Особенности проводимости двумерных туннельных структур с сильными рассеивателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат физико-математических наук Иванов, Дмитрий Юрьевич

• Иванов, Дмитрий Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванов, Дмитрий Юрьевич

Введение и общая характеристика работы

Глава 1. Влияние формы потенциальной ямы на транспортные свойства квази-2П систем с ¿—слоями

1.1 Введение

1.2 Образцы.

1.3 Измерение холловских параметров

1.4 Результаты измерений

1.4.1 Двойные слои

1.4.2 Замороженная фотопроводимость

1.4.3 Диамагнитное выталкивание

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности проводимости двумерных туннельных структур с сильными рассеивателями»

2.1.1 Туннельная, или одночастичная плотность состояний.23

2.1.2 Туннелирование и коллективные возбуждения.24

2.1.3 Магнитотуннельная спектроскопия.27

2.2 Проблема пересечения туннельных пиков, связанных с разными уровнями Ландау.28

2.3 Измерения .29

2.3.1 Образцы .29

2.3.2 Эксперимент .30

2.4 Результат .30

2.5 Возможные причины антикроссинга.32

2.5.1 Разориентация магнитного поля.33

2.5.2 Непараболичность спектра Е(к) .33

2.5.3 Туннелирование с участием 2Б магнитоплазмонов.33

2.6 Заключение по второй главе .34

Глава 3. Резонансные магнитополяроны в квантовой яме .35

3.1 Введение .35

3.2 Измерения .36

3.2.1 Образцы .36

3.2.2 Эксперимент .37

3.3 Результат .39

3.4 Заключение по третьей главе .41

Заключение: сводка основных результатов .43

Приложения .45

Приложение А. Схемы измерений .45

А.1 Измерения холловских параметров .45

А.2 Туннельные измерения .46

Приложение Б. Туннельные характеристики с учетом уширенных подзон.46

Б.1 Простой случай - туннелирование в максимум плотности состояний .47

Б.2 Строгое решение с учетом уширенных уровней.49

Приложение В. Вэйвлет-преобразование .50

Литература .55

Введение и общая характеристика работы

Развитие методов роста полупроводниковых структур, зонной инженерии и микроструктурирования, стимулированные миниатюризацией электронных приборов, привели к созданию высококачественных тонкослойных полупроводниковых гете-роструктур и приборов малых размеров на их основе, в которых, вследствие сравнимости толщин слоев с длиной волны де Бройля, значительную роль играют квантовые эффекты, например, квантование импульса и энергетического спектра, тун-нелирование и резонансное туннелирование носителей. Это привело к появлению новой области фундаментальных и прикладных исследований- физики и техники низкоразмерных систем (главным образом, двумерных - 2Б). В настоящее время наиболее востребованными в фундаментальных исследованиях являются 2Б системы на основе Ш-У гетеропереходов, в частности, на основе СаАв/АЮаАв. Более того, перспективными, особенно с точки зрения применений в электронике, считаются подобные структуры с включенными в них ультратонкими слоями, содержащими легирующие примеси (¿-легирование) или массивы самоорганизованных квантовых точек. Электроны сильно рассеиваются на таких включениях, что и определяет специфику структур указанного типа. Именно такие системы исследованы в настоящей работе, чем и определяется актуальность темы исследования.

Типичные структуры, использованные в данной работе, содержат две 2Б подсистемы, созданные с использованием туннельных барьерных слоев, ¿-легированных кремнием слоев или монослоев квантовых точек 1пАб.

Используемое в работе понятие "сильный рассеивателъ" требует специального пояснения. В большинстве исследований туннельных 2Б структур используются "чистые" системы, в которых превалируют процессы туннелирования с сохранением компоненты импульса, параллельного границам раздела, или номера уровня Ландау. При измерении туннельных спектров это приводит к многократному различию в амплитуде резонансных пиков, отвечающих процессам с сохранением и без сохранения указанных квантовых чисел. Как следствие этого процессы без их сохранения обычно проявляются слабо. "Сильные рассеиватели", введенные в систему, выравнивают вероятности (и амплитуды пиков) для этих двух типов процессов, что позволило наблюдать взаимодействие различных процессов туннелирования.

Цель настоящей работы - выявить и исследовать эффекты в 21) системах, к которым приводит наличие сильных рассеивателей в многослойных туннельных структурах с латеральным или вертикальным транспортом.

В качестве объектов исследования были выбраны следующие структуры.

