WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Спиновое расщепление примесных состояний доноров, связанных с X-долиной в AlAs-барьере, и пространственное распределение плотности вероятности их волновых функций © Е.Е. Вдовин¶, Ю.Н. Ханин Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской Академии наук, 142432, Черноголовка, Россия (Получена 22 декабря 2004 г. Принята к печати 27 января 2005 г.) Используя магнитотуннельную спектроскопию, мы обнаружили спиновое расщепление основного состояния Si-доноров, связанных с X-долиной в AlAs-барьере. Определено абсолютное значение эффективной величины gI-фактора в AlAs-барьере, равное 2.2 ± 0.1. Нами также обнаружено, что распределение плотности вероятности волновых функций электронов примесных состояний доноров имеет биаксиальную симметрию в плоскости роста с осями, соответствующими главным кристаллическим направлениям в этой плоскости.

Влияние спина на электронный транспорт в последнее функций электронов примесных состояний доноров имевремя вызывает огромный интерес, как с прикладной, ет биаксиальную симметрию в плоскости роста с осями, так и с фундаментальной точек зрения [1,2]. Резонансное соответствующими главным кристаллическим направлетуннелирование через самоорганизованные квантовые ниям в этой плоскости.

точки (и физически подобные им локализованные при- Для начала мы рассмотрим туннелирование через месные состояния) в полупроводниковых структурах изолированную донорную примесь в GaAs-квантовой является удобным инструментом для изучения спиняме (AlGa)As/GaAs/(AlGa)As двухбарьерного резонанзависимого электронного транспорта. Такие туннельные сно-туннельного диода большой площади. Изолированэксперименты не только позволили непосредственно ная донорная примесь в области квантовой ямы образует наблюдать спиновое расщепление нульмерных примеслокализованное ( 10 нм) водородоподобное состояние, ных состояний в GaAs-квантовых ямах [3–5] или одисвязанное с двумерным состоянием в квантовой яме [24].

ночных InAs-квантовых точек [6–8] и измерять впряРезкие резонансные особенности на вольт-амперных мую абсолютные значения g-фактора нульмерных сохарактеристиках (ВАХ) туннельных структур могут настояний, но, более того, дали возможность наблюдать блюдаться при приложении напряжения смещения, в мезоскопические флуктуации спинового расщепления моменты, когда энергия каждого отдельного примесного в таких системах и определять локальные изменения состояния совпадает с энергией Ферми эмиттера. Наg-фактора [9].

личие множественных близких по энергии примесных Нами изучался транспорт электронов через однобауровней приводит к многочисленным перекрывающимся рьерные GaAs/AlAs/GaAs-гетероструктуры. Поскольку особенностям на ВАХ. Уменьшая концентрацию приAlAs является непрямозонным полупроводником с дном месей (или уменьшая диаметр туннельной структуры зоны проводимости вблизи точки X зоны Бриллюэдо субмикронных размеров), можно различить пики на, тогда как GaAs — полупроводник прямозонный с в резонансном токе, соответствующие туннелированию дном зоны проводимости в центре зоны Бриллюэна, через отдельные примеси [22].

точке, туннельный ток в таких структурах определяВ нашей предыдущей работе резонансное туннелироется процессами резонансного туннелирования между вание через отдельные X-доноры в относительно тонком, двумерными состояниями, принадлежащими -долине 5 нм, AlAs-барьере (т. е. квантовой яме для электронов зоны проводимости GaAs, и различными (двумерными и X-долины) проявлялось как тонкая структура основного нульмерными донорными) состояниями, принадлежащипримесного резонанса [21]. Эта тонкая структура предми нижним X-долинам зоны проводимости AlAs [10–23].

ставляла собой серию слабых и относительно размытых В данной работе мы представляем первое наблюдение резонансных особенностей, связанных с туннелированиспинового расщепления примесных состояний доноров, ем через доноры, локализованные в различных позициях связаных с X-долиной в AlAs-барьере (X-доноров), с внутри AlAs-слоя. Влияние случайных флуктуаций элекпомощью магнитотуннельной спектроскопии. Такие дотростатического потенциала на энергии донорных принорные X-состояния образуются в AlAs вследствие промесей в этом случае оказалось незначительным. В синикновения примесных атомов кремния из прилежащих туации же, описываемой в данной работе, когда доноры легированных -слоев. Нами получены абсоолютные располагаются в относительно толстом, 11.2 нм, барьере значения g-фактора различных нульмерных донорных и влияние случайных флуктуаций электростатического X-состояний, равные 2.2 ± 0.1. Нами также обнаружено, потенциала велико и является определяющим для энерчто распределение плотности вероятности волновых гии примесного состояния, туннелирование через доно¶ E-mail: vdovin@ipmt-hpm.ac.ru ры проявляется как резкие, хорошо разделенные пики Спиновое расщепление примесных состояний доноров, связанных с X-долиной в AlAs-барьере... ной 60 нм; нелегированный GaAs толщиной 21.6 нм;

нелегированный Ga0.9Al0.1As толщиной 5.6 нм; нелегированный GaAs толщиной 28 нм; легированный -слой с концентрацией Si 3 · 1011 см-2; нелегированный GaAs толщиной 2.8 нм; нелегированный AlAs-барьер толщиной 11.2 нм; нелегированный GaAs толщиной 2.8 нм;

легированный -слой с концентрацией Si 3 · 1011 см-2;

нелегированный GaAs толщиной 28 нм; нелегированный Ga0.9Al0.1As толщиной 5.6 нм; нелегированный GaAs толщиной 21.6 нм; 3 · 1017 см-3N-GaAs толщиной 60 нм; 2 · 1018 см-3N+-GaAs-контактный слой толщиной 0.5 мкм.

Омические контакты изготавливались путем последовательного напыления слоев AuGe/Ni/Au и отжига при T = 400C. Для создания меза-структуры диаметром Рис. 1. Расчетный потенциальный профиль активной ча50-200 мкм была использована стандартная технология сти экспериментальной структуры при нулевом напряжении химического травления. Вольт-амперные характеристисмещения. Показаны положения уровня Ферми EF, уровней ки были измерены с помощью стандартной методики размерного квантования E0L и E0R в GaAs-эмиттере, и уровней постоянного тока при шумовом токе менее 50 фА. Измеразмерного квантования XZ и XXY подзон и X-доноров в AlAs.

рения проводились при температуре 4.2 K в магнитном поле до 8 Т.

На рис. 2, b показана вольт-амперная характеристика на ВАХ, каждый из которых соответствует туннелиротипичного экспериментального образца при температуванию через индивидуальное донорное состояние. Это и ре 4.2 K, на которой проявляется серия резких пиков дало нам возможность наблюдать спиновое расщепление в интервале напряжения смещения от 10 до 50 мВ.

донорных резонансов и впрямую определить величину Положение и амплитуды таких пиков различны для g-фактора. Важная роль случайных флуктуаций элекразных образцов, однако полностью воспроизводимы для тростатического потенциала в данном случае связана каждого в отдельности даже после термоциклирования.

с наличием легированных -слоев вблизи барьера [25] Мы полагаем, что эти пики на ВАХ являются прояви слабой зависимостью энергии связи доноров от их лением резонансного туннелирования электронов через положения в толстом барьере [26].

индивидуальные примесные состояния в AlAs-барьере.

Активная часть экспериментальных образцов предО наблюдении подобных резонансных особенностей ставляла собой одиночный AlAs-барьер толщиной ВАХ двухбарьерных гетероструктур с GaAs-квантовыми 11.2 нм, заключенный между слоями двумерного элекямами, связанных с туннелированием через отдельные тронного газа (ДЭГ). Для формирования ДЭГ-ов мы нульмерные состояния, сообщалось ранее [3,5,28]. Увеиспользовали -слои с концентрацией 3 · 1011 см-2, расличение напряжения смещения на образце сдвигает по положенные на расстоянии 2.8 нм с каждой стороны энергии состояния доноров относительно уровня Ферми барьера. AlAs-барьер не был легирован в процессе двумерного газа, который является эмиттером для тунроста, но донорные X-состояния образуются в AlAs нелирующих электронов. Резкое пороговое возрастание вследствие диффузии атомов Si из прилежащих летуннельного тока возникает при напряжении смещения, гированных -слоев. Расчетные профили - и X-зон когда энергия донорного состояния совпадает с энерактивной части прибора при нулевом напряжении смегией Ферми эмиттера EF. При дальнейшем увеличении щения показаны на рис. 1. Измерения осцилляций смещения резонансный ток падает и становится раным Шубникова–де-Гааза в данных структурах аналогичнулю при совпадении энергии донорного состояния и но [27] показали, что концентрация электронов в ДЭГ-ах дна зоны проводимости в эмиттере EC (см. рис. 2, a).

равна ns = 3.27 · 1011 см-2 и приблизительно совпадает Температура и существование нерезонансных туннельс предполагавшейся технологически концентрацией Si ных процессов „размывают“ наблюдаемые особенности в -слоях.

на ВАХ и приводят к появлению монотонной фоновой Исследовавшиеся нами образцы представляли сокомпоненты тока.

бой однобарьерные гетеродиоды, выращенные методом При обоих направлениях магнитного поля относимолекулярно-лучевой эпитаксии на высоколегированных тельно направления тока пики, соответствующие тунN+-GaAs-подложках с ориентацией (001) при темпера- нелирования электронов через примесные состояния, туре 570C. В качестве легирующей примеси исполь- расщепляются. Наблюдаемое расщепление пиков, по зовался кремний, концентрация которого в подложках нашему мнению, обусловлено снятием спинового выросоставляла 2 · 1018 см-3. ждения примесных состояний с приложение магнитного Симметричные гетероструктуры состояли из следу- поля. На рис. 2, b показаны ВАХ экспериментального ющей последовательности слоев: 2 · 1018 см-3N+-GaAs- образца в отсутствие магнитного поля и в перпендибуфер толщиной 0.5 мкм; 3 · 1017 см-3N+-GaAs толщи- кулярном поле 8 Т (ВАХ в параллельном току поле Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1206 Е.Е. Вдовин, Ю.Н. Ханин ные по спину состояния. В магнитном поле, перпендикулярном току (т. е. параллельном плоскости двумерного газа) 2D эмиттер также расщеплен по спину на величину g2DµBB, где g2D — g-фактор GaAs-эмиттера, но, так как двумерный газ находится в термическом равновесии, химический потенциал этих двух спиновых состояний двумерного газа одинаков (см. рис. 2, a). При этом, поскольку пороговое возрастание туннельного тока возникает при напряжении смещения, когда энергия донорного состояния совпадает с энергией Ферми эмиттера EF, и мы предполагаем, что спин при туннелировании сохраняется, то для каждого спина мы будем наблюдать отдельный порог туннелирования и разница по напряжению Vpeak смещения между этими порогами будет пропорциональна энергии спинового расщепления примеси ESi donor = gIµBB, согласно (1).

Рис. 3, a представляет подробную эволюцию одного из резонансных пиков с ростом перпендикулярного току магнитного поля вплоть до 8 Т при температуре 4.2 K. Расщепление экспериментальных пиков на рисунке наблюдается, начиная с величины магнитного поля порядка 5 Т, вследствие конечной ширины пиков, обусловленной температурным уширением. На Рис. 2. a — схематическое изображение спинового расщепления Si-донорного состояния в AlAs и частичной спиновой поляризации двумерного газа в эмиттере в магнитном поле, перпендикулярном току. Напряжение смещения, приложенное к образцу, сдвигает энергию донорного состояния относительно энергии Ферми в эмиттере. b — вольт-амперные характеристики экспериментального образца при 0 Т и 8 Т в магнитном поле, перпендикулярном туннельному току. Измерения проводились при температуре 4.2 K.

аналогична). В магнитном поле основное состояние донорной примеси расщепляется по энергии согласно выражению ESi donor = msgIµBBms (ms = ±1/2), (1) Рис. 3. a — подробная эволюция резонансного пика с ростом перпендикулярного току магнитного поля вплоть до 8 Т при где gI — g-фактор этой примеси, а µB — магнетон температуре 4.2 K. Кривые сняты с шагом по магнитному Бора. В результате формируются два отдельных канала полю в 0.5 Т. b — зависимость разности напряжений, сооттуннелирования, и мы можем видеть на ВАХ два пика, ветствующих расщепленным максимумам ВАХ, от величины соответствующих туннелированию через эти расщеплен- магнитного поля.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Спиновое расщепление примесных состояний доноров, связанных с X-долиной в AlAs-барьере... чине g-фактора массивного AlAs. Теоретические расчеты и оптические исследования магнитного разонанса в массивных слоях AlAs демонстрируют незначительную анизотропию величины g-фактора и дают следующие наборы значений его поперечной и продольной компоненты: 2.004 и 1.915; 1.976 и 1.917, соответственно [30,31]. Кроме того, в работе [20], в отличие от нашего эксперимента, исследовалось туннелирование через двухбарьерные GaAs/AlAs-гетероструктуры, в которых примеси были локализованы в тонких (2нм) слоях AlAs.

Таким образом, полученная в [20] величина gI = 0.возможно объясняется проникновением волновой функции электрона в соседние слои GaAs, где g-фактор равен 0.44 [4,32,33]. Расчеты, выполненные в работе [34], и экспериментальные результаты работы [35] показывают, Рис. 4. Вольт-амперные характеристики экспериментального что величина g-фактора в квантовых ямах в AlAs/GaAsобразца в области порога туннелирования при различных температурах. гетероструктурах сильно зависит от ширины квантовой рис. 3, b показана зависимость разности напряжений, соответствующих расщепленным максимумам ВАХ, от величины магнитного поля. Как видно из последнего рисунка, эта зависимость имеет линейный характер, соответствующий простой модели зеемановского расщепления. Линия, аппроксимирующая экспериментальные точки, пересекает начало координат B = 0, V = 0 и имеет наклон gIµB/ f, где gI — эффективное значение g-фактора в перпендикулярном току магнитном поле и f — коэффициент перевода измеряемого напряжения в энергию.

Определить коэффициент f нам позволило дополнительное изучение температурного размытия порога туннелирования. На рис. 4 показаны типичные ВАХ нашей гетероструктуры в области порога туннелирования при трех различных температурах. Размытие порога туннелирования через нульмерное состояние обусловлено температурным размытием распределения Ферми электронов в эмиттере. Сопоставление экспериментальных кривых при различных температурах согласно [4,6] позволило нам получить величину f 0.44. Эта величина согласуется с величиной f, полученной нами из самосогласованных расчетов потенциального профиля вдоль экспериментальной структуры в интересующем нас интервале напряжений 0-50 мВ. К сожалению, именно точность определения величины f влияет на ошибку определения g-фактора. Отметим также, что при уменьшении температуры, как это видно из рис. 4, значительно обостряется резонансный пик. Это увеличение туннельного тока, по-видимому, связано с многочастичным эффектом ферми-краевой сингулярности [29].

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.