Upload
sade-snyder
View
54
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
NTUU "KPI" 1898. МОДЕЛИРОВАНИЕ АРТЕФАКТОВ НА ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА. ФЕДЯЙ Артем Васильевич , ас. каф. ФБМЭ МОСКАЛЮК Владимир Александрович, проф. каф. ФБМЭ факультет электроники НТУУ «КПИ». Севастополь , 15 сентября 2011. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
Севастополь, 15 сентября 2011
МОДЕЛИРОВАНИЕ АРТЕФАКТОВ НА
ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ
РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА
ФЕДЯЙ Артем Васильевич, ас. каф. ФБМЭ
МОСКАЛЮК Владимир Александрович, проф. каф. ФБМЭ
факультет электроники
НТУУ «КПИ»
Примеры артефактов (1/4)
80 нм 10 нм1.7 нм4.5 нм1.7 нм10 нм60 нм
40 нм
Ni/ Au/ Ge
n-GaAsi-AlAs
i-GaAs
РТД 1 [1] (MBE)
400 нм
500 нм
2.5x1024 м–3
1x1024 м–3
1x1023 м–3
2.5...2x1024 м–3
2.5x1024 м–3
–1 0 1 2 3
–20
20
–10
10
0
I , мА
V, В
[1] Wolak E. The design of GaAs/AlAs resonant tunneling diodes with peak current densities over 2x105 A cm-2 / E. Wolak, E. Ozbay, B.G. Park et. al. // J. Appl. Phys. – 1991. –
Vol. 69. – P. 3345–3350.
Вольтамперная характеристика.T = 77 K, S = 3x5 мкм2
(адаптировано из [1]).
экстра-пик
Примеры артефактов (2/4)
0.3–0.2–0.6 0
0
–0.4
–0.8
0.4
V, В
I , мА
Вольтамперная характеристика.T = 77 K, S = 16x16 мкм2
(адаптировано из [2]).
50 нм3 нм4 нм3 нм10 нм
n-GaAs
5 нм
РТД 2 [2] (MBE)
500 нм
1000 нм
Ni/ Au/ Ge
i-AlAs
i-GaAs
2x1024 м–3
2x1023 м–3
2x1024 м–3
экстра-пик
сложная форма области ОДП
[2] Evstigneev S.V. Multiple-barrier resonant tunneling structures for application in a microwave generator stabilized by microstrip resonator / S.V Evstigneev, A.L. Karuzskii, Yu.A. Mityagin et.al. / 8th Int. Symp."Nanostructures: Physics and Technology". St Peterburg, Russia, June 19–23, 2000.:2000. – P. 494–497.
Примеры артефактов (3/4)
0 0.5 1.0
5
10
15
20
J , мА/мкм2
V, В
1
2
3
Вольтамперная характеристика:T = 300 K, S = 0.39 мкм2
1,3 – ступенчатый, 2 – обычный эмиттер.(адаптировано из [3]).
плато
ряд плато
15 нм 25 нм1.2 нм4.5 нм1.2 нмступенчатый
эмиттер20 нм
Ni/ Au/ Ge
i-AlAs
i-Ga0.2In0.8As
РТД 3 [3] (MOCVD)
8 нм
400 нм
2x1025 м–3
2x1025 м–3
3x1024 м–3
2x1025 м–3
n-Ga0.3In0.7As
n-Ga0.47In0.53As
[3] Suzuki S. Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature / S. Suzuki, M. Asada, M. Teranish et.al. // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 97. P. 242102-1–3.
Примеры артефактов (4/4)
10 нм2 нм
4.5 нм2 нм7 нм100 нм
Ni/ Au/ Ge
i-AlAs
i-GaAs
РТД 4 [4] (MBE)
400 нм
500 нм
2x1024 м–3
10...1x1023 м–3
2x1024 м–3
n-GaAs
0 0.5 1.0–0.5–1.0
–5
0
5
10
15
V, В
I , мА
1
2
Вольтамперная характеристика:T = 300 K, R = 2.5 мкм.
1, – обычный, 3 – In0.1Ga0.9As – эмиттер.(адаптировано из [3]).
Замедление падения тока в области ОДП
[4] Boykin T.B. Resonant tunneling diodes with emitter prewells / T.B. Boykin, R.C. Bowen, G. Klimeck // Appl. Phys. Lett. – 1999. – Vol. 75. – P. 1302–1304.
Генезис представлений об артефактах
Объяснение: Внутренняя бистабильность [5] 1987 Внешняя бистабильность [6] 1988 Состояния в ЭКЯ [7] 1996 Специфическое поведение [8] 2005
химических потенциалов «левых» и «правых» электронов
Г-Х-Г интерфейсное смешивание [9] 2007
Экспериментальная верификация: Анализ тока через РТД в [10] 2004
поперечном магнитном поле
[5] Goldman V. J. et. al. Phys.Rev.Lett. Vol. 58. P. 1256-1259 (1987). [6] Young J. F. et. al. Appl. Phys. Lett. Vol. 52. P. 1398 (1988). [7] Biegel B.A. Physical Review B. – Vol.54. P. 8070 –8082 (1996). [8] Обухов И.А. Моделирование переноса заряда в мезоскопических структурах, 226 С. (2005). [9] Абрамов И.И. и др. // ФТП. – Т. 41, № 11. – С. 1395–1400 (2007). [10] Qiu Z. J. et. al. Appl. Phys. Lett. Vol. 84. P. 1961-1963 (2004).
