WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Индуцированный светом переход металл–диэлектрик в гетероструктуре n-GaAs/AlGaAs. Акустические методы исследования © И.Л. Дричко¶, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, А.И. Торопов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 4 апреля 2006 г. Принята к печати 18 апреля 2006 г.) Исследовалась гетероструктура n-GaAs/AlGaAs, „недолегированная“ Si, в которой в отсутствие облучения проводимость в двумерном канале была при T = 4.2K меньше чем 10-8 Ом-1. С помощью последовательного облучения светодиодом проводимость в гетероструктуре можно было увеличивать на 5 порядков до 10-3 Ом-1, что давало возможность изучать переход металл–диэлектрик на одном и том же образце и при одной и той же температуре. Предложен новый метод исследования перехода металл–диэлектрик с помощью акустоэлектронных эффектов. Они были измерены при последовательном облучении образца без магнитного поля и в магнитном поле до 6 Tл при T = 4.2 K. Были определены реальная 1 и мнимая 2 hf компоненты высокочастотной проводимости = 1 - i2 и их отношение 2/1. Показано, что переход металл–диэлектрик имеет перколяционный характер. Обнаружено, что вплоть до 1 10-7 Ом-1 система находится в диэлектрическом состоянии, электроны локализованы в минимумах случайного потенциала.

При этом осуществляется прыжковый механизм высокочастотной проводимости, характеризующийся соотношением 2 1. По мере увеличения концентрации электронов электронные капли становятся все большего размера, и в них возникает высокочастотная проводимость. Механизм проводимости становится смешанным: параллельно прыжковому механизму возникает проводимость делокализованных электронов в металлических каплях. При дальнейшем росте проводимости (более 10-5 Ом-1) металлические капли заполняют всю поверхность, и реализуется металлическое состояние, при котором 2 = 0. Построена кривая, демонстрирующая зависимость относительной части поверхности, занятой металлическими каплями, от проводимости двумерного канала.

PACS: 72.20.Ee, 73.50.Rb, 73.21.La, 73.63.Kv 1. Введение В данной работе исследовалась гетероструктура n-GaAs/AlGaAs, „недолегированная“ Si, в которой Возможность изменять проводимость в широком ин- в отсутствие облучения проводимость в двумерном канале была при температуре T = 4.2 K меньше чем тервале посредством внешнего воздействия позволяет 10-8 Ом-1. С помощью последовательного облучения наблюдать переход металл–диэлектрик (МД) на одном светодиодом АЛ-107 или лампой накаливания провои том же образце. В гетероструктурах для этого часто димость увеличивалась на 5 порядков до 10-3 Ом-1.

применяется затворное электрическое поле, приводящее Изучая зависимость акустоэлектронных эффектов от к изменению концентрации носителей заряда в двумерпроводимости, можно было сделать вывод о характере ном канале. В гетероструктурах на основе AIIIBV, в перехода металл–диэлектрик в этой системе. Необыччастности в n-GaAs/AlGaAs, легированных кремнием, ным свойством этой структуры была и ее заметная концентрацию носителей заряда (проводимость) в касветочувствительность при комнатной температуре.

нале с двумерной проводимостью можно увеличивать с помощью внешнего облучения с энергией 1эВ [1] и уменьшать с помощью гидростатического давления [2], 2. Эксперимент причем эти изменения проводимости при низких температурах являются „замороженными“, поэтому после- 2.1. Методика измерений довательными небольшими дозами облучения можно Для измерения акустоэлектронных эффектов — потак же небольшими дозами изменять проводимость.

глощения и изменения скорости поверхностной акуПри повышении температуры выше 120 K проводимость стической волны (ПАВ) использовалась „гибридная“ „размораживается“. Причиной этого эффекта является техника, когда ПАВ генерируется с помощью встречноналичие в n-GaAs/AlGaAs глубоких донорных уровней, штырьевого преобразователя на поверхности пьезоэлекобразуемых кремнием под L-зоной проводимости, так трика LiNbO3 и распространяется вдоль нее. Исследуназываемых DX-центров [3].

емая гетероструктура с двумерным (2D) проводящим ¶ каналом располагалась на поверхности пьезоэлектрика E-mail: Irina.L.Drichko@mail.ioffe.ru Fax: (812)5156747 и прижималась к ней пружиной. Электрическое поле, 1450 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, А.И. Торопов тока 70 мА, последовательностью коротких (секундных) импульсов тока 12 мА и последовательностью длинных, минутных, импульсов тока 160 мкА. При всех режимах наблюдалось изменение амплитуды и фазы сигнала, приходящего на приемный преобразователь, относительно амплитуды и фазы при предшествующем облучении, что свидетельствовало о зависимости поглощения ПАВ гетероструктурой ( ) и изменении скорости ее распространения ( V /V0) от времени облучения.

