WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 7 Отрицательная дифференциальная проводимость и блоховские осцилляции в естественной сверхрешетке политипа 8H карбида кремния © В.И. Санкин, А.А. Лепнева Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 января 2000 г. Принята к печати 14 января 2000 г.) Исследованы особенности электронного транспорта в сильных электрических полях в гексагональном политипе 8H-SiC, обусловленные наличием естественной сверхрешетки в структуре кристалла и связанные с периодическим потенциалом минизон в электронном спектре. Показано, что в этом политипе, как и в ранее исследованных политипах 6H- и 4H-SiC, наблюдается отрицательная дифференциальная проводимость, обусловленная эффектом блоховских осцилляций.

Введение показана в [3]. Пороговое поле ее возникновения Ft определяется как eFtd > / (1) Карбид кремния (SiC), как известно, представляет интерес прежде всего благодаря таким физическим и — критерий Есаки–Тсу, химическим свойствaм, как твердость, химическая стойкость в агрессивных средах, сохранение полупроводни- eFtd > 2 / (2) ковых характеристик при высоких температурах вплоть — критерий блоховских осцилляций.

до 1000C, высокая теплопроводность, большие проЗдесь и — соответственно постоянная Планка и бойные поля и многим другим. Наибольший интерес, время рассеяния электронов, d — период СР. Критерии однако, вызывает существование политипов в виде раз(1) и (2) означают, что ОДП, связанная с этими эффекличных кристаллов SiC с большими и очень большими тами, возникает тогда, когда частота осцилляций eFtd/ размерами элементарной ячейки, или так называемых или eFtd/2 превышает частоту рассеяния.

сверхструктур. Практически во всех политипах кроме В эффектах, рассмотренных выше, [3] штарковская основной периодичности, соответствующей постоянной энергия eFd еще настолько мала, что квазинепрерыврешетки, можно выделить дополнительную с периодом ность первой минизоны сохраняется, т. е. на ее ширине в несколько единиц и даже несколько десятков поукладывается много штарковских уровней.

стоянных решетки. Такая сверхпериодичность получиМожно утверждать, что эта идея стимулировала сола название естественной сверхрешетки (СР). Кроздание искусственных СР на основе последовательности ме вопроса о природе сверхструктур, огромный интегетеропереходов, которые и по сей день являются объекрес вызывает вопрос о том, какое влияние сверхпетами многочисленных исследований. Однако главной зариодичность оказывает на электронные свойства кридачей этих работ являлось и является обнаружение ОДП, сталлов. Безусловно, эта проблема является фундаменчто, к сожалению, на сегодняшний день практически не тальной, но несомненно и то, что результаты такоудалось осуществить. Естественно, что эта же задача го исследования представляют большой практический является центральной при исследовании транспортных интерес, поскольку речь идет о свойствах кристалсвойств естественных СР в политипах SiC в сильных лов SiC, практическая ценность которых не вызывает электрических полях. В данном случае речь пойдет о сомнений.

таких явлениях, как брэгговское отражение, блоховские Интерес к системам с кристаллической сверхпериоосцилляции и других, именуемых ванье-штарковской лодичностью возник в середине 60-х годов после опубликокализацией. Результаты указанного исследования наряду вания Л.В. Келдышем работы [1], в которой предлагалась с очевидными фундаментальными аспектами, касающиидея создания с помощью акустической волны сверхмися проблемы ванье-штарковской локализации в целом, периодичности в кристалле, что должно приводить к позволили бы существенно увеличить определенность расщеплению непрерывной и широкой зоны в последовав вопросе о влиянии естественной СР на электронные тельность узких зон, или минизон. Приложение сильного свойства SiC, а именно причинно-следственной связи электрического поля F к такой системе предполагает периодического потенциала и минизон в электронном возникновение режима брэгговского отражения электро- спектре. Исследование проблемы электронного транснов [2] и, как следствие, возникновение отрицательной порта в сильных электрических полях в системе СР подифференциальной проводимости (ОДП). Принципиаль- литипов карбида кремния берет свое начало с изучения ная возможность получения ОДП, связанной с индуциро- этого вопроса в политипе 6H-SiC. В серии работ [4–10] ванной полем локализацией, на искусственной СР была было показано, что в электронном транспорте в сильном 832 В.И. Санкин, А.А. Лепнева поле наблюдался ряд эффектов, которые интерпрети- атомов скандия и ничтожной концентрации свободных ровались как эффекты ванье-штарковской локализации. дырок импульсное поле микросекундной длительности Действительно, впервые в результате прямого наблюде- практически не экранирует на расстояниях в несколько ния вольт-амперных характеристик (ВАХ) в статическом десятков мкм, что оказывается достаточным для создарежиме была обнаружена ОДП при критическом поле, ния в -области, размером в несколько мкм, однородного превышающем 100 кВ / см.

