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隧穿场效应晶体管的器件结构优化及设计研究

隧穿场效应晶体管的器件结构优化及设计研究

作者：熊承诚华东师范大学

学位级别：硕士

随着先进集成电路制造的特征尺寸减小至10nm以下量级,进一步延续摩尔定律的发展遇到了瓶颈。为了保证集成电路性能、集成度的可持续发展,研究人员将目光投向了隧穿场效应晶体管（Tunneling Field-Effect Transistor,TFET）。TFET器件以... 详细信息

随着先进集成电路制造的特征尺寸减小至10nm以下量级,进一步延续摩尔定律的发展遇到了瓶颈。为了保证集成电路性能、集成度的可持续发展,研究人员将目光投向了隧穿场效应晶体管（Tunneling Field-Effect Transistor,TFET）。TFET器件以其载流子带带隧穿的特有工作机制,预期可获得较好亚阈值摆幅、温度特性、开关电流比等特性优势,是未来实现超低功耗芯片的极具优势备选器件。本文在对PIN型双栅（Double-Gate,DG）TFET工作机制进行仿真分析的基础上,分析了掺杂浓度、栅介质层材料性质以及结构参数等对于TFET器件电学特性的影响。并提出了扩展源（Extended Source,ES）和轻掺杂漏层（Low-doped Drain,LDD）的结构改进,以增大器件的隧穿概率和优化器件关态电流,仿真结果表明,本文所提出优化结构TFET较基本PIN型TFET器件,开态电流提升了24倍,开关电流比提升了44倍,亚阈值摆幅降低了26.7%。本文进一步开展了对无结型（Junctionless,JL）DG-TFET研究,探讨了栅氧化层厚度及辅助与控制栅功函数对于无结型TFET器件的电学特性影响。论文采用Ge、Si Ge材料优化器件的开关电流比,仿真结果表明相较Si基JLDGTFET器件,本文所设计器件开关电流比提升了4.06倍,平均亚阈值摆幅降低了约17.1%,器件性能得到明显提升。

关键词：隧穿场效应晶体管带带隧穿隧穿概率开关电流比亚阈值摆幅

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双量子阱中光子辅助电子自旋隧穿

物理学报 2013年第10期62卷 374-379页

作者：李春雷徐燕张燕翔叶宝生首都师范大学初等教育学院微尺度功能材料实验室北京100048

采用单电子有效质量近似理论,Floquet理论和传递矩阵方法,对包含时间周期场的双量子阱中单电子的自旋隧穿特性进行了研究,对InP/InAs半导体材料进行了数值计算.重点研究了Rashba型和Dresselhaus型自旋轨道耦合、量子阱结构以及偏压对电... 详细信息

采用单电子有效质量近似理论,Floquet理论和传递矩阵方法,对包含时间周期场的双量子阱中单电子的自旋隧穿特性进行了研究,对InP/InAs半导体材料进行了数值计算.重点研究了Rashba型和Dresselhaus型自旋轨道耦合、量子阱结构以及偏压对电子隧穿的影响.这些结果可以为设计和调控半导体自旋电子器件提供一定的理论依据.

关键词：光子辅助隧穿隧穿概率量子阱

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单电子三势垒隧穿结I-V特性研究

物理学报 2004年第8期53卷 2734-2740页

作者：刘彦欣王永昌杜少毅西安交通大学理学院西安710049

在正统理论的基础上 ,提出了单电子三势垒隧穿结模型的主方程 ,并用线性方程组解法求出了其稳态解 .通过数值模拟 ,得到了该系统的I V特性曲线 .发现其有别于双势垒隧穿结的情况 ,在传统库仑台阶的平台处曲线存在波纹状结构 ,分析得出... 详细信息

在正统理论的基础上 ,提出了单电子三势垒隧穿结模型的主方程 ,并用线性方程组解法求出了其稳态解 .通过数值模拟 ,得到了该系统的I V特性曲线 .发现其有别于双势垒隧穿结的情况 ,在传统库仑台阶的平台处曲线存在波纹状结构 ,分析得出这是由于第二个库仑岛上的电子数变化对I V曲线的影响 .此外 ,研究了各物理参数对I V曲线的影响 ,发现三结系统可以降低对温度的要求 ,并应用Fermi能级处的能级间隔估算出出现库仑台阶现象的最高温度Tmax。

