WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1 Латеральный электронный транспорт в короткопериодных сверхрешетках InAs/GaAs на пороге образования квантовых точек © В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, В.А. Рогозин, В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, Ю.В. Хабаров, † Е. Нарюми, К. Киндо, А. де Виссер Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Университет Осака, Япония † Институт Ван-дер-Ваальса, Университет Амстердама, Нидерланды (Получена 8 апреля 2002 г. Принята к печати 9 апреля 2002 г.) Исследованы температурные зависимости сопротивления в интервале температура 0.7K < T < 300 K, эффект Холла и эффект Шубникова–де-Гааза в магнитных полях до 40 Тл, фотолюминесценция и морфология гетерограницы (с помощью атомного силового микроскопа) короткопериодных сверхрешеток InAs/GaAs в области дикритической и критической толщины Q = 2.7 монослоев (МС) InAs, при превышении которой начинается процесс самоорганизованного роста квантовых точек InAs. Формирование слоев квантовых точек при превышении критической концентрации InAs Q = 2.7 МС сопровождается переходом в проводимости от металлической к прыжковой. Установлено, что при толщинах InAs Q = 0.33 и Q = 2.0МС интенсивность фотолюминесценции и подвижности электронов в структурах имеют ярко выраженный максимум. Наблюдена анизотропия проводимости, зависящая от толщины слоев осажденного InAs.

1. Введение одная сверхрешетка InAs/GaAs (подробное описание см. далее), нелегированный спейсер Al0.2Ga0.8As толВ последние годы одним из важных направлений в щиной 10 нм, -слой Si, слой Al0.2Ga0.8As (35 нм) и фундаментальной и прикладной физике твердого тела защитный слой GaAs толщиной 6 нм (рис. 1).

является изучение процессов формирования нанострукНоминальная толщина Q слоев InAs в сверхрешетках тур, образующихся путем реконструкции (самоорганиразличных образцов менялась от 0.33 до 2.7 МС, при зации) поверхности при гетероэпитаксиальном росте в этом пропорционально изменялась толщина P слоев рассогласованных по параметру решетки системах, наGaAs от 1.7 до 13.5 МС, с тем чтобы сохранить средний пример в парах полупроводников InAs/GaAs [1–4]. Вре состав сверхрешетки эквивалентным твердому раствору зультате таких процессов можно, например, получать In0.16Ga0.84As. Такие узкие барьеры GaAs являются проструктуры с квантовыми точками, изучение которых зрачными и, как будет видно из дальнейшего изложевызывает огромный научный интерес.

ния, сверхрешетка представляет собой квантовую яму.

Процесс самоорганизованного роста квантовых точек Нецелое число монослоев означает, что InAs (или GaAs) InAs на поверхности GaAs начинается при превышении на поверхности структуры распределяется неравномертолщины InAs некоторого критического значения (обычно, образуя, кроме целого слоя, отдельные островки.

но толщина InAs измеряется в величинах монослоев — В зависимости от толщины слоев изменялось количеМС). В то время как имеется большое число публикаций ство периодов решетки от 24 до 3 периодов так, чтобы по изучению оптических свойств структур с квантовыми полная толщина сверхрешетки составляла 14 нм во всех точками, электронные транспортные свойства структур образцах. Все сверхрешетки выращивались при темпеInAs/GaAs в области критической и немного меньшей критической толщины InAs исследованы недостаточно.

В данной работе исследуется латеральный транспорт носителей тока в -легированных кремнием короткопериодных сверхрешетках InAs/GaAs, представляющих собой по сути квантовую яму, в области докритической и критической толщины слоев InAs, необходимой для образования квантовых точек.

2. Образцы Исследованные образцы были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующих подложках GaAs (100). Каждый образец состоял из Рис. 1. Схематическое изображение структуры образцов.

следующих слоев (считая от подложки): нелегированный P и Q — толщины GaAs и InAs в монослоях (ML) соответбуферный слой GaAs толщиной 1 мкм, короткопери- ственно.

Латеральный электронный транспорт в короткопериодных сверхрешетках InAs/GaAs... В работе исследован латеральный электронный транспорт, т. е. вдоль слоев сверхрешеток. Для измерения анизотропии сопротивления и магнетосопротивления образцы приготавливались в виде двойного холловского моста L-формы методом фотолитографии. Сопротивление структур измерялось одновременно для тока теку щего вдоль направления [110] и вдоль направления [110].

Магнитосопротивление и эффект Холла при низких температурах в магнитных полях до 8 Тл измерялись в сверхпроводящем соленоиде. Для измерений в магнитных полях до 40 Тл использовалась установка импульсных магнитных полей Амстердамского университета.

3. Результаты измерений Рис. 2. Изображение, полученное атомным силовым микроскопом со структуры с квантовыми точками (образец 8) после и их обсуждение селективного стравливания верхнего слоя.

