WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 Проявление верхней зоны Хаббарда в проводимости двумерных структур p-GaAs–AlGaAs © Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.А. Полоскин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 19 октября 2000 г. Принята к печати 23 октября 2000 г.) На многослойных структурах GaAs/AlGaAs p-типа, легированных Be с шириной квантовых ям 15 нм, исследованы эффект Холла и проводимость в интервале температур 1.7–300 K. С помощью легирования самой ямы и близкого к яме барьерного слоя была реализована ситуация, когда верхняя зона Хаббарда (A+-центры) была заполнена дырками и проводимость осуществлялась по ее состояниям. Проведенные эксперименты показали, что энергия связи A+-центров заметно возрастает в ямах размером 15 нм по сравнению с объемным случаем, что объясняется близостью размеров ямы и радиуса дырки в A+-центре. Указанный радиус был оценен независимым образом из анализа температурной зависимости прыжковой проводимости.

В последнее время заметно возрос интерес к иссле- экспериментом затруднено. Несомненный интерес в этой дованию проводимости двумерных (2D) структур. Это связи вызывает возможность экспериментального исслеобстоятельство вызвано прежде всего эксперименталь- дования проводимости в верхней зоне Хаббарда в какойным обнаружением низкотемпературной проводимости либо модельной системе, где природа локализованных металлического типа в Si MOSFET и гетероструктурах состояний была бы с самого начала ясна.

на основе GaAs/AlGaAs [1,2].

В трехмерном случае отделить проводимость по верхПоскольку, как известно, скейлинговая теория ло- ней зоне Хаббарда от зонной проводимости оказывается кализации предсказывает для двумерных структур ди- достаточно трудно, поскольку энергия связи заряженной электрическое поведение в пределе низких температур, мелкой примеси (A+ или D-) - относительно дна указанные наблюдения имеют принципиальное значение. зоны проводимости в соответствии с теоретическими К настоящему моменту предложено три возможных расчетами достаточно мала, - = 0.0550, где 0 — объяснения наблюдаемого поведения. Первое из них энергия связи изолированной примеси, и, таким обрапредполагает, что проводимость действительно носит ме- зом, проводимость по верхней зоне Хаббарда считалась таллический характер вплоть до нулевой температуры, неконкурентоспособной по сравнению с зоной проводиа расхождение с результатами скейлинговой теории ло- мости. Однако в работе [6] наблюдалась проводимость по кализации связано с неферми-жидкостным поведением, верхней зоне Хаббарда для асимметрично напряженного обусловленным вкладом электрон-электронного взаимо- Ge : Cu и отмечалось, что зоны Хаббарда отделены друг действия (неучитываемым скелинговой теорией локали- от друга и от валентной зоны. При этом энергия Хаббарзации) [3]. Другое объяснение предполагает, что наблю- да составляла 3.7 мэВ в слабо легированных образцах и даемое поведение может быть описано обычной теорией обращалась в ноль при приближении концентрации пригрязных металлов (и, таким образом, при дальнейшем меси к критической. Кроме того, необходимо отметить понижении температуры должен наблюдаться переход данные по магнитосопротивлению в режиме прыжковой к диэлектрическому состоянию), тогда как металличе- проводимости легированных полупроводников, которые ское поведение в исследованной области температур надежно демонстрируют вклад в проводимость верхней обусловлено температурной зависимостью структурного зоны Хаббарда, причем энергия связи оказывается больбеспорядка (для случая кремниевых MOSFET указанный ше, чем теоретическая оценка [7]. Поскольку в трехмерфактор был связан с рассеянием электронов на ловушках ных (3D) полупроводниках число двукратных состояний в Si) [4]. не может быть больше числа однократно заряженных состояний (исключение составляют центры U-), эти Однако единого механизма, способного объяснить все данные можно рассматривать как косвенные.

особенности наблюдаемого поведения для различных систем, предложено не было. В связи с этим мы недавно Иная ситуация может возникнуть в 2D системах с предложили третий вариант объяснения наблюдаемого селективным легированием, где с помощью различных поведения, который, хотя с точки зрения объяснения методов легирования, а также изменением напряжения температурного поведения может рассматриваться как смещения на затворе можно контролируемо изменять модификация второго подхода, апеллирует к некоторому концентрацию электронов в яме и таким образом измеобщему фактору, а именно к каналу проводимости, нять соотношение центров D- и D0.

связанному с верхней хаббардовской зоной [5].

