WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 Роль слоев Al0.3Ga0.7As, легированных Si, в высокочастотной проводимости гетероструктур GaAs/Al0.3Ga0.7As в режиме квантового эффекта Холла ¶ † © И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, Ю.М. Гальперин, = = В.В. Преображенский, А.И. Торопов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия † Университет Осло, Норвегия, и Аргоннская Национальная Лаборатория, США = Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 17 ноября 2003 г. Принята к печати 17 ноября 2003 г.) С помощью акустических методов исследована комплексная высокочастотная проводимость гетероструктур GaAs/Al0.3Ga0.7As, - и модулированно легированных Si, в режиме целочисленного квантового эффекта Холла. По зависимостям поглощения и скорости поверхностных акустических волн от магнитного поля определены как активная 1, так и реактивная 2 части комплексной проводимости (, H) =i - i2.

Показано, что в гетероструктурах с электронной концентрацией ns =(1.3-7) · 1011 см-2 и подвижностью µ =(1-2) · 105 см2/(В · с) ВЧ проводимость вблизи центров холловских плато является прыжковой.

Установлено, что при факторах заполнения 2 и 4 проводимость слоя Al0.3Ga0.7As Si существенно шунтирует прыжковую ВЧ проводимость двумерного интерфейсного слоя. Разработан метод разделения вкладов в прыжковую проводимость (, H) от интерфейсного слоя и слоя Al0.3Ga0.7As Si. Определена длина локализации электронов в интерфейсном слое на основе модели одноэлектронных прыжков на ближайший узел. Показано, что в гетероструктурах GaAs/Al0.3Ga0.7As вблизи центров холловских плато как (, H), так и ns зависят от скорости охлаждения образца. В результате образец „помнит“ условия охлаждения.

Величины (, H) и ns чувствительны также к инфракрасному облучению и к статической деформации образца. Мы связываем эти факты с присутствием в слое Al0.3Ga0.7As Si двухэлектронных дефектов — так называемых DX--центров.

1. Введение ствием этой волны с электронами в гетероструктуре, то можно определить комплексную высокочастотную ac Исследования компонент магнитосопротивления на (ВЧ) проводимость xx () =1() - i2() на частоdc dc постоянном токе, xx и xy, и вычисленной из них прово- те, причем как мнимую, так и действительную чаdc сти отдельно. Как показал Эфрос [3], в структуре с димости xx в гетероструктурах с квантовым эффектом Холла показали, что в магнитных полях, соответству- двумерной прыжковой проводимостью 2() 1(), причем 1() 3. Здесь — длина локализации ющих холловским плато при малых четных факторах dc dc заполнения, величины xx, xx экспоненциально ма- электронов. Если прыжки между локализованными в двумерном слое электронными состояниями дают главлы [1]. Принято считать, что это связано с локализацией ac ный вклад в xx (), то по измеренной комплексной носителей тока в случайном потенциале, образованном проводимости можно определить длину локализации в заряженными примесями, отделенными от двумерного интерфейсного слоя нелегированным слоем — спей- двумерном интерфейсном слое вблизи середин холловских плато. В этом и состояла наша первоначальная сером. Если проводимость осуществляется прыжками электронов между локализованными состояниями, то задача.

для осуществления проводимости на постоянном токе После проведения ВЧ измерений в большом количеэлектрон должен пройти через весь образец вдоль стве гетероструктур GaAs/Al0.3Ga0.7As [4], модулированкластера примесных атомов. В то же время для осуще- но и -легированных кремнием, оказалось возможным ствления проводимости на переменном токе электрон сделать следующие выводы.

может прыгать лишь внутри так называемых близких 1. В магнитных полях, соответствующих серединам ac пар [2]. Поэтому проводимость на переменном токе холловских плато, величина xx при T = 1.5-4.2K, как оказывается больше проводимости на постоянном токе, и ожидалось, оказалась конечной.

ac dc |xx ()| >xx.

2. В этом случае наблюдалось, что 2() 1().

Если одновременно измерять поглощение акустичеЭто, согласно [3], свидетельствует о прыжковом харакской поверхностной волны (ПАВ) с частотой и тере ВЧ проводимости.

изменение ее скорости V, связанные с взаимодей3. В то же время длина локализации электронов, ¶ вычисленная из экспериментальной ВЧ проводимости, E-mail: Irina.L.Drichko@mail.ioffe.ru Fax: (812)5156747 оказалась слишком большой — порядка 10-5 см. Такое 730 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, Ю.М. Гальперин, В.В. Преображенский, А.И. Торопов большое значение выходит за рамки применимости „двухузельной“ модели [2], на которой основано ее вычисление [4]. Кроме того, в работе [4] мы не наблюдали зависимостей 1 и 2 и соответственно от магнитного поля вблизи = 2. Результаты этого эксперимента противоречили данным, полученным в работе [5], где определялась из измерений на постоянном токе в режиме прыжковой проводимости. Эксперимент [5] демонстрировал очень сильную зависимость длины локализации от магнитного поля вблизи = 2.