Для исследования латерального транспорта использовались одиночные и двойные 6-слои (¿-слои 81, ./Уо = 3 • 1012 см-2) в матрице из нелегированного СаАэ, выращенные методом газофазной эпитаксии при низком давлении из металлоорга-нических соединений.

Измерения туннельной проводимости между 2Б электронными слоями с разной степенью разупорядоченности проводились с использованием структур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в которых латеральная (последовательная) проводимость вдоль 2Б слоев была исключена из измеряемого сигнала (структуры с чисто вертикальным транспортом электронов). При этом для исследования упругих туннельных процессов использовались, главным образом, образцы СаАв с одиночным барьером Al0.4Ga0.eAs, разделяющим два ¿-слоя (кремний, М™ = 3 • 10п см-2). Для изучения неупругих процессов использовались двухба-рьерные образцы с квантовой ямой сложной формы и квантовыми точками в ней типа п+ — СаАэ / СаАв / Alo.4Gao.6As ] СаАэ / 1пАв (слой самоорганизованных квантовых точек) ОаАэ / Alo.4Gao.6As / (7аА$ / п+ — СаАв.

В работе рассмотрен следующий круг вопросов:

• Исследование влияния на свойства латерального транспорта а) расстояния между одинаковыми параллельными ¿-слоями, б) остаточной фотопроводимости в одиночных и двойных слоях, в) изменения распределения носителей заряда по 2Т> подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига.

• Исследование туннельного спектра неоднородной 2Б системы и анализ причин взаимодействия между уровнями Ландау, принадлежащих различным 2Б подзонам.

• Исследование электронной структуры квантовой ямы в резонансно-туннельном СаАв диоде в широком диапазоне энергий и перпендикулярном слоям магнитном поле и наблюдение формирования резонансных магнитополяро-нов.

В работе получены следующие новые результаты:

1. В структурах с двойными ¿-слоями (два ¿-слоя в матрице СаАэ) проведены измерения холловских параметров для образцов с разным расстоянием между слоями. Показано, что положение максимума в зависимости проводимости от межслоевого расстояния (сам максимум был обнаружен в работе [1]) зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей.

2. Обнаружено, что холловские параметры различных структур с ¿-слоями чувствительны к поверхностному потенциалу. Эффект объяснён пространственным смещением "центра тяжести" 2Б состояний.

3. Обнаружена и объяснена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости в структурах с одиночным ¿-слоем от параллельного ¿-слою магнитного поля.

4. В туннельных структурах с двумя ¿-слоями, расположенными с двух сторон одиночного барьера, обнаружен и объяснён эффект сильного взаимодействия между уровнями Ландау из различных 2Б подзон.

5. Методом магнитотуннельной спектроскопии исследована электронная структура квантовой ямы с квантовыми точками в резонансно-туннельном ваАэ диоде в широком диапазоне энергий. Обнаружено, что уровни Ландау с большими номерами (./V = 2 ч- 7) значительно перенормируются вблизи энергий, когда энергия продольного оптического фонона кратна циклотронной энергии.

Необходимость изучения свойств структур ваАэ и гетероструктур СаАз/АЮаАэ с сильным встроенным потенциалом рассеивателей (¿-слои и/или квантовые точки) обусловлена перспективой их применения для создания электронных и оптоэлек-тронных приборов. Структуры с ¿-слоями, в которых легированная область не совпадает с областью проводимости, появились в результате естественного развития технологии полупроводников и являются альтернативой однородно легированным структурам и гетероструктурам. Сами по себе квантовые точки представляют интересный с точки зрения физики объект и в настоящее время применяются при разработке перспективных оптоэлектронных приборов. И ¿-слои, и квантовые точки все чаще используются в сложных, оптимизированных под конкретную задачу, многослойных гетероструктурах со сложным строением зон.

Предложенный в работе способ характеризации аналогичных материалов с неоднородным легированием в условиях прямых зон (режим остаточной фотопроводимости) позволит более корректно сравнивать материалы, полученные разными способами и прошедшими различную обработку. Полученные экспериментальные данные о взаимодействии электронов проводимости с ионами легирующей примеси в ¿-слое важны для проектирования новых приборов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В структурах с двойными ¿-слоями в матрице ваАэ подтверждено существование максимума на зависимости латеральной проводимости от расстояния между ¿-слоями. Установлено, что максимум зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей в ¿-слое. Эффект связан с перекрытием волновых функций электронов и распределения рассеивающих примесей.

