量子電界効果トランジスタ

量子電界効果トランジスタ（QFET ）または量子井戸電界効果トランジスタ（QWFET）は、MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）^{[1] [2] [3]の一種であり、}量子トンネル効果を利用して、通常キャリアの速度を3000倍低下させる従来のトランジスタの電子伝導領域を排除することで、トランジスタの動作速度を大幅に向上させます。その結果、ロジック速度が10倍になり、同時にコンポーネントの電力要件とサイズも10分の1に削減されます。これらは、超微細構造材料層を使用する急速熱処理（RTP）と呼ばれる製造プロセスによって実現されます。^[4]

「QFET」という文字は現在、フェアチャイルド セミコンダクター社が製造する一連のMOSFETの商標名としても存在しています(2015 年 11 月にまとめられた)。この MOSFET には独自の二重拡散金属酸化膜半導体(DMOS) テクノロジが含まれていますが、実際には量子ベースではありません (この場合の Q は「品質」を表します)。

量子電界効果トランジスタの最近の例では、従来のMOSFETの伝統的な構造を統合し、同じ材料を多く利用しています。^{[5] MOSFETトランジスタは、SiO} ₂などの誘電体材料と金属ゲートで構成されています。^{[6]金属ゲートは}ゲート誘電体層から絶縁されているため、入力抵抗が非常に高くなります。^[7] MOSFETは、ソース（または入力）、ドレイン（または出力）、ゲートの3つの端子で構成されており、ゲート端子に印加電圧（または印加電圧の欠如）を介して電流の流れを制御できます。これにより、層間の電位障壁が変化し、電荷の流れが有効（または無効）になります。^[8]

ソースおよびドレイン端子は、ボディ領域によって絶縁された MOSFET のドープ領域に接続されています。これらは p 型または n 型の領域で、両方の端子は同じ型で、ボディ型とは反対です。MOSFET が n チャネル MOSFET の場合、ソース領域とドレイン領域は両方ともn + で、ボディはp領域です。MOSFET が p チャネル MOSFET の場合、ソース領域とドレイン領域は両方ともp + で、ボディはn領域です。n チャネル MOSFET では、電子がソース領域を介して電荷を運び、正孔が p チャネル MOSFET ソース内の電荷を運びます。

FET構造は、通常、分子線エピタキシー、液相エピタキシー、気相エピタキシー（化学蒸着法など）などのさまざまな技術を使用して、層ごとに徐々に構築されます。^[9]一般的なMOSFETは、ミクロンスケールで構築されます。ウェット化学エッチングを使用すると、3μm以上の厚さの層を作成できます。一方、ドライエッチング技術を使用すると、ナノメートルスケールの層を実現できます。^[10]層の厚さが50ナノメートル以下に近づくと、層のド・ブロイ波長は熱電子の波長に近づき、バルク半導体の従来のエネルギーと運動量の関係は機能しなくなります。^[9]

QFET の製造には、周囲の材料よりもバンドギャップが小さい極薄半導体層が使用されます。1 次元量子井戸 QFET の場合、2 つの絶縁層の間にナノスケールの半導体層が成長します。半導体層の厚さはdで、電子電荷キャリアはポテンシャル井戸に閉じ込められます。これらの電子とそれに対応する正孔は、次に示すように、時間に依存しないシュレーディンガー方程式を解くことで求められる離散的なエネルギー レベルを持ちます。

${\displaystyle E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \over 2m},q=1,2,3,...}$

電荷キャリアは、対応するエネルギーレベルに一致する電位をゲート端子に印加することによって活性化（または不活性化）することができる。これらのエネルギーレベルは、半導体層の厚さと材料特性に依存する。QFET実装の有望な半導体候補であるInGaAsは、約50ナノメートルのドブロイ波長を有する。層の厚さdを薄くすることで、エネルギーレベル間のギャップを大きくすることができる。InGaAsの場合、約20ナノメートルの層長が達成されている。^[11]実際には、3次元の量子井戸が生成され、層の平面の寸法d ₂とd _{3 は}、相対的にはるかに大きい。対応する電子のエネルギーと運動量の関係は、次のように記述される。

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$。

この関係におけるk値は、各次元の 波数ベクトルの大きさであるおよびに対応します。${\displaystyle {q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2}},}$${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}}$

量子細線で構成されたQFETも同様に電子電荷キャリアをポテンシャル井戸内に閉じ込めますが、その狭い幾何学的形状の性質により、製造業者は電子を2次元に閉じ込めることができます。^[12]量子細線は本質的に1Dシステムのチャネルであり、より厳密なキャリア閉じ込めと予測可能な電流の流れを提供します。^{[9] [13]}