关键词：单电子隧穿现象单电子器件库仑台阶隧穿概率参数选择 I-V特性

表面InGaN厚度对GaN基发光二极管特性的影响

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物理学报 2008年第2期57卷 1220-1223页

作者：顾晓玲郭霞吴迪李一博沈光地北京工业大学北京市光电子技术实验室北京100022

通过调整GaN基发光二极管(LED)表面InGaN层的厚度,发现在20mA电流驱动下,LED器件的正向压降有明显差距.本文考虑了极化效应的影响,通过求解InGaN/GaN三角形势阱内二维空穴气浓度以及空穴隧穿概率的变化,求得了表面InGaN层厚度不同时器... 详细信息

通过调整GaN基发光二极管(LED)表面InGaN层的厚度,发现在20mA电流驱动下,LED器件的正向压降有明显差距.本文考虑了极化效应的影响,通过求解InGaN/GaN三角形势阱内二维空穴气浓度以及空穴隧穿概率的变化,求得了表面InGaN层厚度不同时器件正向压降的变化趋势,发现理论结果与实验结果有很好的吻合.同时得到了获得最低正向压降的表面InGaN厚度.

关键词：极化二维空穴气隧穿概率

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

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物理学报 2011年第1期60卷 651-657页

作者：刘德张红梅贾秀敏河北师范大学物理科学与信息工程学院石家庄050016 河北省新型薄膜材料实验室石家庄050016 河北科技大学理学院石家庄050018

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期... 详细信息

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角.

关键词：磁性隧道结 Rashba自旋轨道耦合隧穿概率隧穿磁电阻

变化扫描频率外场下的Landau-Zener隧穿

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变化扫描频率外场下的Landau-Zener隧穿

作者：王锦宝浙江师范大学

学位级别：硕士

能级间的Landau-Zener隧穿是一种最基本也非常重要的量子现象,它描述了某个系统在外场驱动下所发生的相邻能级间的量子隧穿,其理论模型最初由Landau, Zener和Stueckelberg在1932年分别独立提出的。这种隧穿在各个物理系统中普遍存在,如... 详细信息

能级间的Landau-Zener隧穿是一种最基本也非常重要的量子现象,它描述了某个系统在外场驱动下所发生的相邻能级间的量子隧穿,其理论模型最初由Landau, Zener和Stueckelberg在1932年分别独立提出的。这种隧穿在各个物理系统中普遍存在,如自旋体系、化学反应系统、核物理系统,并且应用到了许多领域,如碰撞理论、纳米磁的自旋隧穿、BEC、量子计算、超晶格、超导器件以及冷原子体系等。虽然从Landau-Zener隧穿被发现至今已经有80多年,但人们对其的研究热情不仅没有减退,反而因为它能解释许多广泛深刻的物理现象使得人们对其的研究兴趣大大增强。 Landau-Zener模型是最简单、最普遍的线性二能级隧穿理论,为了解释更多的物理现象,人们在Landau-Zener理论基础上,不停地将该理论进行深入研究并得到了广泛的应用。比如将线性二能级理论扩展至非线性二能级情形,它为人们研究加速光晶格提供了一个较为理想的物理模型,即将BEC系统理解为在Brilliouin区边界旁的双能级模型,也就是两个最低Bloch带之间的非线性Landau-Zener隧穿。后来,人们又提出了线性三能级的Landau-Zener隧穿,与线性二能级的Landau-Zener隧穿相比,多考虑一个能级使得问题更加复杂化,也引起了相应的物理特性。人们沿着这一思路继续研究,探索了非线性三能级的Landau-Zener隧穿。这种情况下,当非线性不是很强时,我们发现,三个能级的结构与线性情况极其类似,唯一不同的是中间能级所对应的本征态的性质会发生分段,该分段引起了绝热定理的破坏,也就是所谓的绝热隧穿。同时,不稳定的本征态也引起了隧穿率的混乱,但当非线性较强时,能级结构的扭曲非常明显并且极其复杂,这也使得绝热定理被严重的破坏。正因为这些特殊的物理现象,使我们能将该理论在三势阱的Bose-Einstein凝聚体系中加以应用。随着研究的进一步深入,应用也越来越广泛,人们将二能级、三能级逐渐扩展至多能级,并考虑了外场扫描频率随时间而改变,外部环境是快噪音等各种复杂情形的应用。不管如何,最能引起人们兴趣的就是非线性的Landau-Zener隧穿,它能得到许多独特的物理特性。在研究人员的共同努力下,人们总结了非线性隧穿概率的一般属性,它会随着非线性相互作用的增强而发生奇异的变化,并引起了对称性的破缺。本文主要讲述Landau-Zener隧穿理论以及在不同情况下的隧穿概率,并研究了扫描频率发生变化时对Landau-Zener隧穿概率的影响,其主要内容如下： 1.介绍Landau-Zener理论的历史背景及其发展过程。 2.介绍Landau-Zener隧穿理论的具体内容。 3.具体研究并分析双能级和三能级系统在线性和非线性驱动下的Landau-Zener隧穿行为的相关性质及其特点。 4.进一步探讨和研究非线性扫描外场对Landau-Zener隧穿的性质及影响。 5.研究外场扫描频率发生变化时对Landau-Zener隧穿概率的影响。

