WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 7 УДК 621.315.592 Ванье-штарковская локализация в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния Обзор © В.И. Санкин¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 24 декабря 2001 г. Принят к печати 24 декабря 2001 г.) Приведены результаты исследования политипов карбида кремния в сильных электрических полях. Показано, что наличие естественной сверхрешетки в политипах карбида кремния приводит к минизонной структуре зоны проводимости, что в свою очередь вызывает серию эффектов, а именно отрицательную дифференциальную проводимость в режиме блоховских осцилляций, электрон-фононные резонансы, локализацию нижней минизоны, резонансное туннелирование между первой и второй минизонами, дырочную монополию ударной ионизации в широкой области полей, аномально высокие поля лавинного пробоя с отрицательной температурной зависимостью напряжения пробоя и многие другие оригинальные эффекты. Заметим, что все перечисленное является составной частью единого процесса ванье-штарковской локализации, который возникает по мере возрастания средней величины электрического поля от 100 до 2900 кВ/см (максимальная величина поля в резком p-n-переходе была вдвое больше).

1. Введение ческий 3C-SiC и гексагональный 2H-SiC. Среди более сложных политипов чисто кубических и чисто гексаМеханическая твердость, стойкость в химических гональных нет. Каждый из них состоит из чередуюагрессивных средах, сохранность полупроводниковых щихся специфическим образцом слоев с кубическим свойств при высоких температурах вплоть до 1000C, и гексагональным окружением. К наиболее известным высокая теплопроводность, высокие пробивные электриполитипам относятся 4H, 6H, 8H, 15R, 21R, 27R.

ческие поля и многие другие свойства карбида кремния Число обозначает количество атомных слоев, которое хорошо и широко известны. Несмотря на то что такое содержит элементарная ячейка вдоль выделенной оси уникальное свойство карбида кремния как политипизм симметрии кристалла C, а буква определяет симметрию сейчас также широко известно, интерес к политипам элементарной ячейки: гексагональную (H) или ромбоэдSiC, как ярким представителям полупроводников со рическую (R). Отсюда видно, что размер элементарной сверхструктурой, до сих пор был весьма ограниченным.

ячейки большинства политипов вдоль оси C превосходит Практически во всех политипах, кроме основной перио- размер ячейки простейших политипов. Например, в дичности, равной постоянной решетки, можно выделить гексагональном ряду 4H, 6H, 8H он превышает размер дополнительную периодичность размером в несколько для 2H соответственно в 2, 3 и 4 раза. Чередование и даже несколько десятков постоянных решетки. Такая слоев в некоторых политипах выглядит следующим обсверхпериодичность получила название естественной разом: 4H — (hk)2, 6H — (hkk)2, 8H — (hkkk)2, 15R — сверхрешетки (ЕСР). Кроме вопроса о природе дан- (hkhkk)3, 21R — (hkkhkkk)3, 27R — (hkhkhkhkk)3.

ных сверхструктур, огромный интерес вызывает вопрос Здесь индексами h и k обозначены атомные слои о том, какое воздействие это явление оказывает на с гексагональной и кубической ориентацией, нижний электронные свойства политипов и является ли ЕСР индекс после скобок показывает, сколько раз указанальтернативой широко распространенной искусственной ная в скобках последовательность слоев повторяется в сверхрешетке (СР) GaAs–GaxAl1-xAs. Безусловно, эта элементарной ячейке. Период этой последовательности проблема является фундаментальной, но несомненно и для выше указанного ряда политипов существенно — то, что результаты такого исследования представляют в 2, 3, 4, 5, 7, 9 раз — превышает основной период большой практический интерес, поскольку речь идет кристаллической решетки соответствующего политипа о свойствах собственно кристаллов SiC, практическая и поэтому его справедливо определить как сверхпеценность которых не вызывает сомнений. С точки зрения риод, а саму сверхпериодичность как естественную кристаллической структуры естественная сверхрешетка сверхрешетку.

