WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 5 Резонансное туннелирование дырок в двубарьерных структурах с квантовыми точками InAs в центре квантовой ямы GaAs ¶ + © Е.Н. Морозова, О.Н. Макаровский, В.А. Волков, Ю.В. Дубровский, L. Turyanska, Е.Е. Вдовин, A. Patan, L. Eaves, M. Henini Институт пробем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия The School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, UK + Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 125009 Москва, Россия (Получена 11 августа 2004 г. Принята к печати 9 сентября 2004 г.) Исследовано влияние квантовых точек InAs, выращенных в центре квантовой ямы GaAs, на туннельные характеристики резонансно-туннельных диодов на основе гетероструктур AlAs/GaAs/AlAs p-типа. Введение квантовых точек приводит к сдвигу и размытию резонансных пиков на вольт-амперных характеристиках диодов, однако этот эффект существенно зависит от номера 2D подзоны, через которую идет туннелирование.

Причины такой зависимости качественно объяснены возникновением флуктуационного потенциала в окрестности слоя квантовых точек.

1. Введение 2. Изготовление образцов Свойства самоорганизованных квантовых точек (КТ), Структуры AlAs/GaAs/AlAs были выращены методом полученных в процессе эпитаксиального роста по мемолекулярно-лучевой эпитаксии на сильно легированной тоду Странского–Крастанова, привлекают внимание исподложке p-GaAs с ориентацией (311). Они отличаются следователей прежде всего в связи с потенциальной от стандартных резонансно-туннельных структур наливозможностью их использования в лазерах [1], одночием КТ InAs в центре квантовой ямы GaAs. Важно, что электронных транзисторах [2], устройствах оптической наряду с квантовыми точками присутствует монослой памяти [3].

InAs — так называемый смачивающий слой.

Основой этих приборов, как правило, являются мноСтруктура, обозначаемая индексом QD, содержит слегослойные гетероструктуры, в которых слои квантодующие слои:

вых точек могут располагаться как внутри квантовых GaAs (p = 2 · 1018 cм-3, толщина 2 мкм);

ям, так и в их окрестности. Вблизи КТ создается GaAs (p = 1018 cм-3, 100 нм);

сложный потенциальный рельеф, связанный с локальGaAs (p = 5 · 1017 cм-3, 100 нм);

ными механическими напряжениями и зарядами в точнелегированный GaAs (5.1 нм);

ках. Такой флуктуационный потенциал может заметно нелегированный барьер AlAs (5.1 нм);

влиять на двумерные (2D) электронные состояния в нелегированный GaAs (2.1 нм);

квантовых ямах. Уже проведенные исследования [4] слой InAs (1.8 монослоя) с квантовыми точками;

показали, что при введении КТ InAs в область 2D нелегированный GaAs (2.1 нм);

электронного газа в гетероструктурах GaAlAs/GaAs сунелегированный барьер AlAs (5.1 нм);

щественно уменьшается подвижность электронов. В работе [5] было исследовано влияние КТ InAs, помещен- нелегированный GaAs (5.1 нм);

ных в центр квантовой ямы, на туннельные характе- GaAs (p = 5 · 1017 см-3, 100 нм);

ристики двубарьерных резонансно-туннельных диодов GaAs (p = 1018 cм-3, 100 нм);

GaAlAs/GaAs/GaAlAs n-типа. Оказалось, что в этом верхний контактный слой GaAs (p = 2 · 1018 cм-3, случае исчезают пики на вольт-амперных характеристи1мкм).

ках, соответствующие резонансному туннелированию Кроме того, для сравнения использовались контрольэлектронов через состояния основной 2D подзоны E0 в ные структуры (индекс „control“), в которых отсутствоквантовой яме. В то же время пики, соответствующие вал слой InAs, а также структуры с более тонким резонансному туннелированию через более высокие по слоем InAs (1 монослой). В последних возникал только энергии подзоны E1 и E2, не претерпевают кардисмачивающий слой (индекс WL), но без КТ.

