[论文解读] Formation of Strain-Induced Quantum Dots in Gated Semiconductor Nanostructures

Ted Thorbeck, Neil M. Zimmerman|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

Semiconductor materials and devices参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文表明，金属栅极在硅纳米结构中产生的弹性应变可通过应变诱导的能带结构变化，诱导形成量子点（QDs），从而解释了在仅靠静电势垒无法解释的器件中出现的未预期的多电子量子点。通过将金属栅极替换为高度掺杂的多晶硅栅极，可消除这些应变诱导的量子点，凸显了应变在量子点器件设计中的关键作用。

ABSTRACT

Elastic strain changes the energies of the conduction band in a semiconductor, which will affect transport through a semiconductor nanostructure. We show that the typical strains in a semiconductor nanostructure from metal gates are large enough to create strain-induced quantum dots (QDs). We simulate a commonly used QD device architecture, metal gates on bulk silicon, and show the formation of strain-induced QDs. The strain-induced QD can be eliminated by replacing the metal gates with poly-silicon gates. Thus strain can be as important as electrostatics to QD device operation operation.

研究动机与目标

• 研究金属栅极在硅基纳米结构中产生的弹性应变在无意中形成量子点的作用。
• 解决长期存在的谜题：为何在不同器件中，未解释的多电子量子点总在相同位置出现。
• 证明应变诱导的能带结构变化可产生等效于静电定义量子点的隧穿势垒和局域态。
• 提出一种解决方案——将金属栅极替换为高度掺杂的多晶硅栅极——以消除器件结构中的应变诱导量子点。
• 确立应变作为与静电同等重要的设计参数，适用于低温半导体纳米结构。

提出的方法

• 使用有限元方法模拟金属栅极-体硅器件结构中的应变分布，考虑金属与硅之间热膨胀系数失配的影响。
• 利用形变势近似计算应变引起的导带和价带结构变化，特别关注轻空穴的应变之和（ε_y + ε_z）。
• 将应变诱导的能带位移应用于预测能带结构中的有效势垒和量子点形成。
• 建立一个具有镍接触的硅纳米线模型，分析应变诱导的隧穿势垒和量子点，假设不形成肖特基势垒。
• 利用应变诱导的势能估算隧穿电阻，并评估量子点中电荷局域化的稳定性。
• 比较金属栅极与多晶硅栅极结构的结果，证明应变诱导量子点的消除。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属栅极在硅纳米结构中产生的弹性应变是否能产生与静电定义量子点无法区分的量子点？
• RQ2 为何尽管努力减少缺陷，多电子量子点仍总在不同器件的相同位置被观测到？
• RQ3 应变在多大程度上改变能带结构，从而形成能够局域化载流子的势阱最小值？
• RQ4 能否通过将金属栅极替换为高度掺杂的多晶硅栅极来消除应变诱导的量子点？
• RQ5 应变诱导势能的大小与典型量子点器件运行中的静电势能相比如何？

主要发现

• 金属栅极在体硅上产生的应变在导带和价带中形成局域势阱最小值，产生一个在器件中心处能带能量峰值的应变诱导量子点。
• 在纳米线系统中，应变诱导的量子点在两个隧穿势垒之间形成势阱，每个势垒高度为5 meV，宽度为30 nm，估算的隧穿电阻为45 MΩ。
• 计算得到的应变诱导势能足以局域空穴并形成稳定、量子化的量子点，即使在无肖特基势垒的情况下亦成立。
• 通过将金属栅极替换为高度掺杂的多晶硅栅极，可消除应变诱导的量子点，因为热膨胀系数失配减小，从而消除了弹性应变的来源。
• 应变诱导的量子点解释了在不同器件中量子点在固定位置持续出现的现象，这与基于随机缺陷的模型不一致。
• 应变效应在决定量子点形成方面与静电效应同等重要，因此未来量子点器件设计必须进行应变工程。