Имея в виду тот факт, что без облучения проводимость системы очень мала и соответствующее поглощение ПАВ (t = 0) =0, а скорость ПАВ при этом имеет максимальную величину, можно вычислить компоненты 1 и 2 высокочастотной проводимости hf = 1() - i2() на частоте = 2 f по формулам V V (t = 0) - V (t) 1 + (t) = = A 1 -, V0 V0 (t)2 +[1 + (t)]1 (1) (t) = (t) - (t = 0) =kA, (t)2 +[1 + (t)]1 A = 4K2(1 + 0)0s exp[-2k(a + d)]b(k), K2 =, (2) 4i =, i sV0c(k) Рис. 1. Структура исследованного образца.

где t — время облучения, k, V0 —волновой вектор и скорость ПАВ соответственно, K2 — константа электромеханической связи, — пьезоэлектрический модуль, — упругая постоянная в ниобате лития. Функции сопровождающее волну деформации, проникало в канал b(k), c(k) зависят от k, зазора a между образцом и с двумерной проводимостью, вызывая токи. В результате ниобатом лития, от глубины залегания 2D слоя d и от такого взаимодействия наблюдалось изменение амплитудиэлектрических постоянных ниобата лития, вакуума и ды и фазы сигнала, приходящего на приемный встречнообразца 1, 0 и s соответственно [4]. Решить систему штырьевой преобразователь, что свидетельствовало о уравнений (1) относительно и и соответственно 1 возникновении поглощения ПАВ ( ) и изменении ее найти 1() и 2() можно, лишь зная как величину d, скорости (V0). Одновременные измерения и V /V0 так и величину a. Если d определяется технологами, то при воздействии на образец магнитного поля или облуa — величина зазора между образцом и поверхностью чения давали возможность определять высокочастотную ниобата лития зависит от качества поверхностей образца (ВЧ) проводимость электронов в 2D канале, при этом и пьезоэлектрика, а также от установки образца. В кажне требовалось изготовления электрических контактов дом подобном эксперименте определение величины a и сложной формы образцов. Облучение образца произтребует специального рассмотрения.

водилось светодиодом АЛ-107 или лампой накаливания, Обсудим способ определения a, примененный в данустановленными в той же камере, что и образец.

ной работе. В пьезодиэлектрике LiNbO3 скорость ПАВ Измерения акустоэлектронных эффектов при последоV0 состоит из двух вкладов: первый — V1 определяется вательном облучении образца проводились при T = упругими свойствами решетки ниобата лития, а втои 4.2 K без магнитного поля и в магнитном поле до 6 Тл рой — V2 связан с наличием у него пьезоэлектрических на частотах f = 30, 86 и 150 МГц. Строение структуры свойств, причем V2 V1 [5]. Величина V2 определяется представлено на рис. 1.

константой электромеханической связи ниобата лития K2 и зависит от проводимости изучаемого образца.

В том случае, когда образец, прижатый к поверхно2.2. Акустоэлектронные эффекты при низких сти пьезодиэлектрика, имеет проводимость, близкую температурах в отсутствие магнитного к 0, скорость ПАВ имеет максимальную величину поля V0 = V1 + V2. В другом предельном случае, когда проОблучение гетероструктуры светодиодом АЛ-107 про- водимость исследуемого образца очень велика, элекизводилось при T = 4.2 K в разных режимах: последо- трическое поле в пьезодиэлектрике, сопровождающее вательностью очень коротких, 100-500 мс, импульсов волну деформации, полностью экранируется носителями Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Индуцированный светом переход металл–диэлектрик в гетероструктуре n-GaAs/AlGaAs... заряда в образце, и скорость ПАВ определяется только первым вкладом — V1. При изменении проводимости образца изменяется лишь та часть скорости, которая связана с пьезоэлектрическим вкладом:

V V0 - V1 V= =.

V0 V0 VVВ „гибридной“ конфигурации опыта ( = 0) A и Vопределяется по формулам (1), (2). Изменяя проводимость в широком диапазоне, можно определить величину A из зависимости скорости ПАВ от проводимости.

В этом эксперименте оказалось, что с помощью облучения можно изменять проводимость 2D канала почти на 5 порядков и определить величину A = 4.6 · 10-Рис. 3. Зависимость 2/1 от 1 при H = 0, f = 86 MHz, ( f = 86 МГц). Зная величину A, можно определить T = 4.2K.

a = 3.8 · 10-5 см и абсолютные величины 1 и 2 для всех 3 циклов облучения образца. Что касается коэффициента поглощения, то характер взаимодействия ПАВ с носителями заряда таков, что = 0 при малых проводиПроизводилось облучение гетероструктуры и лампой мостях, так как слишком мало носителей заряда в 2D канакаливания. При этом проводимость начинала изменале, а также при больших проводимостях, поскольку няться скачком лишь тогда, когда ток через лампу большое количество носителей полностью экранируют достигал величины 8 мА. Такой характер изменения электрическое поле, сопровождающее поверхностную проводимости от облучения лампой мы связываем с тем, акустическую волну. Поглощение имеет максимум max что существует порог по энергии, после достижения при некоторой проводимости, соответствующей максикоторого электроны начинают забрасываться светом в мальному взаимодействию. В нашем эксперименте этот 2D канал. Светодиод и лампа накаливания находились максимум осуществляется при 1 10-6 Ом-1 и не при той же температуре, что и измеряемый образец.

