WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Электронный транспорт в условиях ванье–штарковской локализации в политипах карбида кремния © В.И. Санкин, И.А. Столичнов Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 мая 1996 г. Принята к печати 16 сентября 1996 г.) Проведено подробное исследование электронного транспорта в сильных электрических полях в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния 6H и 4H. Поведение электронов свидетельствовало о возникновении и развитии процесса ванье–штарковского квантования в широком диапазоне электрических полей 100–2000 кВ/см. Прямые измерения зависимости электронного тока от величины среднего электрического поля позволили обнаружить ряд областей с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Анализ полученных данных позволяет заключить, что наблюдаемые эффекты обусловлены различными механизмами, которые вступают в действие по мере увеличения электрического поля: 1) брэгговское отражение электронов от границы первой минизоны, 2) прыжковая проводимость между уровнями ванье– штарковской лестницы, индуцированная резонансным электрофононным взаимодействием, 3) резонансное межмининзонное туннелирование из первой минизоны во вторую.

Введение интерес к экспериментальным результатам в этой области обусловлен принципиальной возможностью полуИзвестно, что приложение электрического поля к чения отрицательной дифференциальной проводимости кристаллу приводит к ряду интересных явлений. Многие (ОДП), очень важной для многих приложений.

из них, такие как эффект Франца–Келдыша, туннельный Практическое обнаружение эффектов ВШЛ возможно эффект и другие, быстро получили экспериментальное только при использовании сверхрешетки (СР), обладаподтверждение и нашли широкое практическое примеющей спектром носителей заряда, состоящим из узких нение. В настоящей работе рассматривается один из зон, известных как минизоны. Для подобных объектов тенаиболее интересных эффектов, о котором этого скаоретически предсказан ряд эффектов ВШЛ, связанных с зать нельзя — эффект ванье–штарковской локализации возникновением отрицательной дифференциальной про(ВШЛ). Качественную картину этого явления можно водимости.

представить, используя фундаменатльные принципы зонПринципиальная возможность получения ОДП, свяной теории твердого тела, что наиболее ярко сделано занной с индуцированной полем локализацией, на искусв [1]. Результат решения этой задачи широко известен ственной СР была показана Есаки [6]. Пороговое поле как трансформация под действием электрического поля ее возникновения определялось как непрерывного зонного спектра в дискретные уровни, локализованные в пространстве, так называемые ванье– eFd > h/. (2) штарковские лестницы [2]. При этом расстояние между уровнями (штарковская энергия) определяется как Здесь h и являются соответственно постоянной Планка и временем рассеяния электронов, а d — периодом E = eFa. (1) СР. Критерий (2) обозначает, что ОДП, связанная с этим эффектом, возникает, когда частота штарковских Здесь e, F, a являются соответственно зарядом электроосцилляций eFd/h превышает частоту рассеяния.

на, электрическим полем и периодом кристаллической В эффекте, рассмотренном выше, штарковская энергия решетки.

еще мала настолько, что квазинепрерывность первой С тех пор проблема ВШЛ достаточно широко обсуминизоны сохраняется, т. е. на ее ширине укладываетждалась в научных публикациях. Надо отметить, что в ся много штарковских уровней. По мере дальнейшего некоторых работах [3] ставится под сомнение корректроста поля область, в которой локализован электрон ность решения Ванье, приводящего к ВШЛ, так как в l E1/eF, уменьшается. Здесь E1 — ширина первой его модели было применено однозонное приближение, минизоны. Минизона при этом разрушается и спектр не учитывающее возможности смешивания состояний различных зон электрическим полем. В работе [4] пока- преобретает вид дискретных энергетических уровней.

Электронный транспорт в такой системе описан теоретизано, что и при учете межзонного туннелирования ВШЛ чески в [7]. Проводимость в этой области электрических сохраняется, однако эта работа и сама вызвала активную полемику [5]. Это говорит о сложности теоретического полей становится возможной за счет перескоков между решения данной проблемы и о необходимости экспери- дискретными штарковскими уровнями с участием фономентальных данных по всему спектру связанных с ней нов. При этом предсказана ОДП, связанная с резонанвопросов. Следует отметить, что большой практический сами фононных переходов [7]. Поля, соответствующие 5 578 В.И. Санкин, И.А. Столичнов таким резонансам, определяются как 4H, 6H, 8Hон превышает размер для 2H соответственно в 2, 3, и 4 раза. В этом смысле указанный ряд политипов eFdn =. (3) обладает естественной одномерной сверхрешеткой.

Возникает вопрос, каким образом это сказывается Здесь — энергия соответствующего фонона, n прина энергетике кристаллов, а именно — возможно ли нимает значения 1, 2, 3....