Феноменологическая модель в рамках ФВФ
Экспериментально установлено:
состояния в ЭКЯ, участвующие в токопереносе, формируются за счет неупругого рассеяния из эмиттера
Дилемма:
последовательный подход к описанию рассеяния в рамках ФВФ невозможен. Такое описание проводится с помощью ad-hoc методов (напр. оптический потенциал + некогерентный канал)
Решение:
модель может быть построена, исходя из наблюдаемых явлений (феноменологическая)
Какие процессы должны наблюдаться в ЭКЯ?
а) электроны должны непрерывно поступать в ЭКЯ;
б) «правые», а не только «левые» электроны должны накапливаться на метастабильных уровнях ЭКЯ;
в) уровни в ЭКЯ должны быть «размыты» за счет конечного времени нахождения электрона в ЭКЯ в связи с выходом через левый барьер ДБКС (т.е. уровни должны быть «метастабильными»).
Модель (1/2)
ï ðàêò 2 1 òåî ð/T T j j
Введем: M :=Tпракт/ Tтеор
1 1exp( )m ik z
( )m M
2 1n
n d
av T
Конечная ширина d приводит к «естественному» уширению Гn за счет сокращения времени жизни на n:
Но к такому же расширению приводили быпроцессы релаксации энергии со временемрелаксации E: Поэтому, меняя Td, можномоделировать изменение E:
Td(a) E j(Ez| Ez < Ec,L) .
Заданному E должен соотв. Td (обозн. Tтеор):
Ãnn
òåî ð *
2 ( ) 1
2 /z
Ez
a ET
E m
На практике для данного d получим: Полагая , получим:
ï ðàêò 2 1 ï ðàêò òåî ð/ 1 /T M T T j j
спейсерn+ GaAs
«резервуар»i-GaAs
EФ
виртуальныйрезервуар
эмиттерная квантовя яма основнаяпотенциальная
яма
a(Ez)
i-AlAs i-GaAs ...
...
d Ez
Зонная диаграмма РТД вобласти «плато»
Модель (2/2)
Модель отражает суть явления:
Введение виртуального резервуара (ВР) моделирует «приток» электронов в ЭКЯ, интенсивность которого регулируется временем релаксации энергии E положением уровня Ферми;
Наличие барьера между ЭКЯ и виртуальным резервуаром обеспечивает появление метастабильных уровней в нужном месте и накопление заряда на них; их положение не зависит от d, а ширина привязана к E.
Модификация стандартной модели:
При E < Ec,L в диапазоне энергий ЭКЯ, нормировать волновую функцию на m(E,Ez);
Выбирать d достаточно большим (>2..5 нм), чтобы «работала» теория возмущений (при таком выборе m не зависит от d);
Заряд электронов в виртуальном резервуаре не должен учитываться при самосогласовании, поскольку он просто служит для моделирования притока электронов из области эмитерного спейсера за счет неупругого рассеяния
Результаты моделирования ВАХ РТД1 с помощью QuanT ST
Формирование области “плато”:а) ВАХ РТД1: 1 – без учета транспорта через состояния в ЭКЯ, 2 – с учетом, а также 3 - паразитного сопротивления Rs = 4·10–11 Ом·м2;б) концентрация электронов при различных напряжениях для случаев (1) и (2). Серый цвет – барьерные шары.
а) б)
Область плато: g(Ez) и T(Ez) при напряжении V = 0.3 Вg(
Ez)
Уровень энергии в ЭКЯ совпадает с уровнем энергии в ОКЯ: а) локальная плотность состояний g(Ez), б) коэффициент прохождения T. 1 и 2 обозначают уровни энергии, соответствующие положению метастабильного уровня в ЭКЯ и второго энергетического уровня в ОКЯ.
а) б)
Электронные состояния вне области «плато»
Плотность электронных состояний g(z, Ez) за пределами области «плато»:а) «пиковое» напряжение, V = 0.2 В,б) напряжение за областью «плато» (вблизи долины), V = 0.4 В.Обозначения: 1 (2)– метастабильный уровень в ЭКЯ (ОКЯ)
а) б)
Выводы
Впервые в рамках формализма волновых функций создан метод учета транспорта через состояния в ЭКЯ
Метод позволяет предсказать появление артефактов на ВАХ
Имитационное моделирование показало, что ответственность за появление области «плато» несет токоперенос между состояниями в ЭКЯ и ОКЯ.
«Плато» соответствует перекрытию уровней в ЭКЯ и ОКЯ. До и после «плато» уровни разнесены по энергии токоперенос по каналу ЭКЯ-ОКЯ близок к нулю.
Спасибо за внимание!
Результаты получены с помощью приложения
QuanT ST (Quantum Transport Simulation Tool)
! Распространяется бесплатноКод написан в Matlab + Matlab GUI! Исходные коды открыты
Текущая версия:www.phbme.ntu-kpi.kiev.ua/~fedyay
Приложение (1/5)
Приложение (2/5)
Приложение (3/5)
Приложение (4/5)
Приложение (5/5)