WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Резонансное -X-туннелирование в однобарьерных гетероструктурах GaAs/AlAs/GaAs ¶ © Ю.Н. Ханин, Е.Е. Вдовин, Ю.В. Дубровский Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 16 июня 2003 г. Принята к печати 30 июня 2003 г.) Статья посвящена изучению транспорта электронов через однобарьерные гетероструктуры GaAs/AlAs/GaAs, обусловленного процессами резонансного туннелирования между двумерными состояниями, принадлежащими долине зоны проводимости GaAs, и различными двумерными или нуль-мерными донорными состояниями, принадлежащими нижним долинам X зоны проводимости AlAs. Было обнаружено резонансное туннелирование электронов как через различные двумерные состояния, относящиеся к долинам Xz и Xxy в AlAs (состояния Xz и Xxy), так и через связанные с ними состояния доноров Si D XzD и Xxy. Это позволило непосредственно из результатов идентификации резонансных особенностей транспортных характеристик определить энергии связи этих донорных состояний EB(XzD) 50 мэВ и D EB(Xxy) 70 мэВ соответственно. Анализ структуры экспериментальных резонансов, соответствующих туннелированию в магнитном поле между - и X-уровнями Ландау, позволил нам определить значение поперечной эффективной массы в X-долинах AlAs mt =(0.2 ± 0.02)m0. Обнаружена дополнительная тонкая структура донорных резонансов на экспериментальных транспортных характеристиках, вызванная резонансным туннелированием электронов через состояния доноров, расположенных в различных атомных слоях барьера AlAs (в направлении роста) и обладающих, вследствие этого, различными энергиями связи.

1. Введение нию в условиях тонкого слоя AlAs (квантовой ямы) двух различных типов квазиограниченных состояний Экспериментальное обнаружение существенного вли- (различных лестниц двумерных подзон), образованных долинами Xz и Xxy, характеризующимися различными яния квантовых состояний, принадлежащих долинам X значениями эффективной массы в направлении квантозоны проводимости AlAs, на электрические свойства гетероструктур GaAs/AlAs [1] стимулировало интенсив- вания z [2,3,6]. Энергия размерного квантования соответствующих двумерных состояний Xz и Xxy (энергии ные туннельно-транспортные [2–5] и оптические [6,7] минимумов подзон Xz и Xxy) определяется значенияисследования как спектров квантовых состояний, так и ми продольной ml 1.1m0 и поперечной mt 0.19mмеханизмов туннельных переходов между электронными эффективной массы в X-долинах AlAs соответственно состояниями, порожденными долинами зоны проводии в силу этого значительно различаются. Этот эффект мости, расположенными в различных точках симметрии часто называют расщеплением X-долин (более точно, зоны Бриллюэна и характеризуемыми различными знаX-подзон), или понижением кратности долинного вычениями эффективной массы (механизмов туннельных рождения в условиях квантования. Вдобавок был обнамеждолинных переходов -X). Зависимость свойств геружен еще один фактор, влияющий на взаимное энертероструктур GaAs/AlAs от X-состояний AlAs связана со гетическое расположение подзон Xz и Xxy, —наличие следующим сочетанием особенностей зонной структуры двухосного механического напряжения в слое AlAs изсоставляющих их материалов. AlAs является непрямоза несовпадения постоянных решетки GaAs и AlAs на зонным полупроводником с дном зоны проводимости величину 0.12%, приводящее к уменьшению энергии вблизи точки X зоны Бриллюэна, тогда как GaAs — подзон Xxy относительно подзон Xz (см. [6] и цитированполупроводник прямозонный с дном зоны проводимости ную там литературу). Однако, несмотря на значительное в центре зоны Бриллюэна, в точке [6]. Поэтому, как количество разнообразных исследований гетероструктур видно из рис. 1, a, профиль X минимума зоны проводиGaAs/AlAs, в которых были обнаружены проявления мости вдоль гетероструктуры GaAs/AlAs/GaAs образует квазиограниченных состояний Xz и Xxy и предприняты квантовую яму для электронов в слое AlAs. При этом попытки по выявлению факторов, влияющих на их различие энергий минимумов долин (GaAs) и X (AlAs) взаимное положение, на настоящий момент существусоставляет всего лишь 0.12 эВ [3]. Резонансное тунют значительные разногласия по вопросу о природе нелирование электронов из состояний в GaAs через основного состояния (Xz или Xxy) в квантовой X-яме состояния X квантовой ямы в слое AlAs и ведет, как определенной ширины [2–6,8–10]. При этом указывается показано в работах [1–3], к модификации транспортных на определяющую роль природы основного состояния характеристик гетероструктур. Кроме того, было пров формировании оптических и электрических свойств демонстрировано, что анизотропия эффективной массы гетероструктур GaAs/AlAs. Отмеченные выше разнов долинах X (см. рис. 1, b) приводит к формировагласия в большой степени обусловлены существенной ¶ E-mail: khanin@ipmt-hpm.ac.ru неопределенностью таких параметров зонной структуры, Резонансное -X-туннелирование в однобарьерных гетероструктурах GaAs/AlAs/GaAs ным в отсутствие дополнительных факторов, понижающих кратность вырождения (таких как, например, механические напряжения решетки), и расщепляется вместе с X-долинами в противном случае. Подтверждением тому, в частности, было наблюдение расщеплений основного донорного состояния Si на состояния, связанные с долинами Xz и Xxy, соответствующих относительным изменениям энергий минимумов долин Xz и Xxy в напряженных слоях AlAs, выращенных на подложках GaAs и приклеенных к подложкам Si, вследствие несовпадения постоянных решетки (aGaAs < aAlAs < aSi), и отсутствие расщепления этих состояний в отделенном от подложки ненапряженном слое AlAs.

