[科普中国]-转移电子效应

转移电子效应是GaAs和InP等双能能谷半导体中所出现的一种现象，即是在较强的外电场作用下，电子从能量较低的主能谷往能量较高的次能谷的转移（跃迁）。

产生转移电子效应所必须满足的条件①对于双能谷半导体，主能谷与次能谷的能量差ΔE要小于禁带宽度、但要大于热运动能量kT，而且电子在次能谷的有效质量>>主能谷的有效质量，同时上、下能谷的有效态密度之比>>1；

②外电场要使电子获得大于ΔE的足够能量，并且要能通过散射而提供一定的动量。电子在主能谷时迁移率为正，但当跃迁到次能谷后迁移率即变为负，同时正迁移率的大小要大于负迁移率的大小（一般约大10倍）。1

异质谷间转移电子效应的实验研究异质谷间转移电子效应GaAs是直接能隙材料，它的导带底位于布里渊区中心Γ点；而AlAs是间接能隙材料，其导带底位于布里渊区边缘的X点。考虑夹于两层GaAs间的一层AIAs势垒，其能带结构如图1所示。图中实线画出了Γ谷的能量，AIAs的Γ谷能量比GaAs高1.04eV，因而形成一个很高的势垒。虚线所画的是X谷能量。在GaAS中它比Γ谷高0.47eV，而在AIAs层中它又比Γ谷低0.77eV。即AIAs层中的X谷能量比GaAs层中低，形成一个势阱，如图1所示。

图2中画出了上述异质结构在电场作用下隧穿过程的示意图。假设电子从左GaAs层输入，其能量低于X谷能量，因而是一Γ电子。进入AlAS层后因能带结构改变而产生能带混合，分别形成Γ波和X波。如果所加偏压大于0.47V，隧穿过程中又没有发生非弹性散射，那末右GaAs层中输出电子的能量高于X谷能量，就有可能被转移到X能谷中去。这样在这种D/I异质结构中可以通过能带混合来实现谷间电子转移。

HITE效应和Gunn效应一样，都是谷间转移电子效应。表1中比较了二者之间的差别。

首先Gunn效应是在具有一定能带结构的体材料中产生的,而HITE效应必须在特定的D/I异质结构中产生。Gunn效应是Γ电子在电场中加速获得能量后经由谷间散射转移到较高能谷的。它是一个散射参与的过程，总伴随有较大的能量损耗。而HITE是通过能带混合在隧穿过程中直接从电场中获取能量后转移到X能谷中去的，不存在散射损耗，可望达到较高的器件工作效率。Gunn效应依赖于电场强度，当器件工作时由于强场畴的形成，常使畴外电场强度难于控制。而HITE效应依赖于异质结构上的降压，可以方便地由外电路来改变异质结构的降压从而控制器件工作。

从上面的讨论中可以看出，这种D/I异质结构和一般的直接能隙/直接能隙(Direct GaP/Dircet Gap,简作“D/D”)异质结构之间有很大的差别。表2中对它们进行了比较。D/D结构只有单能谷的贡献，可以用能带偏移△Ec、△Ev来描写。D/I结构必须考虑界面上整个能带的变化，包含多能谷效应和能带混合。D/D阱的特征由它所产生的一系列量子限制态来表征，而D/I阱中还要涉及到Γ，X等多能谷状态。对干器件中经常涉及的隧穿过程来说，D/D阱仅对能量等于量子限制能级的电子是透明的，其作用是一个能量滤波器，而D/I阱中复杂的能带混合能感生电子动量的改变,像是一个动量转换器。这样，D/D阱的主要功能是在隧穿电流中出现一系列谐振峰和相应的负阻区，而D/I阱还增加了特有的谷间电子转移功能。因此，D/D阱结构比较简单，其功能也显得单调，而D/I阱增添了许多新的行为，可望在器件工作中完成更多的功能。

二极管结构和直流伏安特性使用MBE工艺把D/I异质结构生长在Gunn器件的阴极上,构成图3所示的异质谷间转移电子器件。首先，在 -GaAs、衬底上生长一层 -GaAs缓冲层，接着生长GaAs有源层2~2.5μm。有源层顶端生长一 -GaAs掺杂尖峰，用来控制有源层中的电场分布。再在其上生长一薄层AIAS，顶端盖以0.5μm的 -GaAs帽层，构成一个D/I异质结构。

D/I异质结构的谷间转移电子效应依赖于异质界面上结构改变的陡度和异质界面的结构完整性。在实验中也发现不同批次器件的特性之间有较大差异。对于界面结构较差的结，谷间电子转移效应很弱，大部分隧穿电子仍为Γ电子，称为弱转移(Weakly Transferred，简作“WT”)结。这时势垒仅仅起到了一种限流作用。图4画出了WT结的直流隧穿特性。图中实线画出了二极管的正向电流 ，即电子从异质结构注入到有源层时的电流。这时隧穿电流被AIAS势垒限制得很低,，强电场下Gunn效应产生的负阻也被抑制，电流随电压增大而缓慢地上升。如果把偏置反接过来，电流如图中虚线肠所示。这时电子从有源区进入AlAS势垒，在势垒附近有较高的电场，电子被加速到较高的能量，使势垒的限流作用减弱，电流因之增大，而且在大电压下重又出现了Gunn负阻。这种伏安特性同国外报道的AIGaAs渐变能隙势垒Gunn二极管一致。

