WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11 Электрические характеристики интерференционных транзисторов с одним затвором на различных полупроводниковых материалах © И.И. Абрамов, А.И. Рогачев Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия (Получена 19 декабря 2000 г. Принята к печати 14 апреля 2001 г.) Проведено теоретическое исследование вольт-амперных и частотных характеристик однозатворных интерференционных T -транзисторов на квантовых проволоках различных полупроводниковых материалов, а именно Si, Ge, GaAs, InAs, GaSb, InSb, GaP, InP. Осуществлен учет двух механизмов рассеяния в модели T -транзистора с целью оценки их влияния на электрические характеристики приборов. Адекватность предложенной модели проверена путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными. Приведенные в работе расчеты выполнены с помощью подсистемы моделирования приборов на квантовых проволоках QW-NANODEV.

Введение Рассмотрим ключевые модификации в модели по сравнению с [2]. Во-первых, в модели учтена зависимость Качественно новые возможности открываются для эффективной массы электрона от геометрических размеров квантовой проволоки и концентрации примеси в ней создания сверхинтегрированных систем твердотельной согласно [9]. Вследствие трансцендентности модели [9] электроники в связи с разработкой приборных структур использовался самосогласованный расчет эффективной на квантовых проволоках [1–3]. С одной стороны, это массы в отличие от [4]. Заметим, что сходимость связано с хорошей совместимостью методов создания итерационного процесса достигалась за 5–7 итераций.

таких структур как с отработанной планарной техноВо-вторых, с помощью модели допустим учет механизлогией традиционных интегральных схем, так и метомов рассеяния, характерных для исследуемых структур.

дами современной нанотехнологии. С другой стороны, В данной работе использовались модели рассеяния на ожидается, что приборы на квантовых проволоках буудаленной заряженной примеси (влияние подложки) и дут обладать приемлемыми, а в ряде случаев уникальна неоднородностях поверхности квантовой проволоки.

ными, электрическими характеристиками. В частности, Так, интенсивность рассеяния на удаленной заряженнедавно было показано, что для интерференционных ной примеси вычисляется по формуле [10] T -транзисторов возможно наличие области насыщения на выходных вольт-амперных характеристиках (ВАХ) nlmqпри малых смещениях на стоке [4]. В результате r-1 = K2 2d0kx sin, (1) 42 (0)2kx допустимо их применение как в аналоговых, так и в цифровых наноэлектронных интегральных схемах. При где nl — линейная концентрация примеси в подложэтом данные приборы могут обладать очень высокими ке; m — эффективная масса электрона в квантовой рабочими частотами [4]. По изложенным причинам проволоке; q — заряд электрона; — приведенная в ближайшее время, как и для резонансно-туннельных постоянная Планка; ·0 — абсолютная диэлектрическая структур [5], одноэлектронных структур [6,7], следует проницаемость полупроводникового материала; kx — ожидать создание наноэлектронных интегральных схем, волновой вектор; d0 — расстояние между примесным включающих приборы на квантовых проволоках. Экспецентром и началом координат, расположенным в центре риментальные образцы таких приборов уже созданы [8].

квадратного сечения проволоки; — угол рассеяния;

Цель данной работы — теоретическое исследование с использованием предложенной модели электрических характеристик интерференционных T -транзисторов с одним затвором на квантовых проволоках различных полупроводниковых материалов и выявление наиболее предпочтительных из них.

Модель В данной статье анализируется однозатворная структура интерференционного T -транзистора [2], приведенная на рис. 1. В качестве основы разработанной модели Рис. 1. Однозатворный интерференционный T -транзистор на использовался метод матрицы рассеяния [1,2]. квантовой проволоке (S —исток, D —сток, G — затвор).

1366 И.И. Абрамов, А.И. Рогачев Параметры исследуемых материалов Параметр GaSb GaP InP Ge Si GaAs InAs InSb Диэлектрическая постоянная, 15.7 11.1 12.5 16.2 11.7 12.9 15.15 16.Ширина запрещенной зоны, Eg, эВ 0.726 2.26 1.344 0.661 1.12 1.424 0.354 0.Продольная эффективная масса электрона, ml/m0 0.041 1.12 0.08 1.6 0.98 0.063 0.023 0.Поперечная эффективная масса электрона, mt/m0 0.041 0.22 0.08 0.08 0.19 0.063 0.023 0.Спин-орбитальное расщепление, эВ 0.8 0.08 0.11 0.29 0.044 0.34 0.41 0.K — модифицированная функция Бесселя второго рода. Для однозатворных T -транзисторов максимальная раИнтенсивность рассеяния на неоднородностях поверхно- бочая частота вычисляется по формуле [2] сти квантовой проволоки вычисляется согласно [11]:

max ISD fmax =. (7) 2 -4q sr =. (2) mLkx exp[kx2 sin2(/2)] max Здесь ISD — максимальный ток стока, рассчитываемый Здесь и — корреляционная длина и средняя амплисогласно (4).

