Моделирование электронного транспорта в полупроводниковых гетероструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами

• Автор: Бирюлин, Павел Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 98 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Продольный токоперенос в квантоворазмерных гетероструктурах. Обзор литературы
1.1 Основные экспериментальные результаты
1.2 Теоретические модели проводимости системы квантовых ям
1.3 Выводы и постановка задачи
Глава 2. Модель проводимости и метод расчета электронного транспорта в гетероструктурах с туннельно-связанными квантовыми ямами
2.1 Модель проводимости и подвижности туннельно-связанных квантовых ям
2.2 Метод расчета
2.2.1 Диффузионно-дрейфовая модель
2.2.2 Метод матрицы переноса численного решения уравнения Шредингера
2.2.3 Алгоритм расчета
Глава 3. Результаты расчетов. Конструкция и характеристики транзистора с изменяемой подвижностью электронов
3.1 Схема исследуемой гетероструктуры и конструкция прибора
3.1.1 Способ подавления подвижности
3.1.2 Схема гетероструктуры, конструкция и топология транзистора
3.2 Результаты расчетов. Характеристики транзистора с изменяемой
подвижностью электронов
3.2.1. Электрофизические характеристики гетероструктуры
3.2.2 Характеристики транзистора
3.3 Эксперимент
3.3.1 Характеристика образца и экспериментальная методика
3.3.2 Результаты эксперимента, сравнение с расчетом
Заключение
Литература

Введение
Одной из основных задач при создании новой элементной базы современной микроэлектроники является увеличение быстродействия полупроводниковых приборов при сохранении низкого уровня потребления. Эта задача актуальна как для приборов, использующихся в цифровых интегральных схемах (ИС), так и для СВЧ приборов аналоговой электроники, в частности, приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДП), таких как диод Ганна, лавинно-пролетный диод. В полевых транзисторах эта задача решается, как правило, путем использования материалов с более высокой подвижностью носителей (например, полупроводников типа А3В5 или твердых растворов Ое-8 и путем уменьшения длины проводящего канала. В настоящее время в экспериментальных приборах длина канала доведена, практически, до своего физического предела, равного длине электростатического экранирования потенциала. Другим ограничивающим фактором служит увеличение средней плотности тока в ИС при уменьшении проектных норм, так как абсолютная величина тока пропорциональна линейным размерам проводников, а сечение пропорционально квадрату линейных размеров. Недавний переход компании 1ВМ на технологию медной металлизации в интегральных схемах является способом ослабить влияние именно этого фактора. Поэтому ведется активный поиск и разработка новых приборов и альтернативных способов увеличения быстродействия. Одной из идей является использование структур с поперечным по отношению к плоскости полупроводникового прибора переносом носителей.
Первые исследования в этой области относятся к 1964 -67 гг. Кальвенас с сотрудниками [1,2] использовали электрическое поле, параллельное поверхности образца, для разогрева электронно-дырочной плазмы вблизи этой поверхности и заметили, что при сильных полях концентрация плазмы у поверхности быстро уменьшается, приводя к появлению участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) на вольт-амперной (ВАХ) характеристике образца. Са-шенко [3] объяснил этот эффект увеличением поверхностной рекомбинации при

разогреве носителей полем. У поверхностных ловушек, на которых происходит рекомбинация, существует потенциальный барьер, который могут преодолеть и рекомбинировать только разогретые носители. Соответственно, при увеличении тянущего поля доля таких носителей повышается, захват и рекомбинация на ловушках увеличивается, приводя к образованию ОДП.
Следующий существенный шаг был сделан в [4] и, позднее независимо в [5]. Рассмотрим гетероструктуру (ГС), состоящую из двух полупроводников, имеющих большой разрыв в энергии зоны проводимости. В равновесии большинство электронов сосредоточено в слое, где их потенциальная энергия меньше, то есть в полупроводнике с меньшей энергией края зоны проводимости. Подвижность носителей в этом слое может быть больше, чем в соседнем, например, вследствие меньшей эффективной массы или из-за отсутствия рассеяния на примеси, которой пролегирован соседний слой с большей энергией края зоны. При приложении достаточно большого электрического поля вдоль гетероинтерфейса и при протекании тока вдоль него, электроны будут разогреваться этим полем. Приобретя энергию от поля, носители смогут преодолеть потенциальный барьер между полупроводниками и перейти в слой, где их подвижность ниже. Если перешедших электронов достаточно много (Ап~п) для возникновения обратной связи по потенциалу, то перераспределение заряда между слоями приведет к образованию потенциального барьера, препятствующего возвращению носителей в узкозонный слой. Уменьшение числа высокоподвижных носителей и увеличение числа низкоподвижных в сочетании с образованием потенциального барьера должно привести к появлению участка с ОДП на ВАХ такой гетероструктуры. В [4] была отмечена прямая аналогия между таким эффектом и эффектом Г анна - переходом носителей между долинами в много долинном полупроводнике. В [5] был введен термин “перенос в реальном пространстве” (real space transfer, RST) для переноса носителей между слоями перпендикулярно электрическому полю по аналогии с переносом в пространстве квазиимпульсов, характеризующем эффект Ганна. Также в [5] было продемонстрировано, что переход между слоями может совершаться за пикосекундные времена, то есть показана перспективность эффекта для практического применения. Отмечалась большая

Глава 2.
Модель проводимости и метод расчета электронного транспорта в гетероструктурах с туннельносвязанными квантовыми ямами
2.1 Модель проводимости и подвижности туннельносвязанных квантовых ям
Существуют три основных режима проводимости системы туннельносвязанных квантовых ям, которые отличаются соотношением между расщеплением уровней размерного квантования в ямах Ае и уширением этих уровней
. й/ = Й
вследствие рассеяния продольного 20 импульса - у = у + у , здесь ту Г;
/ т / X! / х3
времена релаксации импульса в 1ш и 2- квантовых ямах. фРежим малого уши-рения уровней Дг » имеет место при слабом рассеянии носителей в ямах.
При этом туннелирование между ямами можно считать когерентным и проводимость системы ТС КЯ будет определяться аддитивной суммой вкладов в проводимость всех подзон размерного квантования:
т<к)п<к>
(2.1)
к Ш к
где Л п® - время релаксации импульса и концентрация электронов в к-ой подзоне, »-эффективная масса в к-ой подзоне. Расчет сопротивления канала для
такого режима был сделан в [19, 20]. й)Режим сильного уширения Де ~
этом режиме необходимо учитывать подавление туннелирования в результате рассеяния продольного импульса носителей. Простое суммирование скоростей рассеяния в этом случае невозможно. Ш)Режим очень сильного уширения уровней Де « /. В этом режиме в результате сильного рассеяния носителей туннелирование полностью подавлено рассеянием и квантовые ямы представляют собой два независимых параллельно включенных резистора, сопротивление которых не зависит от разницы энергий подзон размерного квантования в КЯ.