WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 4 Влияние давления на концентрацию квазидвумерных носителей в системе GaSb/InAs/GaSb с квантовыми ямами © А.Н. Вороновский, Е.М. Дижур, Е.С. Ицкевич, Л.М. Каширская, Р.А. Стрэдлинг Институт физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина Российской академии наук, 142092 Троицк, Московская обл., Россия Imperial College, London SW7 2BZ, UK (Поступила в Редакцию 17 октября 1996 г.) Проведены измерения магнетосопротивления и ЭДС Холла в полях до 7 Т при 4.2 K под давлением до 2.5 GPa для систем с квантовыми ямами GaSb/InAs/GaSb различной ширины и с разным типом интерфейса.

Из анализа осцилляций Шубникова–де Гааза (ШдГ) и зависимости компонент тензора магнетосопротивления в рамках классической модели с двумя типами носителей определена барическая зависимость концентраций электронов и дырок. Показано, что под давлением происходит переход от полуметаллического к полупроводниковому режиму проводимости.

Как известно, в структурах с гетеропереходами типа II 1. Образцы и методика эксперимента возможно получение пространственно разделенных слоев сильно вырожденных носителей с высокой подвижно- Исследовались образцы с квантовыми ямами стью, обусловленной отсутствием рассеяния на легирую- GaSb/InAs/GaSb с различным соотношением между шищих примесях. Применение таких структур представляет риной ямы и толщиной защитного слоя и с различными интерес как возможная технологическая база для изго- типами интерфейса. Образцы выращены в лаборатории товления генераторов СВЧ-диапазона (InAs/AlSb), тун- проф. Стрэдлинга методом молекулярно-лучевой эпи нельных диодов (InAs/GaSb), детекторов ИК-излучения таксии при довольно низкой температуре 450 C на (InAs/GaInSb) и т. п. [1]. полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100).

Непосредственно на подложку наносились буферные Технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет слои нелегированных GaAs и GaSb толщиной 0.8 µm, выращивать гетероструктуры с точностью до атомноа затем слой InAs (собственно ямы) и защитный слой го уровня, и с этой точки зрения системы на основе GaSb. Все образцы выращивались таким образом, чтобы GaSb/InAs представляют интерес еще и потому, что на границе слоя InAs с окружающими слоями GaSb отсутствие одинаковых ионов по обе стороны от поверхформировался интерфейс со связью типа InSb, за исклюности раздела предоставляет возможность строить два чением IC405, где интерфейсу соответствовала связь типа интерфейса: со связями типа InSb или GaAs. СвойGaAs. Как свидетельствуют результаты работы [6], в коства носителей в двумерных электронном и дырочном слоях зависят главным образом от поведения энергетических зон вблизи интерфейса, которое в свою очередь является предметом как теоретического, так и экспериментального изучения. Соответствующая энергетическая диаграмма для рассматриваемой системы представлена на рис. 1. Применение высоких давлений позволяет расширить экспериментальную базу таких исследований благодаря весьма отчетливо выраженной зависимости зонной структуры полупроводников A3B5 от давления.

Кроме того, как известно, влияние поверхностных донорных состояний, ответственное за резкое увеличение электронной концентрации с уменьшением расстояния от поверхности до квантовой ямы [3,4], также может исследоваться с применением техники высоких давлений [5].

В настоящей работе предполагалось, используя давление до 25 kbar, осуществить переход от электроннодырочного режима проводимости (”полуметаллического”) к электронному (”полупроводниковому”) в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2 (с учетом искривления краев зон вблизи поверхности), и проследить Рис. 1. Расположение краев зон в системе с квантовой ямой и изменение концентрации носителей с давлением.

формирование двух типов интерфейса [2].

9 724 А.Н. Вороновский, Е.М. Дижур, Е.С. Ицкевич, Л.М. Каширская, Р.А. Стрэдлинг Структура и свойства исследованных образцов Образец IC405 IC409 IC410 ICШирина ямы (InAs), nm 20 10 20 Ширина барьера (GaSb), nm 20 20 50 Тип интерфейса GaAs InSb InSb InSb n (P = 0) из осцилляций ШдГ, 1011 cm-2 6.09 5.4 8.7 10.-dn/dP из осцилляций ШдГ, 1011 cm-2/kbar 0.47 0.63 0.67 0.n (P = 0) из магнетосопротивления, 1011 cm-2 10.08 8.35 10.44 12.-dn/dP из магнетосопротивления, 1011 cm-2/kbar 0.89 0.58 0.92 0.p (P = 0) из магнетосопротивления, 1011 cm-2 4.52 1.57 3.21 3.-dp/dP из магнетосопротивления, 1011 cm-2/kbar 0.54 0.16 0.38 0.µn, 104 cm2/(V · c), p = 0 4.1 7.6 8.5 7.µn, 104 cm2/(V · c), p = 0 1.2 1.1 0.8 1. По первым трем точкам по давлению.

