Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Последовательный механизм транспорта электронов в резонансно-туннельном диоде с толстыми барьерами й Н.В. Алкеев, С.В. Аверин, А.А. Дорофеев, P. Velling+, E. Khorenko+, W. Prost+, F.J. Tegude+ Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 141190 Фрязино, Россия ГУП НПП ДПульсарУ, Москва, Россия + Solid State Electronics Department, Gerhard-Mercator-University, 47057 Duisburg, Germany (Получена 6 июня 2006 г. Принята к печати 15 июня 2006 г.) Анализ частотной зависимости импенданса резонансно-туннельного диода на основе InGaAs/InAlAs с шириной ямы 5 нм и барьерами толщиной 5 нм в диапазоне частот 0.1-50 ГГц показал, что механизм транспорта в таком диоде в основном последовательный, а не когерентный, что совпадает с проведенными оценками. Обсуждается возможность определения долей когерентного и последовательного механизма транспорта электронов через резонансно-туннельный диод по частотной зависимости его импенданса.

PACS: 73.40.Gk, 85.30.Mn 1. Введение единственным прибором наноэлектроники, работающим при комнатной температуре, а на вольт-амперной харакВ последнее время значительно вырос интерес к теристике (ВАХ) РТД имеются участки отрицательной изучению полупроводниковых мезоскопических струкдифференциальной проводимости (ОДП).

тур [1]. В первую очередь это обусловлено развитием Первоначально [2] предполагалось, что транспорт полупроводниковой технологии, позволяющей создавать электронов через РТД когерентный, т. е. электроны проструктуры с размерами порядка единиц и десятков ходят через барьеры РТД аналогично тому, как световая нанометров. В таких структурах длина волны де Бройля волна проходит через резонатор ФабриЦПеро: прозрачэлектронов превышает размеры структуры, и транспорт ность барьеров резонансно возрастает, когда энергия леэлектронов определяется в основном их волновыми тящих из эмиттера на барьер электронов приближается свойствами, что ведет к появлению целого ряда новых к энергии одного из уровней размерного квантования в эффектов [1]. Эти эффекты исчезают, если время сбоя КЯ РТД. В работе [5] был предложен еще один механизм фазы волновой функции электрона будет много меньше транспорта электронов в РТД, тоже резонансный, но времени пролета электрона через структуру. Изучение некогерентный, часто называемый ДпоследовательнымУ.

механизмов транспорта носителей заряда в мезоскопиСогласно этому механизму, электрон туннелирует через ческих структурах представляет собой важную фундаРТД в два этапа: сначала из эмиттера через первый ментальную задачу.

барьер на уровень в КЯ, а затем с этого уровня через К мезоскопическим структурам можно отнести резовторой барьер в коллектор. При этом предполагается, нансно-туннельный диод (РТД), впервые предложенный что оба акта туннелирования происходят независимо, ЕсакииТсу [2] и являющийся одним из первых приборов т. е. подразумевается, что за время нахождения элекнаноэлектроники [3]. Он состоит из слоя узкозонного тронов в КЯ в результате неупругих столкновений полупроводникаЦквантовой ямы (КЯ), расположенной полностью теряется информация о первоначальной фазе между двумя слоями полупроводника (барьерами) с его волновой функции. В работе [6] было замечено, более широкой запрещенной зоной. Эти слои в свою что деление резонансного туннелирования на когеренточередь расположены между слоями (спейсерами) сланое и некогерентное не имеет физического смысла, болегированного узкозоного полупроводника, за котопоскольку для дискретизации электронного спектра в рыми следуют сильнолегированные слои эмиттера и яме необходима определенная степень когерентности, коллектора. В КЯ возникает один или несколько уровней а именно, время сбоя фазы волновой функции должно размерного квантования. При приложении напряжения превышать удвоенное время пролета электроном ямы.

смещения ток через РТД течет лишь в том случае, В противном случае встречные электронные волны в если в эмиттере существуют электроны, которые могут резонаторе оказываются некогерентными, и энергетичерезонансно (т. е. с сохранением энергии и поперечного ский спектр электронов из дискретного превращается в импульса) туннелировать на уровень в КЯ и далее в непрерывный. Было также отмечено, что на Дкогерентколлектор. РТД обладает очень высоким быстродействиностьУ туннелирования сильно влияют неидентичность ем, например известно, что нелинейные свойства РТД и неоднородность входного и выходного барьеров по сохраняются вплоть до 10 ТГц [4]. РТД обладает и друплощади РТД. В случае неидентичных барьеров неодинагими уникальными свойствами: он, в частности, является ковость амплитуд интерферирующих электронных волн E-mail: alkeev@ms.ire.rssi.ru приводит к уменьшению амплитуды волновой функции в 234 Н.В. Алкеев, С.В. Аверин, А.А. Дорофеев, P. Velling, E. Khorenko, W. Prost, F.J. Tegude КЯ и, следовательно, к уменьшению коэффициента про- 2. Анализ экспериментальных хождения. Отметим, что неидентичность барьеров РТД результатов [12] намного сильнее будет проявляться в тонких барьерах, а не в толстых, у которых коэффициент отражения близок В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) полупрок единице. водниковые приборы принято характеризовать малосигнальными эквивалентными схемами (ЭС). Такой подход В одной из последних работ [7], посвященной анализу дает возможность лучше понять механизмы транспорта механизмов транспорта электронов в РТД, предложено носителей заряда в различных полупроводниковых приразличать три механизма транспорта: ДкогерентныйУ, борах и оптимальным образом проектировать различные ДпоследовательныйУ и Дполностью некогерентныйУ. При СВЧ устройства. На основе малосигнальной ЭС РТД когерентном механизме основная часть электронов тунсоздаются нелинейные ЭС.