关键词： Landau-Zener隧穿变化扫描频率隧穿概率

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电子自旋驰豫和隧穿特性研究

电子自旋驰豫和隧穿特性研究

作者：宋占锋河北师范大学

学位级别：硕士

自旋弛豫能够引起电子的自旋平衡,电子的自旋驰豫是自旋电子学中的一个重要的物理现象。对电子自旋驰豫过程的研究不仅具有重要的基础理论意义,而且对于设计相关的自旋量子器件具有重要的指导意义。因此,近年来吸引了大量科研人员对电... 详细信息

自旋弛豫能够引起电子的自旋平衡,电子的自旋驰豫是自旋电子学中的一个重要的物理现象。对电子自旋驰豫过程的研究不仅具有重要的基础理论意义,而且对于设计相关的自旋量子器件具有重要的指导意义。因此,近年来吸引了大量科研人员对电子自旋驰豫过程进行实验和理论研究。在本文中,我们运用Elliot-Yafet(EY)和D’yakonov-Perel(DP)自旋驰豫机制从理论上对不同温度下的n-GaAs中导带电子的自旋驰豫时间进行了计算。我们对电子自旋驰豫时间的计算基于对占支配地位的电子动量驰豫时间的计算,并且考虑了电子的相关散射机制如:中性杂质散射、电离杂质散射、压电散射和光学声子散射在不同温度下对电子自旋驰豫时间的影响。同时把电子自旋驰豫时间看成温度、电子能量和施主浓度与受主浓度比值的函数,研究以上三种因素对电子自旋驰豫时间的影响。在不同温度下起主导作用的电子散射机制不同,占支配地位的电子自旋驰豫机制也不相同。对于半导体体材料,在低温时EY自旋驰豫机制起主导作用,而高温时DP自旋驰豫机制起主要作用,随着温度的升高电子的自旋驰豫机制发生了转化,电子自旋驰豫时间也由纳秒减小到皮秒数量级。在温度不变时,电子自旋驰豫时间随着电子能量的增加或施主浓度与受主浓度比值的减小而单调减小,虽然电子散射机制和自旋驰豫机制不同但电子能量的增加或施主浓度与受主浓度比值的减小对电子自旋驰豫时间的影响是一致的。计算中我们考虑了中性杂质散射和电子能量对电子自旋驰豫时间的影响,计算结果与实验值基本吻合,弥补了Song等人在低温时计算值与实验值相差很大的误差。从而表明在低温下中性杂质散射对电子自旋驰豫时间有重要的影响不能被忽略。研究发现可以通过控制电子能量或施主浓度与受主浓度比值来控制电子自旋驰豫时间,为开发新型的自旋电子器件提供了理论依据。近来,在非磁半导体的异质结中由于自旋轨道耦合效应而引起的电子自旋特性的研究成为自旋电子学领域一个研究热点。对自旋轨道耦合效应的研究有助于我们更好地了解电子自旋和电荷动力学之间的关系,为实现在没有外磁场的介观系统中通过电场来控制电子的自旋和自旋流提供了可能。这对于自旋量子器件的设计和自旋量子信息的存贮具有重要的理论意义。我们考虑了Dresselhaus自旋轨道耦合效应,研究了具有重要应用价值和基础理论研究意义的磁调制结构,即铁磁/半导体/铁磁异质结构中的二维波导自旋输运性质。从理论上计算了电子隧穿Fe/GaSb/Fe和Fe/InSb/Fe异质结的隧穿概率和渡越时间。研究发现,无论是自旋向上还是自旋向下的电子,当电子隧穿两种不同的异质结构时,它们的隧穿概率和渡越时间都表现出了共振的特性。进一步研究发现,自旋向上和自旋向下的电子的渡越时间并不随着半导体长度的增加而线性的增加,渡越时间表现出量子尺寸的台阶效应。比较发现Dresselhaus自旋轨道耦合效应不同于Rashba自旋轨道耦合效应,耦合强度的增加不能明显的延长电子的渡越时间而减少了自旋向上的电子渡越时间的台阶数量但对于自旋向下的电子影响很小,这种影响随着半导体长度的增加而减弱。同时发现,由于Dresselhaus自旋轨道耦合效应的特点,我们不仅可以通过调节半导体长度和自旋轨道的耦合强度来调节自旋电子的隧穿概率和渡越时间,也可以通过平面波矢来调节它们。在Dresselhaus自旋轨道的耦合作用下,自旋向上和自旋向下的电子隧穿异质结的隧穿机制不同,因此自旋向上和自旋向下的电子隧穿异质结的隧穿概率和渡越时间不同;它们之间的差别随着半导体长度的增加表现的更加明显。这些研究结论有助于我们把自旋向上和自向下的电子通过渡越时间区分开,这对于设计自旋过滤器件和提高电子的自旋激化率是十分重要的。

