WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

сов с использованием самосогласованных вычислений профилей потенциалов вдоль гетероструктуры также показано, что энергетическое положение состояний XzD 2. Резонансное туннелирование D и Xxy определяется преимущественно двумя фактораэлектронов через пространственно ми. Во-первых, пространственным ограничением в слое ограниченные и донорные AlAs. Ширина квантовой X-ямы влияет как на энергии X-состояния в барьере AlAs состояний Xz и Xxy (энергии минимумов подзон Xz и определение энергий связи и Xxy) (см. работу [6]), так и на величины энергий связи D донорных состояний XzD и Xxy [15]. Во-вторых, двухос- донорных состояний, относящихся ным напряжением в слое AlAs вследствие несовпадения к долинам Xz и Xxy постоянных решетки AlAs и GaAs, вызывающим расщепление долин Xz и Xxy, о котором также сообщалось в Исследовавшиеся нами образцы представляли собой работе [6]. Полученная нами из процедуры идентификаоднобарьерные гетеродиоды, изготовленные на основе ции величина такого расщепления составила 23 мэВ и симметричных гетероструктур GaAs/AlAs/GaAs со спейсовпадает с полученной в [6]. Кроме того, при иденти- серами. Эти образцы спроектированы таким образом, фикации нами использовалось значение разницы энергий что при приложении внешнего напряжения Vb двумерминимумов (GaAs) и X (AlAs) = 120 мэВ, соот- ный аккумуляционный слой электронов формируется -X ветствующее среднему из представленных в работе [3]. возле барьера AlAs (см. рис. 2). Вследствие этого проФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Резонансное -X-туннелирование в однобарьерных гетероструктурах GaAs/AlAs/GaAs Следует отметить, что, хотя барьерный слой AlAs и не легировался преднамеренно, в нем присутствовало значительное количество донорных примесей Si вследствие диффузии примесей из сильно легированного N+-слоя в процессе роста и остаточной концентрации Si в ростовой камере. Наличие значительного количества донорных примесей в AlAs-барьере было подтверждено нами на основании анализа осцилляций Шубникова–де-Гааза в параллельном току магнитном поле B I [23,24]. Рассчитанный профиль минимума зоны проводимости экспериментальной структуры при Vb = 900 мВ представлен на рис. 2. На вставке показаны профили минимумов и X вблизи слоя AlAs.

Были произведены измерения вольт-амперных характеристик, а также зависимостей dI/dV = f (V ), d2I/dV = f (V ) в интервале значений магнитного поля от 0 до 14 Тл при температурах 0.4-30 K. Измерения зависимостей dI/dV = f (V ), d2I/dV = f (V ) производились с использованием стандартной модуляционной методики.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) эксперименРис. 2. Профиль потенциала минимума зоны Бриллюэна тального образца, измеренная при температуре 4.2 K в вдоль однобарьерной структуры GaAs/AlAs/GaAs при напряотсутствие магнитного поля, представлена на рис. 3, a.

жении V = 900 мВ. На вставке — профили минимумов и X Как видно из рисунка, при напряжении около 900 мВ вблизи слоя AlAs.

происходит резкое возрастание тока, вызванное, как будет показано в дальнейшем, включением канала резонансного туннелирования через состояния нижней цессы резонансного -X-туннелирования происходят подзоны Xz 1 в барьере AlAs. Наблюдавшийся нами между двумерными электронными -состояниями аккумасштаб измерения плотности тока от 10 до 100 А/см2, муляционного слоя и двумерными или нуль-мерными соответствующий открыванию канала -Xz 1-туннелиродонорными X-состояниями в барьере AlAs.

вания, совпадает с плотностями тока, сообщавшимися Увеличение Vb приводит к уменьшению энергии ранее в работах [20,25], где исследовались подобные X-состояний по отношению к -состояниям эмиттера.

