异质谷间转移电子器件的Monte Carlo模拟研究.pdfVIP

　第 19 卷第 1 期　　　　　　　　　半　导　体　学　报　　　　　　　 . 19, . 1　 V o l N o 　1998 年 1 月　　　　　　CH IN ESE JOU RNAL O F SEM ICONDU CTOR S　　　　　　Jan. , 1998　 异质谷间转移电子器件的 M on te Carlo 模拟研究 薛舫时 (半导体超晶格国家重点实验室　北京　100083) (南京电子器件研究所　南京　210016) 摘要　使用量子阱能带混合隧穿共振理论和M onte Carlo 模拟计算研究了异质谷间转移电子 器件中的双能谷电子注入、两种谷间转移电子的相互作用、有源层电场分布及异质结电压的触 发功能. 首次发现了 GaA s 器件中的三能谷谷间电子转移. 算得的二极管伏安特性和实验测量 结果相吻合. 用所得的电场结构图和三能谷电子分布图证明强场畴能直接在阴极端触发, 消除 了耿氏有源层中的死区. 由此说明了器件振荡频率下降和振荡效率升高的特性. PACC: 6865; 　EEACC: 2560F 1　引言 半导体异质结构和量子阱物理研究的迅速发展大大推动了微波半导体新器件的研究工 作, 涌现出大量性能优异的 、 等新的异质结器件. 这些器件都使用由相同能带 H EM T HBT 结构材料构成的异质结, 即由两种直接带隙材料构成的直接带隙直接带隙异质结构, 利用 异质界面上的势垒来实现器件所需的种种电子功能. 近年来许多作者还研究了由不同能带 结构材料构成的异质结构, 例如由直接带隙材料和间接带隙材料构成的直接带隙间接带隙 异质结构, 得到了许多新的物理特性. 这种异质结构中两种不同能带之间产生了显著的混 合, 我们把它称为能带混合量子阱. 这种量子阱中的电子状态不能用单一的布洛赫态来描 述, 因而大家认为难以用来设计制作新的电子器件. 笔者在研究由 GaA s 和A lA s 构成的能带混合量子阱时发现了有趣的谷间转移电子效 [ 1 ] 应 , 即当GaA s 层中的 电子越过A lA s 势垒进入另一 GaA s 层时, 它可能从外电场中获 得能量通过异质结构中的能带混合从 态转换成X 态, 从而实现不同能谷之间的转移, 产 生有趣的异质谷间转移电子效应. 和耿氏效应不同, 这种异质谷间转移电子效应是通过异质 结中的状态转换来实现的, 它不依赖于载流子的散射, 没有能量损耗, 因而能够达到更高的 射频转换效率. 由于异质结构本身很薄, 难以输出大的射频功率, 笔者把它同耿氏有源层结 　 国家自然科学基金资助课题 薛舫时　男, 1939 年出生, 研究员, 从事半导体物理和器件研究 日收到 2 　　　　　　　　　　　　　　　半　导　体　学　报　 19 卷 合起来, 利用两种谷间转移电子效应的相互作用设计出新的高效毫米波振荡器件——异质 [ 2, 3 ] 谷间转移电子器件 . 在 8 波段已获得 340 的连续波输出功率, 最高效率达 8%. 脉 mm mW 冲工作时最大输出功率达 2 , 效率大于 10%. 此外还测得了许多不同于耿氏器件的新特 W 性, 有待于建立新的器件物理模型进行分析和解释, 从而进一步优化新器件的工作性能. 既 然这一新器件是能带混合量子阱与耿氏有源层的有机结合, 其工作机理和特性同常规耿氏 器件间究竟有哪些差别, 成为人们十分关心的问题. 在 Ga