выделить в нем одномерный сверхпотенциал с периодом При еще больших электрических полях штарковская энергия достигает такой величины, что на ширине ми- вдоль оси сверхрешетки, превышающим период основного кристаллического потенциала. Экспериментально низоны укладывается только один уровень. Этот случай был рассмотрен теоретически в [8]. Был предсказан установлено, что ширина запрещенной зоны в чисто эффект ОДП с пороговым полем гексагональном политипе 2H больше, чем в кубическом 3C, на 1 эВ. Очевидно, это означает, что амплитуда F = E1/2ed. (4) кристаллического потенциала атомного слоя с гексагональным окружением значительно превышает амплитуду Еще одним возможным механизмом проводимости слоя с кубическим окружением. Такие гексагональные в режиме ВШЛ является межминизонное резонансное слои имеют фиксированную периодичность с периодом туннелирование, рассмотренное в работе [9]. Оно вознибольшим, чем основной период кристалла. Для упомя кает в случае, когда высота ступени ванье–штарковской нутого ряда 4H, 6H, 8H это превышение составляет те лестницы eFd равняется энергетическому зазору между же 2, 3 и 4 раза соответственно. Таким образом, есть первой и второй минизонами Eоснования говорить о существовании в этих политипах eFd = E12. (5) сверхрешетки с периодом, в соответствующее число раз превышающим период основной решетки. Следуя Как было отмечено выше, в ряде теоретических рапредложенной модели, можно сказать, что в энергетичебот [3,5] ставится под сомнение корректность решеской структуре разрешенной зоны существуют, согласно ний, в которых было получено существование ванье– решению Кронига–Пенни, для 4H — две, для 6H —три, штарковских лестниц. В значительной степени это свядля 8H — четыре минизоны.

зано с отсутствием убедительных экспериментальных Ранее, в оптических спектрах поглощения многих подтверждений этого явления.

политипов были обнаружены две полосы в спектральной Достаточно долгое время изучение ВШЛ проводиобласти от 1 до 2.7 эВ [13,14], т. е. существенно ниже края лось исключительно на искусственных гетеропереходсобственного поглощения. Обе полосы были обоснованных сверхрешетках, в основном типа AlAs–GaAs, котоно приписаны прямым разрешенным электронным перирые были предложены Есаки [6]. Первые проявления одам в точке локализации минимума зоны проводимости ванье–штарковского квантования были обнаружены в люминесцентных и оптических спектрах [10], а спу- из основного состояния зоны проводимости в вышележастя несколько лет появились сообщения о наблюдении щие зоны проводимости. Была высказана гипотеза [14], ОДП [11,12]. согласно которой эти полосы объяснялись переходами из В данной работе для исследования ВШЛ нами предло- первой во вторую и третью минизоны.

жен объект, существенно отличаюшийся от использовавДостаточно убедительные подтверждения наличия узшихся ранее, а именно — естественная сверхрешетка, кокой электронной зоны в ряде политипов, таких как торую содержит большинство политипов карбида крем4H, 6H, 8H, 15R, 21R, 27R, 33R, были получены в ния. С точки зрения кристаллической структуры естеработах [15–17], посвященных исследованию ударной ственная сверхрешетка определяется достаточно просто.

ионизации в карбиде кремния. Было установлено, что Как известно, карбид кремния представляет собой набор характер ударной ионизации сильно зависит от направлекристаллов, отличающихся друг от друга структурой (пония электрического поля. По результатам исследования литипов). К простейшим политипам относятся кубичеударной ионизации были сделаны следующие выводы.

ский 3C-SiC и гексагональный 2H-SiC. Среди более слож1) В одноосных политипах карбида кремния в напраных политипов чисто кубических и чисто гексагональных влении оси сверхрешетки существует узкая электронная нет. Каждый из них состоит из чередующихся специфизона, и в ней под действием сильного электрического ческим образом слоев с кубическим и гексагональным поля развиваются процессы ВШЛ.

окружением. К наиболее известным политипам относят2) Дырочная зона особенностей, связанных с наличием ся 4H, 6H, 8H, 15R, 21R, 27R. Число обозначает колисверхрешетки, не имеет или они столь малы, что не чество атомных слоев, которые содержит элементарная проявляются в ударной ионизации.

ячейка вдоль выделенной оси симметрии кристалла C, Следующим естественным шагом в развитии этих иса буква определяет симметрию элементарной ячейки:

следований была попытка прямого наблюдения эффектов гексагональную (H) или ромбоэдрическую (R). Отсюда ВШЛ в электронном транспорте посредством изучения видно, что размер элементарной ячейки большинства политипов вдоль оси C превосходит размер ячейки про- вольт-амперных характеристик кристаллов, содержащих стейших политипов. Например, в гексагональном ряду сверхрешетку, в сильно полях.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Электронный транспорт в условиях ванье–штарковской локализации в политипах карбида кремния Рис. 1. Схема измерений и распределение электрического поля в экспериментальной структуре для случая сильного однородного поля (a) и сверхсильного неоднородного поля (b).