нальных изменений. В данной работе представлены реОбразцы представляли собой меза-структуры диаметзультаты исследования туннельных спектров двубарьерром 50 и 100 мкм со стандартными омическими контакных резонансно-туннельных структур AlAs/GaAs/AlAs тами к верхнему контактному слою и подложке GaAs p-типа с КТ InAs в центре квантовой ямы.

p-типа. Наличие КТ и смачивающего слоя контролиро¶ E-mail: morel@ipmt-hpm.ac.ru валось по спектрам фотолюминесценции.

574 Е.Н. Морозова, О.Н. Макаровский, В.А. Волков, Ю.В. Дубровский, L. Turyanska, Е.Е. Вдовин...

3. Результаты исследований и их обсуждение В качестве иллюстрации сложного спектра дырочных 2D подзон в квантовой яме на рис. 1 представлена схематическая зонная диаграмма резонансно-туннельного диода со смачивающим слоем InAs при напряжении смещения 0.5 B (образец WL). Здесь принято, что энергия дырки возрастает вверх. Зонная диаграмма рассчитана с помощью самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингера в приближении эффективной массы. Эффектами накопления заряда в квантовой яме пренебрегалось. Показаны энергии доньев дырочных 2D подзон в яме и соответствующие волновые функции поперечного движения. Использованы следующие обозначения: HH — подзоны тяжелых дырок, LH —легких дырок. Псевдоморфный (смачивающий) слой InAs, выращенный в центре квантовой ямы GaAs, приводит, как известно [6], к существенному уменьшению энергии основной 2D подзоны. КТ образуются, когда толщина смачивающего слоя превышает критическую. Это приводит, с одной стороны, к отщеплению от 2D подзоны локализованных состояний, а с другой — к появлению хаотического потенциала, существенно влияющего на свойства 2D состояний.

Зависимости туннельного тока I от напряжения смещения V для всех типов образцов при температуре T = 4.2 K представлены на рис. 2, причем рис. a–c отРис. 2. Зависимости туннельного тока I от напряжения смещения V. Сплошные линии — контрольный образец (control), штрихпунктиные линии — образец только со смачивающим слоем (WL), пунктирные линии — образец с квантовыми точками (QD). На разных графиках, отличающихся масштабами тока и напряжения, приведены характеристики в области различных резонансов: a — в области резонансного туннелирования через основную подзону размерного квантования в квантовой яме — подзону тяжелых дырок HH1, b —в области резонансов LH1 и HH2, c — в области резонансов HH3 и LH2.

личаются только масштабом. Для контрольных образцов видны четкие резонансы, отвечающие туннелированию из эмиттера в коллектор через подзоны HH1, LH1, HH2, HH3 и LH2. Подзоны были идентифицированы Рис. 1. Схематическая диаграмма валентной зоны резонанснос помощью сравнения измеренных нами зависимостей туннельного диода со смачивающим слоем InAs при наI(V ) в магнитном поле, параллельном границе раздела пряжении смещения 0.5 B (образец WL). Показаны энергии (этот метод позволяет, согласно [7], восстановить 2D доньев дырочных 2D подзон в яме (горизонтальные штриховые дисперсию энергии дырок), с рассчитанным для идентичлинии) и соответствующие им волновые функции поперечного ной структуры спектром дырок. Несколько слов об этом движения. Масштаб для волновых функций по оси ординат методе. В магнитном поле B, параллельном границе произвольный. Обозначения: HH — подзоны тяжелых дырок, раздела, дырка, протуннелировавшая на расстояние d, LH — подзоны легких дырок. Энергия отсчитывается от энергии Ферми эмиттера. приобретает дополнительный 2D импульс k = eBd.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Резонансное туннелирование дырок в двубарьерных структурах с квантовыми точками InAs... В этом смысле изменение B эквивалентно изменению 2D импульса дырки. Измерив I(V ) для различных значений параллельного магнитного поля, построим зависимости положения резонансов от магнитного поля Vpeak = f (B) (рис. 3). Эти зависимости можно интерпретировать как зависимости энергии дырок от 2D импульса в квантовой яме Ehole = f (k ). Воспользуемся теперь расчетами Ehole = f (k ) для структуры, совпадающей с нашей по толщине и составу гетерослоев [7] (рис. 4).