торой под давлением до 10 kbar исследовались образцы, двух ориентациях поля и регистрировались в цифровой полученные по той же технологии, гальваномагнитные форме для последующей обработки. При измерениях характеристики в этих образцах определяются главным скорость развертки поля составляла около 0.1 T/min.

образом свойствами самой структуры и качеством По результатам измерений производились Фурьеанализ спектра осцилляций ШдГ и расчет концентрации интерфейса, а не наличием химических примесей либо и подвижности носителей в рамках классической модели точечных дефектов в материале. Данные по структуре с двумя типами носителей.

исследованных образцов представлены в таблице.

Измерения проводились при температуре жидкого гелия в магнитном поле сверхпроводящего соленоида до 2. Результаты и обсуждение 7 T с применением гидростатической камеры фиксированного давления с рабочим диапазоном до 25 kbar типа На рис. 3 в качестве примера представлены данные цилиндр–поршень из бериллиевой бронзы с внутренней для компонент тензора сопротивления образца ICвставкой из немагнитного сплава 40ХНЮ. В качепри различных давлениях. В исследованном диапазоне стве среды, передающей давление, использовались смесь давлений можно выделить две области: область низких масло–пентан и полисилоксановая жидкость ПЭС-1. Даполей и область квантующих полей, в которой наблювление в камере определялось по температуре сверхпродаются осцилляции. Барическая зависимость константы водящего перехода оловянного манометра, размещенноХолла и поперечного магнетосопротивления в нулевом го в зоне высокого давления. Компоненты тензора магмагнитном поле представлена на рис. 4. Фурье-спектр нетосопротивления образца в холловской конфигурации осцилляций содержит только один сильный пик, соотизмерялись на постоянном токе в диапазоне 1–15 µAпри ветствующий электронной компоненте. Отдельный пик, соответствующий дыркам, обладающим меньшими концентрацией и подвижностью, разрешению не поддается (см. также [7]). Поэтому в качестве дополнительной возможности для оценки электронной и дырочной концентрации мы использовали оптимизационную процедуру подгонки параметров двухкомпонентной модели к экспериментальным данным. Качество этой процедуры иллюстрируется рис. 5 для образца IC405 при P = 0.

На рис. 6 представлены результаты определения концентрации носителей по результатам модельных расчетов и непосредственно по спектру осцилляций, причем для барической зависимости концентраций, определенных из модельных расчетов, проводилась экстраполяция данных от области низких давлений так как при более высоких давлениях наблюдалась область существования отрицательного магнетосопротивления, которую нельзя учесть в рамках классической модели. Как видно из Рис. 2. Схема влияния давления и поверхностных донорных рис. 7, область отрицательного магнетосопротивления состояний на концентрацию носителей.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Влияние давления на концентрацию квазидвумерных носителей в системе... Как данные по анализу спектра осцилляций, так и результаты модельного расчета показывают монотонное уменьшение концентрации носителей с давлением, что согласуется с предыдущими утверждениями [3,4] о связи параметров носителей с взаимным расположением энергетических зон GaSb и InAs. Наблюдается систематическое завышение на 15–30 % оценки электронной концентрации из модельных расчетов по сравнению с данными из Фурье-спектра осцилляций. Около 1/3 этой разницы можно отнести за счет возможного заполнения более высоколежащей мини-зоны, пик которой при малом заполнении может быть смещен в недоступную для нашего анализа низкочастотную область спектра.

Однако основное расхождение, как мы считаем, обусловРис. 3. Гальваномагнитные данные для образца IC405 при различных давлениях. P (kbar): 1 —0, 2 —6.0, 3 — 8.7, 4 — 11.0, 5 — 12.2.

Рис. 5. Сравнение модели с двумя типами носителей (сплошная кривая) с экспериментальными данными (кружки) для IC405 при нулевом давлении и результаты модельных расчетов при отклонении на 10 % от оптимальных значений параметров Рис. 4. Влияние давления на гальваномагнитные параметры в (штриховые линии).

пределе нулевого магнитного поля для исследованных образцов. 1 — IC405, 2 — IC409, 3 — IC410, 4 — IC436.

наблюдается во всех образцах, но наименее выражена для случая образца IC410 (см. таблицу).