Методика эксперимента зы 5–10 мкм экранирование поля будет очень слабым, и поле в базе может считаться практически однородным (рис. 1, a). Его величина будет определяться как Для исследования электронного транспорта в сильных F = V /w, где V — величина импульса напряжения, а полях была разработана экспериментальная структура, удовлетворяющая следующим требованиям: 1) измеряе- w — ширина базовой области.

мый ток в образце является чисто электронным, 2) элек- Принцип работы описанной структуры следуютрическое поле в образце однородно, 3) током в образце щий. Обратное импульсное смещение Vp с периодом можно управлять независимо от поля. Созданная для tp 10-7 с прикладывается между коллектором и эмитэтих целей триодная структура обладает рядом суще- тером. Прямое постоянное смещение Vb прикладывается ственных отличий от традиционного транзистора, на к переходу эмиттер–база. Связанный с ним ток эмиттер– которых следует остановиться отдельно.

база практически не влияет на величину инжекции изза большого (107-108 Ом) сопротивления p-области.

Основным ее элементом является база, легированная глубокой акцепторной примесью (скандием) с энергией Задача этого смещения — понизить высоту контактионизации E > 0.5 эВ. Это позволяет достигать при ком- ного барьера. Импульсное напряжение, приложенное между коллектором и эмиттером, обеспечивает однонатной температуре концентрации дырок p 1010 см-3.

Характеристические времена деионизации такой при- родное электрическое поле, которое, распространяясь через базу, достигает открытого эмиттерного перехода меси в области объемного заряда при p 1010 см-превышают 10-2 с. Это означает, что прямосмещенный и вызывает инжекцию. Ток инжекции растет вместе с Vp, однако он может быть ограничен изменением Vb. Сопроэмиттерный n+-p-переход может быть открыт только постоянным напряжением или импульсами с длительно- тивление базовой области при протекании импульсного стью t > 10-2 с. Однако, после того, как потенциальный тока уменьшается в 103-104 раз, благодаря тому что инбарьер понижен, инжекция, которая является безынер- жектированные в базу электроны подхватываются полем и пролетают базу, достигая коллектора. Таким образом, в ционным процессом, может осуществляться короткими импульсами с длительностью t < 10-6 с. экспериментальной структуре реализован инжекционнопролетный механизм протекания тока. Описанная элекРассмотрим теперь коллекторный p-n+-переход. При трическая схема соответствует транзистору, включенноего обратном смещении установление электрического му с общим эмиттером.

поля в базе определяется процессом ионизации глубокой акцепторной примеси, время которого также достаточно В данной экспериментальной структуре реализованы велико. Поэтому, если обратное смещение осуществля- все перечисленные выше условия, необходимые для ется достаточно короткими импульсами, акцепторные изучения электронного транспорта в сильных полях в уровни в базе остаются нейтральными, концентрация условиях ВШЛ. Через базу протекает чистый элекдырок, как было сказано, не превышает 1010 см-3, что тронный ток, управляемый постоянным смещением, не соответствует экранированию электрического поля на влияющим на величину поля в базе. Поле на всей длине более 10-1 см. Таким образом, при ширине ба- ширине базы при этом практически однородно. Впервые 5 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 580 В.И. Санкин, И.А. Столичнов эта экспериментальная структура описана нами в [18].

Триодная структура была позднее применена в работе [12], причем ее использование обосновывалось теми же соображениями.

При создании описанной экспериментальной структуры на подложке n-типа сублимационным сэндвичметодом были выращены пленки двух политипов — 4H и 6H, легированные скандием. Надо отметить, что проблема управляемого роста того или иного политипа практически не решена и поиск нужного объекта требует отбора из большого числа образцов. Далее на пленке p-типа создавался слой n+-типа толщиной в 1–2 мкм.

Толщина базового слоя определялась прямыми измерениями ширины области люминесценции, исходящей из торца готовой трехслойной структуры. Обычно толщина базового слоя была в пределах 5–10 мкм. После этого методом фотолитографии изготавливалась экспериментальная структура. Диаметры коллектора, базового электрода и эмиттера составляли соответствено 420, 400 и 200 мкм.

Рис. 2. Зависимость тока от поля экспериментальных структур Схема измерений представлена на рис. 1, a. При на основе политипов 6H и 4H.

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.