WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Осцилляции тока при латеральном транспорте в гетероструктурах GaAs / InGaAs с квантовыми ямами ¶ © А.В. Антонов, В.И. Гавриленко, Е.В. Демидов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 14 июня 2004 г.) Измерены вольт-амперные характеристики и получены осциллограммы импульсов тока в многослойных гетероструктурах n-InGaAs / GaAs с квантовыми ямами и эпитаксиальных пленках n-GaAs с различным уровнем легирования. Показано, что при низких уровнях легирования в полях порядка 300-400 В/см имеет место насыщение вольт-амперных характеристик. В более сильно легированных образцах наблюдается возникновение осцилляций тока с периодом, соответствующим транспортной скорости (3-3.5) · 105 см/с при E [110] и примерно в 1.5 раза большим при E [100]. Полученные результаты объясняются возникновением в структурах соответственно статических и движущихся акустоэлектрических доменов.

В полях выше 1.5 кВ/см наблюдались высокочастотные осцилляции ганновского типа, соответствующие пролетной скорости электронов 1.5 · 107 см/с.

1. Введение никающей в этих условиях N-ОДП. В настоящей работе на основе сопоставления результатов измерений ВАХ Явление пространственного переноса носителей заря- и осциллограмм импульсов тока в гетероструктурах с да в полупроводниковых гетероструктурах с селективно квантовыми ямами n-InGaAs / GaAs и в эпитаксиальных легированными барьерами (в частности, -легирован- пленках n-GaAs с литературными данными, относящиными) в сильном латеральном электрическом поле (т. е. мися к гетероструктурам GaAs / AlGaAs, сделан вывод, что наблюдаемые осцилляции связаны с развитием в направленном в плоскости ямы) широко изучалось в образцах акустоэлектронной неустойчивости.

80-е годы (см., например, обзор [1]). Из-за разогрева Так как GaAs является пъезоэлектриком, то дефорносителей заряда электрическим полем возможен их мация, созданная поперечной акустической волной, расвынос из квантовых ям в легированные барьерные слои, в результате чего их подвижность уменьшается вслед- пространяющейся вдоль направления [110], индуцирует макроскопическое электрическое поле, которое привоствие „включения“ механизма рассеяния на ионизовандит к интенсивному взмимодействию электронов, двиных примесях, что может приводить к падению тока, жущихся вдоль того же направления, с колебаниями т. е. к возникновению отрицательной дифференциальной решетки. Поэтому при превышении электронами скоропроводимости (ОДП) N-типа, как это имеет место в сти распространения акустической волны они начинают эффекте Ганна в электронных полупроводниках типа активно испускать фононы (аналог черенковского излуGaAs (см., например, [2]). Возникновение ОДП N-типа чения) [12–14].

может приводить к образованию электронной неустойПри включении вдоль направления [110] электричечивости, в частности к образованию статических или ского поля больше некоторого критического значения в бегущих доменов сильного поля. Пространственный пекристалле происходит усиление звуковых волн, двигаюренос горячих носителей заряда из квантовых ям, где их щихся от катода к аноду. В результате огибающая потока подвижность и эффективная температура относительно экспоненциально нарастает к аноду. Так как звуковая высоки, в вышележащие по энергии состояния с малой волна вызывает акустоэлектрический ток, направленный подвижностью, где эффективная температура падает, против дрейфового движения электронов, для сохранеможет приводить к инверсии населенностей [3–8].

