РАСЧЕТ ПОДВИЖНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ В ТОНКИХ НЕЛЕГИРОВАННЫХ GaAs КВАНТОВЫХ ПРОВОЛОКАХ

January 8, 2013 by admin Комментировать »

Поздняков д. В., Борздов А. В., Галенчик В. О., Борздов В. М. Белорусский государственный университет пр. Независимости, 4, г. Минск, 220050, Беларусь тел.: +375-17-2789027, e-mail: pozdnyakov@bsu. by

Рис. 1. Зависимость подвижности электронов от температуры квантовой проволоки при Л = 6 нм.

Аннотация – С помощью метода Монте-Карло рассчитаны зависимости подвижности электронов в тонких нелегированных GaAs квантовых проволоках, находящихся в вакууме в условиях электрического квантового предела, от температуры этих проволок и длины корреляции шероховатостей поверхности. При этом были учтены все доминирующие в рассматриваемом случае механизмы рассеяния носителей заряда в GaAs квантовых проволоках: рассеяние на полярных оптических фононах, поверхностных фононах, акустических фононах и шероховатостях поверхности. Кроме того, при расчете интенсивности рассеяния частиц, а также в процессе моделирования их дрейфа в электрическом поле, учитывались столкновительное уширение (неопределенность энергии электронов) и непараболичность в дисперсионном соотношении между волновым вектором заряженных частиц и их кинетической энергией.

I.                                       Введение

Fig. 1. Dependence of electron mobility on the quantum wire temperature at A = 6 nm

Известно, что на сегодняшний день большой интерес В качестве перспективных базовых элементов наноэлектроники представляют собой структуры на основе GaAs квантовых проволок. Однако, для успешной разработки приборов на основе структур такого рода, нужно всесторонне исследовать все основные электрофизические свойства самих GaAs квантовых проволок. Это необходимо, во-первых, для правильного понимания протекающих в них физических процессов, а во-вторых, для предсказания с высокой степенью достоверности электрических характеристик приборных структур и приборов, которые могут быть созданы на основе GaAs квантовых проволок. Причем в настоящее время наибольший интерес вызывают достаточно тонкие квантовые проволоки, поскольку от них ожидают ярко выраженного проявления специфических квантовых эффектов, характерных только для квантовых структур с одномерным электронным газом (в данном случае под достаточно тонкими квантовыми проволоками понимаются такие структуры, в которых реализуется электрический квантовый предел при комнатных температурах). Так, например, в работах [1,2] с помощью метода Монте-Карло нами уже был исследован ряд электрофизических свойств таких проволок. Тем не менее, в данных работах был затронут сравнительно узкий круг вопросов, касающихся электрофизики этих структур. Кроме того, для упрощения расчетов был использован ряд достаточно грубых приближений. В связи с этим целью настоящей работы стал расчет подвижности электронов в тонких GaAs квантовых проволоках, находящихся в вакууме в условиях электрического квантового предела.

II.                              Основная часть

Будем рассматривать, для определенности и упрощения некоторых вычислительных процедур, бесконечно длинные нелегированные проволоки с квадратным поперечным сечением. Примем, что их поперечный размер равен /_=10нм, а среднеквадратическое отклонение поверхности от плоскости составляет 0,1415 нм (половина монослоя GaAs).

Далее с помощью метода Монте-Карло, учитывая описанные в аннотации приближения, можно непосредственно рассчитать все интересующие нас электрофизические характеристики исследуемых структур. При этом нет необходимости останавливаться на вопросах, связанных с реализацией данного метода применительно к GaAs квантовым проволокам, поскольку эти вопросы так или иначе уже рассматривались в работах [1-4]. А потому перейдем непосредственно к обсуждению полученных результатов.

Puc. 2. Зависимость подвижности электронов от длины корреляции шероховатостей поверхности квантовой проволоки при Т = 4,2 К.

Fig. 2. Dependence of electron mobility on the quantum wire surface roughness length at T= 4,2 К Ha рис.1 и 2 в качестве примера приведены рассчитанные нами зависимости подвижности электронов в GaAs квантовых проволоках от температуры этих проволок Г и длины корреляции шероховатостей поверхности Л. Кроме того, на рис.1 отмечен результат, который был получен для объемного полупроводника (проволока с очень большими поперечными размерами), и который совпадает с экспериментальными данными [5].

Из рис.1 видно, что, как и следовало ожидать, подвижность электронов уменьшается с увеличением температуры. При этом она оказывается меньше по величине чем подвижность электронов в объемном полупроводнике. Данное обстоятельство объясняется тем что, во-первых, в квантовых проволоках сильное влияние на кинетические процессы имеет поверхность (рассеяние на шероховатостях поверхности и поверхностных фононах). Во-вторых, в таких структурах время релаксации импульса носителей заряда, обусловленное их рассеянием на акустических фононах, меньше чем время релаксации импульса частиц в объемном полупроводнике.

Согласно рис.2 зависимость подвижности электронов от длины корреляции шероховатостей поверхности имеет немонотонный характер с минимумом подвижности при /\ = 5 нм. Такое необычное поведение последней обуславливается сложной зависимостью интенсивности рассеяния носителей заряда от их кинетической энергии и величины Л [4].

