探究低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電子運輸

楊海鷗

摘 要：近幾年來，學(xué)術(shù)界針對低維半導(dǎo)體材料的研究逐漸增多，已經(jīng)成為半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中研究的熱點問題。電子運輸性質(zhì)是低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)研究中的一個關(guān)鍵問題，是充分發(fā)揮出低維半導(dǎo)體材料作用的必要因素。該文將針對超晶格、量子線和量子點3種低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電子運輸進(jìn)行深入分析。

關(guān)鍵詞：低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 電子運輸 量子線 超晶格 量子點

中圖分類號：TN304 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0132-02

半導(dǎo)體電子運輸性質(zhì)是研究低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵因素，同時也是低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)器件設(shè)計的重要依據(jù)。電子運輸性質(zhì)主要是針對低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電荷與能量在電場、磁場以及溫度場作用下運輸?shù)倪^程進(jìn)行研究，認(rèn)識到不同條件下低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部電子運輸?shù)膶嶋H情況。通過對大量參考文獻(xiàn)的研究與論證，影響低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電子運輸性質(zhì)的因素主要有3種，分別是材料類型、結(jié)構(gòu)形式和體系尺寸。

1 半導(dǎo)體超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子運輸

1.1 高遷移率二維電子氣

高遷移率二維電子氣在空間結(jié)構(gòu)上是平行于異質(zhì)結(jié)界面，與常規(guī)的超晶格結(jié)構(gòu)相比，為電子運輸過程中提供了一個更加理想的條件，是一種全新的思維邏輯形式。在研究半導(dǎo)體超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的電子運輸實際情況的時候，需要結(jié)合二維電子氣的運輸性質(zhì)、材料類型、結(jié)構(gòu)形式、生長參數(shù)、工藝條件[1]等各方面因素進(jìn)行組合，最大限度地降低電子在運輸過程中的遷移率，進(jìn)一步提升低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中電子運輸?shù)男Ч?。目前，二維電子氣憑借其高遷移率的優(yōu)勢在低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)研究過程中受到了高度的重視，在現(xiàn)代半導(dǎo)體領(lǐng)域當(dāng)中具有良好的發(fā)展前景。

1.2 勢壘共振隧穿

從剛開始進(jìn)行超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)電學(xué)特征研究的過程中，始終認(rèn)為低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電子以垂直的形式進(jìn)行運輸，主要建立在疊層方向勢壘的基礎(chǔ)之上，通過垂直方向上能量的被量子化來進(jìn)行勢壘橫穿運動。當(dāng)電子在勢壘的基礎(chǔ)上進(jìn)行共振隧穿的過程中，應(yīng)該結(jié)合量子尺寸效應(yīng)和量子隧穿效應(yīng)進(jìn)行分析，在實際研究過程中會受到高度、厚度、形狀等各種外界因素的影響。

1.3 熱電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)

超晶格異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子運輸方向上具有一個重要的特征叫作負(fù)阻現(xiàn)象，造成負(fù)阻現(xiàn)象的原因有很多，除了共振隧穿以外，動量空間和實空間的電子移動也會造成負(fù)阻現(xiàn)象的產(chǎn)生。在強(qiáng)電場的條件下，動量空間中熱電子轉(zhuǎn)移的行為主要表現(xiàn)在能谷之間，而實空間中熱電子轉(zhuǎn)移行為則主要表現(xiàn)在實際空間當(dāng)中。多能谷效應(yīng)是由直接能隙空間和間接能隙空間構(gòu)成的量子陷產(chǎn)生的，其中比較典型的結(jié)構(gòu)為GaAs/AlAs短周期超晶格結(jié)構(gòu)[2]，在實際運動過程中既能夠體現(xiàn)出直接能隙空間，又能夠體現(xiàn)出間接能隙空間。

2 半導(dǎo)體量子線微結(jié)構(gòu)中的一維電子運輸

2.1 量子線中的超高電子遷移率

日本東京大學(xué)的H.Sakaki最早提出了量子線的概念，是低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的一種常見的微結(jié)構(gòu)，其電子在運動過程中只有在X方向上是自由的，而在Y、Z兩個方向上是量子化的。通過查閱大量的文獻(xiàn)資料我們發(fā)現(xiàn)，如果將量子線的截面尺寸縮小到20 nm以下，則基本電子攜帶的能量與第一激發(fā)態(tài)下的電子所攜帶能量之間相差約40 meV，在這種情況下，大部分的電子都儲存在基態(tài)子能帶當(dāng)中，也就是所謂的接近量子極限的狀態(tài)。處于量子極限狀態(tài)下的電子具有費米能量E1，在量子線中以波數(shù)Kf的形式向前移動，或者以波數(shù)-Kf的形式向后移動。當(dāng)電子在移動過程中受到帶電雜質(zhì)的散射時，為了在散射的范圍內(nèi)保持總能量不變的情況，故只允許始態(tài)Kf的電子被散射到終態(tài)-Kf，在整個散射過程中，始終伴隨著比較大的動能變化。而且，因為在電子運輸?shù)倪^程中，并不是經(jīng)常會發(fā)生這種散射的情況，所以這種散射情況能夠有效提高電子的遷移率[3]。

