Negative Differential Resistance in Dc Transfer Characteristics of a Si Two-Dimensional Electron Gas
Kuan-Yu Chou1, Nai-Wen Hsu1*, Yi-Hsin Su1, Chung-Tao Chou2, Po-Yuan Chiu2, Yen Chuang1, Jiun-Yun Li1,2,3
1Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
2Department of Electrical Engineering, National Taiwan University,, Taipei, Taiwan
3National Nano Device Laboratories, Hsinchu, Taiwan
* Presenter:Nai-Wen Hsu, email:r06943058@ntu.edu.tw

為了實現量子計算,無摻雜矽/矽鍺異質結構(undoped Si/SiGe heterostructures)中的二維電子氣(two-dimensional electron gas)因其閘極漏電大幅降低[1],且可操作在較小電子濃度範圍[2],近來受到很大的注目。惟大多數的研究皆專注於交流電性的探討,元件的直流電性分析尚未完備。因此我們針對無摻雜矽/矽鍺異質結構中的二維電子氣在不同溫度下的直流電性進行探討。我們觀察到當溫度低於50 K時,隨著閘極電壓的增加,二維電子氣的電壓電流關係會呈現五階段的變化,其中可以觀察到兩個飽和電流的平台及負微分電阻(negative differential resistance)的現象,皆可以由電子的表面穿隧效應(surface tuneling)[3]來解釋。而隨著溫度的增加,聲子散射效應更加顯著,使得汲極電流下降。此外,我們也針對無摻雜矽/矽鍺異質結構中的二維電子氣進行閾值電壓(threshold voltage)的分析,並發現閾值電壓在溫度45 K時會突然增加,這是由於元件中氧化層與矽層的交界面具有許多缺陷能階(defect states),在溫度高於45 K時,電子有足夠的能量進入表面通道進而被缺陷能階捕捉(defect trapping),而這些介面多出來的負電荷,增加了誘發底層量子井電子的難度,使得閾極電壓升高。此外,溫度高於45 K時,電子可同時在表面與底層的量子井發生平行導通(parallel conduction),使得電流飽和平台及負微分電阻的現象消失。

參考文獻-
[1] X. Mi et al., Phys. Rev. B 92, 035304 (2015).
[2] C.-T. Huang et al., ECS Transactions 53, 45 (2013)
[3] T. M. Lu et al., Applied Physics Letters 99, 153510 (2011).



Keywords: 二維電子, 無摻雜矽/矽鍺異質結構,, 負微分電阻, 閾值電壓