зависит от способа облучения.

Естественно предположить, что с изменением провоЧтобы объединить результаты измерений, полученных димости в образце под влиянием облучения меняется при всех 3 циклах облучения, мы построили на рис. и механизм проводимости. При малых проводимостях зависимость отношения / от проводимости 1.

max осуществляется диэлектрическое состояние, механизм На этом же рисунке представлена и зависимость изпроводимости в котором должен быть прыжковый, при менения скорости звука, нормированного на значение больших — металлическая проводимость.

A = 4.6 · 10-3, от величины 1. Рисунок подтверждает, На рис. 3 представлена зависимость отношения 2/что действительно при облучении этой гетероструктуры от проводимости 1. Как видно из рисунка, соотношение проводимость 2D канала изменялась более чем на 5 помежду 2 и 1 по мере роста проводимости 1 изменяетрядков.

ся, причем при малых проводимостях 2 1 и не зависит от 1 в пределах ошибки измерений 15-20%. Такое соотношение, согласно работе [6], осуществляется при прыжковой ВЧ проводимости в рамках двухузельной модели [7]. При больших же проводимостях 2/1 0.

Действительно, если проводимость осуществляется делокализованными электронами, то 2 = 0 [4]. Подтвердить эти выводы можно, если провести измерения акустоэлектронных эффектов в магнитном поле.

2.3. Акустоэлектронные эффекты в магнитном поле На рис. 4 представлена зависимость коэффициента поглощения = (H) - (0) от напряженности магнитного поля H при 1 < 10-7 Ом-1. Из рисунка видно, что < 0 и с увеличением магнитного поля стремится к насыщению. Такая зависимость (H) обычно связана Рис. 2. Зависимости / ( = 14.5дБ/см) и V /V0A max max с уменьшением в магнитном поле перекрытия волновых от 1 при H = 0, f = 86 MHz, T = 4.2 K. Разные символы относятся к различным циклам облучения. функций электронов на разных узлах, между которыми Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1452 И.Л. Дричко, А.М. Дьяконов, И.Ю. Смирнов, А.И. Торопов Эту величину и соответственно V (0)/V0 можно определить по отсечке вертикальной оси прямой, соответствующей линейной зависимости V (H)/V0 от 1/H2, при 1/H2 = 0. Зная величины (0) и V (0)/V0, можно определить (0), (0) и соответственно 1 и 2 в 1 отсутствие магнитного поля по формулам V 1 + (0) (0) =A, (5) V0 (0)2 +[1 + (0)]1 (0) (0) =kA. (6) (0)2 +[1 + (0)]1 Оказалось, что значения (0), а также 2/1, полученные этим способом, также хорошо укладываются на кривые, приведенные на рис. 2 и 3 соответственно.

Таким образом, можно утверждать, что по крайней мере до проводимостей 1 10-7 Ом-1 осуществляРис. 4. Зависимость = (H) - (0) от магнитного поля H ется диэлектрическое состояние, когда электроны лодля разных значений проводимости 1(H = 0): 1 — кализованы, а механизм ВЧ проводимости — прыж1.5 · 10-8 Ом-1, 2 — 3.4 · 10-8 Ом-1, 3 —6.3 · 10-8 Ом-1.

ковый.

4 — зависимость V /V0 от H для образца с При больших дозах облучения, когда концентрация 1(H = 0) =5.8 · 10-8 Ом-1. На вставке — зависимость от 1/H2. f = 86 МГц, T = 4.2K. электронов в канале превышает величину 6 · 1010 см-(правое крыло зависимостей на рис. 2), на кривых (H) возникают осцилляции типа Шубникова–де-Гааза (ШдГ), позволяющие определить концентрацию носителей в осуществляются прыжки. Как показано в работе [8], 2D канале. На рис. 5, a представлены кривые (H), в рамках двухузельной модели прыжковой ВЧ прополученные при больших дозах облучения образца. Из водимости в сильном магнитном поле (H) 1/H2.

кривых видно, как при увеличении дозы облучения Таким образом, в сильном магнитном поле можно максимумы поглощения сдвигаются в сторону больших определить (0) по отсечке линейной зависимости магнитных полей, что означает рост концентрации в от 1/H2 на оси ординат при 1/H2 = 0, как показано на 2D канале. На рис. 5, b представлены соответствующие вставке рис. 4. Следует заметить, что величины (0), позависимости изменения скорости ПАВ от магнитного лученные методом отсечки из зависимостей (1/H2), совпадают с величинами (0), определенными без маг- поля.

нитного поля при облучении и представленными на На рис. 6 представлена зависимость концентрации рис. 2. электронов n в двумерном канале, определенной из На рис. 4 представлена также зависимость V /V0 от положения осцилляций по магнитному полю, от времагнитного поля. Следует заметить, что для образцов с мени облучения, нормированного для двух серий обпроводимостями 1 < 5 · 10-8 Ом-1 величина V (H)/V0 лучения. Можно проэкстраполировать эту кривую в была в пределах погрешности измерений 5 · 10-5.

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.