В теоретической работе [15] рассматривались водородоподобные доноры, состояния которых в AlAs (аналогично состояниям Si) могут считаться связанными с независимыми X-долинами, в тонком слое AlAs, ограниченном слоями GaAs, т. е. в квантовой X-яме. В этом случае долины Xz и Xxy неэквивалентны из-за размерного квантования и двухосного напряжения в слое AlAs, что в свою очередь обусловливает соответствующее различие энергий состояний доноров, связанных с этими долинами. Были рассчитаны энергии связи „основных“ состояний водородоподобных доноров, связанных с долинами Xz и Xxy (с нижними подзонами Xz и Xxy) в зависимости от ширины квантовой ямы и положения Рис. 1. a — энергетическая диаграмма минимумов и X донора в ней. При расчете энергий связи принимались зоны проводимости вдоль гетероструктуры GaAs/AlAs/GaAs;

во внимание анизотропия эффективной массы и влияние b — схематическое изображение изоэнергетических поверхнопотенциала квантовой ямы. Влиянием двухосного напрястей, соответствующих шести эквивалентным X-долинам AlAs, жения в слое AlAs на энергии связи пренебрегалось.

в k-пространстве.

Слово „основных“ выделено кавычками по той причине, что рассматривавшиеся состояния доноров являются основными только по отношению к тем X-долинам, с которыми они связаны (Xz или Xxy). Их взаимное энеркак главные значения эффективной массы ml и mt в гетическое положение будет определяться значениями X-долинах AlAs, величина энергетического зазора между энергий связи и энергий минимумов подзон Xz и Xxy для минимумами (GaAs) и X (AlAs) зоны проводимости и данной ширины ямы и положением донорного атома в величина расщепления долин Xz и Xxy из-за двухосного яме. Результаты произведенных расчетов показали больнапряжения (см. [11–14] и цитированные выше работы).

шие абсолютные значения ( 50 мэВ) и существенное Использовавшиеся нами выше значения указанных паразличие ( 20 мэВ) энергий связи основных состояний раметров являются лишь одним из возможных наборов, водородоподобных доноров, расположенных в центре полученных экспериментально.

X-ямы и связанных с долинами Xz и Xxy. Это благоприОптические исследования толстых (1-7мкм) эпитакятствует возможности экспериментального обнаружения сиальных слоев AlAs, легированных кремнием — наибои идентификации состояний, связанных с долинами Xz лее популярной донорной примесью в гетероструктурах и Xxy, для таких технологически важных доноров, как Si GaAs/AlAs, — показали, что доноры Si в этом полупров тонких слоях AlAs с помощью резонансно-туннельной водниковом материале связаны с долинами X. Состояспектроскопии. Кроме того, было продемонстрировано ния Si хорошо описываются водородоподобной моделью существенное изменение абсолютных значений энергий в рамках метода эффективной массы, пренебрегающесвязи при изменении положения донора в яме (наприго долинным и спин-орбитальным взаимодействиями мер, энергия связи основного состояния, относящегося (моделью независимых X-долин), традиционно испольк долинам Xxy, изменялась на величину 25 мэВ при зуемой для описания донорных примесей замещения на перемещении атома донора на край ямы шириной 10 нм).

