WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 6 Исследование электронного транспорта в связанных квантовых ямах с двухсторонным легированием ¶ © Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, И.С. Васильевский, А.В. Деркач Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 101999 Москва, Россия Московский государственный университет, 119899 Москва, Россия (Получена 10 июля 2002 г. Принята к печати 28 октября 2002 г.) В гетероструктурах со связанными квантовыми ямами измерены температурные зависимости проводимости и холловской подвижности. Изучены их зависимости от ширины квантовой ямы. Показано, что введение туннельно-прозрачного барьера в середине ямы увеличивает подвижность в узких ямах и уменьшает — в широких. Проведено сравнение экспериментальных результатов с рассчитанными зависимостями. Показано, что число заполненных подзон размерного квантования зависит от ширины ямы и наличия барьера. При температуре 4.2 K в диапазоне магнитных полей от 1 до 40 Тл измерены магнетосопротивление и сопротивление Холла. С помощью фурье–анализа осцилляций Шубникова–де-Гааза определено заполнение подзон. Получено хорошее согласие с рассчитанными величинами.

1. Введение ямы. Для проведения сравнительного анализа были выращены идентичные структуры без барьера и с тонким Исследование электрофизических характеристик кван- барьером AlAs в центре квантовой ямы. При 4.2 K товых ям AlGaAs/GaAs/AlGaAs представляет интерес в квантующих полях для данных структур также измекак для фундаментальной физики, так и для практиче- рены зависимости компонент тензора удельного сопроских целей. Такие структуры в настоящее время широко тивления от напряженности магнитного поля.

используются для создания фотодетекторов, оптических модуляторов, мощных транзисторов и других приборов.

В оптоэлектронных приборах квантовая яма, распо- 2. Приготовление образцов ложенная между симметричными барьерами AlGaAs, и методика измерений позволяет получить необходимые спектральные характеристики. В таких структурах для улучшения характе- Образцы для исследований выращивались методом ристик часто используются связанные квантовые ямы, молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующих которые создаются с помощью разделения квантовой подложках GaAs (100), разориентированных в направлеямы GaAs тонким, толщиной порядка 3–4 монослоя, нии [110] на 2. Сначала выращивался буферный слой барьером AlAs [1,2].

GaAs толщиной 0.5 мкм. Далее выращивались барьер В полевых транзисторах для СВЧ применений двух- Al0.2Ga0.8As, квантовая яма GaAs, барьер AlAs толщистороннее легирование структур AlGaAs/GaAs/AlGaAs ной 1.8 нм, квантовая яма GaAs, барьер Al0.2Ga0.8As.

позволяет значительно увеличить выходную мощ- В конце процесса выращивался защитный слой GaAs ность [3–5]. Кроме квантования энергетического спектра толщиной 8 нм. Ширина обеих квантовых ям в кажэлектронов в гетероструктурах такого типа квантуется дой структуре была одинаковой. Некоторые параметры и спектр фононов. Это, согласно расчетам [6], должно исследованных обрацов, в том числе толщина барьера уменьшать электрон-фононное рассеяние и тем самым AlAs d и суммарная ширина квантовых ям W, приприводить к повышению подвижности электронов. При ведены в таблице. Толщина барьеров AlGaAs во всех определенных размерах квантовых ям, как следует из теоретических расчетов [7,8], введение тонкого барьера Холловские поверхностные концентрации электронов nH и поAlAs должно значительно уменьшить скорость внутридвижности µH исследованных образцов при температуре 4.2 K подзонного рассеяния и может привести к дополнительному повышению подвижности. Результатом этого № W, нм d, нм nH, 1012 см-2 µH, см2/(В · с) может быть улучшение характеристик транзисторов. Все образца это указывает на актуальность исследования квантовых 2 13 0 1.33 10 ям с тонкими барьерами.

3 13 1.8 1.31 12 В данной работе представлены результаты ис4 26 0 2.07 11 следований электронного транспорта в структурах 5 26 1.8 2.09 12 AlGaAs/GaAs/AlGaAs с различной шириной квантовой 6 35 0 2.02 15 7 35 1.8 2.02 13 ¶ E-mail: kamin@mail.cplire.ru 712 Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, И.С. Васильевский...

3. Результаты гальваномагнитных измерений и их обсуждение На рис. 2 приведены зависимости сопротивления структур от температуры. Для всех образцов наблюдается уменьшение сопротивления при понижении температуры до 60 K. При T < 60 K сопротивление образцов 5 и 6 слабо возрастает при понижении темРис. 1. Зонная диаграмма для структуры образца 3. Энергия отсчитывается от уровня Ферми.

Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления исследованных структур. Номера кривых соответствуют номерам структурах также была одинаковой и равнялась 33 нм.

образцов в таблице.