туда неоднородностей соответственно; L — длина кванОписанная модель была реализована в подсистеме мотовой проволоки. Суммарная интенсивность рассеяния делирования приборных структур на основе квантовых определяется из соотношения проволок QW-NANODEV, входящей в систему модели-1 -рования наноэлектронных приборов NANODEV на эф = r-1 + sr. (3) фектах резонансного, одноэлектронного туннелирования При учете процессов рассеяния дополнительно иси квантовой интерференции [6].

пользовались следующие допущения. Так как квантовая проволока является существенно одномерной структурой, угол рассеяния предполагается равным, что со- Результаты и их обсуждение ответствует ”полному” рассеянию, а d0 бралось равным Было проведено теоретическое исследование однозатолщине проволоки.

творных интерференционных T -транзисторов на восьми В-третьих, с целью учета влияния механизмов рассеяполупроводниковых материалах. Их основные парамения на ток стока использовалась не формула Тсу–Есаки, тры, использовавшиеся при моделировании, сведены в а следующее модифицированное выражение:

таблицу [12].

EF Анализировались структуры с малыми размерами.

2q ISD = t(E, VG) 2 D(E) f (E)- f (E+qVSD) dE, (4) Длина приборов L выбиралась равной 100 нм для доh 0 статочно сильного проявления квантовых эффектов и снижения влияния механизмов рассеяния. Толщина квангде ISD — ток стока, |t(E, VG)|2 — коэффициент прохотовой проволоки d0 принималась равной 10 нм для раждения электронной волны, определяемый с помощью боты транзистора в одномодовом режиме и в полном матрицы рассеяния [2], VG — напряжение на затворе, соответствии с современными возможностями нанотехVSD —напряжение на стоке, f (E) — функция распренологии. Для снижения влияния процессов фононного деления Ферми–Дирака, h — постоянная Планка, EF — рассеяния моделирование проводилось для низкой темэнергия Ферми, D(E) — коэффициент, характеризующий пературы 4.2 K. Зависимость эффективной массы от темзатухание электронной волны вследствие рассеяния, выпературы не учитывалась. Корреляционная длина брачисляется с помощью соотношения лась =0.3 нм, а средняя амплитуда неоднородностей -D(E) =exp(- · tT · ), (5) =0.15 нм, что соответствует экспериментальным данным для наноразмерных пленок [13]. Концентрация пригде tT — время пролета носителей заряда через струк-меси в квантовой проволоке полагалась Nc = 1025 м-3.

туру в режиме баллистического транспорта, — При этом выбиралась слабо легированная подложка с суммарная интенсивность механизмов рассеяния, — концентрацией примеси N0 = 1023 м-3. Коэффициент постоянный коэффициент, определяемый взаимным влив формуле (5) в данных теоретических исследованиях янием механизмов рассеяния, и, строго говоря, долпринимался равным 1.

жен идентифицироваться по экспериментальным данНа рис. 2 приведены расчетные ВАХ интерференционным. Время пролета рассчитывается исходя из скорости ных T -транзисторов на различных материалах без учета Ферми и определяется в виде (рис. 2, a) и с учетом рассеяния (рис. 2, b) при напряm жении на затворе VG = 0.2 В. Из результатов видно, tT = L ·, (6) kF что для всех материалов получаются области насыщения где kF — волновой вектор Ферми. на стоковых характеристиках транзисторов как в случае Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Электрические характеристики интерференционных транзисторов с одним затвором... работы [4] напряжение на затворе принималось равным 0.01 В для минимизации его влияния на частотные характеристики. Кроме того, в данных исследованиях взята большая толщина квантовой проволоки. Для опре деления степени влияния рассеяния проводилось моделирование без его учета при D(E) = 1 (рис. 3, a) и с учетом рассеяния (рис. 3, b). Из приведенных графиков видно, что процессы рассеяния наиболее сильно снижают частотные характеристики приборов в области низких концентраций примеси в квантовой проволоке для всех исследуемых материалов. Это связано с тем, что при низких концентрациях примеси доля электронов, претерпевающих рассеяние, становится соизмеримой с общим количеством носителей заряда, участвующих в переносе тока. Это приводит к снижению тока стока практически до нуля, что в свою очередь отражается на частотных характеристиках. Однако отмеченная выше тенденция, согласно которой транзисторы на материалах с меньшей эффективной массой электрона в квантовой проволоке имеют лучшие характеристики, сохраняется и на приведенных частотных зависимостях.

С целью проверки адекватности используемой модели было проведено сравнение результатов моделирования Рис. 2. ВАХ однозатворного интерференционного T -транзистора без учета механизмов рассеяния (a) и с учетом рассеяния (b). 1 — InSb, 2 — GaSb, InAs, 3 —GaSb, 4 — InP, 5 — Si, 6 —GaP, 7 —Ge.