2. Холловские параметры структур с ¿-слоями сильно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется изменением формы дна зоны проводимости и смещением волновых функций 2Б электронов при воздействиях, изменяющих величину поверхностного потенциала. Поэтому процедура сравнения этих параметров корректна лишь в одинаковых условиях, например, в условиях распрямленных зон.

3. Холловская подвижность и латеральная проводимость структур с одиночными ¿-слоями немонотонно зависят от параллельного 5-слою магнитного поля. Эффект объясняется перераспределением электронов по 2D подзонам за счет диамагнитного сдвига подзон. Полученные данные позволяют определить индивидуальные параметры 2D подзон (концентрация, подвижность).

4. В туннельных структурах с ¿-слоями по обеим сторонам одиночного барьера в магнитном поле, параллельном току, обнаружен эффект расталкивания резонансных пиков дифференциальной проводимости, отвечающих процессам туннелирования с изменением номера уровня Ландау и без него. Эффект связывается с возбуждением внутриподзонных и межподзонных магнитоплазмо-нов в неупорядоченной квази-20 системе.

5. В туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резонансы, связываемые с возбужденными состояниями резонансных 2D магнитополяронов в сильнонеупорядоченной системе.

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН, на Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва-1997, Н. Нов-город-2001, С.-Петербург-2003 гг.); на Международных конференциях "Physics of Low-Dimensional Structures - 3" , Chernogolovka, 2001 и "15th International conference on high magnetic fields in semiconductor physics, - SemiMag-15", Oxford, UK, 2002; на Международных симпозиумах "Nanostructures: physics and technology" (С.-Петербург, 1996, 2000, 2002, 2003 г.г. ) и "23rd International Symposium on Compound Semiconductors", С.-Петербург, 1996 ; на молодежных конференциях "Молодежная конференция, посвященная 15-летию ИПТМ РАН и 275-летию РАН", Черноголовка, 1998 и "2-я Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике", Санкт-Петербург, 2000; на "XXXIII Совещании по физике низких температур", Екатеринбург, 2003.

Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах [2-20], включая 5 журнальных статей [2-6], 13 публикаций в трудах и сборниках тезисов конференций [7-19] и 1 электронный препринт [20].

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Иванов, Дмитрий Юрьевич

Основные результаты таковы:

1. Идея "зонной инженерии" в применении к ¿-слоям (модификация волновых функций и, как следствие, распределения плотности электронов) проверялась на двухслойных структурах (два ¿-слоя в матрице СаАэ). Подтверждено существование максимума на зависимости проводимости от расстояния между ¿-слоями. Оказалось, что максимум зависит не только от температуры, но и от уширения распределения легирующих примесей в ¿-слое. Наблюдаемому эффекту дано объяснение в терминах перекрытия волновых функций электронов и конечной (сравнимой с размерами волновой функции) ширины распределения рассеивающих примесей.

2. Измерялись холловские параметры структур с ¿-слоями (холловские концентрация и подвижность). Оказалось, что эти параметры сильно зависят от поверхностного потенциала, что объясняется перекрытием волновых функций электронов 2Т) подзон с рассеивающими центрами. Поэтому корректное сравнение параметров таких структур возможно лишь в одинаковых условиях, например, в условиях замороженной фотопроводимости (режим распрямленных зон).

3. Проведенные эксперименты на структурах, описанного выше типа с затвором показали, что замороженная фотопроводимость связана с межзонной генерацией носителей, электростатическим изменением формы потенциальной ямы ¿-слоя, перераспределением заряда между 2Б подзонами и перекрытием волновых функций состояний и потенциалом легирующей примеси.

4. В экспериментах с одиночными ¿-слоями и параллельным ¿-слою магнитным полем получена немонотонная зависимость холловской подвижности и проводимости от магнитного поля. Это объясняется перераспределением электронов по 2Б подзонам за счет эффекта диамагнитного сдвига подзон. С использованием упрощенной модели этой 2Б системы (два типа носителей — из "нижней" и всех "верхних" подзон размерного квантования) получены количественные оценки распределения электронов по подзонам ("нижней" и всем "верхним"). В достаточно больших полях, когда заполненными остаются только две подзоны, удалось получить зависимость подвижности в верхней подзоне от концентрации электронов в ней. Эти данные также объясняются в терминах перекрытия волновых функций электронов подзон с рассеивающими центрами.

5. Исследованы процессы туннелирования между сильнонеупорядоченными 2Б электронными системами в квантующем магнитном поле, параллельном току. В такой системе амплитуда резонансов, отвечающих упругим и неупругим процессам оказалась сравнимой (одного порядка). Этот факт и позволил обнаружить сильное взаимодействие между уровнями Ландау из разных 2Б подзон. Эффект связан с возбуждением взаимодействующих внутриподзонных и межподзонных магнитоплазмонов в неупорядоченной квази-2Б системе.