Все эти факты привели нас к заключению, что наблюдаемая ВЧ прыжковая проводимость, по-видимому, обусловлена проводимостью не только по интерфейсному слою, но и по параллельным ему слоям. При этом в наших многослойных гетероструктурах шунтирующим является, по-видимому, слой Al0.3Ga0.7As, легированный кремнием, поставляющий носители тока в интерфейсный канал.

Известно (см., например, [6]), что в сплаве Al0.3Ga0.7As Si кремний образует дефекты, называемые DX--центрами. С этими центрами обычно связывают наблюдаемые в этих материалах эффекты: замороженной фотопроводимости [7], различия в энергиях термической и оптической активации, увеличения подвижности носителей в двумерном интерфейсном слое, возникающем в результате эффектов корреляции в расположении заряженных примесей [8].

Для определения роли слоев Al0.3Ga0.7As Si в ВЧ проводимости многослойной гетероструктуры GaAs/Al0.3Ga0.7As при малых факторах заполнения естественно было провести измерения акустоэлектрических эффектов при внешних воздействиях. В качестве таких воздействий использовались облучение инфракрасным светом, деформация, а также разные способы охлаждения образца до T = 4.2 K, так как именно они влияют на электронную конфигурацию DX--центров и соответственно на проводимость изучаемой системы.

Здесь необходимо подчеркнуть, что в имеющейся обширной литературе по DX--центрам в пленках Al0.3Ga0.7As Si и гетероструктурах GaAs/Al0.3Ga0.7As исследовалось в основном их влияние на статическую проводимость делокализованных электронов. В настоящей работе изучается влияние внешних воздействий, а соответственно и состояния DX--центров, на ВЧ проводимость в магнитном поле в условиях локализации Рис. 1. a — схема акустического эксперимента, b —струкносителей тока, т. е. на ВЧ прыжковую проводимость.

тура -легированного кремнием образца с ns = 1.5 · 1011 см-2, Анализ экспериментальных данных проводится в c — структура модулированно легированного образца с магнитных полях, соответствующих окрестностям ns = 2.4 · 1011 см-2.

малых четных факторов заполнения. Работа по существу обобщает результаты исследований [4,9–11].

тероструктура прижималась пружиной к поверхности 2. Эксперимент диэлектрика — ниобата лития, LiNbO3, —по которой распространялась пьезоактивная поверхностная акусти2.1. Методика измерений ческая волна (ПАВ) (рис. 1, a). Электрическое поле, Методика эксперимента подробно описана в рабо- сопровождающее волну деформации и изменяющееся те [12], здесь же только отметим, что изучаемая ге- во времени с частотой ПАВ, проникает в двумерный Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Роль слоев Al0.3Ga0.7As, легированных Si, в высокочастотной проводимости гетероструктур... слой. Взаимодействуя с электронами, волна вызыва- Поглощение и относительное изменение скорости ПАВ V /V связаны с комплексной проводимостью [4]:

ет электрические токи, а следовательно, и джоулевы потери. В результате амплитуда волны уменьшается, Kа ее скорость — изменяется. Важно, что при та [дБ/см] =8.кой постановке эксперимента механическая связь меж41t(q)/sV ду пьезокристаллом и образцом отсутствует и ПАВ qA, используется лишь для введения переменного элек- [1 + 42t(q)/sV ]2 +[41t(q)/sV ]трического поля в образец без электрических конA = 8b(q)(1 + 0)0s exp[-2q(a + d)], тактов.

В настоящей работе измерялись коэффициент по- V K2 [1 + 42t(q)/sV ] = A, (1) глощения и изменение скорости ПАВ V /V, чаV 2 [1 + 42t(q)/sV ]2 +[41t(q)/sV ]стотой f = /2 =(30-150) МГц в магнитных по-b(q) = b1(q)[b2(q) - b3(q)], лях до 7 Тл, при T = 4.2 и 1.5 K, в гетероструктурах GaAs/Al0.3Ga0.7As, выращенных методом t(q) =[b2(q) - b3(q)]/[2b1(q)], молекулярно-лучевой эпитаксии и легированных разb1(q)=(1 + 0)(s + 0)- (1 - 0)(s - 0) exp(-2qa), ным способом. Гетероструктуры, -легированные кремнием, имели концентрацию электронов в двумерb2(q)=(1 + 0)(s + 0) +(1 + 0)(s - 0) exp(-2qd), ном слое ns (1.4-4) · 1011 см-2, подвижность µ b3(q) =(1 - 0)(s - 0) exp(-2qa) 1.5 · 105 см2/(В · с), в то время как структуры, модулированно легированные кремнием, имели кон+(1 - 0)(s + 0) exp[-2q(a + d)], центрацию ns (2.4-7) · 1011 см-2 и подвижность где K2 — константа электромеханической связи LiNbO3, µ (0.4-1.2) · 105 см2/(В · с). Значения ns и µ опредеq и V — волновой вектор и скорость ПАВ соответственлялись из звуковых измерений [13]. Структура образцов но, 1, 0 и s — диэлектрические постоянные ниобата представлена на рис. 1, b, c. Как видно из рисунка, лития, вакуума и арсенида галлия соответственно, a — гетероструктуры являются многослойными системами, расстояние между диэлектриком и изучаемой гетеров которых интерфейсный канал расположен на расстояструктурой, d — глубина залегания двумерного слоя [4], нии d от края образца.

