WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx в области нулевой аномалии.

I. Контакты к n-GaAs1-xSbx © Т.А. Полянская, Т.Ю. Аллен1, Х.Г. Нажмудинов, С.Г. Ястребов, И.Г. Савельев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 декабря 1997 г. Принята к печати 23 декабря 1997 г.) Исследованы вольт-амперные характеристики и дифференциальное сопротивление R(V ) =dV /dI туннельных контактов Au/n-GaAs1-xSbx. Барьеры Шоттки изготавливались на эпитаксиальных слоях n-GaAs1-xSbx, специально не легированных, в области составов твердого раствора 0.01 < x < 0.125. Показано, что зависимости R(V ) в диапазонах концентрации электронов 2 · 1018 n 7 · 1018 см-3 и температуры 4.2 T 295 K хорошо описываются теорией туннелирования, использующей самосогласованный расчет потенциала в области барьера Шоттки. Наблюдалась корневая зависимость проводимости G(V ) =(dV /dI)-1 от напряжения смещения V в области нулевой аномалии в соответствии с теорией Альтшулера и Аронова для квантовых поправок к плотности состояний на уровне Ферми, связанных с особенностями электронэлектронного взаимодействия в разупорядоченных металлах.

1. Введение ренциального сопротивления RN(V), определяемого нормальной плотностью состояний, которая для сферичеМы предприняли исследование дифференциального ской изоэнергетической поверхности имеет вид сопротивления R(V) = dV/dI барьерных структур Au/GaAs1-xSbx, сформированных на эпитаксиальных 1 2m 3/2 0(E) = (E-Ec)1/2, (3) слоях твердого раствора с вырожденным электронным 2 22 или дырочным газом, с целью выяснить, можно ли для барьеров Шоттки наблюдать с помощью туннельгде m — эффективная масса, энергия электрона E отсчиной спектроскопии аномалию в плотности состояний на тывается от дна зоны проводимости Ec. Поэтому первой уровне Ферми EF задачей наших исследований была проверка соответствия экспериментальных и теоретических зависимостей |E - EF|, (1) RN(V ) в тех областях температуры и напряжения V, где аномалия туннельной проводимости не проявляется. В предсказанную Альтшулером и Ароновым для слабо связи с этой задачей возникает вопрос об адекватности разупорядоченных металлов в работах [1–3]. Здесь E — теоретического описания туннелирования в барьерах энергия электрона. Аномалия (1) обусловлена осоШоттки экспериментально наблюдаемым зависимостям бенностью электрон-электронного взаимодействия, возRN(V) для реальных поверхностно-барьерных структур.

никающей в процессе диффузионного движения элекИзвестно, что теория, развитая в работах [4–7] для тронов в слабо разупорядоченном поле примесей и плотности состояний (3), удовлетворительно описывает других дефектов решетки. В результате в туннельной экспериментальные вольт-амперные характеристики и проводимости контакта G(V ) =(dV/dI)-1 при V 0, зависимости RN(V) для диодов Шоттки в области терно |eV | kT (V — напряжение смещения), появляется мополевой эмиссии. Однако в монографии [8] отмечено дополнительная составляющая G(V) (так называемая (см. разд. 3.2.2), что это согласие теории и эксперимента нулевая аномалия) типа удивительно, если принять во внимание, что пространственный заряд, связанный с примесями в полупроводG(V) = |V|, (2) нике, является скорее макро-, чем микронеоднородным G(0) в пределах ширины области пространственного заряда.

Это должно приводить к существенным флуктуациям где G(0) G(V = 0), — коэффициент, зависящий как в форме барьера [6], так и в вероятности туннеот удельного сопротивления и константы электронлирования. И действительно, согласие теории [4–7] и электронного взаимодействия (для плотности состоэкспериментальных данных резко ухудшается при исяний):

следовании диодов, изготовленных на более ”грязных” /3/2.

полупроводниках, например, содержащих компенсируюДля выделения аномального вклада в проводимость щие примеси. Пример тому — известная проблема изнеобходимо знать ход ”фоновой” зависимости диффебыточных темновых токов при низких (порядка азотной) температурах в барьерных структурах, изготовленных на В настоящее время: University of Tennessee at Chattanooga, TN 37403 Chattanooga, USA. основе эпитаксиальных слоев твердых растворов AIIIBV.

Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx... Характеристика структур Au/n-GaAs1-xSbx и параметры, определенные по изменениям dV /dI Номер Содержание Толщина Содержание Высота барьера b0, эВ Концентрация образца Sb, x пленки d, мкм Te, ат % 4.2 K 77.4 K 295 K Nd - Na, 1018 см-1n 0.01 34 1.5 0.64 0.63 0.68 3.0 ± 1.2n 0.02 11 1 0.74 0.74 0.73 3.4 ± 0.3n 0.02 11 1 0.912 0.905 0.89 3.9 ± 0.4n 0.04 17 0.5 0.86 0.82 0.80 4.5 ± 1.5n 0.04 17 0.5 0.74 0.73 0.73 2.7 ± 0.6n 0.04 17 0.5 0.80 0.80 0.80 2.6 ± 0.7n 0.04 43 1.5 1.05 1.04 1.03 6.6 ± 0.8n 0.04 43 1.5 1.04 1.01 1.05 6.0 ± 1.9n 0.06 16 0.2 0.80 0.80 0.80 2.0 ± 0.10n 0.06 16 0.2 0.81 0.80 0.77 1.9 ± 0.Этот вопрос существенно прояснился после созда- 2. Методика эксперимента ния флуктуационной теории барьера [9] и как следствие — появления области исследований, называеЭпитаксиальные слои твердого раствора GaAs1-xSbx мой некогерентной мезоскопикой. Применительно к выращивались методом жидкофазной эпитаксии в атмобарьерам Шоттки была развита теория термополесфере очищенного водорода. Температура роста варьировой эмиссии [10], которую мы проверили на струквалась в пределах 750 850C при скорости охлаждения турах Au/n-GaAs1-xSbx с концентрацией электронов от 0.3 до 2 град/мин. Толщина слоев составляла от n = Nd - Na 1016 1017см-3 [11]. Оказа= до 45 мкм. В качестве компонентов раствора–расплава лось, что теория [10] позволяет объяснить эксперииспользовались: Ga (99.9997%), нелегированный n-GaAs ментальные данные как в качественном (ход зави- марки АГН-1 с концентрацией электронов n 1016 см-= симостей тока от напряжения и температуры), так (источник As) и нелегированный p-GaSb с концентрации в количественном плане. В частности, низкотем ей дырок p 1017 см-3 (источник Sb). Содержание Sb = пературные ”избыточные” токи в структурах Au/nварьировалось в пределах от x = 0.015 до x = 0.125. В GaAs1-xSbx объясняются присутствием компенсируюкачестве подложек использовался n-GaAs, легированный щих уровней остаточной примеси с концентрацией2 Te, с концентрацией электронов n = 1018 см-3 и ори Nt = Nd + Na =(3.0 ±0.4) · 1019 см-3.

ентацией (111)A. Нелегированные эпитаксиальные слои Мы не могли использовать теорию [10] для расчеGaAs1-xSbx обладали n-типом проводимости с концента туннельного сопротивления RN(V), так как авторатрацией электронов n = Nd - Na = 1016 1017 см-3.

ми [9,10] не рассматривалась интересующая нас область Эти значения определяются чистотой исходных компонапряжения смещения V, близкая к 0. Однако мы нентов раствора–расплава, степенью очистки водорода полагаем, что влияние флуктуаций длины туннелирои особенностями технологического процесса. С целью вания на вольт-амперные характеристики существенно получения слоев с более широким диапазоном конуменьшается с увеличением концентрации электронов центраций электронов несколько серий эпитаксиальных n = Nd -Na в GaAs1-xSbx на 1.5–2 порядка по сравнению слоев легировались Te.