определяется достаточно просто. Как известно, карбид В 1928 г. Блох показал [1], что электрон, достигаюкремния представляет собой набор кристаллов (поли- щий под действием электрического поля верхнего края типов), отличающихся друг от друга кристаллической разрешенной зоны, испытывает брэгговское отражение структурой. К простейшим политипам относятся куби- и двигается в обратном направлении против поля. Теряя ¶ энергию, электрон возвращается в исходное состояние, E-mail: sankin@widegap.ioffe.rssi.ru Fax: (812) 515 6747, (812) 247 1017 после чего этот цикл повторяется. Частота блоховских 1 770 В.И. Санкин осцилляций (БО) составляет Практическое обнаружение эффектов ВШЛ возможно только при использовании сверхрешетки, обладающей = eFa/h, (1) спектром носителей заряда, состоящим из узких зон, известных как минизоны. Серьезным доказательством где F — электрическое поле, a — постоянная кристалвозникновения ВШЛ в кристалле со СР стало обнарулической решетки. Следует заметить, что для реализажение ванье-штарковских лестниц в оптических перехоции БО должно быть выполнено еще одно условие:

дах [9,10]. При этом система уровней ванье-штарковской eFl = E1, (2) лестницы в оптических переходах составляла серию где l — длина свободного пробега электрона (дырки), En = E0 + neFd, n = 0, ±1, ±2, ±3,..., (3) E1 — ширина разрешенной зоны (индекс 1 говорит о нижнем положении зоны). Отсюда видно, что в трагде E0 — энергия перехода в одной и той же яме диционных полупроводниках с их широкими зонами в с n = 0, d — период СР. Спустя некоторое время в несколько эВ, необходимые поля в среднем составят работах [11,12] методом четырехволнового смешивания величину, большую 1000 кВ/см. Поэтому для реализации были обнаружены поляризационные волны блоховских эффекта в разумных по величине полях нужны узкие осцилляций. Однако следует подчеркнуть, что сами зоны. Именно такие узкие зоны возможны в кристаллах оптические эксперименты не дают оснований для одсо сверхпериодичностью.

нозначного утверждения о реализации названных выше Интерес к системам со сверхпериодичностью возрос эффектов, а то, что они обнаруживаются с помощью в середине 60-х годов после опубликования Келдышем оптических методик, обладающих высокой чувствительработы [2], в которой предлагалась идея создания в криностью, является свидетельством низкой интенсивности сталле с помощью акустической волны дополнительного самих эффектов. Обнаружение ОДП в соответствующих потенциала с периодом, существенно превышающим указанным эффектам условиях несомненно стало бы бопостоянную решетки кристалла, т. е. сверхпериодом, что лее весомым аргументом в объективном доказательстве в свою очередь приведет к расщеплению непрерывной и их существования.

широкой зоны в последовательность узких зон или миПринципиальная возможность получения ОДП, свянизон. Приложение сильного электрического поля к тазанной с индуцированной полем локализацией, на искуской системе индуцировало бы режим брэгговского отраственной СР была показана Есаки и Тсу (ET) [4]. Данный жения электронов и электронной локализации, носящей эффект возникает в том случае, когда разогретый элекназвание ванье-штарковской локализации (ВШЛ) [3], и, трическим полем электрон попадает в ту часть зонного как следствие, возникновение отрицательной дифференспектра, где эффективная масса отрицательна. Обычно циальной проводимости (ОДП). Можно утверждать, что эта область близка к верхнему краю минизоны, но не идея Келдыша стимулировала создание искусственных доходит до края минизоны. Появление работы [4] может сверхрешеток [4] на основе последовательности гетеросчитаться началом широкого изучения проблемы ваньепереходов, которые и по сей день являются объектом штарковского квантования в искусственных СР.

многочисленных исследований, главной задачей которых Лишь спустя 20 лет после начала исследований появлялось и является обнаружение ОДП. К сожалению, явились работы [13–15], результаты которых, по мнению на сегодняшний день эта задача практически остается их авторов, свидетельствовали о наблюдении эффекта не решенной. С тех пор проблема ВШЛ достаточно ОДП по механизму, предложенному в [4]. В частности, широко обсуждалась в научных публикациях. Нетрудно в [13,14] приведено подробное доказательство того, что соединить в одно целое по физической сути явление наблюдаемые эффекты не связаны с ВШЛ. Но уже ванье-штарковского квантования и БО.

в [16] были проведены оптические и транспортные В некоторых работах, например в [5], ставится под эксперименты на одинаковых СР, где утверждались, что сомнение корректность решения Ванье, приводящего к ВШЛ и эффекты ОДП по физической сути идентичны.

ВШЛ, так как в его модели было применено однозонное К сожалению, количественно и качественно результаприближение, не учитывающее возможности смешиваты [13–15] не находились в согласии между собой и в ния состояний различных зон электрическим полем.

дальнейшем не получили широкого развития.