ac xx = 1 - i2. Использование этих формул дает возГлубина проникновения электрического поля ПАВ можность определять из экспериментально измеренных в диэлектрическую часть структуры порядка q-1, где величин и V /V значения 1 и 2.

q = /V — волновой вектор ПАВ. Для интерпретации результатов эксперимента важно, что эта глубина 2.2. Зависимость от процедуры охлаждения в изученной частотной области гораздо больше расстояния между интерфейсным слоем и легированной Особенностью акустической методики является необобластью AlGaAs. Поэтому измеренная высокочастот- ходимость работать в вакууме или в разреженном газе, ac так как при работе в жидкости происходит сильное ная (ВЧ) проводимость xx () является эффективной поглощение ПАВ жидкостью. Для охлаждения образца, проводимостью параллельно соединенных интерфейснонаходившегося на холодопроводе, до температуры 4.2 K го и легирующего слоев. При определении этой веиспользовался обменный газ (разреженный газ He4 с личины из экспериментально измеренных поглощения давлением 0.1ммрт. ст.), который впускался в камеру и скорости ПАВ система из интерфейсного и легис образцом после предварительной ее откачки. При этом рующего слоев моделируется одним слоем с эффексама камера находилась в жидкости He4, которую можно тивной комплексной проводимостью xx(). При этом было откачивать. Кроме того, перед заливкой жидкого диэлектрические постоянные слоев GaAs и AlGaAs гелия сверхпроводящий соленоид обычно предварительпредполагаются равными между собой и составляют но охлаждался жидким азотом.

s = 12, а эффективная диэлектрическая постоянная Если обменный газ впускался в камеру с образцом LiNbO3 1 предполагается равной 50. Вакуумный зазор при комнатной температуре и производилось медленное между гетероструктурой и пластиной LiNbO3 a опре(порядка 1.5–2ч) охлаждение дьюара, в котором находиделяется неровностью образца и пластины диэлектрика.

лась камера, током холодного газа He4, то слив жидкого Величину a трудно контролировать в эксперименте, и гелия в дьюар начинался при температуре образца T0, она является подгоночным параметром. Ее значение не превышающей 7–8 K. Такой способ охлаждения мы можно определить в той области магнитных полей, где называем медленным. Для изменения способа охлаждеэлектроны делокализованы и ВЧ проводимость можния камера с образцом откачивалась, а дьюар, в котором но считать не зависящей от частоты. Для различных находилась эта камера, заполнялся жидким гелием. При установок образца эти значения находятся в области этом температура образца T0 была выше температуры (1-5) · 10-5 см. жидкого гелия и зависела от степени откачки. После Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 732 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, Ю.М. Гальперин, В.В. Преображенский, А.И. Торопов Рис. 2. a — зависимости и V /V от магнитного поля H;

b — зависимости 1 и 2 от H. Образец с ns 1.5 · 1011 см-2;

f = 30 МГц, T = 1.5 K, медленное охлаждение.

Рис. 4. Зависимости от T0: a — 1 и 2, b — ns при = 2.

Образец с ns 1.5 · 1011 см-2; T = 4.2K, f = 30 МГц.

слива жидкого гелия в дьюар в камеру впускался обменный газ, в результате чего в течение 5–10 мин образец охлаждался от T0 до T = 4.2 K. Самая высокая температура, от которой осуществлялось быстрое охлаждение, была T0 77 K. Охлаждение образца до T = 1.5K всегда осуществлялось откачкой жидкого гелия в дьюаре до давления 5–6ммрт. ст. в течение 40–60 мин.

Рис. 3. Зависимости 1 от магнитного поля H вблизи = для разных значений температуры закалки T0. Образец с На рис. 2, a представлены экспериментальные зависиns 1.5 · 1011 см-2; f = 30 МГц, T = 4.2K.

мости и V /V (медленное охлаждение) от магнитного Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Роль слоев Al0.3Ga0.7As, легированных Si, в высокочастотной проводимости гетероструктур... поля H при T = 1.5 K, из величин которых вычислены (T = 4.2K, f = 30 МГц). Из рисунка видно, что значе1(H) и 2(H), представленные на рис. 2, b для образца, ния 1 в минимумах при последовательных кратковре-легированного кремнием GaAs/AlGaAs. Надо заме- менных (короче 10 с) актах облучения уменьшаются и тить, что в магнитных полях, соответствующих малым достигаются в разных магнитных полях, что свидетельцелым четным факторам заполнения, когда электроны ствует об изменении ns.

локализованы, 2 1, а в магнитных полях, соотНа рис. 6 представлены характерные зависимости ветствующих полуцелым факторам заполнения, когда и 2 от соответствующей концентрации ns, полученные электроны делокализованы, 2 = 0.

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.