Из представленных результатов модельных расчетов видно, что область отрицательного магнетосопротивления появляется вблизи давлений, соответствующих подавлению дырочной компоненты проводимости, т. е. при переходе от полуметаллического к полупроводниковому типу проводимости. Если предположить, что вблизи этого перехода имеет место слабая локализация, то можно попытаться связать существование отрицательного магнетосопротивления с одним из механизмов, описанных в [7,8]. Кроме того, возможно, что локализованные состояния взаимодействуют с донорными поверхностными Рис. 6. Барическая зависимость концентрации электронов состояниями. Некоторым указанием на это может слу(темные символы) и дырок (светлые), рассчитанные по магжить слабо выраженное отрицательное магнетосопротинетосопротивлению в слабых полях (a) и из осцилляций вление в случае образца IC410 с наибольшей толщиной Шубникова–де Гааза (b). 1 — IC405, 2 — IC409, 3 — IC410, защитного слоя.

4 — IC436.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 726 А.Н. Вороновский, Е.М. Дижур, Е.С. Ицкевич, Л.М. Каширская, Р.А. Стрэдлинг Рис. 7. Поведение поперечного магнетосопротивления Rxx в слабых полях под давлением. a —образец IC405, P (kbar): 1 —0, 2 —6.0, 3 —8.7, 4 — 11.0, 5 — 12.2; b —образец IC409, P (kbar): 1 —0, 2 —3.1, 3 —6.2, 4 — 12.0; c —образец IC410, P (kbar): 1 —0, 2 — 10.3, 3 — 19.5; d —образец IC436, P (kbar): 1 —0, 2 —6.1, 3 —9.0, 4 — 15.0, 5 — 17.4, 6 — 23.4.

лено неадекватностью самой модели, использованной Работа поддержана грантом Российского фонда фундав процедуре подгонки, в том числе, возможно, из-за ментальных исследований 95-02-06327а.

необходимости учета локализации.

Концентрации, определенные для образца IC405 с Список литературы интерфейсом типа GaAs, заметно ниже, чем для образца IC436, в то время как барические коэффициенты у них [1] M.W. Wang, D.A. Collins, T.C. McGill. J. Vac. Sci. Technol. B11, 4, 1418 (1993).

весьма близки (dn/dP = 0.49 · 1011 cm-2/kbar). Это [2] J.R. Waterman, B.V. Shanabrook, R.J. Wagner, M.J. Yang, значение несколько ниже, чем полученное в [9]. За это J.L. Davis, J.P. Omaggio. Semicond. Sci. Technol. 8, Sразличие может быть ответственным влияние поверх(1993).

ностных донорных состояний, так как в случае образца [3] C. Nguyen, B. Brar, H. Kroemer, J.H. English. Appl. Phys. Lett.

IC410 с более толстым защитным слоев полученной 60, 11, 1854 (1992).

нами барической коэффициент практически совпадает с [4] C. Nguyen, B. Brar, H. Kroemer, J.H. English. J. Vac. Sci. Techn.

данными [9] (dn/dP = 0.63). Неожиданным следует B10, 2, 898 (1992).

считать то обстоятельство, что образец IC409 с наиболее [5] J. Beerens, G. Gregoris, J.C. Portal, E.E. Mendez, L.L. Chang, узкой ямой (10 nm) также имеет высокий барический L. Esaki. Phys. Rev. B36, 9, 4742 (1987).

[6] S. Holmes, W.T. Yuen, T. Malik, S.J. Chang, A.G. Norman, коэффициент.

R.A. Stradling, J.J. Harris, D.K. Maude, J.C. Portal. J. Phys.

Данные для нулевого давления подтверждают сущеChem. Sol. 56, 3/4, 445 (1995).

ствование поверхностных донорных состояний, которые [7] M.E. Raikh. Solid State Commun. 75, 11, 935 (1990).

с одной стороны, поставляют избыток электронов в кван[8] M.E. Raikh, L.I. Glazman. Phys. Rev. Lett. 75, 1, 128 (1995).

товую яму [4], а с другой — ограничивают положение [9] M.S. Daly, D.M. Symons, M. Lakrimi, R.J. Nicholas, уровня Ферми под давлением, что обеспечивает моноN.J. Mason, P.J. Walker. Semicond. Sci. Techn. 11, 823 (1996).

тонное снижение концентрации электронов с давлением.

Однако количественный анализ этих результатов требует дальнейшего теоретического анализа с учетом конкретного поведения мини-зон и поверхностных донорных состояний под давлением. К сожалению, к настоящему времени надежные экспериментальные данные, полученные независимым методом (например, оптическими исследованиями), отсутствуют. Тем не менее мы считаем, что представленная совокупность экспериментальных данных позволяет утверждать, что в исследованной системе при давлениях порядка 0.6–1.0 GPa действительно имеет место переход от полуметаллического (с двумя типами носителей) к полупроводниковому режиму проводимости.




© 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.