WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 6 Неомическая проводимость при переходе от слабой к сильной локализации в структурах GaAs / InGaAs с двумерным электронным газом ¶ © А.А. Шерстобитов, Г.М. Миньков, О.Э. Рут, А.В. Германенко, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, А.А. Бирюков НИИ физики и прикладной математики при Уральском государственном университете им. А.М. Горького, 620083 Екатеринбург, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 18 сентября 2002 г. Принята к печати 30 октября 2002 г.) Приведены исследования зависимостей проводимости от температуры и напряженности электрического поля в широком диапазоне значений проводимости (от e2/ до e2/ ) на структурах GaAs / InGaAs / GaAs с двумерным электронным газом. Показано, что температурная зависимость омической проводимости не является достаточным критерием для определения механизма проводимости. Исследования неомической проводимости дают возможность определить диапазон значений низкотемпературной проводимости, когда диффузионный механизм проводимости сменяется прыжковым. Показано, что в исследованных структурах при увеличении беспорядка проводимость остается диффузионной вплоть до значений низкотемпературной проводимости, много меньшей, чем e2/.

Увеличение степени беспорядка () или уменьше- температурная зависимость проводимости в двумерном ние уровня Ферми (EF) приводит при низких тем- случае должна описываться следующим выражением:

пературах к изменению механизма проводимости: от диффузионной проводимости электронов при EF/ > 1 (T ) =0/G0 + ln(0/G0) к прыжковой — при EF/ < 1. Этот переход достаточно - (T )/G0 + ln (T )/G0 = K ln(T ), (1) просто установить в трехмерных системах [1]. Ситуация в двумерных (2D) системах существенно сложнее, погде G0 = e2/, K — коэффициент. При больших знаскольку в этом случае при диффузионной проводимости чениях проводимости G0 зависимость (1) пеотносительное значение квантовых поправок к провореходит в обычную логарифмическую зависимость димости значительно больше, они отрицательны и их увеличение при уменьшении температуры может при- 0 - (T ) ln(T ) [4].

водить к уменьшению проводимости (T ) до значений Принято считать, что переход к прыжковой промного меньших друдевской проводимости 0 = G0kFl, водимости происходит, когда проводимость становится G0 = e2/( ) =1.23 · 10-5 Ом-1, kF — квазиимпульс на меньше величины G0 и появляется достаточно сильная уровне Ферми, l — длина свободного пробега. В этих температурная зависимость сопротивления вида условиях наблюдается сильная температурная зависимость (T ) даже при диффузионном механизме прово = 0(T)m exp(T0/T ), (2) димости. Этот режим проводимости мы будем называть режимом слабой локализации, несмотря на то что зна- где 0 — постоянная, зависящая от параметров образца, чение поправок сравнимо с друдевской проводимостью.

m = 0-1, а показатель степени равен 0.3 или 0.5, Ясно, что увеличение степени беспорядка рано или в зависимости от соотношения между кулоновской поздно приведет к смене механизма проводимости — щелью и kBT. Насколько нам известно, именно эти к переходу к прыжковой проводимости (режим сильной критерии использовались во всех работах в качестве локализации), однако значения параметров, при которых аргументов, подтверждающих прыжковый механизм пропроисходит такой переход, достоверно не известны.

водимости [5,6].

В режиме слабой локализации при низкой темпеВ данной работе показано, что анализ лишь темпераратуре основной вклад в температурные и полевые турной зависимости проводимости не дает возможности зависимости дают квантовые поправки к проводимости.

однозначно определить условия, при которых происхоКогда величина kFl не очень велика, они при достаточно дит переход от диффузионной к прыжковой проводимонизкой температуре могут быть сравнимы с величисти. Однако дополнительную информацию можно полуной самой проводимости и таким образом приводить чить из исследования нелинейных эффектов в сильном к сильной зависимости (T ) [2]. В этом случае, согласэлектрическом поле. В частности, в работе показано, но самосогласованной теории слабой локализации [3], что механизм проводимости остается диффузионным до ¶ E-mail: grigori.minkov@usu.ru весьма малых значений проводимости порядка 0.1G0.

