WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4 Анизотропия эффективной массы -электронов в квантовой яме GaAs/(AlGa)As ¶ © Е.Е. Вдовин, Ю.Н. Ханин Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 23 июня 2004 г. Принята к печати 7 июля 2004 г.) Представлены результаты исследования транспорта электронов через двухбарьерные гетероструктуры AlAs/GaAs/AlAs, выращенные на подложках с ориентацией (001) и (311), анализ результатов которых позволяет получить информацию об анизотропии электронных подзон в квантовой яме GaAs. Дисперсия в плоскости квантовой ямы E(k ) исследовалась с помощью магнитотуннельной спектроскопии при приложении магнитного поля B в плоскости квантовой ямы (т. е. перпендикулярно туннельному току).

Амплитуда и изменение положения по напряжению резонансных пиков в туннельном токе оказались чувствительными как к величине, так и к ориентации магнитного поля относительно кристаллографических осей в плоскости квантовой ямы. Помещая монослой InAs в различные позиции внутри квантовой ямы GaAs, мы могли модифицировать волновые функции электронов и исследовать природу анизотропии электронных подзон в такой квантовой яме.

1. Ввдение В работах [3,5,6] наблюдалась анизотропия туннель ного тока вдоль осей [110] и [110], причем направТочная форма зонной структуры GaAs вблизи точки ление анизотропии изменяется на 90 при изменезоны Бриллюэна вызывала в последнее время повы- нии знака напряжения смещения. Причина наблюдаешенный интерес в связи с исследованием стрип-фазы мой анизотропии объяснялась различием в смешивании в квантовом эффекте Холла [1]. Большая часть экспе- электронных подзон на гетерограницах GaAs/(AlGa)As риментальных исследований была связана с определе- и (AlGa)As/GaAs на разных сторонах квантовой ямы нием эффективной массы электронов, локализованных в GaAs. Существенным для наблюдаемой экспериментально анизотропии является то, что химические связи квантовых ямах (AlGa)As/GaAs/(AlGa)As, в зависимости Al–As (или Ga–As) на прямой (AlAs/GaAs) и обратной от ширины квантовых ям (см., например, [2]). Однако (GaAs/AlAs) границах квантовой ямы GaAs лежат в эти эксперименты не были чувствительны к анизотропии двух ортогональных плоскостях. На рис. 1 схематически массы. При этом анизотропия электронных подзон в показано положение атомов Ga, As и Al для прямой плоскости квантовой ямы может приводить к анизотрогетерограницы AlAs/GaAs. Предполагая, что гетерограпии электрических свойств. В недавних работах [3–6] ницы являются идеальными, можно считать в отсутдисперсия энергии электронов в плоскости квантовой ствие напряжения смещения направления [110] и [110] ямы E(k ) исследовалась с помощью магнитотуннельэквивалентными. При приложении электрического поля ной спектроскопии при приложении магнитного поиз-за того, что химические связи являются полярными, ля B в плоскости квантовой ямы (т. е. перпендикулярно симметрия нарушается. На одной из границ, например, туннельному току). Исследуемые образцы представляполе сдвигает электроны к первой плоскости атомов Ga, ли собой резонансно-туннельные двухбарьерные гетерооттягивая их от плоскости атомов As в барьере. На структуры AlAs/GaAs/AlAs, выращенные на подложках притивоположной границе, где химические связи имес ориентацией (001). При приложении магнитного поля ют другую направленность, электроны прижимаются электроны, туннелирующие в квантовую яму, приобрек плоскости атомов As. Электрическое поле, таким тали дополнительный квазиимпульс в направлении, перобразом, вызывает анизотропию, поляризуя химические пендикулярном магнитному полю, из-за действия силы связи. Кроме того, при приложении напряжения смещеЛоренца и, поскольку при туннелировании сохранялся ния максимум волновой функции электронов в квантоквазиимпульс, положение максимумов в туннельном товой яме сдвигается к одной из границ в зависимости ке с увеличением магнитного поля смещалось в сторону от знака приложенного напряжения. Таким образом, больших напряжений. Результирующее изменение поло наблюдаемая анизотропия зависит как от знака, так и жения резонанса оказывалось пропорционально E(k ).

от величины приложенного смещения [5].

Амплитуда туннельного тока также была чувствительВ данной работе мы продолжаем изучение анизотроной как к величине, так и к ориентации магнитного пии эффективной массы -электронов, контролируемо поля относительно кристаллографических осей. Таким изменяя положение максимума волновой функции в образом, проводя измерения при различных направлениквантовой яме (AlGa)As/GaAs/(AlGa)As. Помещая моях магнитного поля в плоскости квантовой ямы можно нослой InAs в различные позиции внутри квантовой было исследовать анизотропию электронных подзон в ямы GaAs резонансно-туннельного диода, мы могли моэтой плоскости.

