Вертикальный электронный транспорт в слоистых полупроводниковых структурах

• Автор: Пупышева, Ольга Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Полупроводниковые структуры в электрическом поле

1. Одномерные неупорядоченные структуры в электрическом поле

2. Вертикальный транспорт в слоистых структурах

3. Заключение

Глава 2. Туннелирование и рассеяние носителей заряда Э 1. Выбор модели транспорта

2. Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках

3. Время резонансного туннелирования

Глава 3. Туннельный транспорт

1. Модель
2. Описание модельной структуры
3. Расчет спектров прохождения и вольт-амперных характеристик
4. Периодическая сверхрешетка
5. Неупорядоченные сверхрешетки

Глава 4. Прыжковый транспорт
1. Модель
2. Электростатика сверхрешетки
3. Кинетические уравнения для тока через сверхрешетку
4. Свойства системы уравнений
5. Темпы перехода между соседними ямами
6. Расчет вольт-амперных характеристик
7. Прыжковые вольт-амперные характеристики
8. Приближенный анализ задачи

Основные результаты и выводы Литература

Введение
Полупроводниковые сверхрешетки, то есть структуры, образованные чередующимися слоями двух различных полупроводниковых материалов толщиной порядка нескольких нанометров, привлекают внимание исследователей с 1970 г., когда Есаки и Цу [1] впервые высказали идею о возможности создания искусственных квазипериодических структур. В настоящее время имеется возможность выращивать слоистые структуры, строго контролируя ширину и состав каждого слоя. Это дает возможность управления зонной структурой, проводимостью и другими свойствами материала, что крайне привлекательно с точки зрения практического применения полупроводниковых слоистых материалов при создании объектов с заданными свойствами.
В 1982 г. Доу с соавторами [2] предложили использовать нерегулярные сверхрешетки с беспорядком, преднамеренно внесенным в параметры слоев. Оказалось, что такие структуры обладают рядом интересных оптических и электрических свойств при низких температурах. Например, интенсивность люминесценции в сверхрешетках на основе арсенида галлия-алюминия при внесении искусственного беспорядка в ширины квантовых ям существенно возрастает по сравнению с периодическими структурами [3, 4]. В сверхрешетках с контролируемым беспорядком наблюдается необычная температурная зависимость вертикальной электропроводности [5].
Идея конструирования периодических и неупорядоченных сверхрешеток послужила мощным стимулом в развитии не только техники получения слоистых полупроводниковых материалов, но и теоретических представлений о свойствах периодических и почти периодических структур. Однако сложность и разнообразие коллективных явлений в непериодических сверхрешетках затрудняют понимание физических процессов в них. Это демонстрирует актуальность дальнейшего развития теории электрических свойств неупорядоченных слоистых полупроводниковых структур и необходимость построения теоретических моделей
влияния параметров структуры на ее электрические свойства, прежде всего, на проводимость.
Цель настоящей работы состоит в выяснении характера влияния различных параметров слоистых полупроводниковых структур на вертикальный электронный транспорт и разработке методов расчета вольт-амперных характеристик таких систем без предположения об их квазипериодическом строении. Это требует решения ряда вспомогательных проблем, например, таких, как моделирование проводящих свойств контактов при протекании тока через сверхрешетку и разработка устойчивых алгоритмов расчета при заданной модели проводимости.
Структура диссертации такова. В обзорных главах 1 и 2 рассмотрены электрические свойства полупроводниковых сверхрешеток и суммированы сведения о характерных временах рассеяния и туннелирования носителей заряда в слоистых полупроводниковых структурах. В третьей главе обсуждается изоэнергетическое туннелирование в коротких сверхрешетках и обсуждается влияние беспорядка на их электронные спектры прохождения и вольт-амперные характеристики. В четвертой главе описана модель и результаты численных экспериментов по анализу прыжкового механизма вертикального транспорта. Далее следуют выводы и список цитированной литературы.
Научная новизна данной работы заключается в развитии эффективных методов моделирования вертикального электронного транспорта в слоистых полупроводниковых структурах при туннельном и прыжковом характере проводимости. В работе впервые
1. систематически исследовано влияние основных типов беспорядка на электронные спектры прохождения в электрическом поле и вольт-амперные характеристики структуры;
2. для неупорядоченных структур показана возможность совпадения в поле энергий уровней, относящихся к одной минизоне;
3. изучено происхождение особенностей на туннельных вольт-амперных характеристиках;
4. развита модель прыжковой проводимости, учитывающая пространственное перераспределение носителей заряда, и предложены методы качественного анализа влияния строения слоистой структуры на вертикальный транспорт;
5. изучены механизмы появления 14- и 2-образных участков вольт-амперных характеристик;
Глава
Туннельный транспорт 1. Модель
Будем рассматривать слоистые полупроводниковые структуры в конечном электрическом поле. Нас интересует транспорт в направлении оси роста х (вертикальный транспорт). Размеры структуры в направлениях у иг, т.е. в плоскости слоев, много больше ее толщины, так что их можно считать бесконечными.
Изоэнергетическое туннелирование через всю сверхрешетку без рассеяния возможно лишь при достаточно высокой прозрачности структуры. Выберем такие параметры модельной сверхрешетки, которые обеспечивают выполнение условия (2.1).
1.1. Использованные приближения. Будем рассматривать структуры с мо-нополярной проводимостью. Пусть, для определенности, это будет проводимость п-типа.
Используем метод эффективной массы, причем для простоты будем считать, что эффективные массы электронов в разных слоях структуры различаются несущественно, так что их можно полагать равными для квантовых барьеров и ям (это же справедливо и для сверхрешеток с беспорядком в потенциалах барьеров и/или ям, котрый достигается слабым изменением состава слоев).
Представим потенциал сверхрешетки в виде последовательности прямоугольных квантовых барьеров и ям. Будем считать, что беспорядок вносится только в значения ширины и потенциала слоев структуры, а границы между слоями полагаются идеально ровными.
В прозрачных структурах перераспределением электронов между слоями, а также эффектами экранирования, можно пренебречь. Тогда потенциал электрического поля линеен по координате;
Щх) = ~еУ^ (3.1)
где Г — толщина всей структуры, т.е. координата ее правого края — анода, если отсчет координат ведется от левого края, т.е. катода, сверхрешетки.