нелирует через РТД с сохранением фазы, а для опиБыло предложено большое количество ЭС сания этого режима лучше всего подходит модель, РТД [13Ц18], однако все они получены исходя из предложенная в [2]. При последовтельном механизме последовательного механизма транспорта электронов.

транспорта почти все электроны теряют фазовую память Мы не нашли в литературе ЭС РТД, описывающую его и термализуются в КЯ. При этом резонансные уровни в высокочастотные свойства при когерентном механизме КЯ строго определены. Для описания этого механизма транспорта, но полагаем, что в этом случае высотранспорта наиболее адекватна модель, предложенная в кочастотные свойства РТД лучше всего могут быть работе [5]. И наконец, в случае полностью некогерентпредставлены ЭС (рис. 1). Действительно, при когеного механизма транспора время сбоя фазы волновой рентном механизме транспорта электроны туннелируют функции электронов стремится к нулю, и резонансные через барьеры РТД как через единое целое, поэтому уровни в КЯ исчезают, а плотность состояний в КЯ дифференциальную проводимость структуры можно стремится к объемной. В этом случае также исчезают характеризовать величиной GD. На рис. 1 CD Ч и области ОДП на ВАХ РТД [8].

геометрическая емкость между сильно легированными Расчеты, выполненные в [9], показали, что как когеэмиттером и коллектором РТД, а rs Ч сопротивление рентный, так и последовательный механизмы транспорта омических контактов. Отметим, что ЭС, представленная электронов в РТД приводят к одной из той же форме на рис. 1, является ЭС обычного туннельного диода и ВАХ, т. е. из анализа статических ВАХ невозможно диода с барьером Шоттки.

определить, какой механизм транспорта электронов реСледует также заметить, что ряд ЭС, описывающих ализуется в конкретном РТД. Интересный метод при- высокочастотные свойства РТД, при последовательном сутствия доли когерентного тока в полном токе через механизме транспорта электронов содержит индуктивРТД предложен в работе [10]. Было известно, что спек- ность [13Ц15]. Так, в работе [13] индуктивность была вветральная плотность дробового шума при последователь- дена для объяснения особенностей частотной зависимоном туннелировании электронов через два барьера не сти импеданса РТД. В работах [14,15] индуктивность моможет быть меньше половины пуассоновской величины делировала задержку электронов в КЯ РТД при протекаSI = 2eI. Однако расчеты, проведенные в [10], показали, нии через него тока. В работе [16] была предложена ЭС РТД, состоящая из двух последовательно соединенных что при когерентном транспорте электронов через РТД параллельных ZC-цепоцек, причем импеданс Z может спектральная плотность дробовых шумов может быть зависеть от частоты. Каждая ZC-цепочка моделировала существенно меньше, чем eI. Приведенные в работе один из барьеров РТД. Эта ЭС получила дальнейшее результаты экспериментов по измерению дробовых шуразвитие в работах [17,18].

мов у РТД с тонкими (2нм) барьерами продемонстриНа рис. 2 представлена ЭС из [18], с которой пракровали наличие когерентной составляющей в полном тически совпадает ЭС из работы [17]. Проводимости Gтоке РТД.

и G2 этой ЭС являются туннельными проводимостями В настоящей работе мы предлагаем метод обнаружепервого и второго барьеров. Наличие емкостей C1 и Cния доли тока, обусловленного последовательным механизмом транспорта, в полном токе РТД, основанный на анализе частотной зависимости его импеданса. Суть метода заключается в следующем. Как уже отмечалось выше, при последовательном механизме транспорта электрон туннелирует через барьеры независимо, поэтому при туннелировании электрона через один из барьеров, через другой барьер должен течь ток смещения, что обеспечивает непрерывность полного тока [11]. Регистрация этого тока смещения позволяет судить о вкладе последовательного механизма транспорта в общий ток Рис. 1. Высокочастотная ЭС РТД при когерентном механизме через РТД. транспорта.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Последовательный механизм транспорта электронов в резонансно-туннельном диоде с толстыми... 0.3 В, кривая 2 Ч зависимость импеданса от частоты для ЭС рис. 1 при оптимальных значениях ее элементов (т. е. при G = Gmin). Видно, что между этими двумя кривыми есть характерное отличие, т. е. когерентный механизм не совсем адекватно описывает транспорт электронов в исследуемом РТД. Отметим, что мы проанализировали влияние неоднородности барьеров по площади РТД на форму кривой частотной зависимости его импеданса в случае когерентного транспорта Рис. 2. ЭС РТД из работы [18].

