探究低维半导体结构中的电子运输

杨海鸥

摘 要：近几年来，学术界针对低维半导体材料的研究逐渐增多，已经成为半导体科学技术领域中研究的热点问题。电子运输性质是低维半导体结构研究中的一个关键问题，是充分发挥出低维半导体材料作用的必要因素。该文将针对超晶格、量子线和量子点3种低维半导体结构的电子运输进行深入分析。

关键词：低维半导体结构 电子运输 量子线 超晶格 量子点

中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0132-02

半导体电子运输性质是研究低维半导体结构的一个关键因素，同时也是低维半导体结构器件设计的重要依据。电子运输性质主要是针对低维半导体结构中的电荷与能量在电场、磁场以及温度场作用下运输的过程进行研究，认识到不同条件下低维半导体结构内部电子运输的实际情况。通过对大量参考文献的研究与论证，影响低维半导体结构电子运输性质的因素主要有3种，分别是材料类型、结构形式和体系尺寸。

1 半导體超晶格异质结构中的电子运输

1.1 高迁移率二维电子气

高迁移率二维电子气在空间结构上是平行于异质结界面，与常规的超晶格结构相比，为电子运输过程中提供了一个更加理想的条件，是一种全新的思维逻辑形式。在研究半导体超晶格异质结构中二维电子气的电子运输实际情况的时候，需要结合二维电子气的运输性质、材料类型、结构形式、生长参数、工艺条件[1]等各方面因素进行组合，最大限度地降低电子在运输过程中的迁移率，进一步提升低维半导体结构中电子运输的效果。目前，二维电子气凭借其高迁移率的优势在低维半导体结构研究过程中受到了高度的重视，在现代半导体领域当中具有良好的发展前景。

1.2 势垒共振隧穿

从刚开始进行超晶格异质结构电学特征研究的过程中，始终认为低维半导体结构中的电子以垂直的形式进行运输，主要建立在叠层方向势垒的基础之上，通过垂直方向上能量的被量子化来进行势垒横穿运动。当电子在势垒的基础上进行共振隧穿的过程中，应该结合量子尺寸效应和量子隧穿效应进行分析，在实际研究过程中会受到高度、厚度、形状等各种外界因素的影响。

1.3 热电子转移效应

超晶格异质结构在电子运输方向上具有一个重要的特征叫作负阻现象，造成负阻现象的原因有很多，除了共振隧穿以外，动量空间和实空间的电子移动也会造成负阻现象的产生。在强电场的条件下，动量空间中热电子转移的行为主要表现在能谷之间，而实空间中热电子转移行为则主要表现在实际空间当中。多能谷效应是由直接能隙空间和间接能隙空间构成的量子陷产生的，其中比较典型的结构为GaAs/AlAs短周期超晶格结构[2]，在实际运动过程中既能够体现出直接能隙空间，又能够体现出间接能隙空间。

2 半导体量子线微结构中的一维电子运输

2.1 量子线中的超高电子迁移率

日本东京大学的H.Sakaki最早提出了量子线的概念，是低维半导体结构中的一种常见的微结构，其电子在运动过程中只有在X方向上是自由的，而在Y、Z两个方向上是量子化的。通过查阅大量的文献资料我们发现，如果将量子线的截面尺寸缩小到20 nm以下，则基本电子携带的能量与第一激发态下的电子所携带能量之间相差约40 meV，在这种情况下，大部分的电子都储存在基态子能带当中，也就是所谓的接近量子极限的状态。处于量子极限状态下的电子具有费米能量E1，在量子线中以波数Kf的形式向前移动，或者以波数-Kf的形式向后移动。当电子在移动过程中受到带电杂质的散射时，为了在散射的范围内保持总能量不变的情况，故只允许始态Kf的电子被散射到终态-Kf，在整个散射过程中，始终伴随着比较大的动能变化。而且，因为在电子运输的过程中，并不是经常会发生这种散射的情况，所以这种散射情况能够有效提高电子的迁移率[3]。

2.2 量子线中的电导呈量子化现象

B.J.Van Wees在1988年首次观测到了在具有量子点接触的量子线中，电导随门电压的变化是以2 e2/h为单位量子化的，具体情况如图1所示。

量子线的电导呈量子化现象实际上反映了电子填充子能带的真实情况，当栅电压发生改变的情况下，沟道宽度也会发生一定的变化，能够在一定程度上推动电子在子能带中占据能级的情况。每当费米能级中扫过一个子能带的时候，就会引发电导发生一次跃变的情况。外加磁场是影响电导呈量子化现象的关键因素，在外加磁场的作用下会抬高电子能级，同时增加了子能带之间的间距，在一定程度上减少了电导平台的个数。而且，外加磁场的加入还会增加沟道中朗道量子化轨道的数量，使电子运输的全过程变得更加复杂化，能够有效地对霍尔效应和负磁阻现象进行验证。

3 半导体量子点纳米结构中的零维电子运输

3.1 库伦抑制与单电子隧穿

从介观体系物理的研究角度来看，当一个量子点的尺寸足够小的情况下，量子点与周围外界之间的电容C可以小到10-16F量级。当处于这种情况的时候，每个电子隧穿进入到固定量子点的位置，都会增加一库伦量子点的位能能量。如果量子点处于低温的情况下，所产生的位能能量可能远大于该电子的热运动能量，量子点会自主地对这种情况做出相应的反应，形成一种新的电子运输形式，即一旦某一电子隧穿进入量子点当中，第一个进入到量子点的电子会对第二个进入到量子点中的电子造成一定的阻碍，也就是我们常说的库伦抑制现象。如果第二个电子想要进入到量子点当中，只能等到第一个电子离开之后才可以，也就是所谓的单电子隧穿过程。在整个隧穿的过程中，其反复重复的频率周期计算公式为：

f=Idc/e

其中，Idc用来表示隧穿电流的大小。在外加偏压作用的情况下，如有单电子以隧穿的形式进入到量子点当中时，量子点电荷量变化呈锯齿波形，造成一定程度的振荡，这种振荡形式叫作库伦抑制振荡，

3.2 电流量子化

近几年来，学术界对于低维半导体结构中量子点结构的研究逐渐深入，尤其是通过量子点结构中电子运输的实际情况来进行低维半导体结构中电子运输的分析取得了突破性的成效，在具有纳米尺寸的量子点结构当中，电子运输的全过程主要受到量子尺寸的影响。在外加偏压的作用下，不同结构形式的量子点所表现出来的量子化行为也各不相同，而这种情况就叫作电流的量子化行为。例如，将一直径为80 nm点栅的平面场诱导量子点晶体管设置在分裂栅之间，在4.2 K的条件下，漏电流会在一栅电压迅速增加的背景下表现出强烈振荡的行为。由此可见，随着科学技术的不断完善，量子点结构逐渐向多元化的方向发展，进一步推动了量子化行为的多样化。

参考文献

[1] 孟婧.低维半导体量子结构中氢施主杂质电子态的研究[D].曲阜师范大学，2012.

[2] 陈丽.外场对InPBi低维半导体结构中激子态的影响[D].曲阜师范大学，2016.

[3] 李耘云.金属—介质—半导体复合纳米结构光波导分束器设计和制备[D].湖南大学，2015.