WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходах AlGaAs/GaAs с тонкими слоями AlGaAs,¶,+ + + © Д.А. Козлов, З.Д. Квон, А.К. Калагин, А.И. Торопов Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия + Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 25 мая 2006 г. Принята к печати 9 июня 2006 г.) Изучены транспортные свойства двумерного электронного газа, расположенного на малом расстоянии (15-32.5нм) от поверхности в гетеропереходе AlGaAs/GaAs. Обнаружены сильное влияние поверхности на поведение проводимости двумерного электронного газа, а также эффект экранирования металлическим затвором рассеяния двумерных электронов на заряженных центрах.

PACS: 73.23.-b, 73.40 В работах, посвященных изучению двумерного элек- между ДЭГ и поверхностью: 32.5, 25 и 15 нм. Схематичетронного газа (ДЭГ) в гетеропереходе AlGaAs/GaAs, ская структура слоев для трех расстояний дана на рис. 1, как правило, рассматриваются структуры с толщиной а параметры легирования представлены в табл. 1. Основверхнего слоя широкозонного полупроводника от 100 нм ной особенностью всех образцов является в несколько и выше. В таком гетеропереходе двумерный электрон- (3-5) раз более высокая, чем обычно, концентрация ный газ располагается на значительном расстоянии от примесей Si в первом -слое, экранирующем структуповерхности структуры. Его проводимость определяется ру от поверхностного поля, вызванного „пиннингом“ концентрацией легирующей примеси в близлежащем к уровня Ферми вблизи середины запрещенной зоны на границе гетероперехода слое, а также рассеянием на поверхности структуры и приводящего к обеднению ее фононах при высоких температурах и заряженных цен- приповерхностной области. Такая высокая концентрация примесей в экранирующем -слое вызвана как раз блитрах при низких [1–4]. В последнее время, в основном зостью поверхности гетероструктуры к ДЭГ. На основе чтобы уменьшить характерные размеры наноструктур, описанных выше образцов с помощью обычной фотолитографии изготавливались холловские мостики как Таблица 1. Параметры образцов: расстояние между слоями с металлическим TiAu затвором, так и без него. Для и уровни легирования -слоев проведения экспериментов по влиянию металлического затвора на свойства ДЭГ изготавливался специальный холловский образец, одна из частей которого была без dS, mm d1, d2, d3, d4, Nd1, см-2 Nd2, см-затвора, а на другую напылялся затвор (рис. 1). Это 32.5 65 65 125 70 1 · 1012 4 · 1012 позволяло фактически одновременно измерять характе25 50 50 100 50 1.1 · 1012 5 · 1012 ристики ДЭГ при наличии близлежащей металлической 15 50 30 30 40 4 · 1012 4 · пленки и без нее и тем самым проводить сравнительный анализ в наиболее адекватных условиях.

Начнем с анализа распределения затворного напрясоздаваемых на основе описываемого двумерного газа, а жения, подаваемого на структуру. Особенность этого также для использования техники атомной силовой ми- распределения в отличие от обычных структур заклюкроскопии [5,6], появилась задача изучения такого газа в гетеропереходе с тонкими до 10-30 нм слоями AlGaAs.

С одной стороны, его свойства могут в значительной степени отличаться от таковых для стандартного ДЭГ из-за сильного влияния поверхности как на концентрацию двумерных электронов, так и на их рассеяние.

С другой — особый интерес представляют различные эффекты, связанные с экранированием кулоновского взаимодействия двумерных электронов, как с заряженными центрами, так и друг с другом металлическим затвором из-за малого расстояния между этим затвором и ДЭГ.

В работе использовались образцы, выращенные на основе технологии МЛЭ с различным расстоянием ds Рис. 1. Гетероструктура и меза-структура исследуемых об¶ E-mail: kod@gorodok.net разцов.

Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходах AlGaAs/GaAs с тонкими слоями AlGaAs сильнее рассеяние на заряженных центрах не только в силу тривиального увеличения концентрации примесей в -слоях, но также из-за того, что число заряженных центров растет с уменьшением расстояния между поверхностью и -слоями вследствие роста числа электронов, переходящих на поверхностные состояния. Теория рассеяния двумерных электронов (см., например, [7]) дает следующее выражение для их подвижности в случае рассеяния на удаленных заряженных примесях (в данном случае оно слегка модифицировано применительно к исследованным гетеропереходам):

µ-1 =(m/e) Nd1 f (d1) +Nd2 f (d2) +Ns f (dS), (1) где Nd1, Nd2, Ns — концентрации рассеивающих центров Рис. 2. Экспериментальные и расчетные зависимости конценсоответственно в первом (близлежащем к ДЭГ) -слое, трации ДЭГ n2D от затворного напряжения для трех типов втором и на поверхности; d1, d2, dS — соответственно образцов. Штриховая линия соответствует модели плоского конденсатора с толщиной диэлектрического слоя dS; штрих- расстояние от ДЭГ до первого -слоя, до второго и пунктирная линия — расчет, учитывающий падение напря- до поверхности; интеграл f (di) означает вероятность жения в ДЭГ; сплошные линии — расчет с учетом падения напряжения в слое ДЭГ и в слое естественного окисла 2 нм.

чается прежде всего в том, что толщина слоя, отделяющего ДЭГ от поверхности структуры, становится сравнимой с толщиной слоя двумерных электронов, и связь между их концентрацией n2D и затворным напряжением Vg уже не определяется только расстоянием от границы гетероперехода до поверхности структуры.

Этот факт хорошо виден из сравнения измеренных зависимостей n2D(Vg) с расчетными (рис. 2). На этом рисунке пунктирными линиями показан расчет, не учитывающий падения напряжения в слое ДЭГ. Хорошо видно заметное разногласие расчета и эксперимента.

Результаты расчета (штрихпунктирные линии) с учетом слоя ДЭГ, проделанного на основе самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона, дают уже значительно лучшее согласие. Тем не менее наблюдается заметное расхождение расчетных зависимостей с экспериментальными. Предположено, что оно вызвано уже наличием естественного окисла толщиной 2-3нм между поверхностью структуры и металлом. Сплошные линии отвечают учету всех вышеперечисленных факторов.

На рис. 3 представлены типичные результаты измерения зависимости подвижности двумерных электронов от их концентрации для трех толщин слоя AlGaAs–GaAs, расположенного над ДЭГ. Хорошо видны две особенности в их поведении: 1) чем меньше расстояние между ДЭГ и поверхностью структуры, тем ниже подвижность электронов, и 2) все три зависимости имеют одинаРис. 3. Зависимости подвижности электронов в ДЭГ µ от ковый характер — подвижность электронов растет с концентрации n2D для трех типов образцов толщиной 15, ростом концентрации. Обе особенности объясняются 25 и 32.5 нм при температуре T = 4.2 K. Сплошным линиям доминирующим рассеянием двумерных электронов на отвечают теоретические кривые, отдельным точкам — экспезаряженных центрах. Очевидно, что чем меньше тол- риментальные значения, а штриховые линии соответствуют аппроксимации зависимостей по формуле µ n.

щина слоя, отделяющего ДЭГ от поверхности, тем 2D Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 188 Д.А. Козлов, З.Д. Квон, А.К. Калагин, А.И. Торопов Таблица 2. Сравнение свойств ДЭГ для затворной (M) перераспределению электронов между ПС и двумерным и беззатворной (A) частей слоем таким образом, что n2D растет. Причем, поскольку для образцов с dS = 25 и 32.5 нм обмен между ПС dS µM/µA M(Vg = 0)/A и легирующими слоями сильно затруднен из-за более широкого AlGaAs-барьера, в них n2D при нанесении ме25 нм 1.4-1.5 0.талла уменьшается, скорее всего, из-за КРП. Этот факт 15 нм 2-2.5 7-подтверждает справедливость второго предположения.

Поскольку при примесном рассеянии, доминирующем в нашем случае, подвижность заметным образом зарассеяния на единичной примеси, расположенной на висит от концентрации, влияние металла на подвижрасстоянии di от ДЭГ, и равен ность важно установить при одной и той же концентрации электронов. Отношение подвижности µM/µA 2kF m m e2 2 e-2qd показано в табл. 2. Хорошо видно, что эффект роf (di) = 3 ста подвижности является меньшим для dS = 25 нм e 2 k3 20 [q + qTFG(q)]F и большим для dS = 15 нм. В этом случае наличие металла увеличивает подвижность более чем в 2 раза.

b q2dq Поведение шубниковских осцилляций (рис. 4) показы, (2) b + q 1 - (q/2k )f вает, что наряду с транспортным временем заметно растет и квантовое время. Таким образом, наличие при этом металла вблизи ДЭГ ведет к заметному подавлению 3 рассеяния электронов. Естественно связать подобный 1 b b b G(q) = 2 + 3 + 3, (3) эффект с экранировкой рассеивающего потенциала при8 b + q b + q b + q месей металлическим слоем. Нетрудно провести грубую а b — параметр волновой функции Стерна–Ховарда оценку этого эффекта, предположив, что амплитуда u(z ) =(1/2b3)1/2z exp(-1/2bz ). рассеивающего потенциала уменьшается на величину Поскольку величины d1, d2, dS заданы, а все остальные = e2/(d + z ) / e2/(d + z ) - e2/(2d + z ), и соответвеличины задаются концентрацией двумерных электро- ственно величина подвижности должна увеличиваться в нов, определяемой либо из холловских измерений, либо 2 раз при напылении металла. Оценка дает рост из измерений шубниковских осцилляций, в качестве в 3-4 раза, что не так и далеко от экспериментального подгоночных параметров при расчете служили только значения, если учесть всю приблизительность оценки.

концентрации Nd1, Nd2, Ns. Проанализируем теперь зависимость подвижности от Прежде чем перейти к анализу экспериментального концентрации. На рис. 3 сплошными линиями показаны поведения подвижности и расчета, необходимо проана- результаты расчета этой зависимости по формуле (1).