Неомическая проводимость при переходе от слабой к сильной локализации в структурах... В данной работе исследована проводимость структур GaAs / InGaAs / GaAs с двумерным электронным газом при температуре 1.5-10 K, в сильных электрических полях E до 10 В / см. Образцы были выращены методом металлоорганической газовой эпитаксии и имели следующую структуру: на полуизолирующей подложке GaAs выращены буферный слой чистого GaAs толщиной 200 нм, квантовая яма InGaAs (8нм) с концентрацией индия 20% и покрывающий слой чистого GaAs (200 нм). С обеих сторон от квантовой ямы на расстоянии 9 нм были расположены легирующие -слои кремния. В данной работе рассмотрены три образца с различным уровнем легирования. Значения темновой проводимости при температуре 1.5 K и концентрация составляют соответственно:

= 10-4G0, n 1011 см-2; = 2G0, n = 1.4 · 1011 см-2;

= 20G0, n = 3 · 1011 см-2. Измерения проводились на постоянном токе, на холловских мостиках шириной b = 0.5 мм и с расстоянием между потенциальными контактами L = 1 мм. Сопротивление образцов изменялось при помощи подсветки. При этом эффект замороженной фотопроводимости позволял плавно менять проводимость в интервалах (10-4-20)G0, (2-30)G0, (20-100)G0 при 1.5 K для трех исследованных образцов соответственно. Оценки показывают, что во всем диапазоне исследований электрическое поле E не приводит Рис. 1. Температурные зависимости проводимости при разк разогреву решетки.

личной степени засветки, рассчитанные в соответствии с (1).

Температурная зависимость (T ) в соответствии Значения проводимости при T = 1.5K /G0: 1 —4 · 10-5, с выражением(1) представлена на рис. 1. Видно, что при 2 —4.5, 3 — 20.5, 4 —30.

проводимости > 10G0, когда проводимость бесспорно является диффузионной, наклон K зависимости (T ) от ln T близок к 1.5. Этот наклон соответствует суммарному вкладу интерференционной поправки и поправки за счет электрон-электронного взаимодействия [2,4].

Однако такая зависимость (T ) и наклон сохраняются до весьма малых значений проводимости 0.01G0, и только при дальнейшем уменьшении проводимости величина K начинает расти (см. далее). Параметром, характеризующим состояние образца, будем считать величину проводимости при температуре 1.5 K. Конечно, лучше использовать более физический параметр, например величину kFl, но при низких величинах проводимости возникает значительная ошибка в ее определении. Из качественного согласия эксперимента с теоретической зависимостью (1) можно было бы сделать вывод о том, что механизм проводимости везде остается диффузион- -0.Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления от T ным и только при самых низких значениях проводимопри различной степени засветки. Проводимость при 1.5K сти, где увеличивается наклон K, начинается переход /G0: 1 — 4.5, 2 — 0.7, 3 — 3 · 10-2, 4 — 1.5 · 10-3, к прыжковому механизму.

5 —4 · 10-5.

Однако если рассмотреть эти же данные с точки зрения прыжковой проводимости, то видно, что вывод о типе проводимости сделать не так просто. Перестроим как в большинстве работ по прыжковой проводимости температурные зависимости при значениях проводимов 2D случае. Как видно из рис. 2, экспериментальсти, меньших 10G0, в масштабе: логарифм сопротивле ные данные прекрасно спрямляются в этом масштабе, ния от T в соответствии с выражением (2). Надежно определить значение в не очень широком интерва- т. е. описываются также и с точки зрения прыжковоле температур невозможно, и оно взято равным 0.33, го механизма проводимости. Во всех известных нам Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 732 А.А. Шерстобитов, Г.М. Миньков, О.Э. Рут, А.В. Германенко, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, А.А. Бирюков работах [5,6] это являлось единственным критерием прыжкового механизма проводимости и, как показано выше, весьма неоднозначным. Следует отметить, что, как и в большинстве этих работ, точка экстраполяции значений к T =, т. е. величина 0 в формуле (2), в широком диапазоне проводимостей не зависит от параметров образца. Такая универсальность величины противоречит общепринятой теории прыжковой проводимости [1]. Для качественного объяснения универсальности 0 был предложен нефононный механизм прыжковой проводимости — electron-electron interaction assistant hopping conductivity [6,7]. И только при самой низкой проводимости < 10-3G0 точка экстраполяции начинает расти в соответствии с предсказанием общепринятой теории прыжковой проводимости.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики (T = 1.5K) для обТаким образом, приведенные результаты показывают, разцов с проводимостью /G0: a — 20.5, b — 3 · 10-2, что в диапазоне значений низкотемпературной проводиc —4 · 10-5.

мости (4-10-4)G0 температурная зависимость проводимости хорошо описывается как в рамках прыжкового, так и диффузионного механизмов проводимости, так что однозначно установить механизм проводимости по зависимостям (T ) нельзя.

Рассмотрим изменение проводимости с ростом электрического поля E. В наших условиях „узким местом“ при передаче энергии от электронной системы к термостату является электрон-фононное взаимодействие.