Сравнивая экспериментальные данные с расчетными, можно идентифицировать различные пики с резонансным туннелированием через соответствующие подзоны дырок в квантовой яме для наших структур.

Вернемся к рис 2. В структурах WL и QD резонансы расплываются; при этом резонанс HH1 наиболее сильно смещается в область низких напряжений, что качественно согласуется с результатами простых расчетов спектров дырок в квантовой яме в присутствии смачивающего слоя. Отметим, что в случае аналогичных образцов n-типа со смачивающим слоем резонанс через основной электронный уровень размерного квантования в яме смещается к V = 0 [5]. В нашем случае Рис. 4. Расчет дисперсии двумерных дырочных состояний в дырочных резонансно-туннельных структур смещение квантовой яме Ehole = f (k ) для структуры, по параметрам положения резонанса к V = 0 не происходит. Мы также совпадающей с нашей, из работы [7].

не обнаружили заметного смещения резонанса LH1.

В структуре QD резонансные пики уширены существеннее, чем в структуре WL. Это следовало ожидать изслоем не наблюдалось. Возможная причина состоит в за наличия флуктуационного потенциала в окрестности том, что в процессе роста псевдоморфного слоя на слоя квантовых точек. Несколько неожиданным является поверхности [311] в образцах WL не сформировался сильное уширение резонансных пиков в структурах WL сплошной смачивающий слой, и он имеет островковый по сравнению с контрольными образцами. Такое сильное характер. В результате возникает сильное неоднородное уширение в образцах n-типа только со смачивающим уширение уровней.

Кроме того, видно, что в структурах с КТ отрицательная дифференциальная проводимость наблюдается только в области резонанса HH2. Более наглядно меньшее влияние КТ на резонанс HH2 по сравнению с соседним резонансом LH1 показано на рис. 5, где представлена вторая производная тока по напряжению в зависимости от напряжения смещения. На этом графике пикам тока соответствуют минимумы второй производной.

Действительно, как видно из рис. 1, волновая функция подзоны HH2 имеет узел в центре квантовой ямы и поэтому меньше всего возмущается в присутствии КТ, также расположенных в центре ямы [6]. Однако следовало бы ожидать, что в присутствии точек будут также более ярко проявляться и резонансные особенности, соответствующие туннелированию через подзону LH2, что на опыте не наблюдается.

КТ можно трактовать как флуктуацию локальной толщины квантовой ямы. Рассмотрим влияние такой флуктуации на энергию дна 2D подзоны, которая в модели бесконечно глубокой квантовой ямы имеет вид n2,h l En =.

l,h 2ml,hdРис. 3. Зависимости положения резонансов по напряжению Здесь n — номер подзоны; m — поперечная эффективная на вольт-амперных характеристиках от величины k = eBd/ в различных магнитных полях, параллельных гетерослоям. масса дырок; индексы l, h относятся к легким и тяжелым Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 576 Е.Н. Морозова, О.Н. Макаровский, В.А. Волков, Ю.В. Дубровский, L. Turyanska, Е.Е. Вдовин...

Авторы благодарны Ю.Н. Ханину за полезные замечания, В.В. Сироткину за разработку программы самосогласованного решения уравнения Шредингера и Пуассона.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, INTAS (01-2362), целевых программ президиума РАН и EPRSC (Великобритания).

Список литературы [1] D. Bimberg, N. Ledentsov. J. Phys.: Condens. Matter, 15, R1063 (2003).

[2] M.H. Devoret, R.J. Schoelkopf. Nature, 406, 1039 (2000).