электронов. Проведенный анализ показал, что изменения формы кривой незначительны и лежат в пределах ошибки эксперимента.

позволяет учесть токи смещения через первый и второй Из рис. 3 видно, что точность проведенных нами барьеры, в то время как соответственно через второй измерений позволяет выбрать более подходящую ЭС для и первый барьеры туннелируют электроны. Емкость C3, исследуемого РТД, чем ЭС, представленная на рис. 1, согласно [18], моделирует накопление заряда в КЯ РТД.

поэтому в настоящей работе мы провели поиск Gmin для Наконец, в работе [19] было предложено описывать всех известных нам ЭС РТД с целью поиска наилучшего импеданс РТД с помощью функциональной зависимости, варианта эквивалентной схемы. Оказалось, что для ЭС, которой невозможно поставить в соответствие какуюсодержащих индуктивность [13Ц15], при G = Gmin велилибо ЭС.

чина индуктивности L 0, т. е. ЭС с индуктивностями В связи с большим количеством предложенных ЭС сводились к ЭС, представленной на рис. 1, и имели ту РТД встает вопрос Ч как выбрать ЭС, которая наиже величину Gmin, из чего можно сделать вывод, что лучшим образом описывала бы измеренную частотную эти ЭС недостаточно точно описывают высокочастотные зависимость импеданса конкретного РТД В работе [12] свойства нашего РТД. Достаточно хорошее совпадение для подбора ЭС мы предложили использовать метод с экспериментальной кривой при всех напряжениях сменелинейной регрессии, который заключается в следующения на РТД было получено для ЭС из работ [16Ц18].

щем. Во всех точках f частотного диапазона, в которых i Кривая 3 на рис. 3 представляет зависимость импеданса измерялся импеданс Zm( f ) РТД, рассчитывался импеi от частоты для ЭС из работы [18] при G = Gmin. Видно, данс Zc( f ) предполагаемой ЭС РТД. Затем строилась i что она гораздо лучше совпадает с экспериментальной целевая функция:

кривой 1, чем кривая 2. В количественном отношении n Gmin для ЭС из [18] (см. рис. 2) более чем на порядок G = |Zm( f ) - Zc( f )|2. (1) меньше Gmin для ЭС (рис. 1).

i i i=В таблице приведены величины элементов ЭС, представленной на рис. 2 при G = Gmin. Видно, что C1 > C2, Путем варьирования величин элементов ЭС нахона основании чего можно сделать вывод о том, что дился минимум Gmin функции (1) и за величины элементов ЭС РТД принимались значения элементов, при которых G = Gmin. О степени соответствия измеренного импеданса и импеданса предполагаемой ЭС РТД можно судить по величине Gmin, а также визуально по степени совпадения кривых измеренного импеданса РТД и импеданса предполагаемой ЭС на диаграмме Смита [20].

Более обоснованно судить о том, какая теоретическая зависимость лучше соответствует экспериментальной кривой, можно опираясь на методы математической статистики. В случаях, подобных нашему, чаще всего используют критерий Пирсона (критерий 2) [21].

В работе [12] при различных напряжениях смещения мы измерили импеданс РТД в 401 точке, равномерно распределенной в диапазоне частот 0.1-50 ГГц. Исследуемый РТД имел InAlAs-барьеры толщиной 5 нм, ширина его InGaAs-КЯ составляла также 5 нм. Более подробно детали эксперимента описаны в работе [12].

Рис. 3. Зависимости импеданса от частоты в диапазоне На рис. 3 представлена часть диаграммы Смита с 0.1-50 ГГц: 1 Ч экспериментальная зависимость импеданса изображенными на ней тремя кривыми зависимостями РТД от частоты при смещении 0.3 В; 2 Ч зависимость имимпеданса от частоты. Кривая 1 Ч экспериментальная педанса оптимизированной ЭС РТД, изображенной на рис. 1;

зависимость импеданса РТД от частоты при смещении 3 Ч зависимость импеданса ЭС РТД, изображенной на рис. 2.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 236 Н.В. Алкеев, С.В. Аверин, А.А. Дорофеев, P. Velling, E. Khorenko, W. Prost, F.J. Tegude пробега электрона, а n Ч это так называемое ДрадиC1, пФ R1, Ом C2, пФ R2, Ом C3, пФ rS, Ом ационноеУ время жизни, или время жизни электрона 0.55 180 0.098 116 0.34 по отношению к его туннелированию из ямы. Первое неравенство выражает условие образования резонансных уровней в КЯ. При ширине ямы a 0 = 2a/1, где 1 =(21/m)1/2 Ч скорость поперечного движения цепочка R1C1 описывает эмиттерный барьер, а цеэлектрона на первом резонансном уровне в яме с почка R2C2 Ч коллекторный. В самом деле, вблизи энергией 1. Для исследованного нами РТД 1 = 70 мэВ эмиттера образуется обогащенный электронами слой и и 1 = 6.1 105 м/с, откуда следует, что 0 1.7 10-14 с.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам