WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Переход от разъединенного гетероперехода II типа к ступенчатому в системе GaInAsSb/InAs(GaSb) © М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев¶, Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 20 июля 2006 г. Принята к печати 28 июля 2006 г.) Рассмотрены условия перехода от ступенчатого к разъединенному гетеропереходу II типа для одиночных гетероструктур Ga1-x InxAsySb1-y /InAs(GaSb) в зависимости от состава четверного твердого раствора.

Оценены зонные диаграммы таких гетеропереходов и определены величины энергетического разрыва зон на гетерогранице. Экспериментально установлено, что для структуры Ga1-x InxAsySb1-y / p-InAs разъединенный тип гетероперехода II типа наблюдается во всем интервале исследуемых составов, 0.03 < x < 0.23, и становится ступенчатым в интервале составов с 0.3 < x < 1. В гетероструктурах p-Ga1-x InxAsySb1-y /p-GaSb при содержании индия в твердой фазе 0.85 < x < 0.92 наблюдается дырочный тип проводимости, что свидетельствует о ступенчатом характере гетероперехода. При значении x > 0.92 наблюдался вклад в проводимость электронов из полуметаллического канала на гетерогранице и переход от ступенчатого к разъединенному типу гетероперехода.

PACS: 73.40.-c, 73.40.Kp, 73.50.Dn 1. Введение рок через гетерограницу [13]. При изменении состава твердого раствора Ga1-xInxAsy Sb1-y меняется взаимное Твердые растворы Ga1-xInxAsy Sb1-y, изопериодные с расположение энергетических зон на гетерогранице, что подложками GaSb и InAs, перекрывают спектральный приводит к изменению перекрытия волновых функций диапазон от 1.8 до 4.8 мкм, актуальный для задач газово- носителей заряда вблизи интерфейса. Это обусловливает го анализа, экологического мониторинга, медицинской уникальные электрические, рекомбинационные, фотодиагностики [1–4]. Эти материалы перспективны для электрические, люминесцентные и транспортные свойсоздания оптоэлектронных приборов среднего инфра- ства гетероструктур на основе этого твердого раствора.

красного диапазона — лазеров [5,6], светодиодов [7,8], Благодаря малой величине эффективной массы элекфотодиодов [9], а также для задач спинтроники [10].

тронов в узкозонном материале (me = 0.024-0.038m0) Интерес к системе GaInAsSb/InAs(GaSb) обусловлен условия для образования квантово-размерных потенцитакже и тем, что, варьируя состав твердого раствора, альных ям на границе раздела в одиночных гетерострукможно менять степень перекрытия энергетических зон турах в системе твердых растворов GaSb–InAs меньше на гетерогранице с GaSb и InAs и получать как ступенча- зависят от требований к резкости гетерограницы, чем, тые, так и разъединенные гетеропереходы [11]. Типичные например, в гетеропереходах на основе GaAs/GaAlAs.

зонные диаграммы ступенчатых (staggered) и разъеди- Это позволяет создавать квантово-размерные структуры ненных (broken-gap) гетеропереходов II типа приведены методом жидкофазной эпитаксии [2].

на рис. 1. Ступенчатое расположение зон означает, что В связи с этим представляется интересным исследоскачок потенциала на гетерогранице имеет одинако- вать переход от ступенчатого гетероперехода II типа вый знак в зоне проводимости (EC) и в валентной к разъединенному в зависимости от состава твердого зоне (EV ). В разъединенном гетеропереходе GaSb–InAs из-за разницы между величинами электронного сродства контактирующих материалов, превышающей ширину запрещенной зоны GaSb, дно зоны проводимости более узкозонного полупроводника (InAs) лежит ниже потолка валентной зоны более широкозонного (GaSb), так что на гетерогранице имеется разрыв энергетических зон = 150 мэВ при температуре T = 300 K [12].