При этом, если скорость передачи энергии внутри электронной системы больше скорости передачи энергии от электронной системы к термостату, в электронной системе устанавливается новая функция распределения с эффективной электронной температурой Te. Оценки показывают, что в наших условиях время установления равновесия в электронной системе на несколько порядков меньше характерного времени электрон-фононного взаимодействия. При низких температурах, в диффузионном режиме проводимость зависит только от темРис. 4. Сопоставление зависимостей проводимости от температуры электронной системы Te, поэтому, сравнивая пературы Te и от приложенной к образцу мощности P при зависимости проводимости от температуры и электри- T = 1.5 K. Стрелками показаны оси, к которым относятся ческого поля, можно восстановить зависимость Te от кривые. Пунктирные прямые демонстрируют способ определения Te. Штрихпунктирная — значение проводимости в слабом приложенного электрического поля или мощности на электрическом поле при T = 1.5K.

единицу площади образца P = UI/S, где U —падение напряжения на потенциальных контактах, I — ток через образец, а S = Lb. В стационарных условиях мощность P равна скорости релаксации энергии электронов, которая проводимость. Рассмотрим сначала состояние с большой для различных механизмов взаимодействия с фононами проводимостью > 10G0. В этом случае, как показырассчитывалась в работах [8,9]. В области прыжковой вают подробные исследования квантовых поправок [2], проводимости зависит не только от Te, но и от проводимость бесспорно является диффузионной. При температуры решетки T. Кроме того, появляется новый kBT EF (что выполняется во всех исследованных механизм изменения проводимости с ростом электриструктурах) температурная зависимость проводимости ческого поля — ударная ионизация. Поэтому, если определяется квантовыми поправками, т. е. проводимы будем одинаково обрабатывать экспериментальные мость зависит только от Te, но не от температуры решетзависимости (T ), (E), начиная с диффузионной обки T. Тогда, как показано на рис. 4, сопоставляя зависиласти, в точке перехода к прыжковой проводимости мости проводимости от температуры и от приложенной зависимость P(Te) должна существенно измениться.

мощности P, можно определить зависимость мощности, Исходные вольт-амперные характеристики для трех различных значений проводимости представлены на необходимой для разогрева электронной системы до рис. 3. Видно, что нелинейность тем сильнее, чем ниже температуры Te при фиксированной температуре решетФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Неомическая проводимость при переходе от слабой к сильной локализации в структурах... териала, а значение = 3 или 5 в зависимости от соотношения между волновым вектором тепловых поперечных фононов и длиной экранирования [8,9]. На вставке к рис. 5 показана мощность, необходимая для разогрева электронов до температуры Te, в зависимости от (Te3 - T ). Видно, что экспериментальные данные хорошо описываются при = 3. Такое же значение было получено в работе [10] при исследовании гетероструктур GaAs / AlGaAs. Отметим, что экспериментально определенное значение меньше теоретического.

Возможно, это связано с особенностями фононного спектра в напряженной решетке, из-за несовпадения решеток GaAs и InGaAs. В данной работе мы не будем количественно обсуждать скорость релаксации энергии в области диффузионной проводимости, а рассмотрим Рис. 5. Зависимости мощности, необходимой для разогрева электронной системы, от температуры Te при различ- лишь зависимость P от величины низкотемпературной ном уровне засветки. Проводимость для каждой кривой при проводимости (т. е. от степени беспорядка).

T = 1.5K /G0: 1 —4 · 10-5, 2 —1.5 · 10-3, 3 —3.1 · 10-2, Рассмотрим влияние сильного электрического поля 4 — 0.73, 5 — 20.5. На вставке — зависимость P от Te3 - T при меньших значениях проводимости. Зависимости Te для образца с проводимостью (1.5K)/G0 = 20.5.

от P для всех значений проводимости были определены описанным ранее способом. Проанализируем зависимость мощности P( Te, ), необходимой для разогрева электронов на некоторое фиксированное значение Te = Te - T = 0.5 K, в зависимости от величины проводимости (рис. 6). Видно, что в диапазоне проводимостей от 100G0 до 10G0, где проводимость бесспорно является диффузионной [2], зависимость P(0.5, ) слабо зависит от величины проводимости. Обратим внимание, что величина P(0.5, ) мало изменяется и при дальнейшем уменьшении /G0 вплоть до значений 0.1.

Как видно из рис. 6, резкое уменьшение P(0.5, ) наблюдается при /G0 < 0.01. Аналогичный излом на зависимости P( ) при = (0.1-0.01)G0 наблюдается и при других значениях Te, T. Уменьшение P(0.5, ) может быть связано с переходом к прыжковой проводимости. В этом случае сильное электрическое поле Рис. 6. Зависимость мощности, необходимой для разоприводит не только к изменению Te, но и к росту конценгрева электронной системы на Te = 0.5 K при температутрации свободных носителей за счет ударной ионизации ре T = 1.5 K, в зависимости от (T = 1.5K). 1–3 —наши локализованных электронов, что и должно привести данные, 4 — из статьи [6]. На вставке — зависимость 0 и K к уменьшению P( ), определенной таким методом. Друот (T = 1.5K).

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.