探究低維半導體結構中的電子運輸

楊海鷗

摘 要：近幾年來，學術界針對低維半導體材料的研究逐漸增多，已經成為半導體科學技術領域中研究的熱點問題。電子運輸性質是低維半導體結構研究中的一個關鍵問題，是充分發揮出低維半導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種低維半導體結構的電子運輸進行深入分析。

關鍵詞：低維半導體結構 電子運輸 量子線 超晶格 量子點

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

半導體電子運輸性質是研究低維半導體結構的一個關鍵因素，同時也是低維半導體結構器件設計的重要依據。電子運輸性質主要是針對低維半導體結構中的電荷與能量在電場、磁場以及溫度場作用下運輸的過程進行研究，認識到不同條件下低維半導體結構內部電子運輸的實際情況。通過對大量參考文獻的研究與論證，影響低維半導體結構電子運輸性質的因素主要有3種，分別是材料類型、結構形式和體系尺寸。

1 半導體超晶格異質結構中的電子運輸

1.1 高遷移率二維電子氣

高遷移率二維電子氣在空間結構上是平行于異質結界面，與常規的超晶格結構相比，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。在研究半導體超晶格異質結構中二維電子氣的電子運輸實際情況的時候，需要結合二維電子氣的運輸性質、材料類型、結構形式、生長參數、工藝條件[1]等各方面因素進行組合，最大限度地降低電子在運輸過程中的遷移率，進一步提升低維半導體結構中電子運輸的效果。目前，二維電子氣憑借其高遷移率的優勢在低維半導體結構研究過程中受到了高度的重視，在現代半導體領域當中具有良好的發展前景。

1.2 勢壘共振隧穿

從剛開始進行超晶格異質結構電學特征研究的過程中，始終認為低維半導體結構中的電子以垂直的形式進行運輸，主要建立在疊層方向勢壘的基礎之上，通過垂直方向上能量的被量子化來進行勢壘橫穿運動。當電子在勢壘的基礎上進行共振隧穿的過程中，應該結合量子尺寸效應和量子隧穿效應進行分析，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 熱電子轉移效應

超晶格異質結構在電子運輸方向上具有一個重要的特征叫作負阻現象，造成負阻現象的原因有很多，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阻現象的產生。在強電場的條件下，動量空間中熱電子轉移的行為主要表現在能谷之間，而實空間中熱電子轉移行為則主要表現在實際空間當中。多能谷效應是由直接能隙空間和間接能隙空間構成的量子陷產生的，其中比較典型的結構為GaAs/AlAs短周期超晶格結構[2]，在實際運動過程中既能夠體現出直接能隙空間，又能夠體現出間接能隙空間。

2 半導體量子線微結構中的一維電子運輸

2.1 量子線中的超高電子遷移率

日本東京大學的H.Sakaki最早提出了量子線的概念，是低維半導體結構中的一種常見的微結構，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資料我們發現，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態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子能帶當中，也就是所謂的接近量子極限的狀態。處于量子極限狀態下的電子具有費米能量E1，在量子線中以波數Kf的形式向前移動，或者以波數-Kf的形式向后移動。當電子在移動過程中受到帶電雜質的散射時，為了在散射的范圍內保持總能量不變的情況，故只允許始態Kf的電子被散射到終態-Kf，在整個散射過程中，始終伴隨著比較大的動能變化。而且，因為在電子運輸的過程中，并不是經常會發生這種散射的情況，所以這種散射情況能夠有效提高電子的遷移率[3]。

2.2 量子線中的電導呈量子化現象

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。

量子線的電導呈量子化現象實際上反映了電子填充子能帶的真實情況，當柵電壓發生改變的情況下，溝道寬度也會發生一定的變化，能夠在一定程度上推動電子在子能帶中占據能級的情況。每當費米能級中掃過一個子能帶的時候，就會引發電導發生一次躍變的情況。外加磁場是影響電導呈量子化現象的關鍵因素，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平臺的個數。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量，使電子運輸的全過程變得更加復雜化，能夠有效地對霍爾效應和負磁阻現象進行驗證。

3 半導體量子點納米結構中的零維電子運輸

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。當處于這種情況的時候，每個電子隧穿進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，所產生的位能能量可能遠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的反應，形成一種新的電子運輸形式，即一旦某一電子隧穿進入量子點當中，第一個進入到量子點的電子會對第二個進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象。如果第二個電子想要進入到量子點當中，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，其反復重復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入到量子點當中時，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，學術界對于低維半導體結構中量子點結構的研究逐漸深入，尤其是通過量子點結構中電子運輸的實際情況來進行低維半導體結構中電子運輸的分析取得了突破性的成效，在具有納米尺寸的量子點結構當中，電子運輸的全過程主要受到量子尺寸的影響。在外加偏壓的作用下，不同結構形式的量子點所表現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點柵的平面場誘導量子點晶體管設置在分裂柵之間，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出強烈振蕩的行為。由此可見，隨著科學技術的不斷完善，量子點結構逐漸向多元化的方向發展，進一步推動了量子化行為的多樣化。

參考文獻

[1] 孟婧.低維半導體量子結構中氫施主雜質電子態的研究[D].曲阜師范大學，2012.

[2] 陳麗.外場對InPBi低維半導體結構中激子態的影響[D].曲阜師范大學，2016.

[3] 李耘云.金屬—介質—半導體復合納米結構光波導分束器設計和制備[D].湖南大學，2015.