Отличительной особенностью гетеропереходов II типа от гетеропереходов I типа является пространственное разделение электронов и дырок на границе и их локализация в самосогласованных квантовых ямах по обе стороны гетерограницы. Излучение в гетероструктурах II типа возникает за счет непрямых (туннельных) рекомбинационных переходов электронов и дыРис. 1. Гетеропереходы II типа в системе твердых растворов ¶ E-mail: mkd@iropt2.ioffe.rssi.ru GaInAsSb.

Переход от разъединенного гетероперехода II типа к ступенчатому в системе GaInAsSb/InAs(GaSb) раствора и, следовательно, от зонных параметров ге- GaInAsSb. При этом величина холловской подвижнотероструктур GaInAsSb/InAs(GaSb). Такие исследования сти µH слабо меняется при понижении температуры важны и с практической точки зрения для конструирова- от T = 200 K вплоть до гелиевых температур, T = 2K.

ния оптоэлектронных приборов. При сильном легировании твердого раствора акцепВ настоящей работе рассмотрены условия перекрытия торными примесями наблюдалось разкое уменьшение энергетических зон на границе раздела в одиночных подвижности, обусловленное сужением и истощением гетероструктурах II типа Ga1-xInxAsy Sb1-y/InAs(GaSb) электронного канала и дополнительным механизмом в зависимости от состава твердого раствора и темпера- рассеяния носителей на шероховатостях гетерогранитуры и установлены границы перехода от ступенчатого цы [16]. Увеличение уровня легирования твердого расгетероперехода II типа к разъединенному. твора акцепторной примесью приводило к уменьшению эффективного энергетического зазора на разъединенной гетерогранице II типа p-GaInAsSb/p-InAs и к исчезнове2. Разъединенные гетеропереходы нию электронного канала.

II типа Ga1-xInxAsySb1-y/InAs Аналогичный эффект может быть достигнут в области существования составов также при изменении состава твердого раствора GaInAsSb. Основные параметры гетероструктур с 0.03 < x < 0.p-Ga1-xInx AsySb1-y /p-InAs : Mn с различным содержаИзопериодные одиночные гетероструктуры нием индия (x = 0.04, 0.09, 0.16, 0.22) для T = 77 K, Ga1-xInxAsy Sb1-y/InAs были получены методом жид- полученные при исследовании магнитотранспорта в кофазной эпитаксии на подложке InAs (100). Высокое слабых магнитных полях, представлены в табл. 1. Как качество границы раздела и планарность эпитаксиально- видно из таблицы, при всех составах твердого раствора го наращивания слоев в исследуемых гетероструктурах знак эдс Холла в гетероструктурах указывает на были подтверждены в ходе комплексного исследования электронный тип проводимости. Значения подвижности при помощи методов просвечивающей микроскопии и составляли (3-5.4) · 104 см2/В · с, и, следовательно, рентгеновской дифрактометрии [14]. Ранее мы сообщали основной вклад в холловскую подвижность вносят об обнаружении электронного канала на разъединенной электроны из электронного канала на гетерогранице.

гетерогранице в одиночных гетероструктурах II типа Величина подвижности для фиксированного значения p-GaIn0.16As0.22Sb/p-InAs [15]. магнитного поля убывала с увеличением содержания Электронный канал на одиночной разъединенной ге- индия в твердом растворе.

терогранице II типа существует благодаря простран- Значения ширины электронного канала (d) на границе ственному разделению носителей, локализованных в раздела GaInAsSb/InAs, рассчитанные из величины посамосогласованных потенциальных ямах по разные сто- движности для всех исследованных образцов, указывают роны границы раздела (рис. 2). Было установлено, что на то, что ширина электронного канала на уровне Ферми электроны в канале обладают высокой подвижностью, уменьшается с ростом содержания индия в твердом µH =(5-7) · 104 см2/В · с при T = 77 K, в гетерострук- растворе; для состава с x = 0.22 ширина канала составтурах с нелегированными слоями твердого раствора ляет d 150 (см. табл. 1). В этом случае можно говорить об истощении электронного канала и возможности перехода от полуметаллической к полупроводниковой проводимости на гетерогранице. Причина наблюдаемого явления заключается в изменении взаимного расположения энергетических зон твердого раствора GaInAsSb и подложки InAs на гетерогранице.