Причем половина (по толщине) каждого из барьеров, прилегающая к квантовой яме, оставалась нелегированной. Вторая же половина барьеров была легирована с концентрацией кремния 1018 см-3. Такой же была концентрация кремния в защитном слое. Температура роста слоев GaAs и AlAs равнялась 600C, а слоев AlGaAs — 640C. Отношение потоков мышьяка и галлия в зоне роста было равно 30. Для сравнения результатов такие же структуры были выращены без центрального барьера AlAs в квантовой яме. В качестве примера на рис. 1 приведена рассчитанная зонная диаграмма для образца 3.

Для проведения гальваномагнитных измерений образцы были изготовлены в виде холловских мостиков.

Температурные зависимости сопротивления были измерены в диапазоне температур 4.2 < T < 300 K, а эффект Холла — при 4.2 K и в диапазоне температур 77 < T < 300 K. Результаты этих измерений позволили определить температурные зависимости холловской концентрации электронов nH в структуре и подвижности µH в диапазоне температур 77 < T < 300 K. В таблице приРис. 3. Температурные зависимости холловской подвижности ведены эти параметры для всех структур при 4.2 K. На электронов µH для различных образцов. Номера кривых соотизготовленных холловских мостиках при температуре ветствуют номерам образцов в таблице. Сплошные кривые — жидкого гелия также были измерены сопротивление xx образцы с барьером AlAs, штриховые — без барьера в квантои сопротивление Холла xy в магнитном поле до 40 Тл.

вой яме.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Исследование электронного транспорта в связанных квантовых ямах с двухсторонным легированием Наблюдаемая зависимость nH(T ), как можно предположить, обусловлена особенностями зонной структуры исследованных образцов. Как видно из зонной диаграммы (см. рис. 1), проводимость образцов складывается из проводимости потенциальной ямы со стороны подложки, легированной части барьеров AlGaAs и квантовой ямы. Как известно, в слоистых структурах холловские подвижность и концентрация определяются из соотношений.

iµi ni µini i i µH =, nH =, (1) µini iµi ni i i где µi, ni — подвижность и поверхностная концентрация электронов в слоях, i — холл-фактор, i — индекс суммирования по слоям. Решение системы самосогласованных уравнений Кона–Шэма для потенциальной и квантовой ям аналогичное тому, как это было сделано в [9], показывает, что концентрация электронов в них слабо изменяется при изменении температуры.

Как показывает расчет, для исследованных образцов в исследованном диапазоне температур электронный газ во всех слоях или вырожденный, или близок к выроРис. 4. Температурные зависимости холловской концентрации ждению. Поэтому при расчетах было принято i = 1.

электронов для образцов 2 и 3 с узкой (W = 13 нм) и образВ этом случае, используя (1), несложно показать, что цов 6 и 7 с широкой (W = 35 нм) квантовыми ямами. Номера уменьшение холловской концентрации при уменьшении кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

температуры обусловлено уменьшением отношения µ3n, (2) µ1n1 + µ2nпературы, что можно объяснить слабой локализацией носителей тока. Уменьшение сопротивления при пони- где параметры с индексами 1 и 2 относятся к пожении температуры в области T > 60 K обусловлено тенциальной и квантовой ямам соответственно, а инувеличением подвижности электронов. Наблюдаемые декс 3 — к легированной части барьера AlGaAs. При холловские подвижности µH (рис. 3) действительно температуре 4.2 K подвижность в легированном барьере увеличиваются при понижении температуры. Хорошо AlGaAs очень мала и проводимость по этому слою видно, что в узкой квантовой яме с W = 13 нм вве- можно не учитывать. Тогда из (1) следует соотношение дение барьера AlAs увеличивает холловскую подвиж- n1 < nH < n1 + n2. Близость nH к тому или другому ность. Причем при понижении температуры отношение пределу зависит от величины отношения p = µ2/µ1.

подвижностей µH3/µH2, где µH2, µH3 — холловские Решение системы самосогласованных уравнений подвижности в образцах 2 и 3 соответственно, растет Кона–Шэма для поверхностных концентраций в ямах (рис. 3). При изменении температуры в интервале дает n1 = 1.2 · 1012 см-2 и n2 = 1.06 · 1012 см-2. Исполь77 < T < 280 K отношение подвижностей изменяется зуя (1) и данные таблицы при температуре 4.2 K, пов интервале 1.21 > (µH3/µH2) > 1.06. В то же время лучаем следующие отношения подвижностей: для узких введение барьера в обеих широких квантовых ямах квантовых ям p 0.1, а для широких ям p 0.6. В облауменьшает подвижность по сравнению с образцом без сти же высоких температур n1 < nH < n1 + n2 + n3. Как барьера (рис. 3). Однако температурные зависимости видно из рис. 4, для широких квантовых ям величина nH отношения подвижностей для них разные. Для того же близка к величине суммарной концентрации электронов интервала температур для образцов с W = 26 нм имеем в структуре. Для узких квантовых ям величина nH 1.05 < (µH4/µH5) < 1.206, т. е. при понижении темпе- существенно меньше (рис. 4). Это является следствием ратуры отношение уменьшается. В то же время для меньшей подвижности электронов в узких квантовых образцов с W = 35 нм имеем 1.176 > (µH6/µH7) > 1.1, ямах.