[3] Y. Sugiyama, Y. Nakata, S. Muto, Y. Awano, N. Yokoyama.

Physica E, 7, 503 (2000).

[4] H. Sakaki, G. Yusa, T. Someya, Y. Ohno, T. Noda, H. Akiyama, Y. Kakoya, H. Hoge. Appl. Phys. Lett., 67, 3444 (1995).

[5] Yu.V. Dubrovskii, E.E. Vdovin, A. Patan, P.N. Brounkov, I.A. Larkin, L. Eaves, P.C. Main, D.K. Maude, J.-C. Portal, D.Yu. Ivanov, Yu.N. Khanin, V.V. Sirotkin, A. Levin, M. Henini, G. Hill. Nanotechnology, 12, 441 (2001).

Рис. 5. Вторая производная туннельных вольт-амперных ха[6] A. Patan, A. Polimeni, L. Eaves, P.C. Main, M. Henini, рактеристик в области резонансов LH1 и HH2. Сплошная Yu.V. Dubrovskii, A.E. Belyaev, P.N. Brounkov, E.E. Vdovin, линия — образец WL, штрихпунктирная — образец QD.

Yu.N. Khanin, G. Hill. J. Appl. Phys., 88, 2005 (2000).

[7] R.K. Hayden, D.K. Maude, L. Eaves, E.C. Valaderes, M. Henini, F.W. Sheard, O.H. Hughes, J.-C. Portal, L. Cury.

Phys. Rev. Lett., 66, 1749 (1991).

дыркам соответственно. Пусть толщина ямы флуктуируРедактор Т.А. Полянская ет: d d + d, где d — случайная функция. В нижнем порядке по малой величине d/d имеем Holes resonant tunneling through 2 n2,h n2,h double-barrier structure with InAs 2 d l l En - = En - E.

l,h l,h quantum dots in the center of the GaAs 2ml,hd2 2ml,hd2 d quantum well Видно, что из-за флуктуаций толщины ямы уровни энерE.N. Morozova, O.N. Makarovsky, V.A. Volkov+, гий подзон неоднократно уширяются и это уширение Yu.V. Dubrovskii, L. Turyanska, E.E. Vdovin, тем больше, чем больше номер подзоны и чем меньше эффективная масса дырок: A. Patan, L. Eaves, M. Henini 2 Institute of Microelectronics Technology n2,h 2 d l E =.

and High Purity Materials, 2ml,hd2 d Russian Academy of Sciences, Поэтому менее яркое проявление резонансных особен- 142432 Chernogolovka, Russia ностей в области пика LH2 по сравнению с областью The School of Physics and Astronomy, пика HH2 в присутствии КТ разумно объясняется этим University of Nottingham, модельным расчетом. Nottingham NG7 2RD, UK + Institute of Radioengineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 4. Заключение 125009 Moscow, Russia Исследовано влияние КТ InAs, помещенных в центр

Abstract

The influence of the InAs self-assembled quantum dots квантовой ямы, на туннельные характеристики двубарьlayer incorporated in the center of the quantum well on resonant ерных резонансно-туннельных диодов AlAs/GaAs/AlAs с tunnelling through double barrier p-type AlGaAs/GaAs/AlGaAs дырочной проводимостью, выращенных методом МЛЭ structures has been studied. The resonant features in the currentна подложках с ориентацией (311). Наличие КТ приvoltage characteristics of the resonant-tunneling diodes where водит к существенному размыванию резонансных пиshifted and smeared out with quantum dots incorporation, but the ков на вольт-амперных характеристиках диодов. Как и details depend on the 2D subband in the quantum well involved ожидалось, КТ, расположенные в центре ямы, оказывают into resonant tunneling. We attribute the found influence to меньшее влияние на резонансное туннелирование через the generation of the fluctuation potential in the vicinity of the те подзоны, волновые функции которых имеют узлы в quantum dots.

центре ямы.




© 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.