Проведенный анализ позво- электрического поля. Благодаря выбору скандия в качелил сделать вывод о том, что данный эффект является стве легирующей примеси обеспечивается работа триодрезультатом возникновения режима блоховских осцил- ной структуры при комнатной температуре. В целом данляций в естественной СР политипа 6H-SiC. В области ная структура позволяет получить: 1) однородность элексущественно более сильных полей, когда штарковская трического поля в рабочей -области; 2) исключительно энергия становится сравнимой с шириной первой ми- электронный ток в рабочей области; 3) параллельность низоны, в естественной СР этого же политипа наблю- электрического поля оси естественной СР; 4) дрейфовый дались такие эффекты, как штарк-фононные резонансы режим протекания тока; 5) управление рабочим током (500-1400 кВ/см), полная локализация первой минизо- независимо от поля в рабочей области. Следует добаны ( 1600 кВ/см), межминизонное резонансное тунне- вить, что все это обеспечивается при работе триодной лирование (1950 кВ / см) и другие, свидетельствующие структуры в импульсном режиме, и энергетические парао развитии процесса ванье-штарковской локализации. метры скандия позволили использовать достаточно удобЭто позволило оценить наиболее важные параметры ный диапазон микросекундных импульсов. Подчеркнем, минизонного электронного спектра в 6H-SiC (ширина что наиболее серьезной проблемой, которую приходитпервой минизоны E1 = 256 мэВ, зазор между первой ся решать при создании N+--N+-структур, является и второй минизонами E1,2 = 180-190 мэВ), которые формирование эпитаксиального -слоя со структурой, идентичной политипу подложки. Легирование скандием составили основу для оценок аналогичных параметров в процессе эпитаксиального роста стимулирует преимув других политипах, если в них подобные данные не щественный рост политипа 4H-SiC, и поэтому каждый получены или их получение невозможно в принципе.

раз при росте нового политипа (не 4H-SiC) приходится К числу последних относится политип 4H-SiC, в котором искать новые условия эпитаксиального роста, которые наблюдались эффекты ОДП, связанные с блоховскими осцилляциями и штарк-фононными резонансами, но не- обеспечили бы воспроизводимый рост. Это в большей возможны другие эффекты, для которых критические по- степени определяется вариацией необходимого диапазоне температур эпитаксиального роста, чем другими ля превышают собственные пробойные поля вследствие большой величины ширины первой минизоны и межми- факторами. Таким способом удалось преодолеть механизонного зазора [11–13]. Исследование политипов гек- низм преимущественного роста 4H-SiC и обеспечить воспроизводимый рост нескольких политипов, таких как сагонального ряда позволяет проводить и анализировать 6H-, 8H-, 21R- и 15R-SiC.

корреляции между параметрами естественной СР и столь важными величинами, как характеристики минизонного спектра и значения критических полей для различных Экспериментальные данные эффектов ванье-штарковской локализации. Такое срави их обсуждение нительное исследование дает весьма ценный набор данных для разработки теории ванье-штарковской локализаВАХ триодной структуры на основе 8H-SiC показана ции, является часто наиболее убедительным аргументом на рис. 1. Монотонный рост тока I прерывается при при интерпретации экспериментальных данных, а также достижении величины поля F 110 кВ/см, после чего позволяет произвести выбор оптимального полититпа наблюдается достаточно протяженный участок падения для последующих прикладных разработок. Поэтому в тока и, следовательно, ОДП.

данной работе представлены результаты исследований Полученыне в результате измерений N-образные ВАХ ванье-штарковской локализации в гексагональном полидля политипов 4H-, 6H- и 8H-SiC в сравнении предтипе 8H-SiC.

ставлены на рис. 2. Пороговые поля начала падающих участков ВАХ, т. е. возникновения ОДП, составили Особенности эксперимента в среднем для разных образцов следующие значения:

Ft 1.1 · 105 В/см для 8H-SiC, 1.5 · 105 В/см для 6H-SiC Для проведения эксперимента создавались триодные и 2.9 · 105 В/см для 4H-SiC. Величина Ft определялась с биполярные структуры N+--N+, аналогичные тем, погрешностью около 10%, связанной в первую очередь которые использовались в предыдущих исследованиях с неточностью определения ширины базового слоя. Тана политипах 4H-SiC и 6H-SiC [4]. Основные функции кое изменение пороговых полей для последовательности структуры обеспечиваются свойствами ее центральной 4H-, 6H-, 8H-SiC коррелирует с изменением периода -области, легированной, вопреки стандартным требова- естественной СР в этих политипах: 5, 7.5 и 10. Согласниям, глубокой акцепторной примесью — скандием. Бла- но критериям ванье-штарковской локализации (1) и (2) годаря инерционности процессов перезарядки с участием значение критического поля обратно пропорционально Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып.

Отрицательная дифференциальная проводимость и блоховские осцилляции... были использованы результаты измерений насыщенной скорости дрейфа электронов vs для поля, направленного параллельно оси естественной СР [14]. Значения электрического поля Fs, при которых происходило насыщение дрейфовой скорости составили 135, 140, 155 кВ / см, сами значения насыщенной дрейфовой скорости vs — 1.0 · 106, 2.0 · 106 и 3.3 · 106 см/с для 8H-, 6H- и 4H-SiC соответственно. Отсюда µ и m определялись по формулам µ = vs/Fs, (3) m = 8Ep/3v2, (4) s где Ep = 106 мэВ — усредненная энергия оптического фонона [15]. Время рассеяния оказалось равным = 1.6 · 10-13, 3 · 10-13 и 5.9 · 10-13 с для 4H-, 6H- и 8H-SiC соответственно. Пороговые поля по критерию (1) составили 80, 27 и 10.6 кВ / см для 4H-, 6H- и 8H-SiC соРис. 1. Вольт-амперная характеристика трехэлектродной ответственно, что существенно меньше приведенных выструктуры на основе естественной СР политипа 8H-SiC.

ше экспериментальных значений 290, 150 и 110 кВ / см.

Пороговые поля, оцененные по критерию (2), составили 500, 170 и 65 кВ / см, что существенно ближе к экспериментальным значениям, а учитывая 30%-ую погрешность в определении vs, можно считать степень совпадения достаточно высокой. Поэтому наблюдаемые эффекты скорее коррелируют с режимом блоховских осцилляций, чем с режимом Есаки–Тсу. Согласно [3], дрейфовая скорость в режиме минизонного транспорта есть vd = A(F/B) 1 1 +(F/B)2, (5) где A = dE1/2, B = /ed. Для 6H-SiC ширина первой минизоны составляет E1 = 256 мэВ. Полученное из (5) время рассеяния = 5 · 10-13 с согласуется с вышеприведенными данными.

По-видимому, наблюдаемую ОДП можно объяснить и Рис. 2. Вольт-амперная характеристика трехэлектродных другими причинами. Известно, что N-образная ВАХ возструктур на основе естественных СР политипов 4H-, 6H-, никает также и при рекомбинационной неустойчивости, 8H-SiC.

когда носители тока захватываются на отталкивающие центры [16]. Однако времена пролета электронов через базовый слой t 10-10 с существенно меньше времени периоду естественной СР при постоянном значении вре- рекомбинации, что делает вероятность этого процесса мени рассеяния. Из рис. 2 видно, что полученные ВАХ ничтожной. Кроме того, можно с большой уверенностью качественно близки, однако пороговые поля существенно утверждать, что в случае всяких иных механизмов, в том различаются. Заметим, что на рис. 2 представлены струк- числе и механизма рекомбинационной неустойчивости, туры, на которых N-образная ВАХ проявилась наиболее пороговые поля для политипов 4H-, 6H- и 8H-SiC были отчетливо. В ряде образцов падение тока не превышало бы практически одинаковыми.

20%, кроме того во многих случаях наблюдению эфТаким образом, представляется обоснованной интерфекта препятствовали неконтролируемые утечки тока и претация наблюдаемых эффектов в рамках теории ваньемикроплазменный пробой. ВАХ 30% образцов даже при штарковской локализации. Параметры эффектов удоотсутствии подобных утечек сохраняла монотонность влетворяют критериям ванье-штарковской локализации, вплоть до полей пробоя [11].

а различие пороговых полей для трех рассмотренных Для численных оценок по выражениям (1) и (2) политипов соответствует различию параметров их сверхтребуется значение времени рассеяния, которое можно решеток. Возрастающая ветвь ВАХ справа от пороговой оценить по формуле = mµ/e. Но при этом эффектив- точки может быть объяснена ростом инжекции при ную массу m и подвижность µ нужно определять при увеличении поля, а также поперечным разогревом элекбольших полях, близких к пороговым. Для таких оценок тронов. Кроме того, не все электроны, участвующие в 5 Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 834 В.И. Санкин, А.А. Лепнева протекании тока, подвержены ванье-штарковскому квантованию. В силу геометрии экспериментальной структуры протекание тока в ней возможно и в направлениях, не параллельных оси естественной СР. Подчеркнем, что наблюдаемая для этих политипов ОДП в режиме блоховских осцилляций рассматривается нами как начальная фаза процесса ванье-штарковской локализации.

Данная работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 97-02-18295) и программы МНТП ”Физика твердотельных наноструктур” (проект 97-1038).

Список литературы [1] Л.В. Келдыш. ФТТ, 4, 2265 (1962).

[2] G.N. Wannier. Phys. Rev., 11, 432 (1960).

[3] L. Esaky, R. Tsu. IBMJ. Res. Dev., 14, 61 (1970).

[4] В.И. Санкин, А.В. Наумов. Письма ЖТФ, 16 (7), 91(1990).

[5] V.I. Sankin, A.V. Naumov. Springer Proc. Phys., 43, (1991).

[6] V.I. Sankin, A.V. Naumov. Superlatt. Microstr., 10, 353 (1991).

[7] В.И. Санкин, И.А. Столичнов. Письма ЖЭТФ, 59, (1994).

[8] V.I. Sankin, I.A. Stolichnov. Proc. Int. Symp. ”Nanostructures:

Physics and Technology” (St. Petersburg, 1994) p. 87.

[9] V.I. Sankin. Superlatt. Microstr., 18 (4), 309 (1996).

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.