Рассмотрим, как меняются энергетические диаграммы гетероструктур p-Ga1-xInx Asy Sb1-y /p-InAs в зависимости от содержания индия в твердом растворе. Для оценки взаимного расположения зон и величины энергетического зазора между потолком валентной зоны твердого раствора GaInAsSb и дном зоны проводимости InAs в исследуемых гетероструктурах использовалось правило электронного сродства [17]. Согласно этому правилу, энергетический зазор на гетерогранице определяется как Рис. 2. Разъединенный гетеропереход II типа = EC - Eg1 = 1 - 2 - Eg1, (1) p-GaIn0.16As0.22Sb/p-InAs в термодинамическом равновесии.

где EC — разрыв в зоне проводимости на гетероСтрелкой отмечен электронный канал, расположенный на границе, Eg1 — ширина запрещенной зоны твердого гетерогранице II типа со стороны p-InAs. EF — уровень Ферми. раствора, 1 и 2 — величины электронного сродства Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 168 М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, Ю.П. Яковлев Таблица 1. Основные характеристики одиночных разъединенных гетероструктур II типа p-Ga1-x InxAsySb1-y/p-InAs на основе нелегированных твердых растворов разного состава при T = 77 K №образца x, см-1 · Ом-1 RH, см2/Кл µH, см2/В · с d, Ns, 1011 см-1 0.04 0.044 -1.2 · 106 54000 370 2 0.09 0.064 -8.9 · 105 65000 400 3 0.16 0.045 -6.7 · 105 30000 310 4 0.22 0.05 -6 · 105 22000 150 0.Примечание. — проводимость, Ns — концентрация электронов в канале, RH — коэффициент Холла.

для твердого раствора и InAs. Расчет величины элек- твердых растворов GaInAsSb, изопериодных с подтронного сродства для твердого раствора был выполнен ложками InAs (сплошная) и GaSb (штриховая).

по модели линейной комбинации вкладов от бинарных Кривые построены по экспериментальным точкам с соединений, входящих в состав взаимной квазитройной использованием метода наименьших квадратов.

системы твердых растворов GaInAsSb (см. табл. 2):

Из табл. 2 видно, что с увеличением содержания индия в четверном твердом растворе вели(Ga1-xInxAsy Sb1-y ) =GaSb(1 - x)(1 - y) чина энергетического зазора монотонно изменяется от -0.07 до -0.04 эВ, достигая максимального значения + InAsxy + GaAs(1 - x - y) +InSbx(1 - y), (2) = -0.09 при x = 0.09. Такой гетеропереход для состагде используются значения электронного сродства би- вов твердых растворов Ga1-xInxAsy Sb1-y с содержанием нарных соединений InAs = -4.9эВ, InSb = -4.59 эВ, индия в интервале 0.03 < x < 0.23 все еще остается GaAs = -4.07 эВ и GaSb = -4.06 эВ [18]. С учетом полу- разъединенным гетеропереходом II типа (рис. 4). Таким ченных величин электронного сродства для четверного образом, электронный канал существует во всем указантвердого раствора была оценена величина энергетиче- ном интервале составов твердого раствора.

ского зазора на гетерогранице при T = 77 K в гетеКак известно, в интервале 0.3 < x < 0.7 имеется роструктурах GaInAsSb/InAs на основе эпитаксиальных обширная область несмешиваемости для твердых расслоев различного состава.