ния полного тока падение напряжения на прианодной Настоящая работа посвящена экспериментальному исобласти увеличивается, а в остальной части образца следованию электрического транспорта горячих носитеполе падает. В свою очередь с ростом электрического лей заряда в гетероструктурах n-InGaAs / GaAs с кванполя в этой области существенно возрастает коэффицитовыми ямами в сильных латеральных электрических ент усиления акустической волны. Такая положительная полях. Ранее в таких структурах при температурах жидобратная связь приводит к образованию статического кого гелия и азота в полях 300-1000 В/см наблюдалось прианодного электроакустического домена с большими насыщение вольт-амперных характеристик (ВАХ) и воззвуковым и электрическим полями [12–14] и насыщению никновение осцилляций тока [9–11], что связывалось с ВАХ в сильных полях. Картина развития акустичепространственным переносом горячих носителей и возской неустойчивости принципиально меняется в режиме ¶ E-mail: demidov@ipm.sci-nnov.ru большого усиления (более 100 дб/см). В этом режиме 54 А.В. Антонов, В.И. Гавриленко, Е.В. Демидов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова Параметры исследованных образцов n-InxGa1-x As / GaAs с одиночными и двойными квантовыми ямами и эпитаксиальных слоев n-GaAs (приведенные значения концентрации соответствуют комнатной температуре) Номер Число Толщина ns, 1011 см-2 Ns 1012 см-x d1QW, d2QW, структуры периодов структуры, мкм (на один период) (полная) 2987 0.08 200 100 20 2.3 1.1 2.3490 0.08 200 100 20 2.3 3.0 6.3517 0.08 200 - 20 2.5 3.9 7.3518 - - - - 2.5 - 7.3628 - - - - 2.4 - 3629 - - - - 2.4 - 18.3630 - - - - 2.4 - 7.3631 - - - - 2.4 - 3.3732 0.1 200 - 20 2.5 0.3 0.3734 0.1 200 - 20 2.5 2.4 4.3735 0.1 200 100 20 2.6 2.0 4.4079 0.06 200 - 20 2.6 1.4 2.4081 0.06 200 100 20 2.6 2.5 4.акустический поток очень быстро достигает уровня нуля до максимального значения. Контроль за амплинелинейности, что приводит к образованию движущего- тудой и формой импульсов напряжения и тока через ся акустоэлектрического домена. Он представляет собой образец осуществляся путем наблюдения сигналов на короткий пакет (около 100 мкм) акустических колеба- экране цифрового осциллографа Tektronix TDS3034B с ний, движущихся по образцу со скоростью, близкой к полосой пропускания 350 МГц, с помощью которого скорости звука. При приложении поля в других направ- сигналы также записывались в память ЭВМ. Измерения лениях усиливались косые волны, распространяющиеся проводились как при комнатной, так и при низких темпепод углом к направлению поля. Детальное исследование ратурах T = 77 и 4.2 K. В последних случаях держатель осцилляций, обусловленных акустоэлектрическими до- с образцом погружался в транспортные сосуды Дьюара менами, в гетероструктурах GaAs / AlGaAs с квантовыми с жидким азотом или гелием соответственно.

ямами было проведено в [15]. При превышении полем Исследуемые образцы были выращены методом га(приложенным вдоль направления [110]) критического зотранспортной эпитаксии на подложках полуизолирузначения наблюдались сильные осцилляции тока. При ющего GaAs(001). Параметры образцов приведены в пороговом поле дрейфовая скорость электронов состав- таблице. Исследовались многослойные гетероструктуры ляла 106-107 см/с. В слоях с невырожденными носите- n-InxGa1-xAs / GaAs с одиночными и двойными кванлями наблюдались затухающие осцилляции с частотой, товыми ямами, а также тонкие эпитаксиальные слои соответствующей пролетной скорости 3.5 · 105 см/с, n-GaAs. Гетероструктуры содержали 20 пар квантовых что совпадает со скоростью акустических фононов. Ос- ям шириной 200 и 100, разделенных барьером GaAs цилляции были наиболее выражены при температуре толщиной 50 (или 20 одиночных квантовых ям шижидкого азота. С увеличением температуры амплитуда риной 200 ), разнесенных на 800-900. В образцах осцилляций уменьшалась, при T = 200 K они исчезали.

2987, 4079, 4081 осуществлялось -легирование узких В слоях с большой концентрацией электронов колебания ям кремнием, все остальные образцы были однородно тока не затухали, а их частота была существенно выше.

легированными. Подвижность электронов при комнатной температуре слабо зависела от уровня легирования и составляла около 4500 см2/В · с. Из структуры выка2. Эксперимент лывались образцы прямоугольной формы с размерами 5 5 мм. На поверхность образцов наносились и вжиИсследования электрического транспорта горячих ногались полосковые омические контакты на расстоянии сителей проводились в импульсных электрических пооколо 3 мм.

