研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
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ISSN: 2321 - 6212
沙特阿拉伯Al-Jouf Sakaka Al-Jouf大学理学院物理系
收到日期:17/05/2017;接受日期:21/06/2017;发表日期:28/06/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000174
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本文讨论了在类似场效应晶体管(即氦场效应晶体管)的硅片上采用合适的衬底结构在受限几何形状的液氦薄膜上表面态电子(SSE)的研究。样品具有源区和漏区，由栅极结构分开，栅极结构由2个具有窄间隙(通道)的金电极组成，通过该栅极进行电子传输。在建立了以栅极势垒为函数的新模型后，对SSE迁移率的研究变得更加容易。实验结果与文献有较好的一致性。
微观结构几何，表面电子，氦膜
运输电子几十年来，通过收缩一直是人们相当感兴趣的话题。到目前为止所研究的大多数系统都是金属的，其中已经实现了小到单个原子大小的点接触[雷竞技网页版1),或半导体，例如具有分栅几何结构的mosfet，其有效触点尺寸可以通过施加适当的栅极电压来电调谐[雷竞技网页版2-4］．液氦上方的表面态电子(SSE)形成理想的二维电子系统(2DES) [5］．二维电子系统也存在于半导体和异质结构中。迄今为止应用的唯一测量技术是使用交流技术对该系统进行电容耦合[6]或腔内的微波共振[7］．我一直在使用类似于mosfet的样品，即所谓的he - fet。在过去的15年里，用He-FET对液氦上的2DES进行了第一次直流测量，到目前为止，已经证明了He-FET的工作原理[8］．在这里，探头通常与电子直接接触，从而可以测量I-V特性。雷竞技网页版有了一个中心电极，即栅极，这种磁通就可以很好地控制。2-DES在液氦上有许多优点。
一个重要的优点是，电子密度可以很容易地从非常低的值连续变化，系统表现得像经典气体，到维格纳晶体，再到简并费米气体，因为表面可以从一个单独的电子源(例如微小的加热灯丝)以非常专用的方式故意充电。微加工技术的最新进展使得使用微通道阵列等设备在受限几何结构中研究SSE成为可能[9-13］．本文通过计算He-FET上电子在定义系统下的迁移率，报道了SSE的研究。以栅极势垒为函数的新节省电子模型[j]14]来研究这类系统在经典状态下的SSE迁移率。表1展示在这项工作中使用的样本。
表1。本文中使用的四种不同的样本
| 样品没有。 | 废旧硅片 | 栅极前源的形状 | 通道尺寸 | 氧化层厚度 |
|---|---|---|---|---|
| 示例1 | Non-doped硅 | 三角 | 10µm × 52µm | - |
| 示例2 | Non-doped硅 | 三角 | 10µm × 2µm | - |
| 示例3 | 掺杂硅 | 三角 | 10µm × 200µm | 500海里 |
| 示例4 | 掺杂硅 | 矩形 | 10µm × 100µm | 500海里 |
实验装置的基本部分已在前面描述过[8，15］．源区域上方的微小加热灯丝提供电子，并以脉冲模式操作，脉冲持续时间为25毫秒，重复频率为4 Hz，以尽量减少热负荷。通过栅极通道到漏极的电子被拾取电极收集。在氦场效应管的第一次实验中，电极结构是由蒸发在玻璃上的金膜组成的，而在本研究中使用的衬底是一片硅晶片，上面覆盖着500纳米的氧化物，形成了源通道-漏极区。的split-gate电极在整个装置周围还有一个保护电极，由蒸发到晶圆上的100纳米金膜组成。图1一个）.在源极和漏极之间的硅衬底上施加几伏特的电压。加上施加在分栅和保护上的电压，这为器件上的电子提供了潜在的景观(图1 b）.样品被放置在4He低温恒温器液位以上的气体空间中一个可调节的高度，因此被一层超流氦膜覆盖，其厚度可以控制在20到60纳米之间。所有测量的温度均为1.3K。
图1:(a)硅样品(尺寸22 × 18 mm)2)用金电极;(b)电位沿源-闸-漏等值线分布。实验中使用的通道长度在2 ~ 100 μm之间，宽度为10 μm。
利用脉冲栅极的思想，通过极短的时间(数十或数百纳秒)打开栅极(沟道)，研究了电子在受限几何氦膜(He-FET)上从源极到漏极的输运过程，并观察了通过栅极的电子。脉冲栅极后源处的静止电子数也是一个有趣的数量，因为通过和静止电子的总和应该给出一定充电时间内保存电子的总数。图2显示了两者，通过的和其余的在源处保存电子(这里使用样品4)。剩余电子的减少似乎是一个指数函数，可以用来建立电子在源处的弛豫时间模型。当我们在对数尺度上绘制静止电子的数量时，我们得到了或多或少的线性依赖关系。图3）.在这里，我们可以想象源是一个带电荷Q=Ne的电容器，其中N是源处的静止电子数，通道是一个电阻R恒定的电阻。
图2:对于样品4:a)脉冲栅极测量期间的拾取电流(Ip)，显示通过和休息的电子。b)源处通过的和静止的电子数与脉冲宽度的函数。通道长(100 μm)，氦膜厚度≈50 nm，脉冲栅极前的初始保存电子数平均值为4.0 × 108电子。
图3:a)静止电子数对脉冲宽度的对数依赖关系。b) RC电路示意图，说明了源上的松弛时间模型。
这两个组件的简单组合可以说明为RC电路，如图所示图3 b．我们可以从图2 b在这种情况下，弛豫时间(τ=RC)的数量级为毫秒。这个时间常数相对于电子通过通道的传输时间来说是一个很长的时间，电子通过通道的传输时间大约是几十纳秒，我们稍后会看到。使用具有短通道的样本(样本2)重复该测量，结果如预期的那样具有比长通道更小的时间尺度，对应于较小的R (图4）.