учета, так и неучета механизмов рассеяния, что хорошо согласуется с результатами работы [4]. Насыщение начинается, когда напряжение на стоке определяется значением энергии Ферми. Из графиков следует, что для всех материалов значения токов стока различаются. Это связано с комплексным влиянием параметров материалов, однако наиболее сильное влияние оказывает именно эффективная масса электрона в квантовой проволоке. С одной стороны, для материалов с малой эффективной массой (m < 0.1 · m0, где m0 — масса свободного электрона), таких как GaAs, InAs, GaAs, InSb, InP, возможно получение больших токов, чем в случае использования материалов с ”тяжелыми” электронами в квантовой проволоке (Ge, Si, GaP). С другой стороны, для первой группы материалов процессы рассеяния оказывают большее влияние на характеристики приборов, в частности для них наблюдается более значительное снижение величин тока стока (рис. 2, b).

С помощью предложенной модели был проведен расРис. 3. Частотные характеристики однозатворного интерчет максимальной рабочей частоты в зависимости от ференционного T -транзистора без учета механизмов рассеялинейной концентрации примеси в квантовой проволония (a) и с учетом рассеяния (b). 1 — InSb, 2 — InAs, ке для указанных восьми материалов. В отличие от 3 —GaAs, 4 —GaSb, 5 — InP, 6 — Si, 7 —GaP, 8 —Ge.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1368 И.И. Абрамов, А.И. Рогачев разработанной модели проведен расчет вольт-амперных и частотных характеристик T -транзисторов на восьми материалах с учетом рассеяния на удаленной заряженной примеси и неоднородностях поверхности. Размеры структуры были выбраны в соответствии с современными возможностями нанотехнологии. Показано, что при использовании материала с низкой эффективной массой электрона в квантовой проволоке возможно получение больших значений тока и максимальной рабочей ча стоты, чем в случае использования материалов с тяжелыми электронами. В то же время установлено, что учитываемые механизмы рассеяния сильнее влияют на характеристики транзисторов на материалах с низкой эффективной массой электрона в квантовой проволоке.

Получено согласование результатов моделирования с экспериментальными данными, подтверждающее допустимость использования разработанной модели для теоретического исследования рассматриваемого типа транзисторов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Республиканских научно-технических программ ”Информатика”, ”Низкоразмерные системы” и ”Наноэлектроника”.

Список литературы Рис. 4. Экспериментальная зависимость [8] изменения прово[1] S. Datta. Superlat. Microstruct., 6, 83 (1989).

димости T -транзистора от напряжения на затворе (a), резуль[2] S. Subramaniam, S. Bandyopadhyay, W. Porod. J. Appl. Phys., таты моделирования проводимости структуры (b).

68, 4861 (1990).

[3] Ж.И. Алфёров. ФТП, 32, 3 (1998).

[4] И.И. Абрамов, Ю.А. Берашевич, А.Л. Данилюк. ЖТФ, 69, 130 (1999).

не только с результатами расчета [4], но и с экспери[5] J.I. Bergman, J. Chang, Y. Joo, B. Matinpour, J. Laskar, ментальными данными. К сожалению, в настоящее время N.M. Jokerst, M.A. Brooke, B. Brar, E. Beam, III. IEEE экспериментальные результаты для T -транзисторов с Electron Dev. Lett., 20, 119 (1999).

приведенными выше малыми размерами отсутствуют, [6] И.И. Абрамов, Е.Г. Новик. Численное моделирование мепоэтому для такого исследования была выбрана транталлических одноэлектронных транзисторов (Минск, зисторная структура работы [8]. Длина и толщина Бестпринт, 2000).

[7] A.C. Irvine, Z.A.K. Durrani, H. Ahmed. J. Appl. Phys., 87, квантовой проволоки в структуре — 8 мкм и 280 нм 8594 (2000).

соответственно. Прибор функционирует в многомодовом [8] J. Appenzeller, Ch. Schoer, Th. Schapers, A. v. d. Hart, режиме (9мод), материал квантовой проволоки — GaAs.

A. Forster, B. Lengeler, H. Luth. Phys. Rev. B, 53, Был проведен расчет проводимости канала исток-сток (1996).

в зависимости от приложенного к затвору напряжения [9] A. Ghoshal, B. Mitra, K.P. Ghatak. Nuovo Cimento, 12, по известной формуле Ландауэра [2]. В результате (1990).

было получено хорошее качественное согласование с по[10] C.-C. Wu, C.-J. Lin. J. Appl. Phys., 83, 1390 (1998).

добными экспериментальными характеристиками. Дан[11] J. Motohisa, H. Sakaki. Appl. Phys. Lett., 60, 1315 (1992).

ные работы [8] и результаты моделирования приведены [12] M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev. Handbook Series on на рис. 4, a и b соответственно. Более детальное сравнеSemiconductor parameters (London, World Scientific, 1996).

ние, к сожалению, невозможно ввиду отсутствия полной [13] В.М. Борздов, Ф.Ф. Комаров. Моделирование электрофизических свойств твердотельных слоистых структур информации о структуре [8].

интегральной электроники (Минск, Изд-во Белорус. унта, 1999).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.