структуры с барьером AlAs толщиной 5 нм. Кроме того, Поскольку процессы -X-туннелирования происходят вид ВАХ в области открывания канала -X-туннелиропреимущественно без сохранения поперечного трансвания, представленных в работах [20,22,25], аналогичен портному направлению волнового вектора kxy [22], наблюдавшимся нами. Отклонения от монотонности открывание нового канала -X-туннелирования с росВАХ при напряжениях ниже порога -Xz 1-туннелиротом Vb будет происходить каждый раз, когда энергия дна очередной подзоны или донорного состояния XD вания, обозначены на рис. 3, a как „избыточный ток“, на характеристике dI/dV = f (V ) проявляются в виде двух совпадет с энергией Ферми в эмиттерном аккумуляцирезонансных особенностей (см. рис. 3, b). Одна подобная онном слое. Открывание нового канала резонансного особенность транспортных характеристик однобарьертуннелирования через X-состояния приведет к резкому ных гетероструктур GaAs/AlAs/GaAs, в которых узкая росту тока.

область вблизи середины барьерного слоя AlAs была Гетероструктуры, использовавшиеся для изготовления преднамеренно легирована Si, наблюдалась в работе [20].

экспериментальных образцов, были выращены методом Она была объяснена как проявление резонансного тунмолекулярно-лучевой эпитаксии на высоколегированной нелирования через однотипные донорные состояния XD N+-GaAs-подложке с ориентацией (100) при температув барьере, относящиеся к долинам X вообще, вне предре подложки 570C. Они имели следующую последоваставлений о сложной структуре X-состояний в тонком тельность слоев:

слое AlAs.

N+-GaAs с концентрацией электронов 2 · 1018 см-3, толщиной 400 нм; На рис. 3, b представлена характеристика dI/dV = N--GaAs — 2 · 1016 см-3, 50 нм; = f (V ), измеренная при температуре 4.2 K. Три явные нелегированный GaAs — 10 нм; ступенчатые особенности dI/dV = f (V ), обозначенные нелегированный AlAs — 5 нм; буквами C, D и E, являются следствием последонелегированный GaAs — 10 нм; вательного открывания новых каналов резонансного N--GaAs — 2 · 1016 см-3, 50 нм; -X-туннелирования. Особенности C и E мы связываем N+-GaAs — 2 · 1018 см-3, 400 нм. с порогами для упругих туннельных переходов через Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 440 Ю.Н. Ханин, Е.Е. Вдовин, Ю.В. Дубровский числениях. В результате энергии состояний Xxy и Xz (энергии минимумов подзон Xxy и Xz ) были рассчитаны как функции приложенного напряжения. Туннельные переходы с участием фононов включались в моделирование путем прибавления к энергии рассматриваемого X-состояния энергии фонона ph. Затем определялись пороговые напряжения, отвечающие открыванию различных каналов резонансного туннелирования. Пороговые напряжения для резонансного туннелирования через D донорные состояния кремния Xxy и XzD были вычислены с использованием результатов работы [15]. В ней энергии связи водородоподобных доноров, относящихся к долинам Xxy и Xz, рассчитывались с учетом анизотропии эффективной массы и пространственного ограничения в слое AlAs (влияния стенок квантовой ямы). Энергии связи водородоподобных доноров, относящихся к долинам Xxy и Xz и расположенных в центре барьера AlAs толщиной 5 нм, как следует из [15], должны составлять 68 и 51 мэВ соответственно. Стрелками на рис. показаны вычисленные значения пороговых напряжений, при которых энергии X-состояний в барьере совпадают с энергией Ферми в эмиттерном аккумуляционном слое.

Как видно из рис. 4, положения максимумов зависимости d2I/dV = f (V ) достаточно хорошо совпадают с рассчитанными значениями пороговых напряжений. При этом следует отметить, что положения максимумов зависимоРис. 3. a — вольт-амперная характеристика эксперисти d2I/dV = f (V ) с хорошей точностью соответствументального образца при T = 4.2K; b — характеристика ют условиям порогов резонансного туннелирования без dI/dV = f (V ).