В работе [6] показано, что и при учете межзонного туннелирования ВШЛ сохраняется, однако эта работа Проблема электронного транспорта в сильных элеки сама вызвала активную полемику [7]. В настоящее трических полях в системе ЕСР политипов карбида время этот диспут продолжается [8], что говорит о кремния впервые стала предметом исследований в расложности теоретического решения данной проблемы и ботах, которые будут обсуждаться далее. Таким обо необходимости экспериментальных данных по всему разом, весьма актуальная проблема, не разрешенная спектру связанных с ней вопросов. Следует отметить, на искусственных СР, обязательно должна была стать что большой практически интерес к экспериментальным предметом исследования на ЕСР политипов SiC, хотя результатам в этой области обусловлен принципиальной бы потому, что в структурном совершенстве ЕСР имеют возможностью получения ОДП, очень важной для мно- неоспоримые преимущества перед искусственными СР, гих приложений. в частности, благодаря отсутствию интерфейсов. ТехноФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Ванье-штарковская локализация в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния... логически задача создания экспериментальных структур 2.1. Измерение ударной ионизации на SiC в своей основе сводится к росту качественных в политипах карбида кремния эпитаксиальных не гетеро-, а гомослоев, положительный Исследование УИ проводилось с помощью методики опыт в решении которой был накоплен и в России, и фотоумножения [17]. На образец с p-n-переходом наза рубежом. Результатами данной работы должны были правлялся свет с энергией 3.2-4.0 эВ перпендикулярно стать ответы на весьма принципиальные физические плоскости p-n-перехода. Структура p-n-перехода была вопросы — существует ли ВШЛ в кристаллах, реализурезкой и асимметричной P+-N или P+-N-N+, где ются ли экспериментально режимы БО, ЕТ или другие P+ —сильно легированная до Na - Nd 1021 см-3 дыявления, предсказанные теоретически, является ли ЕСР рочная область, N — электронная область, легированная в SiC существенным фактором или некой уникальностью на 3–4 порядка слабее, и N+ — сильно легированная дальнего порядка, не оказывающей существенного влияэлектронная область с Nd - Na 1021 см-3. В качестве ния на электронные свойства. Естественно, ожидаемым контактов использовались напыленный при T = 850 K результатом этих работ должны были стать и новые данAl ивожженныйприT = 1300 K Ni. Экспериментальные ные, важные для принятия приборных решений. Именно образцы изготавливались в виде меза-структур диаметэтим обстоятельством объясняется то, что изучение ром 200-400 мкм.

транспорта горячих носителей в политипах карбида К образцу подводилось обратное смещение, с увеличекремния началось с исследования процессов ударной нием которого росло и поле в p-n-переходе. Для устраионизации и электрического пробоя, крайне важных для нения пробоя по боковой поверхности меза-структуры практической сферы. С принципиальной точки зрения производилась обработка этой поверхности протонами с эти работы являлись поистине пионерскими, поскольку энергией 30-150 кэВ [18]. Наведенный фототок в поле в то время не существовало ни теоретических, ни экспеp-n-перехода умножается вследствие УИ. В процессе риментальных данных о влиянии ВШЛ на указанные эксперимента определялся коэффициент умножения M процессы в полупроводниках со СР. Крайне интересной как отношение умноженного фототока к фототоку без представлялась проблема ударной ионизации и элекумножения. Поскольку диффузионная длина дырок и трического пробоя в политипах SiC с точки зрения электронов не превышала 0.3 мкм [19], а ширина p-n-пеналичия в них ЕСР. Очевидно, что с точки зрения рехода была примерно такой же, раздельное измереВШЛ, как процесса, протекающего в широком диапазоне ние дырочного и электронного коэффициентов умножеполей, это исследование естественным образом отрания M и Mn в такой системе невозможно. Соотношения p жало область максимальных полей. Следует признать, коэффициентов ионизации электронного и дырочночто обнаружение столь всеобъемлющего влияния ЕСР го неизвестны, поэтому для их оценки используем на ударную ионизацию и электрический пробой бывыражения, пригодные для крайних случаев [17]:

ло достаточно большой неожиданностью. Это влияние 1) =, не только радикально изменило характер указанных Fm dM процессов, до сих пор считавшихся стандартными во () = ; (4) M2Xm dFm всех известных полупроводниках, но и выразилось в 2) или = 0, возникновении совершенно новых эффектов, в частности многошнурового расслоения лавинного тока. Интересно, Fm dM что в тех же кристаллах, но в направлении, перпендику- () = ·, (5) MXm dFm лярном оси ЕСР, характер этих процессов не отличается от остальных полупроводников.

где Fm —максимальное поле в p-n-переходе, Xm —ширина p-n-перехода. Для определения Fm и Xm снимались зависимости емкости от напряжения C(V ). Величина контактного потенциала составила Vb = 2.7-2.9В.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 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.