ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
4
ТРАНЗИСТОРЫ НА ОТДЕЛЬНОЙ КВАНТОВОЙ ТОЧКЕ
Худайбергенов Абдумухамед Ресул-улы
https://doi.org/10.5281/zenodo.13923640
Аннотация:
В этой статье обсуждаются отдельные транзисторы с квантовыми
точками.
Ключевые слова:
Транзистор, квантовых точек, квантовых детекторов,
масштаб,
гигагерцовых волн.
Транзисторы на отдельных квантовых точках представляют собой передовое
достижение в квантовой электронике, используя дискретные уровни энергии
квантовых точек для манипулирования отдельными электронами, что обеспечивает
беспрецедентный контроль и функциональность на наномасштабе.
Одноэлектронные транзисторы на квантовых точках в качестве
терагерцовых квантовых детекторов.
Приложения в области квантовых ин-
формационных технологий обычно требуют тщательного контроля орбитальных
состояний одного электрона, необходимого для кодирования и передачи информации с
высокой точностью. Это недавно стимулировало широкий интерес к эффективным,
низкошумным приемникам, способным обнаруживать управляемое количество
фотонов (фотонные счетчики) или даже одиночные фотоны, предельную
чувствительность обнаружения, в квантовых наноструктурах. Долгое время это было
недоступно для терагерцовых (THz) или гигагерцовых волн (длины волн в диапазоне от
60 мкм до 1 мм) из-за малых энергетических квантов, настолько малых, как доля от 1000
энергий фотонов в области видимого или ближнего инфракрасного излучения. Однако
дальнее инфракрасное излучение в электромагнитном спектре раскрывает особый
потенциал в этом отношении: это богатая область спектроскопических и
метрологических исследований и фронтовая область для различных приложений в
биомедицинской диагностике, контроле качества и процессов, безопасности,
высокоскоростной беспроводной связи, оптической квантовой криптографии и
распределения квантовых ключей.
Квантовые детекторы, традиционно используемые в области видимого, ближнего
инфракрасного или среднего инфракрасного спектров, включая фотодиоды,
фотопроводники,
фототранзисторы,
зарядоспособные
детекторы
(CCD),
фотоумножители
или
полупроводниковые
квантовые
ямы
инфракрасных
фотодетекторов (QWIPs), представляют собой устройства, которые преобразуют
входящие фотоны непосредственно в электрический сигнал, в отличие от тепловых
детекторов, которые полагаются на преобразование входящего излучения в тепло.
QWIPs представляют собой эталонную технологию для квантовых приложений в
среднем инфракрасном диапазоне частот благодаря высокой чувствительности,
ультрабыстрому времени отклика и короткому времени жизни межподзонных
переходов (ti
ST
~ пикосекунды). Более того, межподзонные переходы в квантовых ямах
сопровождаются выраженными оптическими нелинейностями, что приводит к
огромным нелинейным коэффициентам для генерации второй гармоники, более чем на
3 порядка большим, чем у материала-основы GaAs. Однако эксплуатация QWIPs в даль-
нем инфракрасном диапазоне крайне сложна из-за низкой энергии дальнего
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
5
инфракрасного излучения. На данный момент доступно лишь несколько отчетов о
работе на высоких тераэрцовых частотах (4.5-7.0 ТГц) в стандартной конфигурации
мезы, обычно связанной с подложкой через отполированную грань, в конфигурации с
массивом двухметаллической патч-антенны или в конфигурации с метаматериалом с
размерами ниже дифракционного предела, на частоте 3 ТГц и с максимальной
скоростью 3 ГГц в конфигурации массива.