местах атомов III группы, связанных с X-долинами [7].

Экспериментальные исследования структуры донорИначе говоря, доноры Si в AlAs создают однотипные во- ных уровней в тонких слоях AlAs находятся в начальдородоподобные состояния, связанные с независимыми ной стадии. Оптические исследования гетероструктур (невзаимодействующими) X-долинами, в результате чего GaAs/AlAs с легированными кремнием слоями AlAs основное состояние Si является трехкратно вырожден- обнаружили проявление единичного нерасщепленного Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 438 Ю.Н. Ханин, Е.Е. Вдовин, Ю.В. Дубровский донорного уровня, связанного с X-долинами AlAs [16]. 2. В магнитном поле, параллельном току, B I, обнаДля описания энергии этого уровня потребовалось ружены особенности транспортных характеристик, обуспривлечение аномальных значений продольной и попе- ловленные резонансным туннелированием электронов между состояниями - и X-уровней Ландау, формируюречной эффективных масс в X-долинах (ml 2.62m0, щихся в присутствии магнитного поля в околобарьерmt 0.44m0) [15]. Резонансно-туннельная спектроскопия ном аккумуляционном слое GaAs и в барьере AlAs дает возможность непосредственного определения энерсоответственно. Анализ структуры экспериментальных гий связи донорных состояний при условии наблюдения резонансов, соответствующих такому туннелированию, резонансов, соответствующих двумерным подзонам в позволил нам определить значение поперечной эффекквантовой яме и состояниям доноров, связанным с этитивной массы (mt) в X-долинах AlAs и подтвердил ми подзонами. Это было продемонстрировано туннельрезультат идентификации основного низкоэнергетичеными экспериментами по определению энергий связи ского резонанса на транспортных характеристиках при доноров в традиционных квантовых -ямах структур B = 0. Определенное нами значение mt =(0.2 ± 0.02)mAlAs/GaAs/AlAs [17–19]. Однако в единственной на данблизко к использовавшемуся обычно раньше значеный момент работе, где изучалось туннелирование через нию 0.19m0, однако отличается от применявшихся при барьерный слой AlAs, легированный Si, был зарегистриинтерпретации экспериментальных данных в большинрован лишь один туннельный резонанс, относившийся стве цитировавшихся выше работ.

авторами к донорному состоянию Si, связанному с 3. Обнаружена дополнительная тонкая структура доX-долинами вообще (в пренебрежении представлениями норных резонансов на экспериментальных транспортных о расщеплении долин Xz и Xxy и различии энергий связи характеристиках, вызванная резонансным туннелироваотносящихся к ним донорных состояний) [20]. Таким нием электронов через состояния доноров, располообразом, проявлений различных донорных состояний Si, женных в различных атомных слоях „барьера“ AlAs связанных с долинами Xz и Xxy, в тонких слоях AlAs до (в направлении роста) и обладающих, вследствие этонастоящего времени экспериментально обнаружено не го, различными энергиями связи. Изучение поведения было.

тонкой структуры с изменением магнитного поля проВ данной работе будут изложены следующие резульдемонстрировало, что энергия связи и соответственно таты наших исследований транспорта электронов через характерные размеры волновой функции донорных сооднобарьерные GaAs/AlAs/GaAs-гетероструктуры, обусстояний XD обладают существенными зависимостями ловленного резонансно-туннельными переходами между как от магнитного поля, так и от положения атома до -состояниями в GaAs и X-состояниями в барьере AlAs.

нора в „барьере“ AlAs в соответствии с теоретическими 1. Обнаружено резонансное туннелирование электро- прогнозами [15,21]. Характер последней из этих завинов как через состояния Xz и Xxy, так и через со- симостей и позволил нам экспериментально разрешить D стояния XzD и Xxy, что позволило непосредственно из резонансные особенности, обусловленные туннельными переходами электронов через состояния доноров, распорезультатов идентификации резонансных особенностей ложенных в соседних атомных слоях AlAs. Продемонтранспортных характеристик определить энергии связи D стрирована, таким образом, возможность определения состояний XzD и Xxy для доноров, находящихся в центре D различия энергий связи доноров, расположенных в собарьера AlAs: EB(XzD) 50 мэВ и EB(Xxy) 70 мэВ. На седних атомных слоях барьера AlAs, с помощью метода основании идентификации экспериментальных резонанрезонансно-туннельной спектроскопии.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.