т. е. при понижении температуры отношение растет. Как Исследованные образцы выращивались приблизительвидно, эти изменения не велики и не превышают 15% но в одинаковых условиях. Поэтому в барьерах и потендля всего диапазона температур. циальных ямах всех структур подвижности и концентраВо всех образцах наблюдается уменьшение холлов- ции электронов должны быть приблизительно одинакоской концентрации при понижении температуры (рис. 4). выми. Тогда из (1) несложно показать, что величина µФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 714 Г.Б. Галиев, В.Э. Каминский, В.Г. Мокеров, В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, И.С. Васильевский...

случаем (3) для прямоугольной ямы. Решение системы самосогласованных уравнений Кона–Шэма для исследованных структур показывает, что для разных образцов количество заполненных подзон разное. А именно, одна в образце 3, по две в образцах 2, 4, 5 и по три в образцах 6 и 7. Для случая заполнения нескольких подзон прямым обобщением (3) является отношение -µ= j 4(z ) dz, (4) j µ20 j где µ20 — подвижность в очень широкой квантовой яме, j — относительная доля заполнения подзоны электронами, а суммирование производится по всем подзонам размерного квантования. На рис. 5 приведены рассчитанные при T = 100 K по формуле (4) зависимости отношения µ2/µ20 от ширины квантовой ямы без барьера внутри и с барьером AlAs толщиной 1.8 нм. При расчете учитывались подзоны с относительной долей заполнения более 0.03. Число таких подзон для каждого образца указано выше. Расчет также показывает, что зависимости слабо изменяются в интервале температур 77 < T < 300 K. Для расчета использовались резульРис. 5. Зависимости нормированной подвижности µ2/µ20 (4) таты решения системы самосогласованных уравнений от ширины квантовой ямы: 1 — без барьера, 2 — с барьером Кона–Шэма. Как видно, полученные зависимости качеAlAs толщиной 1.8 нм. µ2 — подвижность в 1-й подзоне ственно согласуются с соотношениями между холловквантовой ямы GaAs, µ20 — в очень широкой квантовой яме.

скими подвижностями, полученными из эксперимента.

Кроме того, расчет по формуле (4) дает µ23/µ22 = 1.11, µ26/µ27 = 1.13, µ24/µ25 = 1.1, где второй индекс обознабольше в той структуре, где больше величина nHµH.

чает номер образца. Как видно, эти величины попадают Как видно из рис. 4, величины nH в структурах с бав интервалы изменения отношений измеренных холловрьером и без барьера практически совпадают. Поэтому ских подвижностей.

соотношение µH в структурах с барьером и без барьера качественно отражает соотношение µ2 в них. Таким 4. Магнетотранспорт в квантующем образом, в узкой квантовой яме введение барьера AlAs увеличивает µ2, а в широких — уменьшает. Кроме того, магнитном поле как видно из рис. 3, при T > 77 K µ2 увеличивается при увеличении W вне зависимости от наличия барье- На рис. 6 приведены зависимости сопротивления xx и холловского сопротивления xy от напряженности ра AlAs.

магнитного поля B для образцов 6 и 7. В GaAs при Слабая температурная зависимость параметра от температуры указывает на то, что наблюдаемые зависи- 4.2 K магнитное поле с напряженностью B > 0.2Тл является квантующим. Действительно, во всех образцах мости µH и соответственно µ2 от параметров структуры являются следствием размерного квантования. В литера- наблюдаются осцилляции Шубникова–де-Гааза. Однако туре широко обсуждалось влияние ширины прямоуголь- они не периодичны по величине обратного поля. Это связано с наличием в структуре двух ям и нескольной квантовой ямы на подвижность (см. [7] и ссылки ких заполненных подзон размерного квантования. Для в ней) и было показано, что в не очень широких ямах µ2 W. При большой концентрации электронов и со- определения их заполнения нами было выполнено фурье-преобразование зависимости xx(1/B) для образответственно наличии потенциального профиля в яме цов 6 и 7. По значению частот F, соответствующих полоэто не совсем так. Для T > 77 K в GaAs преобладает жению максимумов фурье-спектров, используя формулу рассеяние на полярных оптических фононах. В этом для концентрации электронов случае, как показано в [10], при одной заполненной подзоне размерного квантования qF n =, (5) - µ2 4(z ) dz, (3) были рассчитаны поверхностные концентрации элекгде — волновая функция в направлении размерного тронов в подзонах. На вставках к рис. 6 представлеквантования. Зависимость µ2 W является частным ны фурье-спектры в зависимости от концентрации n Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Исследование электронного транспорта в связанных квантовых ямах с двухсторонным легированием который, как можно предположить, соответствует третьей заполненной подзоне. Можно предположить, что такой же максимум для образца 7 сливается с нулевой особенностью фурье-спектра. Наличие этой особенности, очевидно, приводит к сдвигу в сторону больших значений n максимума, соответствующего двум заполненным подзонам, для образца 7.

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.