с концентрацией электронов в образцах, исследованных в Барьеры Шоттки изготавливались вакуумным напылеработе [11], при той же концентрации остаточной примением Au. Перед этим поверхность GaAs1-xSbx очищаси Nt = Nd +Na. В результате мы рассчитывали фоновую лась концентрированной HCl в течение 30 c для удалезависимость RN(V ) =dV/dI с плотностью состояний (3) ния естественного окисла с поверхности пленки. При на основе обычной теории полевой и термополевой эмисостаточном давлении 10-6 Top пластины постепенно насии. Вычисление зависимости RN(V)/RN(0) проводилось гревались до 200C (для отжига поверхности эпитакпо модели [14]. В этой работе было показано (на присиального слоя), затем охлаждались до 120C и при мере туннельной проводимости структур Au/n-GaAs), этой температуре производилось напыление Au. После что можно достичь хорошего согласия между теорией этого производился отжиг структур при температуре и экспериментом, если при вычислении прозрачности 200 250C в течение 3 4мин (для ”закрепления” барьера использовать самосогласованное решение уравпленки Au) и затем — формирование методом фотолитонения Пуассона для электростатического потенциала графии структур Au/GaAs1-xSbx/GaAs диаметром от 0.электрона на границе металл–полупроводник.

до 1 мм. Прижимной контакт из капельки In, соединенной Эта величина концентрации остаточной примеси Nt в наших слоях с пленкой Au, и защищенной лаковым покрытием, обествердого раствора согласуется с полученными ранее оценками по печивал возможность измерений в диапазоне температур результатам исследования подвижности [12] и вольт-амперных характеристик p-n-переходов на основе GaAs1-xSbx [13]. 4.2 < T < 450 K.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 576 Т.А. Полянская, Т.Ю. Аллен, Х.Г. Нажмудинов, С.Г. Ястребов, И.Г. Савельев Измерение зависимости дифференциального сопротивления R(V ) = dV/dI от напряжения смещения V производилось по мостовой схеме при частоте модулирующего сигнала 22 кГц. Регулировка напряжения смещения позволяла осуществить плавный переход через значение V = 0. Установка обеспечивала измерение сигналов с амплитудой напряжения 2 · 10-5 2 · 10-4 В при модулирующем токе 10-7 А, остававшимся постоянным с точностью не хуже 5% в процессе измерений.

В зависимости от сопротивления образца амплитуда выходного сигнала генератора изменялась дискретно, но не превышала величины kT.

3. Результаты эксперимента В работах [14,15] показано, что экспериментально легко идентифицируемые параметры кривой RN(V) для контактов Au/n-GaAs — величина напряжения Vmax в области прямого смещения (помечена на рис. 1 и стрелками), при котором наблюдается максимум сопротивления RN(V) = Rmax(Vmax), и полуширина кривой N RN(V ) — не определяются однозначно величиной EF Рис. 2. То же, что и на рис. 1, но для структуры (т. е. концентрацией носителей тока n в полупроводнике Au/n-GaAs0.98Sb0.02 (образец 2n в таблице).

с вырожденным электронным газом) и высотой барьера b0(V = 0). Эти параметры можно определить только как подгоночные при согласовании экспериментальных и теоретических зависимостей RN(V )/RN(0). Проверизмерений. Значения концентраций, определенные путем ку этого метода определения n и b0 мы провели на сопоставления теоретических и экспериметальных криструктурах Au/n-GaAs с концентрацией электронов в вых RN(V)/RN(0), с точностью не хуже 15% совпадают GaAs (1.5 5) · 1018 см-3, известной из холловских с результатами холловских измерений.

Эту же методику мы применили и для структур Au/n-GaAs1-xSbx. На рис. 1, 2 показаны результаты сопоставления экспериментальных (сплошные линии) и теоретических (штриховые) зависимостей RN(V)/RN(0) для образцов Au/GaAs0.96Sb0.04 (рис. 1) и Au/n-GaAs0.98Sb0.02 (рис. 2). Теоретические кривые рассчитывались по модели [14]. Добавочный вклад в дифференциальное сопротивление R(V) в области аномалии при V 0 и T =4.2 K не превышал 2 3% от значения RN(0) и поэтому не заметен на соответствующих кривых, представленных на рис. 1, 2. Влияние температуры на вид зависимостей RN(V) хорошо иллюстрирует рис. 2.

Видно, что с повышением температуры ширина кривой увеличивается, а положение Vmax сдвигается в сторону обратных напряжений смещения. Положение Vmax < при высоких температурах проявляется в структурах с относительно малой концентрацией электронов и объясняется увеличением вклада термополевой эмиссии с ростом температуры.