当GaAs/AIAs间形成陡变的完整异质界面时，谷间转移电子效应增强，构成强转移(Strongly Transferred，简作“ST”)结，其伏安特性示于图5。正反向电流均有较大的上升。强转移电子效应使正向隧穿电流增大，因而同WT结相反， ，并且当电压高于阈值电压时输出大量X电子，同Gunn效应一起产生了一段负阻区，如图中实线 所示。在电压反向时，电子从有源层进入势垒。当电压升高超过Gunn阈值后，有源层中产生Gunn效应，电子被转移到X谷使电流下降。但是，由于AIAs势垒对X电子是透明的，Gunn效应产生的X电子很容易通过势垒而使异质结降压减小，电流增大。这两效应叠加的结果使负阻区被湮没，如图5中虚线 所示。

图4和图5中的两种不同隧穿特性分别表征了隧穿过程中的限流特性和谷间电子转移特性。如果没有显著的谷间电子转移，那末势垒总起限流作用，因而 ，如图4所示。当发生显著谷间电子转移时，势垒的主要作用不再限于阻止Γ电子通过而是把Γ电子转换成X电子。此时限流作用已很小使 显著增大，因而 ，如图5所示。这样图5所示的伏安特性就证实了HITE效应。

二极管的微波性能Gunn器件的有源层可分为两部分。在阴极附近的区域中电子能量比较低，不能产生谷间转移。电子在电场作用下能量逐渐升高，达到阈值后开始产生谷间电子转移，形成强场畴。分别构成电子加速区和畴渡越区。在加速区中电子经受散射而损耗能量，使器件效率降低。此外，加速区的存在使渡越区减短，振荡频率升高。当器件偏压或温度变化时，有效渡越区长度随着改变，使振荡频率产生漂移。

为了改善器件的性能，人们常常在阴极设计种种电子注入机构，如肖特基势垒或渐变能隙异质结构等来注入高能热电子、减小加速区。但是这种注入的高能Γ电子因经受强极性光学模散射而增大内功耗，同时由于能带的非抛物线性，使高能电子的有效质量增大，导致漂移速度下降。最终器件性能的改善常不很大。如果采用D/I结构来注入电子，那么，在交流负半周电压低于阈电压，D/I结构输出Γ电子，漂移速度较大。当正半周到来时，电压高于阈电压输出的是X电子，漂移速度较小。于是就在阴极处形成畴，加速区不再存在，将使器件微波性能产生突变。这样就可通过微波性能研究来检验HITE效应。

业已对上述两种二极管的微波性能进行了测试。对于WT二极管，当有源层厚度为2.5~3μm时，能在26~50GHz频率下输出50mW，效率2%。工作频率与有源层宽度的关系同常规的Gunn二极管一致。这种器件中势垒层本身构成了一个串联电阻，对器件工作是有所损害的。但通过势垒的高能热电子能减轻加速区的负担，势垒形成的限流作用又改变了有源层中的电场结构，都有助于改善器件的性能。这两效应的综合结果使振荡性能同渐变能隙Gunn二极管差不多。如能进一步优化势垒结构和有源层掺杂结构，可望同渐变能隙Gunn二极管一样，使器件性能有进一步提高。

对于ST二极管测得了另一种微波性能。首先振荡频率大幅度降低，有源层厚2.2μm的器件工作频率都在30GHz左右。这说明势垒层注入X电子使强场畴产生于阴极处，从而导致有效的渡越区长度增大，工作频率降低。当偏压和温度改变时，振荡频率的变化很小，频率稳定度显著提高，进一步说明器件进入了纯渡越模式振荡。与此同时，器件的振荡效率和输出功率有明显的提高。已在28~32GHz频率下测得最大输出功率320mW，效率接近6%。当势垒层稍厚，谷间转移电子效应增强时效率可增大到8%。由于势垒层的作用，其低场串联电阻比常规Gunn器件增大10倍，在此条件下达到高效率更引人注目。在HITE效应中Γ电子可以通过能带混合不经散射直接转移到X能谷，减小了损耗，提高了效率。在常规的Gunn二极管中，按Monte Carlo。模拟计算，加速区上常有1V多的电压降，而谷间电子转移所需的能量只有0.3eV，因而大部分电场能量是被损耗掉的。

这种二极管还具有较好的脉冲工作性能。器件一般能承受14V的高压，好的器件输出功率可超过1.5W。这说明异质结构已使器件中的电场分布趋于均匀，从而避免了局部区域，特别是阳极附近出现强电场所导致的击穿现象。进一步优化器件的势垒结构和有源层掺杂结构，产生更合适的电场分布，可望进一步改善器件的脉冲工作性能。

结束语实验工作证明，WT二极管具有类似于渐变能隙Gunn二极管的性能，而ST二极管的性能出现了突变。表3列出了这些性能比较。这一对比表明用D/I异质结构来注入电子时器件性能的变化远大于渐变能隙Gunn二极管，没有X电子的注入就不能解释这些特性。这样就首次从实验上证实了这一新的HITE效应，并且说明Gunn器件可以用来作为一种X电子的探测器。

从器件微波性能来看，ST二极管具有振荡效率高，输出功率大，频率稳定度高，脉冲工作性能好等新的工作特性，说明HITE效应能显著改变器件的工作状态，有较强的器件功能。进一步深入研究这一新效应，可望研制出功能更好的新器件。2

转移电子效应的重要应用制作转移电子器件（Transferred-Electron Devices，TED）。这就是利用半导体中电子从导带的主能谷往次能谷转移所产生的负阻来工作的一种微波有源器件。由于该器件完全是利用半导体内部的电子现象来工作的，不牵涉到表面和界面，故又称为体效应器件。依据器件有源区的长度、掺杂浓度和工作频率，可以有几种不同的工作模式，即Gunn畴渡越模式、Gunn畴延迟模式、Gunn畴淬灭模式、积累层渡越模式和限制空间电荷积累的模式。TED的输出微波功率略低于IMPATTD（雪崩渡越时间二极管），但是其噪声很低。1

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学