сохранения поперечного транспортному направлению состояния Xz 1 и Xz 2, тогда как особенность D соответствует порогу для неупругих переходов через состояния Xxy1 с участием (испусканием) X-долинных поперечных акустических (TA) фононов в AlAs. Две слабые особенности A и B при напряжениях ниже порога туннелирования через состояния Xz 1 более явно различимы на рис. 4, представляющем зависимость d2I/dV = f (V ).

Мы связываем особенности A и B с порогами резонансного туннелирования через донорные состояния D кремния Xxy и XzD.

Идентификация особенностей экспериментальных транспортных характеристик производилась с использованием самосогласованных расчетов профилей потенциалов минимумов зоны проводимости и уровней энергии электронных состояний, на основании которых затем определялось напряжение Vb, требуемое для протекания любого из упоминавшихся выше процессов -X-туннелирования. При этом для коррекции самосогласованных расчетов использовались экспериментальные зависимости концентрации электронов в аккумуляционном слое и напряженности электрического поля в барьерной области от напряжения, полученные из анализа осцилляРис. 4. Зависимость d2I/dV = f (V ) для экспериментальноций Шубникова-де-Гааза, изучавшихся нами детально в го образца при T = 4.2 K. Стрелками показаны расчетные работе [23]. Анизотропия эффективной массы в X-долизначения напряжений, при которых энергия Ферми в акнах AlAs и расщепление долин Xxy и Xz вследствие кумуляционном слое совпадает с энергиями донорных или двухосного напряжения слоя AlAs учитывались в вы- пространственно ограниченных X-состояний в слое AlAs.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Резонансное -X-туннелирование в однобарьерных гетероструктурах GaAs/AlAs/GaAs волнового вектора kxy (см., например, работу [26]). позволило нам непосредственно на основании идентифиВ вычислениях для получения наилучшего совпадения кации резонансных особенностей экспериментальной харасчетов с экспериментом, мы использовали следующие рактеристики d2I/dV = f (V ) определить энергии связи D D значения продольной и поперечной массы в X-доли- центральных состояний Xxy и XzD как EB(Xxy) 70 мэВ нах AlAs: ml = 1.1m0 и mt = 0.19m0, употребляемые и EB(XzD) 50 мэВ соответственно, которые находятся наиболее широко. Разница энергий минимумов (GaAs) в хорошем согласии с результатами теоретической раи X (AlAs) полагалась равной 120 мэВ, совпадающей со боты [15].

средней из величин, полученных в работе [3]. Величина Дополнительные исследования туннелирования -X расщепления долин Xxy и Xz из-за двухосного напряжев магнитном поле, параллельном транспортному направния слоя AlAs полагалась равной 23 мэВ в соответствии лению, B I (B z ), позволили нам подтвердить резульс данными [6].

тат идентификации особенности C на характеристике Как видно из рис. 4, особенности, соответствующей dI/dV = f (V ) при B = 0 как порога для резонансных упругому туннелированию через состояния Xxy1, напереходов -Xz 1 и определить значение поперечной эфми обнаружено не было. Однако наблюдалась особенфективной массы mt в X-долинах AlAs. Приложение магность, обусловленная туннелированием через состоянитного поля B I приводит к квантованию движения ния Xxy1 с испусканием X-долинных TA фононов в AlAs электронов в плоскости xy, проявляющемуся как фор( TA = 12 мэВ). Подобное представленному на рис. мирование уровней Ландау с энергиями (n,X + 1/2) c, соотношение амплитуд особенностей, отвечающих тунгде n,X = 0, 1, 2 — номера уровней Ландау в поднельным переходам -Xz, -Xxy и -(Xxy + TA), назонах и X соответственно, c = eB/m,X — циклоблюдалось и ранее в работах [3,22] и было объяснено тронная частота, а m,X в последнем выражении — аналогичным соотношением соответствующих темпов циклотронная масса. В работе [2] исследовалось магтуннельных переходов P -Xz P -(Xxy +TA) P -Xxy.

