbatsevich A.A., Kapaev V.V., Kopaev Yu.V., Kremlev V.Ya. Wave-
function-rearrangement quantum devices // Phys. Low-Dim. Struct.,
1994. N. 4/5. P. 57 - 62.
2. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А. Элементная база нанокомпьютеров на
основе связанных квантовых областей // Вестник Южного научного
центра РАН, 2005. Т. 1. 3. С. 22 - 28.



Document Outline