従来のMOSFETは、シリコン基板の上に二酸化シリコン層を構築して、バイアスされたpn接合を作成することで動作します。この接合は、それぞれ正または負の印加電圧の存在下で順方向または逆方向にバイアスできます。^{[9]実際には、電圧を印加すると、} p領域とn領域間の電位障壁の高さが低下し、正に帯電した「正孔」と負に帯電した電子の形で電荷が流れるようになります。

シングル接合 QFET は量子トンネル効果を利用して電子伝導領域を排除することで速度を上げ、キャリアの速度を最大 3000 倍まで低下させます。

QFETの構成要素の挙動は量子力学の法則で記述できる。量子閉じ込め半導体構造では、電荷キャリア（正孔と電子）の存在は状態密度によって定量化される。^[9] 3次元量子井戸の場合、多くの場合2nmから20nmの厚さの平面層として構築され、状態密度は層の平面内の領域に対応する2次元ベクトルから得られる。関係式から、 ${\displaystyle \rho _{c}(E)}$${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})}$${\displaystyle エク}$

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$、 であることが示され、したがって ${\displaystyle {dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}}$

${\displaystyle \rho _{c}(E)={\begin{cases}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{cases}}q_{1}=1,2,3,....}$^[9]

同様に、1 次元ナノワイヤのエネルギーは波動ベクトルによって記述されますが、その形状のため、ワイヤの軸に沿った自由運動の運動エネルギーをモデル化するには、 1 つのkベクトルのみが必要です。${\displaystyle k_{z}}$

${\displaystyle E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \over 2m_{c}}}$^[13]

より正確なエネルギーモデルは、2次元に閉じ込められた電子のエネルギーを定量化するために使用できます。ワイヤがd ₁ d ₂の長方形の断面を持つと仮定すると、新しいエネルギーと運動量の関係が生まれます。

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}}$ここで、k はワイヤの軸に沿ったベクトル成分です。

2次元量子細線は円筒形になることもあり、一般的な直径は約20nmです。^[14]

単一次元に限定された量子ドットの場合、エネルギーはさらに量子化されます。

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \over 2m_{c}}}$。

量子ドットの幾何学的特性はさまざまですが、典​​型的な量子ドット粒子の寸法は 1 nm から 50 nm の範囲です。次元の量子化が進むにつれて電子の動きがさらに制限されるため、伝導帯と価電子帯のサブバンドは狭くなります。

すべての半導体は、固有の伝導帯および価電子帯構造を持っています。直接バンドギャップ半導体では、伝導帯の最小エネルギーと価電子帯の最大エネルギーは同じ波数kで発生し、同じ運動量に対応します。^{[15] [9]}量子井戸構造の QFET は、適切な量子数q = 1、2、3、...に対応する多数のサブバンドに分割された伝導帯を持ち、MOSFET よりも許容される最低伝導帯エネルギーレベルと許容される最高価電子帯エネルギーレベルでより高い状態密度を提供し、特に光学特性とアプリケーションにおいて興味深い特性をもたらします。レーザーダイオードに使用される量子井戸デバイスの場合、光子は価電子帯と伝導帯間の遷移を介して電子および正孔と相互作用します。量子井戸半導体における光子相互作用による遷移は、

電界効果トランジスタ（FET）の概念設計は、1930年にJEリリエンフェルドによって初めて策定されました。^[16] 30年後の最初のシリコンFETの登場以来、エレクトロニクス業界ではトランジスタ密度と情報処理能力の両方が急速かつ予測可能な指数関数的成長を遂げてきました。ムーアの法則として知られるこの現象は、集積回路に配置できるトランジスタの数が約2年ごとに倍増する という観察を指します。

高速量子FETは、従来の半導体技術の実用限界と考えられていた0.2μm技術を克服するために設計された。QFETは、ロジック速度を10倍に高め、トランジスタの電力要件とサイズを同じ係数で削減します。これらの増加により、QFETデバイスは、低電力、小型、高速のメリットを享受できる設計自動化ツールの開発に使用できます。^[17]最近、トポロジカル量子電界効果トランジスタ（TQFET）は、固有の量子現象により、低エネルギースイッチングの新しいパラダイムを開きました。TQFETは、ラハスバ効果^[18]と負の容量効果^[19]によりボルツマン暴政を克服する能力があり、量子閉じ込め効果による小型化も期待できます。^[20]

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