В достаточно узких квантовых ямах (когда масштаб Однако, в силу того что структура локализованных волновой функции сравнивается с размером ямы) энерсостояний в рассматриваемых системах не вполне ясна, гии - и 0 возрастают. При этом ясно, что указанное количественное сопоставление предсказаний модели с возрастание энергии связи будет более существенным 572 Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.А. Полоскин скорее для D--состояния, чем для D0, в связи со значительно большим радиусом локализации электрона. В случае предельно узкой квантовой ямы энергии - и возрастают в 10 и в 4 раза соответственно по сравнению с трехмерным случаем. В ямах конечной ширины может возникнуть ситуация, когда состояние D- уже заглубляется, а состояние D0 остается на месте, это также может приводить к уменьшению энергии Хабарда, что может облегчить наблюдение вклада верхней хаббардовской зоны и существенным образом сказаться на физических явлениях в данных системах.

Нами была выбрана система GaAs / AlGaAs с шириной ямы порядка 15 нм, при этом система легировалась акцепторной примесью Be, радиус локализации которой Рис. 1. Температурные зависимости холловской концентрации (2нм) был существенно меньше ширины ямы. С помоносителей для двух образцов: 1 — 293 и 2 — 213. Конщью легирования самой ямы и близкого к яме барьерцентрации носителей рассчитывались как средние по объему, ного слоя была реализована ситуация, когда верхняя учитывая толщину образца — 150 нм (10 квантовых ям по зона Хаббарда была в равновесии заполнена дырками и 15 нм).

проводимость осуществлялась по ее состояниям. В области температур 300–1.7 K исследованы эффект Холла, примесная и прыжковая проводимости. Проведенные эксперименты показали, что энергия связи центров A+ заметно возрастает в ямах размером 15 нм по сравнению с объемным случаем, что объясняется близостью размеров ямы и радиуса дырки в центре A+. Указанный радиус был оценен независимым образом из анализа температурной зависимости прыжковой проводимости.

Эксперимент Исследуемые структуры были выращены на полуизолирующих подложках GaAs(100) методом молекулярноРис. 2. Температурные зависимости проводимости для двух пучковой эпитаксии в установке Riber 32P, оснащенной образцов: 1 — 293 и 2 — 213.

твердотельными источниками Ga, Al, As и Be. Рост проводился в As-обогащенных условиях при температуре подложки 580C. Скорость роста составляла около 10 нм/мин. Структуры содержат 10 квантовых ям GaAs На рис. 1 показаны температурные зависимости холтолщиной 15 нм, разделенных барьерами Al0.3Ga0.7As ловской концентрации образцов (№ 293 и 213). Область толщиной 15 нм. Перед первой и после последней температур 50–300 K соответствует ионизации дырок с квантовой ямы были осаждены ограничивающие слои акцепторного уровня в валентную зону. О переносе ноAl0.3Ga0.7As толщиной 100 нм. Эпитаксиальный рост сителей по валентной зоне свидетельствуют достаточно был завершен осаждением прикрывающего слоя GaAs большие значения подвижности µ = 300-500 см2/(B·c) толщиной 20 нм. В обоих исследуемых образцах сред- при 300 K и ее температурная зависимость µ(T ) T3/2.

няя область квантовых ям (толщиной 5 нм) легирована. В области низких температур наблюдается активационВ одном из образцов (№ 293) барьеры Al0.3Ga0.7As ный закон изменения концентрации, при высоких темнелегированы, тогда как в другом образце (№ 213) пературах наблюдается уменьшение наклона зависимолегирована средняя область барьеров толщиной 5 нм. сти ln n = f (1/T ), что может свидетельствовать об Таким образом, толщина нелегированных спейсерных истощении примеси. В частности, в образце 293 при слоев с обеих сторон барьера составляет 5 нм. В качестве наличии некоторой компенсации (что вполне вероятно легирующей примеси p-типа использовался Be, вводи- из-за неконтролируемых примесей или состояний на грамый в концентрации 1017 ат/см3, измеренная при 300 K ницах раздела) в области низких температур имеет место концентрация электронов в образцах (№ 293) и (№ 213) участок с наклоном Ea, при более высоких температурах составляла 1017 см-3. Контакты к образцам выполнялись проявляется участок с наклоном Ea/2. Оцененные путем вжигания напыленного золота, содержащего 3% из наклонов значения энергии ионизации оказываются цинка в течение 2 минут при температуре 450C. различными для двух типов образцов и составляют Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Проявление верхней зоны Хаббарда в проводимости двумерных структур p-GaAs–AlGaAs центра A+ и к уменьшению энергии Хаббарда — зазора между состояниями центров A0 и A+.

Независимую оценку радиусов центров A0 и A+ можно произвести из анализа низкотемпературной части проводимости, которая соответствует прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка (VRH). Поскольку длина прыжка при низких температурах заведомо превышает размеры структуры, VRH-транспорт является двумерным и описывается выражением T0 1/ = 0 exp -, T где T0 — параметр, связанный с плотностью состояний на уровне Ферми NEF и радиусом локализации Рис. 3. Температурные зависимости проводимости для двух T0 = C(NEF a2)-1, -1/образцов в масштабе log от T : 1 — 293 и 2 — 213.