图4:对于样品2:源处通过的和静止的电子数作为脉冲宽度的函数。通道短(2 μm)，氦膜厚度≈50 nm，脉冲栅极前的初始保存电子数平均值为7.0 × 108电子。
在脉冲栅极后将电子放在源处
一般来说，源处的静止电子数取决于脉冲宽度，因此取决于脉冲数，也取决于驱动势(Us-d)。图5一个和5 b为样品2的源极和漏极在不同脉冲宽度和不同驱动电位下的脉冲数的函数。如前一份文件所述[15]，驱动电势取决于外部光照，因为它增加了硅片的导电性。利用样品1观察到，当有足够的外部光强时，随着脉冲数的增加，通过的电子增加，因此源处的剩余电子减少得更快(图6）.这是因为硅上产生了电子-空穴对底物随着光强的增加而增加。
图5:对于样品2:源处的剩余电子数作为脉冲宽度的函数:a)当Vs_d=1.5 V, b)当Vs_d=3.0 V。这里的通道很短(2 μm)，氦膜厚度约为50 nm，脉冲栅极前的初始保存电子数平均值为4.5 × 107电子。
图6:对于样品1:不同外部光强度下的脉冲数与静止电子数的函数关系。这里的通道长(100 μm)，薄膜厚度约为50 nm。可以看到，由于衬底的导电性差，在没有照明的情况下，电子通过通道的传输要慢得多，这导致了驱动电位的不确定。
通过的电子，传递时间，和迁移率计算
传递时间是电子通过通道所需的时间。我们测量的过境时间如下:
a)设定电极电位，接通灯丝，观察直流拾取电流。
b)设置栅极电压，例如我们在拾取器处观察到最大电流并记录该值，因为我们稍后将使用它来打开栅极。
c)关闭灯丝，以空源启动。
d)通过对栅极施加一定的负电位(正常情况下为-3 V)并再次接通灯丝，完全关闭栅极。
e)对电源充电一段时间后，切断灯丝。
f)在极短的时间内打开栅极，方法是用一定脉宽的脉冲脉冲脉冲栅极，并观察拾取处过去的电子。
g)从10ns开始，对不同的脉冲宽度重复这些步骤，观察在哪个传输时间出现拾取的第一个小峰。
h)完全打开栅极，查看源处的剩余电子数。
使用驱动电位为1v的样品1 (Us-d= 1v)，图7显示通过的电子的增加(在拾取处观察到的峰上表示)作为脉冲宽度的函数。正如我们所看到的，在这种情况下，第一个峰值出现在100毫纳秒，所以穿过至少一半通道所需的时间是100毫纳秒1在这种情况下，传递时间就是τ= 200ns。迁移率可由下式计算:
图7:对于样品1:a)对于长通道样品，不同脉冲宽度的拾取电流作为时间的函数。b)各脉冲宽度下拾取电流图下面积计算的总通过电子数。通道长(100 μm)，膜厚≈50 nm, Vs-d=1 V。
ν=μ。E (1)
其中ν， μ， E分别为电子的速度，电子的迁移率和电场。电子和电场的速度可由下式确定:
样品1:
Us-d=1 V， τ=200 ns, L=100 μm，则迁移率μ=5 × 104厘米2/ Vs。
2号样品:
Us-d=2 V， τ=20 ns, L=2 μm，则迁移率μ=0.5 × 104厘米2/ Vs。
3号样品:
Us-d=2 V， τ=1000 ns, L=200 μm，则迁移率μ=2.0 × 104厘米2/ Vs。
从数据和计算可以看出，传输时间取决于信道长度。迁移率的平均值为≈2.5 × 104 cm2/ Vs。根据这些结果计算的迁移率值比相同温度下SSE在体氦上的迁移率低一个数量级，为1 × 10数量级5厘米2/ Vs。总的来说，电子的迁移率电影是相对较低的，因为电子在薄膜上的稳定性较差，基材的粗糙度降低了速度，因此迁移率SSE。此外，透射时间还与he膜厚度和衬底粗糙度有关。这将是下一篇论文非常感兴趣的话题。
本文的结果表明，局限几何中的SSE非常适合于研究经典(库仑区)中相关电子的输运，这是固体系统中电子无法直接获得的。所测得的SSE在氦膜上的迁移率值与在体积氦上相同条件下的迁移率值相比，似乎具有合理的值。
我感谢P Leiderer教授和E Scheer教授的有益讨论，感谢Louis Kukk教授的技术帮助。感谢DAAD的支持。