3.1. Температурные зависимости сопротивления Проводимость образцов с короткопериодными сверхрешетками исследовались в диапазоне температур от комнатной до 70 мК (рис. 3). Для образцов с номинальной толщиной InAs Q 2.0 МС характерна металлическая зависимость сопротивления от температуры, а в области низких температур наблюдается логарифмическое убывание проводимости, характерное для режима слабой локализации носителей тока [5]. Абсолютное значение удельного сопротивления этих образцов во всем исследованном диапазоне температур было существенно меньше значения h/e2, условно разделяющего двумерный металл и изолятор. На рис. 4 в качестве Рис. 3. Температурные зависимости сопротивлений R на квадпримера представлены зависимости проводимости от рат для образцов 1–6 с короткопериодными сверхрешетками и температуры для образцов 2 и 4. При логарифмическом образца 8, содержащего слои квантовых точек. Горизонтальная масштабе по температуре на рис. 4 отчетливо различипунктирная прямая соответствует значению h/e2. Номера у мы линейные участки для каждой кривой при понижении кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

ратуре T = 490C, остальные слои — при T = 590C.

После осаждения каждого слоя InAs осуществлялось 30-секундное прерывание роста. Всего исследовано 8 образцов. Некоторые параметры образцов приведены в таблице.

Для сравнения была выращена структура (образец 1) с одиночной квантовой ямой, в которой вместо сверхрешетки был сформирован слой твердого раствора In0.16Ga0.84As, имеющий такую же толщину — 14 нм.

Данные фотолюминесценции (см. далее разд. 3.3) и полученные на атомном силовом микроскопе показали, что при превышении толщины слоев InAs Q = 2.7МС Рис. 4. Проводимость образцов 2 и 4 в единицах мипроисходит образование квантовых точек. На рис. нимальной металлической проводимости e2/h при низких дано изображение, полученное при помощи атомного температурах. На вставке — зависимость сопротивления R силового микроскопа на образце 8 после селективного от температуры T образца 8 в координатах, соответствующих стравливания верхних слоев. Отчетливо видны островки закону Мотта. Номера у кривых соответствуют номерам арсенида индия — квантовые точки. образцов в таблице.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 72 В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, В.А. Рогозин, В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, Ю.В. Хабаров, Е. Нарюми...

Характеристики исследованных образцов Q, P, Число h2, h1, (hmax), E1-E0, nH, n, µH, Образец МС МС периодов N эВ мэВ мэВ 1011 см-2 1011 см-2 см2/(В · с) эксперимент расчет 1 Квантовая яма 1.434, 1.375 59 50 8.1 8.3 In0.16Ga0.84As 2 0.33 1.7 24 1.419, 1.367 52 54 11.5 – 3 0.67 3.4 12 1.411, 1.369 42 52 7.2 7.0 4 1.00 5.0 8 1.411, 1.370 41 53 7.3 8.7 5 1.33 6.7 6 1.418, 1.374 44 52 8.66 – 6 1.58 8.0 5 1.404, 1.368 36 52 6.8 9.3 7 2.00 10.0 4 1.406, 1.356 50 51 10.4 – 8 2.70 13.5 3 1.390, 1.265 125 – 1.52 – Примечание. Q, P — количество монослоев InAs и GaAs в единицах монослоев, h1, h2 — значения энергии максимумов спектра фотолюминесценции hmax (измеренные при T = 77 K), (hmax) — разница между пиками фотолюминесценции, E1-E0 — расчетная разница между электронными уровнями энергии, nH — холловская концентрация, n — полученная из эффекта Шубникова–де-Гааза концентрация электронов, µH — холловская подвижность (измеренные при T = 4.2K).

температуры до 2 K. При температурах T < 1K про- цов хорошо различимые плато на зависимости Rxy от водимость сверхрешеток с номинальной толщиной InAs магнитного поля соответствуют факторам заполнения Q 2.0 МС выходит на насыщение (см. рис. 4). уровней Ландау = 1, 2 и 3. На вставках к рис. 5, a, b Сопротивление образца 8 во всем диапазоне иссле- приведены спектры Фурье осцилляций Шубникова–деГааза для тех же образцов. Наличие в спектрах Фурье дованных температур лежало выше значения h/e2 и возрастало при понижении температуры. При темпе- одного максимума говорит о том, что в исследуемых образцах заполнена одна подзона размерного квантоваратурах ниже 20 K оно хорошо аппроксимировалось функцией, соответствующей закону Мотта для прыж- ния. Значения концентраций электронов n, полученные ковой проводимости с переменной длиной прыжка в двумерном случае = 0 exp[(T0/T1/3)] [6] (см. вставку на рис. 4). Параметр T0 для образца 8 равен 200 K.

Этот параметр связан с плотностью состояний на уровне Ферми и радиусом локализации как T0 = C(gE a2)-1, где F C = 13.8 — численный коэффициент. Получающийся таким образом из экспериментальных данных радиус локализации a равен примерно 53 нм. Итак, переход от короткопериодной сверхрешетки к слоям квантовых точек при превышении критической концентрации InAs сопровождается переходом в проводимости от металлической к прыжковой.