关键词：自旋电子学自旋驰豫机制自旋驰豫时间 Dresselhaus 自旋轨道耦合隧穿概率渡越时间

由薄层金属表面电子隧穿和逸出功研究金属表面结构

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科技创新与应用 2020年第5期10卷 50-52页

作者：董振铭广州大学物理与电子工程学院

介绍一个通过薄层金属表面电子隧穿和逸出功研究金属表面结构的方法。给薄层金属加一个垂直表面的电场,由于量子隧穿效应,电子可以越过金属的逸出势垒发射出,称为金属电子的冷发射[1]。根据金属电子的冷发射电流可以确定隧穿电子数目,... 详细信息

介绍一个通过薄层金属表面电子隧穿和逸出功研究金属表面结构的方法。给薄层金属加一个垂直表面的电场,由于量子隧穿效应,电子可以越过金属的逸出势垒发射出,称为金属电子的冷发射[1]。根据金属电子的冷发射电流可以确定隧穿电子数目,得出隧穿概率和透射系数,由透射系数和逸出势垒的关系,可得金属表面逸出功。由逸出势垒、势垒宽度和金属电子能级的关系可以研究金属的表面结构。

关键词：量子隧穿势垒逸出功冷发射隧穿概率透射系数金属电子能级

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双势垒磁性隧道结中电子的自旋极化输运

科技导报 2010年第14期28卷 70-74页

作者：刘德张红梅翟利学河北师范大学物理科学与信息工程学院河北省新型薄膜材料实验室石家庄050016 河北科技大学理学院石家庄050018

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,数值计算了两端具有铁磁接触的双势垒异质结构(F/DB/F)中自旋相关的隧穿概率和自旋极化率。结果表明,隧穿概率和自旋极化率随阱宽的增加发生周期性振荡,且振荡周期不随垒厚变化;隧穿概率和自旋极化... 详细信息

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,数值计算了两端具有铁磁接触的双势垒异质结构(F/DB/F)中自旋相关的隧穿概率和自旋极化率。结果表明,隧穿概率和自旋极化率随阱宽的增加发生周期性振荡,且振荡周期不随垒厚变化;隧穿概率和自旋极化率的振荡频率随Rashba自旋轨道耦合强度的增加而增大;隧穿概率和自旋极化率的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角。与铁磁/半导体/铁磁(F/S/F)磁性隧道结中的结果相比,发现随着垒厚的增加,隧穿概率和自旋极化率的峰谷比增大,自旋极化率的取值明显增大,并出现自旋劈裂和自旋翻转现象。

关键词：自旋极化输运隧穿概率自旋极化率 Rashba自旋轨道耦合