Single and many-band effects in electron transport and energy relaxation in semiconductors
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2007-12-19
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
68, [49]
Series
VTT publications, 666
Abstract
In this Thesis different aspects of band degree of freedom are explored in 2D electron transport and electron-phonon (e-ph) energy relaxation in 2D and 3D electron systems. Here the bands of interest are the conduction band valleys of many-valley semiconductors and spatial sub-bands of two-dimensional-electron gas in a quantum well. The experimental studies of electronic transport focus on double-gate SiO2-Si-SiO2 quantum well field-effect-transistors (FETs), which are fabricated utilizing silicon-on-insulator structures and wafer bonding. Double-gate FETs are intensively explored at the moment due to their prospects in microelectronics. The inclusion of a back gate electrode provides means to adjust the electron wave functions and the occupancy of the spatial 2D sub-bands. The contrast between single and two-sub-band transport is studied in low temperature conductivity/mobility and magneto transport. For example, the conductivity shows significant drop at the threshold of the second spatial sub-band due to inter-sub-band coupling and sub-band delocalization effect is observed at symmetric well potential. At room temperature several sub-bands are inevitably populated and the most relevant observed effect is the mobility enhancement towards symmetric quantum well potential. This mobility enhancement is one of the benefits of double-gate FETs in comparison to similar single-gate FETs. In the studies of e-ph energy relaxation we focus on the case where the phonons cannot directly couple the bands of the electron system. If the e-ph matrix elements depend on the band index then the band degree of freedom plays an important role. We developed a mean field theory, which allows elastic inter and intra-band scattering and also Coulomb interaction. Our model reproduces the long wavelength single-band energy loss rate results found in the literature. In the multi-band regime we find a set of new results, which suggest that the energy loss rate is strongly enhanced if the phonons couple asymmetrically to different bands and the single-band interaction is strongly screened. The effect is tested experimentally in heavily doped n-type Si samples by low temperature heating experiments. We find good agreement between the theory and experiment. Our findings enable a design of a novel electron-phonon heat switch.Työssä tutkitaan elektronien energiavöistä aiheutuvan vapausasteen vaikutuksia 2D-kuljetusilmiöissä ja elektroni-fononi (e-ph) -energiarelaksaatiossa 2D- ja 3D-elektronikaasuissa. Tutkimukset keskittyvät lähinnä johtovyön laaksoihin monen vyön puolijohteissa sekä kvanttikaivojen 2D-alivöihin. Kuljetusilmiöiden kokeelliset tutkimukset keskittyvät erityisesti SiO2-Si-SiO2-kvanttikaivoon perustuvaan kenttäefektitransistoriin (FET), jossa on kaksi hilaelektrodia ja joka on valmistettu SOI-kiekolle suoraliittämistekniikalla. Kaksoishilalliset FET-komponentit ovat tällä hetkellä suuren mielenkiinnon kohteena johtuen niiden potentiaalisista sovelluksista mikroelektroniikassa. Nämä komponentit ovat myös erinomaisia 2D-kuljetusilmiöiden laboratorioita, sillä kaksi hilaa mahdollistavat spatiaalisten alivöiden ja elektronien aaltofunktioiden sähköisen kontrollin. Työssä tutkitaan yhden ja kahden alivyön efektejä matalissa lämpötiloissa. Alivöiden välinen kytkentä heijastuu voimakkaasti Si-kvanttikaivon johtavuuteen ja galvanomagneettisiin kuljetuskertoimiin. Huoneen lämpötilassa useat alivyöt ovat miehitettyinä, ja oleellisin havaittu ilmiö on kokonaisliikkuvuuden kasvaminen, kun kvanttikaivon efektiivinen potentiaali asetetaan symmetriseksi ulkoisilla hiloilla. Havaittu liikkuvuuden kasvaminen on yksi ominaisuus, joka tekee tutkituista FET-rakenteista houkuttelevia sovellusten kannalta. Elektronien energiarelaksaatiossa tutkimme tapausta, jossa fononit eivät kytke elektronikaasun vöitä. Tällöin vyöindeksillä on merkitystä vain, jos e-ph-matriisielementit riippuvat vyöindeksistä. Väitöskirjassa kehitetään e-ph-energiarelaksaatioteoria, joka sallii vöiden sisäisen ja vöiden välisen elastisen sironnan sekä varauksenkuljettajien välisen vuorovaikutuksen. Tämä teoria antaa erikoistapauksena kirjallisuudessa esiintyvät yhden vyön tapaukset. Monen vyön tapauksessa havaitaan e-ph-relaksaation voimakas kasvu, jos fononit kytkeytyvät asymmetrisesti eri vöihin ja yhdenvyönkytkentä on voimakkaasti varjostettu. Teoriaa testataan kokeellisesti n-tyyppisesti seostetussa piissä lämmittämällä elektroneja matalissa lämpötiloissa. Teoria ja kokeet antavat yhtenevän lämpötilavasteen elektroneille. Löydökset mahdollistavat esimerkiksi uudentyyppisen lämpökytkimen suunnittelun.Description
Keywords
two-dimensional electron gas, mobility, many-valley systems, electron-phonon interaction, SOI
Other note
Parts
- M. Prunnila, J. Ahopelto, and F. Gamiz, Electron mobility in ultrathin silicon-on-insulator layers at 4.2 K, Applied Physics Letters 84, 2298-2300 (2004).
- M. Prunnila, J. Ahopelto, K. Henttinen, and F. Gamiz, Gate bias symmetry dependency of electron mobility and prospect of velocity modulation in double-gate silicon-on-insulator transistors, Applied Physics Letters 85, 5442-5444 (2004).
- M. Prunnila, J. Ahopelto, and H. Sakaki, Transport properties of double-gate SiO<sub>2</sub>-Si-SiO<sub>2</sub> quantum well, physica status solidi (a) 202, 970-976 (2005).
- M. Prunnila, J. Ahopelto, and F. Gamiz, Electron mobility and magneto transport study of ultra-thin channel double-gate Si MOSFETs, Solid-State Electronics 49, 1516-1521 (2005).
- M. Prunnila and J. Ahopelto, Two sub-band conductivity of Si quantum well, Physica E 32, 281-284 (2006).
- M. Prunnila, P. Kivinen, A. Savin, P. Törmä, and J. Ahopelto, Intervalley-scattering-induced electron-phonon energy relaxation in many-valley semiconductors at low temperatures, Physical Review Letters 95, 206602 (2005).
- M. Prunnila, Electron–acoustic-phonon energy-loss rate in multicomponent electron systems with symmetric and asymmetric coupling constants, Physical Review B 75, 165322 (2007).
