Hot electron interactions in nanostructures

Abstract

Özet NANOYAPILARDA SICAK ELECTRON ETKİLEŞİMLERİ İsmet İnönü Kaya Fizik Doktora Tez Yöneticisi: Assoc. Prof. Recai Ellialtıoğlu Şubat 1997 Modem yarıiletken işlemleme ve atomsal ayrıntılarda kristal büyütme teknikleri ile nanometre boyutlarında aygıtların fabrikasyonu mümkün olmak tadır. Bu ilerlemeler yeni aygıtların geliştirilmesi olanaklarını açmasının yanısıra mezoskopik denilen bir yoğun madde fiziği dalının da doğmasına neden olmuştur. Düşük sıcaklık gereksinimi ve taşıyıcıların enerjisinin Fermi seviyesinin üzerine çıkarıldığında bağdaşıklığım yitirmesi nedeniyle mezoskopik fiziğin yakın gele cekte uygulama alanı bulması olası görülmemektedir. Ancak, bu nanoyapılarda yüksek enerjili uyarılmış elektronların davranışı yeni uygulama olasılıkları açması yönünden önemli olmaktadır. Bu tezde, mikronaltı boyutlarındaki yarıiletken ve metal yapılarda sıcak elektron etkileşimleri incelenmiştir. Yarıiletken heteroyapılarıyla gerçekleştirilen Tünelleyen Sıcak Elektron Transfer Yükselticisi sıcak elektron etkileşimlerini incelemek için çok uygun bir sistemdir. Kısa süre önce bu tip yapılarda, bazı durumlarda transfer oranının l'in üzerine çıktığı elektron çoğalması etkisi gözlenmiştir. Bu çalışmada bu etkiyi kullanarak THz mertebesinde çalışabilecek bir osilatör yapımım mümkün kılabilecek bir fabrikasyon tekniği geliştirilmiştir. Ayrıca iki boyutlu elektron gazı yapısı kullanılarak elektron taşınmamın yanal olduğu bir sıcak elektron aygıtı da mtasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Bu aygıt kullanılarak iki boyutta elektron çoğalması etkisi ilk kez gözlenmiş ve etkinin elektron enerjisine, engel yükseklikleri ve aralıklarına bağlılığı incelenmiştir. Çalışmaların bir başka yönü de yüksek akım yoğunluklarında mikronaltı metal tellerin elektriksel özelliklerinin incelenmesi olmuştur. Çok yüksek sıcaklıklara ulaşıncaya kadar gerilim uygulanan asılı metal köprü yapılarının iletkenliği doğrusal davranışından uzaklaşmaktadır. Çapraz geometride yapılan bu tür metal tellerin davranışları bu koşullarda incelenmiştir. Anahtar sözcükler: Galyum Arsenit, İki Boyutlu Elektron Gazı, Sıcak Elektron, Nanoyapı. iv

Abstract HOT ELECTRON INTERACTIONS IN NANOSTRUCTURES İsmet inönü Kaya Ph. D. in Physics Supervisor: Assoc. Prof. Recai Ellialtıoğlu February 1997 Modern semiconductor growth, and processing techiques have provided the capability of fabricating a huge variety of devices which have atomically precise layered structures and lateral patterns with nanometer sizes. This not only provided novel device possibilites but also opened a new field in condensed matter physics, so called mesoscopics. It does not seem likely that the mesoscopic electronic devices will be available in the near future. Two main obstacles for mesoscopic electronics are the low temperature requirements and the breakdown of the phase coherence of the carriers as their energies exceed the Fermi level. This strongly suggests the investigation of the excited carriers with energies well in excess of their thermal equilibrium energy as the dimensions shrink. In this thesis, the interactions of hot electrons in semiconductor and metal structures with deep submicron characteristic dimensions have been studied. Tunneling Hot Electron Transfer Amplifier (THETA) constructed by abrupt semiconductur hetero junctions is a perfect system to analyze the interaction of hot electrons with cold electrons and the other possible excitations in solids. Recently, it has been discovered that an electron multiplication effect took place in such devices under certain conditions and resulted in a transfer ratio of greater thanunity. In. this work a novel fabrication technique has been developed. It would make it possible to utilize this effect for fabrication of a high frequency oscillator in the THz regime, in a future work. In addition, a kind of lateral THETA device has been constructed using a Two Dimensional Electron Gas structure. Electron multiplication effect for the first time has been observed in 2DEG structures. Moreover, the dependence of the effect on parameters such as injection energy, emitter and collector barrier heights and electron transit length has been investigated. The other direction of the work has been the investigation of metal wires under extremely high current densities. A strong nonlinearity in conductivity is introduced when a free standing submicrometer wire is biased to heat upto very high temperatures. The geometry of two crossing wires has been investigated under this condition. Keywords: Gallium Arsenide, Two Dimensional Elecron Gas, Hot Elec tron, Nanostructure. n