В последние годы гетероструктурированные полупроводниковые нанопроволоки
(NWs) продемонстрировали себя как многообещающая техноло гическая платформа
для создания чувствительных, высокоскоростных, низкошумных детекторов в
диапазоне терагерцов. Полевые транзисторы NW (FETs) с контролируемым и
настраиваемым составом совместимы с технологиями на кристалле и характеризуются
характерной юфтофарадной емкостью, что делает их подходящими для интегральных
схем с низкой емкостью. Несмотря на то что стехиометрический и геометрический
контроль при росте аксиально гетероструктурированных NWs может позволить
настраивать свойства туннельного барьера целенаправленно, это не позволяет широко
настраивать туннельную связь по сравнению с электростатически определенными
структурами. Это предоставляет важное преимущество для эффективного
термоэлектрического преобразования или для однофотонных детекторов QD
(квантовых точек), которые могут требовать широко отличающегося диапазона
скоростей туннелирования. Альтернативная, более эффективная стратегия
одновременной оптимизации стабильности заряда и туннелирования заключается в
инженерном настройке электростатической орбитальной конфигурации внутри QD.
Мы здесь используем квантовые точки (QD) на нанопроволоках (NW), выращенные
из
InAs/InAs
03
Po
7
с использованием химической лучевой эпитаксии (CBE) с золотистым
катализатором. Этот материал позволяет комбинировать полупроводники с
различными решеточными параметрами в аксиальных гетероструктурах благодаря
эффективному расслаблению напряжения вдоль боковых стенок нанопроволоки. Более
того, система
InAs/InP
особенно подходит для создания высококачественных
аксиальных гетероструктур NW, таких как квантовые точки и сверхрешетки, при
использовании золотистого катализатора. Действительно, очень низкая растворимость
как As, так и P в Au позволяет получать атомарно резкие интерфейсы в обоих
направлениях роста. Однако в случае NW, выращенных из металлических зеренных
наночастиц (NP) по механизму паржидкость твердое тело (VLS), химический состав NP
меняется при переходе роста от одного материала к другому, что сильно влияет на
стабильность NP, режим роста (прямой или изогнутый) и скорость роста. В частности,
рост чередующихся сегментов
InAs/InP
подвержен задержке нуклеации во время роста
сегмента InP, что может привести к переконфигурации NP, что, в свою очередь, влияет
на динамику роста. С другой стороны, если вместо InP сверхрешеток растут сплавы
InAs(i
-x
)P
x
на вершине NW InAs, задержка нуклеации отсутствует. В результате роста
аксиальных гетероструктур
InAs/InAs(i
—x
)P
x
получаются равномерные и очень
симметричные толщины при одинаковых временах роста. Наконец, высота туннельных
барьеров может быть настроена путем изменения соотношения P/As в сплавленных
сегментах.
ILM-FAN VA INNOVATSIYA
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/si
6
Участок InAs длиной 18 нм с шириной запрещенной зоны Eg = 0.40 эВ и
эффективной массой электрона ш*
=
0.063m
e
, где m
e
- масса свободного электрона,
ограничен тонкими (5 ± 2) нм барьерами InAs
0
.
3
P
0
.
7
с относительно высокой E
g
= 1.03 эВ
и m* = 0.067m
e
, что приводит к квантовому запиранию вдоль осевого направления NW.
Полученные квантовые точки InAs/InAs
0 3
P
0 7
QD-NWs переносятся с подложки роста на
кремниевую пластину с оксидом (300 нм/350 мкм 570
2
/внутренний кремний), где
изготавливаются детекторы. Отдельные NW интегрируются в плоские FET с боковым
управлением (панели a—c на рисунке 16), используя комбинацию электронно-лучевой
литографии (EBL) и термического испарения (см. Дополнительную информацию).
References:
1.
А.Г.Погосов и др. «Блокада туннелирования в подвешенном одноэлектронном
транзисторе». Новосибирский государственный университет том 87, номер 3, (2008), с.
176—180 (цит. на с. 48).
2.
S.Datta. Quantum Transport: Atom to Transistor. Cambridge: Cambridge University Press,
2005, с. 404 (цит. на с. 51, 72, 73, 75, 76).
3.
Мокеров В. и др. «Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с
повышенной максимальной дрейфовой скоростью электронов». Физика и техника
полупроводников том 40, номер 3, (2006), с. 387—392 (цит. на с. 58).