дифицировать волновые функции электронов и исследо¶ E-mail: vdovin@ipmt-hpm.ac.ru вать природу анизотропии электронных подзон в такой 446 Е.Е. Вдовин, Ю.Н. Ханин 2. Образцы Экспериментальные образцы представляли собой резонансно-туннельные диоды (AlGa)As/GaAs/(AlGa)As, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии на сильнолегированных подложках n+-GaAs с ориентацией поверхности (100) и (311)B. В качестве легирующей примеси использовался кремний, концентрация которого в подложках составляла 2 · 1018 см-3. Нами исследовались пять типов структур, обозначенных далее в тексте как A, B, C, D и E. Структура типа A (контрольный образец) представляла собой обычный резонансно-туннельный диод с квантовой ямой GaAs шириной 11.2 нм, заключенной между двумя барьерами Al0.4Ga0.6As толщиной 8.3 нм. Барьеры были отделены от контактных областей нелегированными слоями GaAs толщиной 50 нм. Структура типа B отличалась от контрольного образца тем, что в квантовой яме GaAs вблизи границы (AlGa)As/GaAs выращивался тонкий слой InAs. Толщина этого слоя ( 1 монослой) была меньше критической, необходимой для образования самоорганизующихся квантовых точек InAs [7].

В структуре типа C монослой InAs помещался в центр квантовой ямы GaAs. Все три структуры (A, B и C) Рис. 1. a — расположение атомных плоскостей вблизи были выращены на подложках с ориентацией (001).

нормальной границы AlAs/GaAs (GaAs на AlAs); связи Al–As Подробное описание структур B и C дано в таблице.

лежат в плоскости (110), а связи Ga–As в плоскости (110);

Структура D представляла собой копию контрольной на противоположной границе эти плоскости инвертированы.

структуры A, а E — копию С, но выращены они были b — проекция химических связей Al–As и Ga–As в квантовой на подложках с ориентацией (311). Омические контакты яме AlAs/GaAs/AlAs на плоскость (110).

изготавливались путем последовательного напыления слоев AuGa/Ni/Au и отжига при температуре T = 400C.

Для создания меза-структур диаметром 50-200 мкм быквантовой яме. Для контрольного образца, выращенного ла использована стандартная технология химического на подложке с ориентацией (001), мы наблюдали ани травления.

зотропию туннельного тока вдоль осей [110] и [110], причем направление анизотропии изменяется на 90 На рис. 2 показан расчетный профиль дна зоны проводимости для структур A, B и C при напряпри изменении знака напряжения смещения (аналогично жении смещения V = 300 мВ. При таком напряжении данным [3,5]). Помещая слой InAs в центр ямы, мы увеличивали локализацию электронов в центре ямы и та- уже формируется двумерный аккумуляционный слой электронов вблизи барьера Al0.4Ga0.6As, и вследствие ким образом уменьшали влияние границ. Наблюдаемая этого туннелирование происходит между электронами нами для такого образца 4-кратная анизотропия вдоль осей 100 соответствовала анизотропии эффективной в аккумуляционном слое и двумерными электронными массы -электронов для массивного GaAs. Когда слой InAs помещался вблизи одной из границ, волновая функСостав структур B и C ция электронов в квантовой яме оказывалась прижатой к этой границе при обеих полярностях напряжения Уровень легиСлои Структура B Структура C смещения, и мы наблюдали 2-кратную анизотропию рования, см-вдоль оси [110] как при положительном, так и при GaAs 0.3 мкм 0.3 мкм 3 · отрицательном напряжении смещения. Таким образом, GaAs 50 нм 50 нм 2 · помещая монослой InAs в различные положения внутри GaAs 50 нм 50 нм Нелегированный квантовой ямы GaAs, мы могли изменять смешивание Al0.4Ga0.6As 8.3 нм 8.3 нм « электронных подзон на гетерограницах GaAs/(AlGa)As.

GaAs 1нм 5.5 нм « Кроме того, мы исследовали образцы, аналогичные InAs 0.3 нм 0.3 нм « описанным, но выращенные на подложках с ориентаGaAs 10 нм 5.5 нм « цией (113). На таких структурах нами наблюдалась Al0.4Ga0.6As 8.3 нм 8.3 нм « 2-кратная анизотропия вдоль оси [332] независимо от по- GaAs 50 нм 50 нм « лярности приложенного смещения, как для контрольных GaAs 50 нм 50 нм 2 · GaAs 0.3 мкм 0.3 мкм 3 · образцов, так и для образцов с монослоем InAs в центре GaAs Подложка Подложка 3 · квантовой ямы.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Анизотропия эффективной массы -электронов в квантовой яме GaAs/(AlGa)As щения оказывает только слабый эффект на амплидуты волновых функций электронов на обеих границах.

На рис. 3, a показаны волновые функции первых двух электронных состояний для квантовой ямы GaAs ширирой 11.2 нм с встроенным вблизи левого барьера слоем InAs в отсутствие напряжения смещения. Нами также рассчитаны энергии трех первых электронных состояний в такой квантовой яме в зависимости от положения слоя InAs внутри ямы (рис. 3, b). Эти зависимости легко понять качественно. Для основного состояния электронов зависимость энергии от положения слоя InAs в квантовой яме имеет минимум, когда слой находится в центре квантовой ямы. Напротив, энергия первого возбужденного состояния в квантовой яме при центральном положении слоя InAs практически не меняется.