2.2 量子線中的電導(dǎo)呈量子化現(xiàn)象

B.J.Van Wees在1988年首次觀測到了在具有量子點接觸的量子線中，電導(dǎo)隨門電壓的變化是以2 e2/h為單位量子化的，具體情況如圖1所示。

量子線的電導(dǎo)呈量子化現(xiàn)象實際上反映了電子填充子能帶的真實情況，當(dāng)柵電壓發(fā)生改變的情況下，溝道寬度也會發(fā)生一定的變化，能夠在一定程度上推動電子在子能帶中占據(jù)能級的情況。每當(dāng)費米能級中掃過一個子能帶的時候，就會引發(fā)電導(dǎo)發(fā)生一次躍變的情況。外加磁場是影響電導(dǎo)呈量子化現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，在外加磁場的作用下會抬高電子能級，同時增加了子能帶之間的間距，在一定程度上減少了電導(dǎo)平臺的個數(shù)。而且，外加磁場的加入還會增加溝道中朗道量子化軌道的數(shù)量，使電子運輸?shù)娜^程變得更加復(fù)雜化，能夠有效地對霍爾效應(yīng)和負(fù)磁阻現(xiàn)象進(jìn)行驗證。

3 半導(dǎo)體量子點納米結(jié)構(gòu)中的零維電子運輸

3.1 庫倫抑制與單電子隧穿

從介觀體系物理的研究角度來看，當(dāng)一個量子點的尺寸足夠小的情況下，量子點與周圍外界之間的電容C可以小到10-16F量級。當(dāng)處于這種情況的時候，每個電子隧穿進(jìn)入到固定量子點的位置，都會增加一庫倫量子點的位能能量。如果量子點處于低溫的情況下，所產(chǎn)生的位能能量可能遠(yuǎn)大于該電子的熱運動能量，量子點會自主地對這種情況做出相應(yīng)的反應(yīng)，形成一種新的電子運輸形式，即一旦某一電子隧穿進(jìn)入量子點當(dāng)中，第一個進(jìn)入到量子點的電子會對第二個進(jìn)入到量子點中的電子造成一定的阻礙，也就是我們常說的庫倫抑制現(xiàn)象。如果第二個電子想要進(jìn)入到量子點當(dāng)中，只能等到第一個電子離開之后才可以，也就是所謂的單電子隧穿過程。在整個隧穿的過程中，其反復(fù)重復(fù)的頻率周期計算公式為：

f=Idc/e

其中，Idc用來表示隧穿電流的大小。在外加偏壓作用的情況下，如有單電子以隧穿的形式進(jìn)入到量子點當(dāng)中時，量子點電荷量變化呈鋸齒波形，造成一定程度的振蕩，這種振蕩形式叫作庫倫抑制振蕩，

3.2 電流量子化

近幾年來，學(xué)術(shù)界對于低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中量子點結(jié)構(gòu)的研究逐漸深入，尤其是通過量子點結(jié)構(gòu)中電子運輸?shù)膶嶋H情況來進(jìn)行低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中電子運輸?shù)姆治鋈〉昧送黄菩缘某尚?，在具有納米尺寸的量子點結(jié)構(gòu)當(dāng)中，電子運輸?shù)娜^程主要受到量子尺寸的影響。在外加偏壓的作用下，不同結(jié)構(gòu)形式的量子點所表現(xiàn)出來的量子化行為也各不相同，而這種情況就叫作電流的量子化行為。例如，將一直徑為80 nm點柵的平面場誘導(dǎo)量子點晶體管設(shè)置在分裂柵之間，在4.2 K的條件下，漏電流會在一柵電壓迅速增加的背景下表現(xiàn)出強(qiáng)烈振蕩的行為。由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，量子點結(jié)構(gòu)逐漸向多元化的方向發(fā)展，進(jìn)一步推動了量子化行為的多樣化。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟婧.低維半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中氫施主雜質(zhì)電子態(tài)的研究[D].曲阜師范大學(xué)，2012.

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[3] 李耘云.金屬—介質(zhì)—半導(dǎo)體復(fù)合納米結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)分束器設(shè)計和制備[D].湖南大學(xué)，2015.