3.2. Магнетосопротивление, эффект Шубникова–де-Гааза В слабых магнитных полях при температуре жидкого гелия все образцы демонстрировали отрицательное магнетосопротивление. Для образцов с Q 2.0МС наблюдался характерный для слабой локализации вначале квадратичный, а затем логарифмический характер зависимости отрицательного магнетосопротивления от магнитного поля [5].

В более сильных магнитных полях в образцах 1-с 0 Q 2.0 МС наблюдался эффект Шубникова–деГааза. На рис. 5 в качестве примера представлены Рис. 5. Поперечное магнетосопротивление Rxx и холловское зависимости магнетосопротивления Rxx и холловскосопротивление Rxy образцов 4 (a) и 6 (b) при T = 4.2K.

го сопротивления Rxy образцов 4 (Q = 1МС) и Номера у кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

(Q = 1.58 МС) в полях до 40 Тл. Для обоих образ- На вставках показаны соответствующие спектры Фурье.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Латеральный электронный транспорт в короткопериодных сверхрешетках InAs/GaAs... на основании данных осцилляций Шубникова–де-Гааза, приведены в таблице наряду со значениями концентраций nH и подвижностей µH, полученных из данных по эффекту Холла в слабых магнитных полях.

3.3. Фотолюминесценция и энергетический спектр На рис. 6 приведены спектры фотолюминесценции образца 1 (содержащего одиночную квантовую яму In0.16Ga0.8As) и шести образцов со сверхрешетками, расположенными по степени возрастания толщины слоев Рис. 7. Зависимость холловской подвижности µH от толInAs от Q = 0.33 МС до Q = 2.7МС.

щины слоев InAs (Q) при температуре T = 4.2 K. Величина Как видно из рис. 6, спектры фотолюминесценции Q = 0 МС соответствует образцу 1.

образца с одиночной квантовой ямой и образцов со сверхрешетками, содержащими слои InAs толщиной Q 2 МС, имеют сходную форму. Их спектры содержат по 2 выраженных пика. Первый, низкоэнерге- тический, с энергией перехода h1, лежащий в диапазоне 1.356-1.375 эВ, и второй, высокоэнергетический, с энергией перехода h2, лежащий в диапазоне 1.404-1.434 эВ (см. таблицу). Интенсивность первого пика для всех образцов больше интенсивности второго пика.

При достижении слоями InAs номинальной толщины Q = 2.7МС (образец 8) в спектре фотолюминесценции происходят радикальные изменения (см. рис. 6). В низкоэнергетической области возникает новая широкая и интенсивная полоса с максимумом при h = 1.265 эВ.

Согласно работе [1], такого рода изменения в спектре являются характерной чертой совершившегося перехода от двумерного роста слоя InAs к трехмерному росту, приводящему к формированию квантовых точек. Согласно результатам работы [7], положение этого пика в спектре фотолюминесценции позволяет произвести оценку размеров квантовых точек. В нашем случае такая оценка дает размер основания квантовой точки приблизительно 26 нм.

В таблице приведены также значения подвижности µH электронов в исследованных образцах, полученные из эффекта Холла. Очевидно, что изменение холловской подвижности при увеличении толщины Q слоев InAs соответствует зависимости интенсивности фотолюминесценции IPL от Q: подвижность для образца с Q = 0.33 МС максимальна — µH = 9400 см2/(В · с), затем при Q = 0.67 МС подвижность уменьшается до значения 2450 см2/(В · с) и затем растет, достигая при Q = 2.0 МС значения 7060 см2/(В · с) (рис. 7). В образце 1 (с квантовой ямой In0.16Ga0.8As) µH = 8100 см2/(В · с).

Полученные результаты позволяют предположить следующее. В образце 1, содержащем напряженную квантовую яму In0.16Ga0.84As, структура достаточно однородна Рис. 6. Спектры фотолюминесценции исследованных струки подвижность носителей тока определяется рассеянием, тур, отличающихся номинальной толщиной Q слоев InAs.

характерным для сплавов, и упругими напряжениями Масштаб оси интенсивности фотолюминесценции IPL одинаков из-за несоответствия межатомных расстояний в GaAs и для всех рисунков. Номера рисунков соответствуют номерам образцов в таблице. T = 77 K. In0.16Ga0.84As [8]. В образце 2 количество InAs составляФизика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 74 В.А. Кульбачинский, Р.А. Лунин, В.А. Рогозин, В.Г. Мокеров, Ю.В. Федоров, Ю.В. Хабаров, Е. Нарюми...

Рис. 8. Расчетный профиль дна зоны проводимости (Ec), положения нижних электронных уровней E0 (штрихпунктирная линия) и E1 (штриховая линия), а также профили соответствующих волновых функций для образцов 4 (a) и 7 (b); z — расстояние от поверхности образца. Уровень Ферми проведен сплошной горизонтальной прямой.

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.