Influence of boundary conditions on transport in a quantum well

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The problem of the electrical conductivity of a conducting channel at the boundary of a heterojunction or in a MD transistor is solved, considering the quantum theory of transfer processes. The thickness of the layer can be comparable to and less than the de Broglie wavelength of the charge carriers. The behavior of charge carriers is described by the quantum Liouville equation. The influence of surface scattering of charge carriers is considered through the Soffer boundary conditions. An expression for the electrical conductivity is obtained and its dependence on the strength of the transverse electric field and the roughness parameter of the boundary of the conducting channel with another semiconductor is analyzed. A comparative analysis of theoretical calculations with experimental data is carried out.

Full Text

Restricted Access

About the authors

D. N. Romanov

P. G. Demidov Yaroslavl State University

Author for correspondence.
Email: romanov.yar357@mail.ru
Russian Federation, Yaroslavl

I. A. Kuznetsova

P. G. Demidov Yaroslavl State University

Email: romanov.yar357@mail.ru
Russian Federation, Yaroslavl

References

  1. Pal S., Valentin S.R., Ludwig A., Wieck A.D. Quantum Confinement in High Electron Mobility Transistors. 2017. P. 65–88. https://doi.org/110.5772/intechopen.68374
  2. Matteo M., Carlo S., Idriss A., Matteo B., Marcello C. GaN-based power devices: Physics, reliability, and perspectives // J. of Appl. Phys. 2021. V. 130. № 18. P. 181101. https://doi.org/10.1063/5.0061354
  3. Aadit M.N.A., Kirtania S.G., Afrin F., Alam Md.K., Khosru Q.D.M. High Electron Mobility Transistors: Performance Analysis, Research Trend and Applications. 2017. P. 45–64. https://doi.org/10.5772/67796
  4. Volcheck V., Stempitsky V. Mobility of a two-dimensional electron gas in the AlGaAs/GaAs heterostructure: simulation and analysis // ITM Web Conf. 2019. V. 30. P. 08005. https://doi.org/10.1051/itmconf/20193008005
  5. Longobardi G., Udrea F. On the Time-Dependent Transport Mechanism Between Surface Traps and the 2DEG in AlGaN/GaN Devices // IEEE Transactions on Electron Devices. 2017. V. 64. № 11. P. 4415–4423. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2752859
  6. Miller E.J. et al. Trap characterization by gate-drain conductance and capacitance dispersion studies of an AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistor // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. P. 8070–8073. https://doi.org/10.1063/1.373499
  7. Khadar R.A., Liu C., Soleimanzadeh R. and Matioli E. Fully Vertical GaN-on-Si power MOSFETs // IEEE Electron Device Lett. 2019. V. 40. № 3. P. 443–446. https://doi.org/10.1109/LED.2019.2894177
  8. Soffer S.B. Statistical Model for the Size Effect in Electrical Conduction // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. № 4. P. 1710–1715. https://doi.org/10.1063/1.1709746
  9. Elinson M.I., Volkov V.A., Lutskij V.N., Pinsker T.N. Quantum size effect and perspectives of its practical application // Thin Solid Films. 1972. V. 12. P. 383–397. https://doi.org/10.1016/0040-6090(72)90102-2
  10. Munoz R.C., Arenas C. Side effects and charge transport in metals: Quantum theory of the resistivity of nanometric metallic structures arising from electron scattering by grain boundaries and by rough surfaces // Appl. Phys. Rev. 2017. V. 4. P. 011102. https://doi.org/10.1063/1.4974032
  11. Arenas C., Herrera G., Tavera E.M., Munoz R.C. The breakdown of Moore’s law induced by wes Anderson localization and by side effects in nanoscale metallic connectors // Mater. Res. Express. 2021. V. 8. P. 015026. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abd422
  12. Charfeddine M., Belmabrouk H., Zaidi M., Maaref H. 2-D Theoretical Model for Current-Voltage Characteristics in AlGaN/GaN HEMT’s // J. Mod. Phys. 2012. V. 3. № 8. P. 881–886. https://doi.org/10.4236/jmp.2012.38115
  13. Kuznetsova I.A., Savenko O.V., Romanov D.N. The influence of Fermi surface anisotropy and the charge carrier surface scattering kinetics on the electrical conductivity of a thin metal film in the view of the quantum size effect // JPCS. 2021. V. 2056. P. 012018. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2056/1/012018
  14. Kuznetsova I.A., Savenko O.V., Romanov D.N. Influence of quantum electron transport and surface scattering of charge carriers on the conductivity of nanolayer // Phys. Lett. A. 2022. V. 427. P. 127933. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2022.127933
  15. Da-Wei Y., Fuxue W., Zhu Z., Jianmin C., Gu X. Capacitance and conductance dispersion in AlGaN/GaN heterostructure // J. Semicond. 2013. V. 34. P. 014003. https://doi.org/10.1088/1674-4926/34/1/014003
  16. Xiao J., Hong Z., Roungxiu Z., Zhao J. Interface roughness scattering in an AlGaAs/GaAs triangle quantum well and square quantum well // J. Semicond. 2013. V. 34. № 7. P. 072004. https://doi.org/10.1088/1674-4926/34/7/072004
  17. Shrestha N.M., Li Y., Suemitsu T., Samukawa S. Electrical Characteristic of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors With Recess Gate Structure // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. V. 66. № 4. P. 1694–1698. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2901719

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. HEMT structure. S – source, G – gate, D – drain, Nitride – silicon nitride (Si3N4 , CC – conducting channel – two-dimensional electron gas located in the GaN layer at the heterojunction boundary

Download (142KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Conducting channel in GaN

Download (99KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Potential well for charge carriers in the layer

Download (115KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of Σ on the dimensionless stress EG0 at xλ = 10, g1 = 1. Curves 1, 2, 3 were obtained at g2 = 0, g2 = 0.3, g2 = 1, respectively.

Download (147KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of Σ on the roughness parameter g2 at xλ = 10, g1 = 1. Curves 1, 2, 3 were obtained at EG0 = 0.05, EG0 = 0.1, EG0 = 0.15 respectively.

Download (172KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the drain current density of the heterostructure on the voltage between the source and drain. The dots indicate the experimental data [17], and the solid curve indicates the theoretical calculation.

Download (170KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».