нитотуннелирование в подобных нашим гетероструктуТакое соотношение величин темпов переходов подтверрах GaAs/AlAs/GaAs. Резонансные переходы электронов ждено также результатами исследований спектров фомежду состояниями различных -уровней Ландау в аккутолюминесценции гетероструктур GaAs/AlAs, проведенмуляционном слое и X-уровней Ландау в барьере AlAs ных в рамках работ [3,6]. Малая вероятность упругих наблюдались как пики на экспериментальных зависимопереходов в состояния боковых долин Xxy обусловлена стях d2I/dV = f (V ) при напряжениях, соответствуютем, что для осуществления таких переходов требущих совпадению их энергий с ется значительное изменение поперечного волнового вектора kxy на величину, сопоставимую со значением eB = E -X + eB (nX + 1/2)/m X волнового вектора на краю зоны Бриллюэна, т. е. на q 2/a, где a — постоянная решетки.

- (n + 1/2)/m, (1) Как уже отмечалось выше, наиболее вероятными причинами наличия донорных примесей Si в барьере где E -X — разность энергий минимумов подзон являются их диффузия из сильно легированных областей и X, — коэффициент пропорциональности между прив процессе роста гетероструктур и остаточная (фоновая) ложенным напряжением и относительным изменением концентрация Si в ростовой камере. Вследствие этого энергий состояний и X.

доноры Si окажутся достаточно равномерно распредеИдентификация резонансных особенностей на хараклены в слое AlAs и, поскольку энергия связи доноров теристиках dI/dV = f (V ) (рис. 5) производилась на зависит от их положения в слое [15], резонансное туннелирование через состояния доноров, расположен- основе подхода, предложенного в работе [2], с использованием зависимостей концентрации электронов в ных в различных позициях, будет происходить при аккумуляционном слое и напряженности электрического различных значениях приложенного напряжения. Это могло бы привести к значительному уширению экспе- слоя в барьерном слое AlAs (и эмиттерном околобарьерном слое GaAs), полученных ранее из анализа риментальных донорных резонансов. Однако, поскольку осцилляций Шубникова-де-Гааза [23] и (или) упомирезонансное туннелирование через состояния доноров, навшихся выше самосогласованных вычислений. Знание расположенных вблизи середины слоя AlAs, обладает указанных зависимостей позволяло определить число наибольшей вероятностью и вносит преимущественный уровней Ландау под уровнем Ферми в аккумуляционном вклад в суммарный ток [27], а энергии связи таких примесных состояний максимальны [15], туннельные слое для произвольных значений напряжения V и магпереходы через „серединные“ (центральные) донорные нитного поля B, а также предполагаемые значения V состояния определяют достаточно резкие (в смысле и B, при которых должны наблюдаться резонансные величины изменения тока на единицу измерения на- особенности, соответствующие переходам между - и пряжения) пороги для туннелирования через различные X-уровнями Ландау. Процедура идентификации сущеD типы донорных состояний (Xxy или XzD) в слое AlAs ственно упрощалась тем фактом, что при V < 1.4В и в целом и с хорошей точностью соответствуют мак- B > 9 Тл, когда наблюдаются самые яркие особенности симумам зависимости d2I/dV = f (V ). Сказанное выше на экспериментальных характеристиках dI/dV = f (V ), Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 442 Ю.Н. Ханин, Е.Е. Вдовин, Ю.В. Дубровский тов и с достаточной точностью ( 5%) соответствует реальному положению вещей. Использовавшееся нами значение m = 0.067m0 считается надежно установленным. Наилучшее совпадение с экспериментальными данными (показано на вставке к рис.

Pages:     | 1 || 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.