лях, длительность импульса прикладываемого к образцу электрического напряжения до 1000 В составляла несколько микросекунд. Для исключения перегре- 3. Результаты и обсуждение ва образца использовалась низкая частота повторения импульсов 3-10 Гц. Длительность переднего фронта Типичные осциллограммы импульсов тока в гетеимпульса высоковольтного напряжения не превыша- роструктурах с одиночными и двойными квантовыми ла 30 нс. Амплитуду импульса напряжения можно было ямами представлены на рис. 1 и 2. Начиная с некомедленно (в течение нескольких минут) изменять от торого порогового значения приложенного напряжения Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Осцилляции тока при латеральном транспорте в гетероструктурах GaAs / InGaAs с квантовыми ямами (U/l 300 В/см) на импульсе тока возникают осцилляции. Возникновение токовой неустойчивости наблюдалось при T = 4 и 77 K, однако при комнатной температуре осцилляции уже не возникали. При уменьшении расстояния между контактами втрое (до l = 1мм) частота осцилляций увеличилась примерно в 3 раза.

С другой стороны, при уменьшении ширины образца частота осцилляций и форма осциллограмм тока практически не изменялись. Это говорит о том, что частота колебаний не зависит от сопротивления образца (и, таким образом, не определяется внешней электрической цепью, а связана именно с его длиной). Структуры с двойными квантовыми ямами и селективным легированием (2987, 4081) были „сконструированы“ с целью изучения пространственного переноса носителей в сильных латеральных электрических полях. В таких гетероструктурах нижний уровень в узкой (-легированРис. 2. Осциллограммы импульсов тока образца 3735, измеренные при E [110] (a) и E [100] (b); T = 4.2K, l = 3 мм.

ной) квантовой яме расположен примерно на 10 мэВ выше, чем в широкой яме, в то время как энергия Ферми составляет несколько мэВ.

Таким образом, при низких температурах большая часть носителей сосредоточена в широких ямах. При разогреве носителей в электрическом поле пространственный перенос из более широкой квантовой ямы на вышележащий уровень в узкой яме (за счет рассеяния на оптических фононах) должен приводить к падению подвижности (из-за сильного примесного рассеяния в узких легированных квантовых ямах) и охлаждению электронов в узких ямах. Обратный переход оказывается затруднен, следствием чего может являться падение Рис. 1. Осциллограммы импульсов тока образца 3734, изме- тока и развитие электрической неустойчивости, что ренные при E [110] (a) и E [100] (b); T = 4.2K, l = 3 мм. качественно соответствует наблюдаемой картине.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 56 А.В. Антонов, В.И. Гавриленко, Е.В. Демидов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова Дальнейшие исследования показали, что осцилляции форма осцилляций. Вместо слабо затухающих осцилтока наблюдались и в однородно легированных образцах ляций синусоидальной или пичковой формы в образце с двойными квантовыми ямами (3490, 3735). Было 3518 наблюдается значительный „выброс“ на переднем высказано предположение, что причиной возникновения фронте импульса тока и следующие за ним быстро затунеустойчивостей в условиях пространственного перено- хающие осцилляции, что характерно для установления са из широких ям в узкие является рассеяние на шерохо- режима статического домена в обычном эффекте Ганна.

ватостях границы, которое должно играть большую роль Из осциллограмм следует, что в сильных электрических в более узкой квантовой яме. Естественно было предпо- полях имеет место выраженное насыщение тока, что такложить, что, как и в обычном эффекте Ганна, период ос- же характерно для режима статического домена. Вместе цилляций определяется временем пролета через образец с тем период осцилляций остался почти таким же, как и домена сильного электрического поля. В эффекте Ганна в гетероструктурах. Поскольку в сравнительно толстой скорость движения домена соответствует дрейфовой эпитаксиальной пленке нет пространственного переноса скорости носителей заряда. Аналогичный результат был носителей, очевидно, что наблюдаемые осцилляции тока получен и для доменной неустойчивости в селективно имеют совершенно иную природу.

легированных гетероструктурах GaAs / AlGaAs в усло- Эти исследования были дополнены измерениями элеквиях пространственного переноса [1]. В нашем случае трического транспорта на серии эпитаксиальных пленок моменту возникновения неустойчивости соответствует n-GaAs с различной степенью легирования (последодрейфовая скорость порядка 3 · 106 см/с. С другой сто- вательно выращенные образцы 3628-3631). По мере роны, из периода осцилляций, который для образца роста концентрации носителей наблюдался переход от длиной 3 мм составляет около 1 мкс, легко оценить режима формирования статического домена в „слабо скорость движения домена, которая оказывается всего легированных“ образцах 3631 и 3630 к режиму слабо 3 · 105 см/с, т. е. на порядок меньше дрейфовой скорости затухающих осцилляций в образцах 3629 и 3628.

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.