由于低维三五族半导体(例如砷化镓基、磷化铟基量子阱、量子线、量子点材料)在将来纳米电子学中有良好的应用前景,人们对其研究兴趣很高。本论文便对这些材料和器件中的电子输运方面的几个课题进行详细讨论。我们研究的范围既涉及到基本物理问题,也涉及到未来的应用。本文取得的主要成果如下:1.自组装半导体量子点(1)利用分子束外延技术,我们以Stranski–Krastanow模式生长了超低密度自组装InAs/GaAs量子点。通过联合使用后退火和停止样品旋转的办法,量子点面密度被降至大约2.5×107cm–2。这种低密度量子点有望在单电子纳米器件和单光子光源中获得应用。本文还在实验上对量子点生长机制进行了研究。(2)我们观测了InAs/GaAs量子点的壳层间杂化能态,这是一种多体效应。我们对量子点样品进行了变功率光致发光谱研究,观测到了壳层间杂化能态信号S’、P’、D’。这些都是文献中未报道过的。2.量子点共振隧穿二极管基于上述生长方法,我们制备了纵向量子点共振隧穿器件,并检测了其电学性质。(1)我们将自组装InAs/GaAs量子点嵌入肖脱基二极管结构的本征层中来研究共振隧穿行为。一层4纳米的AlAs插入层被用来限制热电流。通过解析求解泊松方程,本文发展了一种理论,可以很好地解释实验结果。本文还计算了共振条件下的器件电势分布。77K下,正、反偏压下(0.4V、–0.8V),在I–V曲线中都观察到了通过量子点的电子共振隧穿。(2)我们制作了一种对称双势垒InAs/AlAs量子点共振隧穿二极管。本文用光致发光谱表征了量子点的光学性质。通过选择腐蚀掉盖层,我们用场发射扫描电子显微镜观察了量子点的形貌。77K和室温下,本文仔细研究了器件的I–V、C–V曲线。77K时,电子共振隧穿和热电子充放电效应都观测到了。通过量子点基态和激发态的共振直到室温都可以看到,这对将来的实用化非常重要。本文用一个考虑了铟分凝现象的简单模型解释了实验发现。3.三端弹道结(1)我们用电子束光刻和湿法腐蚀在一种用金属有机物气相外延生长的两维电子气材料上制备了三端弹道结。这是一种室温非线性纳米电子器件。在推拉模式下的测量中,从中间支获得的电压输出总是负值。(2)利用上述的非线性,仅用一个三端弹道结便可实现室温下的混频与鉴相功能。在相位比较器中,与静态情形相比,直到射频也几乎没有输出损耗。4.集成纳米RS触发器(1)本文先研究了单个量子线晶体管的电流–电压输出曲线和转移特性。除了在正栅压下的栅控效应迅速减弱以外,它与市售常通型场效应管的性质很相像。以两个量子线晶体管为基础,可以实现纳米集成RS触发器。在同一个器件上,我们设计了两种RS触发器检测电路。乙种设计中,器件输入被调整在负电压区,其稳定性大大提高了。我们获得了高达四倍的逻辑摆幅增益。(2)我们用一个弹道结和一个侧栅制造了逻辑反相器。在特定的条件下,这个器件可用作TTL和CMOS电路的接口电路。在此基础上,我们制成了一种纳米集成新结构,包含两个三端弹道结和两个附加平面内栅。室温下,我们设计了两种RS触发器检测电路。在乙种设计中,器件输入被设在负电压区,器件性能更加稳定。在逻辑输入端的高、低电平我们都获得了很大的噪声容限(VNH=VNL=0.4V),这对进一步的器件集成很关键。通过这些研究成果可以看到,三端弹道结和量子线晶体管可以成为未来纳米电子学的构造基石。