В таблице приведены значения концентрации n = Nd - Na и высоты барьера b0, определенные путем подгонки экспериментальных и теоретических кривых.

Ранее для структур Au/n-GaAs1-xSbx с концентрацией Рис. 1. Зависимости RN(V )/RN(0) от приложенного напряжев твердом растворе n = Nd - Na = 1016 1017 см-ния V для структуры Au/n-GaAs0.96Sb0.04 (образец 7n втаблице) по фотоэлектрическим измерениям [16] было получено при температурах T, K: 1 —4.2, 2 — 77.4, 3 — 295. Стрелками ph значение высоты барьера b0 = 0.88 ± 0.03 эВ при показаны значения Vmax.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx... 4. Заключение Зависимость дифференциального сопротивления dV/dI в барьерах Шоттки Au/n-GaAs1-xSbx от напряжения смещения и от температуры в диапазоне 4.2

В области малых смещений до |V | = 10 40 мэВ наблюдается корневая зависимость проводимости G(V) = (dV/dI)-1 от напряжения смещения V. Это согласуется с теорией Альтшулера и Аронова для квантовых поправок к плотности состояний на уровне Ферми, связанных с особенностями многочастичного взаимодействия в разупорядоченном проводнике [1–3].

Список литературы Рис. 3. Зависимости проводимости G = G(V )-G(0) в области нулевой аномалии от |V | при T = 4.2 K для структур:

[1] B.L. Altshuler, A.G. Aronov. Sol. St. Commun., 30, 1 —Au/n-GaAs0.96Sb0.04 (образец 4n), 2 —Au/n-GaAs0.98Sb0.(1979).

(образец 2n).

[2] Б.Л. Альтшулер, А.Г. Аронов. Письма ЖЭТФ, 37, (1983).

[3] B.L. Altshuler, A.G. Aronov. In: Electron-Electron Interactions in Disordered Systems, ed. by A.L. Efros and T = 77 K, не зависящее от состава твердого раствора M. Pollak (Elsevier Science Publishers. B.V., 1985) Ch. 1.

[4] F.A. Padovani, R. Stratton. Sol. St. Electron., 9, 695 (1966).

в пределах 0.03 < x < 0.125. Если сравнить с этими [5] C.R. Crowell, V.L. Rideout. Sol. St. Electron., 12, 89 (1969).

данными приведенные в таблице значения b0, то [6] C.Y. Chang, S.M. Sze. Sol. St. Electron., 13, 727 (1970).

видно, что они группируются вокруг преведенных выше [7] V.L. Rideout, C.R. Crowell. Sol. St. Electron., 13, 993 (1970).

ph величин b0, за исключением структур 7n, 8n.

[8] Э.Х. Родерик. Контакты металл-полупроводник (М., В работе [15] показано, что для барьеров Шоттки Радио, 1982). [Пер. с англ.: E.H. Roderick. Metalна n-GaAs положение максимума зависимости semiconductor contacts (Clarendon Press, Oxford, 1978)].

[9] М.Э. Райх, И.М. Рузин. ЖЭТФ, 92, 2257 (1987).

RN(V ) = Rmax при прямом напряжении смещения N [10] М.Э. Райх, И.М. Рузин. ФТП, 21, 456 (1987).

V = Vmax всегда значительно меньше величины EF. В [11] Т.А. Полянская, Х.Г. Нажмудинов. ФТП, 21, 1737 (1987).

нашем случае — для структур на твердом растворе [12] Ю.Ф. Бирюлин, В.Н. Каряев, И.Ю. Новикова, Т.А. Поn-GaAs1-xSbx — значения Vmax при T = 4.2K 38мэВ для лянская, В.В. Чалдышев, Ю.В. Шмарцев. ФТП, 15, образца 7n на рис. 1, и 22 мэВ для образца 2n на рис. (1981).

также существенно ниже значений EF(T = 4.2K) = [13] А.Я. Вуль, С.В. Кидалов. ФТП, 20, 451 (1986).

и 120 мэВ соответственно.

Pages:     || 2 |



© 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.