творов GaInAsSb, выращиваемых на подложках GaSb и InAs [23]. Следовательно, согласно нашим расчетам Таблица 2. Значения энергетического зазора на гетерогранице в структурах p-Ga1-xInx AsySb1-y/ p-InAs в зависимости от содержания In в твердом растворе № Eg1, эВ, эВ x 1, эВ 2, эВ образца (T = 77 K) (T = 77 K) 1 0.04 -4.095 -4.9 0.735 -0.2 0.09 -4.136 -4.9 0.675 -0.3 0.16 -4.2 -4.9 0.635 -0.4 0.22 -4.246 -4.9 0.61 -0.Ширина запрещенной зоны твердых растворов Ga1-xInxAsy Sb1-y в диапазоне составов с 0.03 < x < 0.23 и y = 0.06 + x, определенная из спектров фотолюминесценции, находится в энергетическом интервале 0.5-0.8эВ (рис. 3). Точками показаны экспериментальные данные, полученные из наших работ [19–21] по спектрам фотолюминесценции и фототока фотодиодной структуры, а также данные работ [3,22].

Как видно из рис. 3, ширина запрещенной зоны четверного твердого раствора достаточно сильно зависит от состава твердой фазы для широкозонных эпитаксиальных слоев в интервале содержания индия Рис. 3. Зависимость ширины запрещенной зоны четверного x < 0.28, тогда как в области составов с x > 0.твердого раствора Ga1-x InxAsySb1-y от состава при T = 77 K.

наблюдается слабая зависимость. Линиями показаны 1 — твердые растворы, изопериодные с InAs; 2 — твердые расрасчетные аппроксимирующие зависимости ширины творы, изопериодные с GaSb. Точки — эксперимент, линии — запрещенной зоны при T = 80 K от состава четверных аппроксимационный расчет.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Переход от разъединенного гетероперехода II типа к ступенчатому в системе GaInAsSb/InAs(GaSb) При исследовании гетероструктур с эпитаксиальными слоями, выращенными на подложке GaSb и легированными акцепторными примесями Zn и Mn (концентрация легирующих примесей 10-3 ат%), было установлено, что для гетероструктур p-Ga1-xInxAsy Sb1-y /p-GaSb с x < 0.92 характерен дырочный тип проводимости при температуре T = 77 K. Величина холловской подвижности носителей заряда менялась в пределах µH 200-500 см2/В · с, что свидетельствует о ступенчатом типе гетероперехода.

При содержании индия в твердом растворе x = 0.наблюдались смена знака коэффициента Холла и небольшой рост величины подвижности с повышением температуры от T = 77 до 300 K (от 200 до 1000 см2/В · c).

Это свидетельствует о появлении электронов на гетерогранице вследствие изменения зонной диаграммы гетероструктуры Ga1-xInxAsy Sb1-y/GaSb при переходе от ступенчатого гетероперехода II типа к разъединенному с повышением температуры за счет уменьшения ширины запрещенной зоны GaSb.

В гетероструктурах Ga1-xInxAsySb1-y /GaSb для составов с x = 0.85 и 0.92 наблюдается существенное Рис. 4. Зависимости энергетического положения дна зоны различие магнитотранспортных свойств — в поведепроводимости и потолка валентной зоны в гетеропереходе нии коэффициента Холла от напряженности магнитного II типа GaInAsSb/InAs от состава твердого раствора. Ширина поля. Для образца с x = 0.85 коэффициент Холла не запрещенной зоны твердого раствора GaIn0.1As0.16Sb иподложменялся с ростом напряженности магнитного поля, что ки InAs показана в виде вертикальных отрезков, ограниченных характерно для проводимости с участием носителей кривыми.

одного типа (электронов в твердом растворе), в то же время при x > 0.92 наблюдается двукратное уменьшение коэффициента Холла, что указывает на участие в можно ожидать, что проводимость в гетеропереходе магнитотранспорте двух сортов носителей тока (элекII типа Ga1-xInx Asy Sb1-y /InAs меняется от полуметалтронов в твердом растворе и в электронном канале на лической к полупроводниковой вблизи состава твердого гетерогранице).

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.