лизировать влияние металлического затвора на свойства Как видно, расчет дает существенно более медленный ДЭГ. В табл. 2 приведены отношения проводимости рост подвижности, чем тот, который наблюдается в ДЭГ с близлежащим металлическим затвором M к его эксперименте для всех трех типов образцов. Причем проводимости A при отсутствии этого затвора. Хорошо следует отметить, что вариация параметров расчета видно, что нанесение металлического затвора ведет ничего принципиально не меняет: по-прежнему расчет к неожиданно разному изменению проводимости для образца с расстоянием между ДЭГ и поверхностью и 25 нм: если для образца с ds = 15 нм наблюдается рост проводимости в 7-8 раз, то для образца с dS = 25 нм наблюдается небольшое уменьшение. Измерение концентрации двумерных электронов показывает, что описанное поведение связано с различным влиянием металлического затвора на концентрацию электронов.

Если для dS = 15 нм n2D увеличивается при нанесении металла в 1.5 раза, то для dS = 25 нм она уменьшается в 1.5 раза. Обсудим сначала эффект увеличения n2D. Первое, с чем можно связать его, — это контактная разность потенциалов (КРП) между металлом и полупроводником, второе — это изменение заряда поверхностных состояний (ПС) при напылении металла на свободную поверхность гетероструктуры. В первом случае должно было бы наблюдаться изменение n2D в Рис. 4. Осцилляции Шубникова–де-Гааза для образца толщиодну и ту же сторону для всех значений dS. Тогда оста- ной 15 нм для затворной и беззатворной частей при темперается вторая причина — перезарядка ПС, приводящая к туре T = 4.2 K для близких значений n2D.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходах AlGaAs/GaAs с тонкими слоями AlGaAs [3] B.J.F. Lin, D.C. Tsui, M.A. Paalanen, A.C. Gossard. Appl. Phys.

Lett., 45 (6), 695 (1984).

[4] F. Stern. Appl. Phys. Lett., 43 (10), 974 (1983).

[5] В.А. Ткаченко, З.Д. Квон, Д.В. Щеглов, А.В. Латышев, А.И. Торопов, О.А. Ткаченко, Д.Г. Бакшеев, А.Л. Асеев.

Письма ЖЭТФ, 79, 168 (2004).

[6] A. Fuhrer, S. Lscher, T. Ihn, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider, M. Bichler. Nature, 413, 822 (2001).

[7] J.H. Davies. The Physics of Low-dimensional Semiconductors:

An Introduction (Cambridge University Press, 1998).

Редактор Л.В. Беляков Two-dimensional electron gas properties in AlGaAs/GaAs heterojunctions with thin layers of AlGaAs Рис. 5. Зависимость tr /q для части образца, покрытой,+ + затвором и с dS = 15 нм, от концентрации ДЭГ n2D. D.A. Kozlov, Z.D. Kvon, A.K. Kalagin, + A.I. Toropov Novosibirsk State University, 1.2-1.630090 Novosibirsk, Russia дает зависимость µ Ns, тогда как в эксперименте + 1.7-2.Institute of Semiconductor Physics, она ведет себя как µ Ns. Возможно, указанное Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, разногласие связано с тем, что (1) не учитывает эффекта 630090 Novosibirsk, Russia экранирования металлическим затвором. И наконец, рассмотрим поведение отношения транспортного времени к квантовому. Как известно, оно дает информацию о

Abstract

The transport properties of two-dimensional electron наличии и относительной роли короткодействующего и gas, situated at a small distance to the surface (15-32.5nm) in the дальнодействующего рассеивающих потенциалов в ДЭГ. AlGaAs/GaAs heterojunction, have been investigated. A strong Значения tr/q, найденные из кривых на рис. 4, состав- influence of the surface on the conductivity behaviour of two ляют 3.5 для беззатворной части и 4 для затворной. dimensional electron gas has been observed. Screening by a Это отношение показывает, что в отличие от самих этих metallic gate of the scattering of two dimensional electrons at the времен оно практически одинаково в обоих случаях, charged centers has been observed, too.

и, таким образом, экранировка короткодействующего и дальнодействующего рассеивающих потенциалов металлическим затвором является по существу одной и той же. Для образцов с затвором была также измерена зависимость отношения tr /q от n2D (рис. 5). Как видно, это отношение растет с увеличением концентрации двумерных электронов примерно линейным образом. Однако дальнейший анализ требует развития теории рассеяния с учетом экранирования металлическим затвором.

Таким образом, представленные в данной работе результаты показывают, что свойства ДЭГ в гетеропереходе AlGaAs/GaAs, расположенного на малом расстоянии от поверхности, обладают рядом особенностей. Наиболее интересные из них связаны с эффектом экранирования металлическим затвором. Их дальнейшее изучение представляет несомненый интерес, в особенности в эффектах, обусловленных взаимодействием между электронами.

Список литературы [1] M.A. Paalanen, D.C. Tsui, A.C. Gossard, J.C.M. Hwang. Phys.

Rev. B, 29, 6003 (1984).

[2] M. Heiblum, E.E. Mendez, F. Stern. Appl. Phys. Lett., 44 (11), 1064 (1984).




© 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.