Как легко можно видеть из рис. 3, b, монослой InAs сильно меняет энергии уровней размерного квантования в квантовой яме GaAs только в том случае, если он находится вблизи максимума (минимума) невозмущенной волновой функции электронов, локализованных в такой квантовой яме. Таким образом, нами показано, что, помещая монослой узкозонного полупроводника в различные положения внутри квантовой ямы GaAs, можно в широких пределах управлять как видом волновых функций, так и энергией электронных подзон этой квантовой ямы. Различие энергий основного состояния квантовой ямы GaAs с различным положением слоя Рис. 2. Профиль дна зоны проводимости и плотность веро- InAs внутри нее мы наблюдали экспериментально. Так, ятности ||2 для волновой функции основного состояния E1 в квантовой яме: a — контрольный образец A, b —образец Bс монослоем InAs вблизи границы с (AlGa)As, c —образец Cс монослоем InAs в центре квантовой ямы. Расчеты сделаны для напряжения смещения V = 300 мВ. Показаны уровень размерного квантования Eac в аккумуляционном слое и уровень E1 в квантовой яме GaAs.

подзонами в квантовой яме GaAs. На рисунке также показаны результаты самосогласованных расчетов плотности вероятности ||2 электронов основного состояния квантовой ямы GaAs. Самосогласованные расчеты были проведены численным методом, подобным описанному в работе [8]. В образцах B и C слой InAs модифицирует электронную структуру широкой квантовой ямы GaAs, создавая дополнительную узкую и глубокую квантовую яму, так что волновая функция электронов основного состояния квантовой ямы GaAs локализуется вблизи этой узкой ямы. Поэтому, если в контрольном образце (рис. 2, a) приложенное напряжение смещения V = 300 мВ сдвигает волновую функцию вправо, так что амплитуда на правой границе приблизительно вдвое Рис. 3. a — профиль дна зоны проводимости и волновой больше, чем на левой, то для образца B волновая функции основного состояния E1 и первого возбужденного функция всегда оказывается прижатой к эмиттерной состояния E2 в квантовой яме шириной 11.2 нм. b — расчетная границе, независимо от знака приложенного смещения зависимость энергий первых трех состояний в квантовой (см. рис. 2, b). Для образца C (см. рис. 2, c) волновая яме шириной 11.2 нм в зависимости от положения в этой функция электронов основного состояния локализована яме монослоя InAs; пунктирными линиями показаны уровни вблизи центра квантовой ямы GaAs и напряжение сме- энергии для контрольного образца без слоя InAs.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 448 Е.Е. Вдовин, Ю.Н. Ханин для образца C с центральным положением слоя InAs уровень размерного квантования находится ниже, чем энергия Ферми в эмиттере. Это означает, что даже при нулевом смещении этот уровень находится в резонансе с заполненными электронными состояниями в контактах.

Для образцов A (контрольный) и B (слой InAs вблизи барьера) необходимо приложить смещение 100 мВ для того, чтобы наблюдать резонанс в токе, соответствующий туннелированию через основное состояние в квантовой яме.

3. Эксперимент Для исследования дисперсионной зависимости E(k ) в плоскости квантовой ямы мы использовали метод магнитотуннельной спектроскопии, детальное описание которого приведено в работах [3–6,9,10]. При приложении напряжения смещения VP к резонасно-туннельному диоду электроны в эмиттерном контакте вводятся в резонанс с нижним уровнем размерного квантования Eквантовой ямы и на вольт-амперной характеристике диода наблюдается пик в туннельном токе (рис. 4, a). При приложении магнитного поля B в плоскости квантовой ямы (т. е. перпендикулярно туннельному току) электроны, туннелирующие в квантовую яму на расстояние s, приобретают дополнительный квазиимпульс в плоскости квантовой ямы (в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю), равный k = eB s. Поскольку в отсутствие рассеяния квазиимпульс сохраняется, полоРис. 5. Зависимость положения по напряжению и амплитуды максимума туннельного тока для резонанса E1 в контрольном образце A от направления магнитного поля в плоскости квантовой ямы. Измерения выполнены в магнитном поле 5Тл при прямом (a) и обратном (b) смещении. Температура измерений 4.2 K.

жение максимума в туннельном токе с увеличением магнитного поля смещается в сторону больших напряжений на величину VP, причем результирующее изменение положения резонанса оказывается пропорциональным E(k ). Вращая вектор магнитного поля в плоскости квантовой ямы, мы можем исследовать анизотропию электронных подзон в этой плоскости.

Вольт-амперные характеристики образца B в магнитном поле, перпендикулярном току, приведены на рис. 4, a. Измерения проводились при температуре 4.2 K, магнитное поле изменялось от 0 до 7 Tл и было приложено в плоскости квантовой ямы в направлении [100].

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.