III.                                  Заключение

Разработана кинетическая модель на основе метода Монте-Карло, позволяющая имитировать стохастические процессы переноса электронов в тонких нелегированных GaAs квантовых проволоках, а также рассчитывать все основные электрофизические и электрические характеристики структур такого рода.

На основе разработанной модели были рассчитаны зависимости подвижности электронов в GaAs квантовых проволоках от температуры этих проволок и длины корреляции шероховатостей поверхности. Установлено, что в рассмотренном случае подвижность электронов в квантовых проволоках меньше по величине чем их подвижность в объемном полупроводнике. Однако, дополнительные исследования показали, что при увеличении поперечного размера проволок вплоть до предельного, когда еще реализуется электрический квантовый предел {L ~ 20 нм), подвижность электронов увеличивается. Она даже может превышать подвижность заряженных частиц в объемном полупроводнике, хотя и незначительно.

Работа выполнена в Белорусском государственном университете в рамках программы «НАНОТЕХ».

IV.                           Список литературы

[1 ] Borzdov V. М., Komarov F. F., Homich А. V., Zhevnyak О. G. Monte Carlo simulation of impurity and surface roughness scattering effect on nonstationary hot electron transport in GaAs quantum wire. Phys. Low-Dim. Struct., 1997, 10, p. 63-69.

[2]  Borzdov V. М., Zhevnyak O. G., Galenchik V. O., Pozdnya- kovD. V. etal. Electron drift velocity oscillations in GaAs- quantum wires with finite length. Proc. SPIE: Nanotubes and Nanowires, 2003, 5219, p. 159-166.

[3]  Kim K. \N., Stroscio M. A., Bhat A., MIckevlclus R. et al. Electron-optical-phonon scattering rates in a rectangular semiconductor quantum wire. J. Appl. Phys., 1991, 70, p. 319-327.

[4]  Pozdnyakov D. V., Galenchik V. O., Borzdov A. V. Electron scattering in thin GaAs quantum wires. Phys. Low-Dim. Struct., 2006, 2, in press.

[5]  Шур M. Современные приборы на основе арсенида галлия. — М.: Мир, 1991. — 532 с.

CALCULATION OF ELECTRON MOBILITY IN THIN UNDOPED GaAs QUANTUM WIRES

Pozdnyakov D. V., Borzdov A. V.,

Galenchik V. O., Borzdov V. M.

Belarus State University Nezavlslmosty av., 4, Minsk, 220050, Belarus Ph.: +375-17-2789027, e-mail: pozdnyakov@bsu.by

Abstract-The dependencies of electron mobility in thin undoped GaAs quantum wires on the lattice temperature and surface roughness correlation length have been calculated at the electric quantum limit using Monte Carlo method. All the dominant scattering mechanisms of charge carriers in GaAs quantum wires are taken into account in considered case. The scat- terers are polar optical phonons, surface phonons, acoustic phonons and surface roughness. Moreover, it is taken into account the collisional broadening (electron energy uncertainty) and the nonparabolicity in the dispersion relation between the wave vector and kinetic energy of charge carriers while calculating particles scattering rate and simulation of their transportation in the electric field.

I.                                         Introduction

It is known that GaAs quantum wire device structures are of great interest as promising base elements of nanoelectronics. The most promising structures are those, which are based on sufficiently thin wires since it is awaited that specific, typical only for the structures with one-dimensional electron gas, quantum effects will evince themselves clearly (the wires are usually considered as sufficiently thin if electric quantum limit takes place at room temperature). In this connection the purpose of the present article is to calculate electron mobility in thin free standing GaAs quantum wires at electric quantum limit.

II.                                        Main Part

Let us consider the undoped infinite length wires with square cross-section whose value is equal to L = 10 nm. Let us also guess that the root-mean-square deviation of the surface from the plane is equal to 0,1415 nm (a half of GaAs monolayer).

Further, taking into consideration the results of Refs. [1-4] and the approximations noted in the abstract, we can calculate all the necessary electrophysical characteristics of the investigated structures using Monte Carlo simulation.

In fig.1 and 2, as an example, the dependencies of electron mobility in GaAs quantum wires on the quantum wire temperature T and surface roughness correlation length Λ are shown. In addition, in fig.1 the result obtained for the bulk semiconductor (the wire with very large cross-section dimension) is marked. We want to note that this result coincides with the experimental data cited in ref. [5].

III.                                       Conclusion

Mote Carlo kinetic model is developed. It allows to simulate stochastic electron transportation in thin undoped GaAs quantum wires, and to calculate all the main electrophysical and electrical characteristics of such structures.

Dependencies of electron mobility in GaAs quantum wires on the quantum wire temperature and surface roughness correlation length are calculated on basis of the developed model. It is ascertained that in considered case the electron mobility in quantum wires is less than in bulk semiconductor. However, the additional investigations have shown that increasing of the quantum wire cross-section up to the electric quantum limited value (L = 20 nm) causes the increasing of electron mobility. Latter value in quantum wires can even be greater than in bulk semiconductor, but slightly.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты