WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Кинетика трансформации домена электрического поля в слабо связанных сверхрешетках в поперечном электрическом поле © Ю.А. Митягин¶, В.Н. Мурзин, Ю.А. Ефимов, А.А. Пищулин, В.Н. Пырков Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 1 марта 2004 г. Принята к печати 4 марта 2004 г.) С помощью исследований токового отклика в режиме реального времени изучена кинетика трансформации резонансно-туннельной доменной структуры сверхрешетки в резко меняющемся электрическом поле, и показано, что она преимущественно определяется инерционностью перераспределения пространственного заряда, формирующего доменную границу. Обнаружены немонотонная осциллирующая зависимость длительности переходного процесса от амплитуды импульса напряжения и эффект слабой зависимости времени трансформации от длины перемещения доменной границы, свидетельствующие о дискретном характере процессов трансформации. Обсуждаются возможности управления процессами переключения в мультистабильной системе токовых состояний в слабо связанных полупроводниковых сверхрешетках.

Резонансное туннелирование, ответственное за воз- Все эти закономерности, касающиеся формирования никновение отрицательной дифференциальной проводи- и трансформации доменов в медленно меняющемся мости, приводит в случае слабо связанных сверхреше- электрическом поле, хорошо известны и подробно ток (СР) к возникновению неустойчивостей и форми- изучены [1–5]. В то же время подобных исследований рованию однородно упорядоченной резонансно-туннель- в быстро меняющемся поле, которые позволили бы ной структуры, в которой каждому нижнему уров- напрямую судить о характеристиках самого процесса ню в одной квантовой яме соответствует определен- трансформации, до последнего времени не проводилось.1 Между тем, такие данные весьма существенны ный возбужденный уровень в соседней квантовой яме.

как для понимания физики формирования доменной В промежуточных полях такая структура оказывается структуры и особенностей ее изменения в электриченеустойчивой и разбивается на области с различной, ском поле, так и с точки зрения знания временных но фиксированной в пределах каждой области напряхарактеристик, определяющих быстродействие процесженностью электрического поля (домены сильного и сов переключения в многоуровневых переключающих и слабого электрического поля) [1]. Изменение напряжедругих устройствах [7], основанных на этих эффектах.

ния на концах сверхрешетки приводит к перестройке Выполненные первые экспериментальные исследования резонансно-туннельной структуры, что сопровождается в импульсных полях [7–9] доказали принципиальную расстройкой резонансов, смещением границы между возможность переключений между устойчивыми токодоменами и, как следствие, изменением относительного выми состояниями мультистабильности и позволили объема доменов сильного и слабого электрического оценить характерные времена переключения. Однако поля [1–5]. Характер перестройки существенно зависит более подробных данных о процессах трансформации от того, в каком именно режиме, т. е. при увеличении резонансно-туннельной структуры в электрическом поле или уменьшении напряжения на СР, производится наполучить таким образом было затруднительно. В данной блюдение [3]. В первом случае особенности формироработе впервые с использованием метода регистрации вания резонансно-туннельной структуры определяются токового отклика в режиме реального времени исслемаксимально возможной величиной резонансного тока дованы закономерности кинетики процессов трансфорв домене слабого электрического поля. В результате мации резонансно-туннельной структуры в сверхрешетрезонансные уровни в этом домене должны быть хорошо ках в условиях быстро меняющегося электрического согласованными и заметно расстроенными в домене поля. Выполнено численное моделирование изменений сильного поля. Во втором случае условия формирования во времени поперечного транспорта, распределения прорезонансно-туннельной структуры определяются министранственного заряда и других характеристик сверхремально возможной (не резонансной) величиной прошеток в импульсных полях. На основе сопоставления водимости в области домена сильного электрического экспериментальных результатов с данными численнополя и поэтому все резонансы как в домене сильного, го моделирования прослежена общая картина явлений так и в домене слабого поля оказываются существенно трансформации резонансно-туннельной структуры и дарасстроенными. Следствием этих особенностей является возникновение токового гистерезиса, мультистабильно- Проводимые в ряде лабораторий исследования токовых неустойчивостей и явлений типа самоподдерживающихся токовых осцилляций сти и тонкой периодической структуры на обеих ветвях относятся к весьма специфическому случаю слабо легированных гистерезиса [2,3].

сверхрешеток, в которых сам процесс формирования доменной границы оказывается затруднительным из-за недостаточной концентрации ¶ E-mail: mityagin@maill.lebedev.ru носителей заряда [4,6].

1354 Ю.А. Митягин, В.Н. Мурзин, Ю.А. Ефимов, А.А. Пищулин, В.Н. Пырков но объяснение обнаруженных особенностей электронных свойств и в том числе поперечного транспорта в слабо связанных сверхрешетках в условиях приложения к ним коротких и длинных импульсных электрических полей.

Исследования выполнены на длиннопериодных сверхрешеточных структурах GaAs/Al0.3Ga0.7As с широкими квантовыми ямами, обладающих набором подзон размерного квантования. Сверхрешетки (ширина квантовых ям 25 нм, ширина барьеров 10 нм, число периодов 30), заключенные между двумя сильно легированными слоями n-GaAs (2 · 1018 см-3), изготавливались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs и специально легировались донорной примесью кремния до концентрации 1.2 · 1016 см-3. Электрические измерения проводились на меза-структурах с диаметром мез 500 мкм и контактами Cr/Au, изготовленными вакуумным напылением. Исследовалось изменение поперечной проводимости структуры при некотором фиксированном напряжении на СР в условиях приложения к ней прямоугольных импульсов напряжения различной полярности с достаточно резкими (менее 10 нс) фронтами.

Измерения проводились в режиме реального времени и позволяли регистрировать временную зависимость тока, проходящего через структуру, в различные моменты времени вслед за передним фронтом импульса напряжения, во время действия импульса и после его окончания.

Амплитуда и длительность импульсов менялись в преде- Рис. 1. Фрагмент ВАХ I(U) (a) и зависимость тока от времелах Up = 0-0.5мВ и p = 10-4-10-7 с соответствен- ни I(t) (b), измеренные при приложении к СР прямоугольных импульсов напряжения отрицательной полярности. Цифрами но. Измерения выполнены при температуры T = 4.2K.

обозначены устойчивые токовые состояния мультистабильноКак можно видеть из рис. 1, на котором показан сти при фиксированном напряжении UA = 2.040 В. Приведенфрагмент вольт-амперной характеристики I(U), изготовные данные относятся к амплитуде импульсов 0.092 В, обеспеленные структуры характеризуются наличием хорошо чивающей переход 1 3. b: показано изменение во времени выраженного токового гистерезиса, верхняя и нижняя напряжения на СР при подключении импульса (p = 10 мкс).

токовые ветви которого обладают тонкой периодической структурой, и наличием токовых ветвей мультистабильности внутри области гистерезиса. Приведенные данные относятся к интервалу напряжений 1.6-3.0В, вверх по новой токовой ветви мультистабильности в отвечающих формированию в СР домена слабого поля сторону больших значений тока в новое устойчивое (резонансно-туннельные переходы 1 2 между подзодтоковое состояние при U = UA [3,8,9]. Именно такая ной 1 в предыдущей квантовой яме и подзоной 2 в ситуация наблюдается экспериментально в случае достаследующей) и домена сильного электрического поля точно медленных импульсов (p = 10 мкс), длительность (резонансно-туннельные переходы 1 3). На рис. 1, b которых существенно больше характерных времен пепоказан типичный пример измерений величины протерестройки резонансно-туннельной структуры. Как видно кающего через СР тока I в зависимости от времени t из рис. 1, выход значений тока (после некоторого перепри подключении к СР прямоугольных импульсов напряходного участка) на стационарный в пределах времени жения. В качестве стартовой выбрана точка IA(UA) при действия импульса участок I = 1.07 мА (для амплитуды UA = 2.040 В на нижней ветви гистерезиса. При подклюимпульса Up = 0.092 В) точно соответствует величине чении импульса Up отрицательной полярности, притока на нижней ветви гистерезиса при U = UA - Up водящего к уменьшению напряжения на сверхрешетке, (U = UA - Up = 1.948 В). После окончания импульса рабочая точка ВАХ должна сместиться по нижней ветви ток практически безынерционно увеличивается до ногистерезиса в сторону меньших значений U до точки вого стационарного значения I 1.25 мА, отвечающеU = UA - Up. После отключения импульса напряжение го точке пересечения соответствующей токовой ветви на СР должно вернуться к первоначальному значению мультистабильности (в данном случае 1 3), с прямой U = UA. При этом, однако, рабочая точка ВАХ не может двигаться по нижней ветви гистерезиса в прежнее U = UA = 2.040 В. С ростом амплитуды импульса, как токовое состояние, а должна перемещаться сразу же показывают измерения, доменная граница смещается на Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Кинетика трансформации домена электрического поля в слабо связанных сверхрешетках... видно из рис. 1, кривая I(t) на переходном участке имеет сложный немонотонный характер с несколькими перегибами. Количество перегибов, как показывают измерения, возрастает с увеличением числа периодов СР, на которое перемещается доменная граница [11]. Сопоставление этих данных с результатами теоретического моделирования, выполненного на основе дискретной модели поперечного транспорта в сверхрешетках со слабой связью [3], позволяет сделать вывод о том, что процессы трансформации имеют дискретный характер. Как следует из данных численного моделирования (рис. 2), которые удовлетворительно согласуются с экспериментом, перемещение пространственного заряда и доменной границы в конечную квантовую яму при изменении напряжения на СР не происходит в виде одного акта, а включает несколько ступеней, обусловленных последовательным рассогласованием и согласованием резонансных уровней по мере перетекания пространственного заряда через последовательность квантовых ям в конечное состояние. Этот процесс сопровождается Рис. 2. Рассчитанное в различные моменты времени расвозникновением токовых неустойчивостей и соответпределение пространственного заряда q по квантовым ямам ствующих особенностей в виде перегибов на временных в СР после резкого уменьшения напряжения на концах СР зависимостях тока I(t) на переходном участке.

на величину Up = 100 мВ (переход 1 3 согласно рис. 1).

Стрелками показаны моменты перемещения пространственного заряда в первую соседнюю (t1 = 0.280 мкс) и следующую (t2 = 0.476 мкс) квантовые ямы.

большее число периодов СР, а рабочая точка ВАХ соответственно попадает в более высокие токовые состояния мультистабильности.

Помимо достаточно очевидного факта безынерционности всех стадий процессов переключения, обусловленных перемещением рабочей точки ВАХ вдоль ветвей мультистабильности и не связанных с изменением полей внутри СР, полученные данные позволяют сделать принципиальный вывод о том, что характеристическое время трансформации резонансно-туннельной структуры в СР в электрическом поле практически полностью определяется инерционностью процессов, связанных с перераспределением пространственного заряда и формированием доменных границ. Это проявляется, как можно видеть из рис. 1, в возникновении на кривых I(t) переходного участка (всплеска) сразу же за передним фронтом импульса. Длительность этого участка, отсчитываемая от начала импульса до точки выхода тока на стационарное значение, составляет 10-7 с, что отвечает грубым оценкам времени резонансного туннелирования, полученным из измерений величины резонансного тока [10].

Более подробное изучение зависимостей I(t) этого переходного участка позволяет проследить за особенностями кинетики перераспределения пространственного заряда и трансформации резонансно-туннельной струкРис. 3. Длительность переходного процесса в зависимости от туры в полях, обеспечивающих перемещение доменной амплитуды импульсов напряжения (p = 10 мкс): a — данные границы через несколько периодов сверхрешетки. Как численного моделирования, b — экспериментальные значения.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1356 Ю.А. Митягин, В.Н. Мурзин, Ю.А. Ефимов, А.А. Пищулин, В.Н. Пырков Другим подтверждением дискретного характера про- длительности переходного участка I(t) в окрестностях цессов трансформации резонансно-туннельной структу- переднего фронта импульса, подтвержденные данными ры в СР в электрическом поле являются результаты численного моделирования, показывают, однако, что заисследований, выполненных при изменении амплиту- регистрированное изменение длительности переходного ды и длительности прикладываемых к СР импульсов процесса при перемещении доменной границы на большее число периодов СР в действительности оказывается напряжения. Как видно из рис. 3, время переходного чрезвычайно малым (рис. 3). Причина обнаруженной процесса (switch) в зависимости от амплитуды импульса имеет немонотонный осциллирующий характер. С рос- слабой зависимости длительности переходного процесса том амплитуды длительность переходного процесса пе- от расстояния перемещения доменной границы, как следует из данных численного анализа, заключается в риодически сначала монотонно убывает, затем резко том, что переход на несколько периодов СР, требуювозрастает и снова убывает. Сопоставление этих данных щий более высоких амплитуд импульсного напряжения, с результатами численного моделирования позволяет одпроисходит в условиях большего градиента полей в СР, нозначно связать наблюдаемые всплески с достижением чем при перемещении доменной границы на меньшие каждый раз амплитудой импульса таких значений, которасстояния.

рые оказываются достаточными для перехода доменной Подводя итоги работы, отметим следующее. В реграницы в соседнюю квантовую яму. Монотонный спад зультате выполненных исследований экспериментально длительности переходного процесса и времени транси методами численного моделирования показано, что формации в пределах каждого периода I( Up) естественкинетика трансформации резонансно-туннельной струкным образом объясняется ускорением электронных протуры при изменении напряжения на СР практически цессов, определяющих перемещение пространственного полностью определяется инерционностью процессов пезаряда, с увеличением амплитуды импульса и величины рераспределения пространственного заряда, формируинициируемой им напряженности поля в СР.

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.