C = 13.8 — численный коэффициент.

На рис. 3 построены низкотемпературные части прово-1/димости двух образцов в масштабе log от T. Видно, и 21 мэВ для структур 213 и 293 соответственно. Ниже что зависимости спрямляются, а из наклонов прямых T = 50 K (до 1.7 K) ход температурной зависимости проможно получить значения параметров T0 для двух образводимости свидительствует о ее прыжковом характере цов — 103 K (образец 293) и 1.8 · 104 K (образец 213).

(рис. 2). Наклоны зависимостей (T ), построенных в Отношение этих параметров дает отношение радиусов масштабе log от T-1/3, оказываются различными для для двух образцов:

двух образцов (рис. 3).

T01 a2 1/=.

T02 aОбсуждение результатов Полученное таким образом отношение радиусов центров В соответствии с литературными данными глубина A0 и A+ равно 4, т. е. радиус центра A+ равен 8 нм, и это залегания примеси Be в GaAs составляет 0 = 27 мэВ.

значение сравнимо с размером квантовой ямы.

Наш эксперимент для образца 293 (легированы тольТаким образом, проведенные эксперименты показали, ко слои GaAs) дает значение энергии ионизации что энергия связи A+-центров заметно (в 5 раз) возраEa = 21 мэВ. Наблюдаемое расхождение можно пристает в ямах размером 15 нм по сравнению с объемным писать влиянию конечной ширины примесной зоны W, случаем, что объясняется близостью размеров ямы и которая для слабо компенсированного образца в соотрадиуса дырки в A+-центре.

ветствии с предсказанием теории составляет Авторы признательны А.Е. Жукову за участие в выращивании структур и В.И. Козубу за обсуждение работы.

W = e2/N1/3, Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ где — диэлектрическая проницаемость, N — концен№ 00-02-16992, 00-15-96750 и 98-02-18403.

трация примеси. Эта оценка дает для N = 1017 см-значение 10 мэВ, что хорошо согласуется с удвоенной Список литературы разницей между 0 и наблюдаемой энергией ионизации Ea.

[1] S.V. Kravchenko, G.V. Kravchenko, J.E. Furneaux, V.M. PudaДля образца 213 (легированы слои GaAs и барьеры) lov, M. D’Lorio. Phys. Rev. B, 50, 8039 (1994).

наблюдается значительно меньшая энергия ионизации [2] D. Simmonian, S.V. Kravchenko, M.P. Sarachik, V.M. Pudalov.

акцепторов — 7 мэВ. В этом случае лишние дырки Phys. Rev. Lett., 79 (12), 2304 (1997).

занимают второе зарядовое состояние акцептора A+ в [3] A. Perez-Garrido, M. Ortuno, E. Cuevas, J. Ruiz, M. Pollak.

слоях GaAs. Теоретически для трехмерного случая Phys. Rev. B, 55, R8630 (1997).

энергия ионизации центра A+ составляет 0.05 0. Мы [4] B.L. Alsthuler, D.I. Maslov. Phys. Rev. Lett., 82, 145 (1999).

наблюдаем значение в 5 раз больше, что объясняется, [5] V.I. Kozub, N.V. Agrinskaya, S.I. Khondaker, I. Shimak. Cond.

на наш взгляд, двумерностью структуры. В самом деле, Matt. 9911450 (1999).

[6] O.D. Dubon, W. Walukiewicz, J.W. Beeman, E.E. Haller. Phys.

если радиус основного состояния a0 составляет 30, Rev. Lett., 78, 3519 (1997).

что заметно меньше ширины ямы — 15 нм, то радиус [7] N.V. Agrinskaya, V.I. Kozub, T.A. Polyanskaya. Phys. St.

центра A+ может быть значительно больше (в пределах Sol. (b), 218, 159 (2000).

порядка 4a0) и приближаться к размерам квантовой ямы.

Редактор Т.А. Полянская Это в свою очередь приводит к заглублению состояния Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 574 Н.В. Агринская, Ю.Л. Иванов, В.М. Устинов, Д.А. Полоскин Manifestation of upper Hubbard band in conductivity of 2D structures p-GaAs–AlGaAs N.V. Agrinskaya, Yu.L. Ivanov, V.M. Ustinov, D.A. Poloskin Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Hall effect and conductivity were studied for p-type multiple-well GaAs/AlGaAs structures doped by Be with the well width 15 nm at temperatures 1.7–300 K. By means of selective doping of the well and barrier regions the situation was realized where the upper Hubbard band (A+ centers) was occupied in the state of equilibrium and the conductivity occured through corresponding states. The experiment has shown that the binding energy of A+ centers increases significantly for well widths 15 nm with respect to the bulk case, due to comporability between the well width and the radius of A+ state. The radius was estimated independently by analyzing temperature behavior of the variable range hopping conductivity.




© 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.