6. В туннельном спектре резонансно-туннельного диода с квантовой ямой, в центр которой встроен слой квантовых точек, обнаружены резонансы, связываемые с возбужденными состояниями 2Т> резонансных магнитополяронов. Они проявляются как антикроссинг туннельных переходов с излучением оптического фонона и без него.

Заключение: сводка основных результатов

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванов, Дмитрий Юрьевич, 2005 год

1. X. Zheng, Т.К. Carns, K.L. Wang, В. Wu. "Electron-mobility enhancement from coupled wells in delta-doped GaAs". Appl. Phys. Lett 62 504-506 (1993).

2. Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, В.В. Валяев, B.JI. Гуртовой. "О подвижности электронов в ¿-слоях при диамагнитном выталкивании уровней размерного квантования". Письма в ЖЭТФ 66 704-708 (1997).

3. В.А. Волков, Э. Тахтамиров, Д.Ю. Иванов, Ю.В. Дубровский, JI. Иве, П.К. Мэйн, М. Хенини, Д.К. Мод, Ж.К. Портал, Ж.К. Маан, Дж. Хилл. "Туннельная спектроскопия квазидвумерных плазмонов". УФН 171 1368-1370 (2001).

4. Д.Ю. Иванов, C.B. Морозов, Ю.В. Дубровский, С.Ю. Шаповал, В.В.Валяев,

5. В.В. Валяев, Е.Е. Вдовин, B.JI. Гуртовой, Ю.В. Дубровский, Д.Ю. Иванов,

6. K. Ploog. "Delta-doping in MBE-grown GaAs: concept and device application". Journal of Crystal Growth 81 304-313 (1987).

7. E. F. Shubert. "Epitaxial Microstructures". Semiconductor and Semimetals 40 стр. 1-151, Academic Press edition (1994).

8. А.Я. Шик. "Полупроводниковые структуры с ¿-слоями". ФТП 26 1161-1181 (1992).

9. Н.Н. Radamson, M.R. Sardela, Jr.O. Nur, M. Willander, B.E. Sernelius, W.X. Ni, G.V. Hansson. "Electron-mobility enhancement in Si using doubly delta-doped layers". Appl. Phys. Lett. 64 1842-1844 (1994).

10. T. Ihn, H. Kostial, R. Hey et al. В сборнике Extended Abstract of the 1992 International Conference on Solid State Devices and Materials стр. 313 (1992).

11. P.M. Koenraad, A.C.L. Heessels, F.A.P. Blom, J.A.A.J. Perenboomb, J.H. Woltera. "Subband population and electron subband mobility for two interacting Si-5-doping layers in GaAs". Physica B 184 221-225 (1993).

12. T. Makimoto, N. Kobayashi, Y. Horikoshi. "Electron conduction in GaAs atomic layer doped with Si". J. Appl. Phys. 63 5023-5026 (1988).

13. G.Q. Hai, N. Studart. "Dependence of the electron mobility on the acceptor concentration in Si delta-doped GaAs". Phys. Rev. B 52 2245-2248 (1995).

14. A.G. de Olivera, G.M. Ribeiro, D.A.W. Soares, J.A. Correa, M.I.N, da Silva, H. Chacham. "Photoconductivity and n-type to p-type transition in silicon planar-doped GaAs structures with a doped cap layer". J. Appl. Phys. 78 2659-2665 (1995).

15. S. Arscott, M. Missous, L. Dobaczewski. "Observation of persistent photoconductivity in delta-doped GaAs". Semicond. Sci. Technol 7 620-6231992).

16. Y. Fu, M. Willander. "Subband structure and ionized impurity scattering of the two dimensional electron gas in ¿-doped field effect transistor". J. Appl. Phys. 78 3504-3510 (1995).

17. E.F. Shubert, J.M. Kuo, R.F. Kopf. "Theory and experiment of capacitance-voltage profiling on semiconductors with quantum confinement". J. of Electronic Materials 19 521 (1990).

18. G.Q. Hai, N. Studart, F.M. Peeters. "Multisubband electron transport in delta -doped semiconductor systems". Phys. Rev. B 52 8363-8371 (1995).

19. W. de Lange, F.A.P. Blom, P.J. van Hall, P.M. Koenrad, J.H. Wolter. "Intersubband scattering in GaAs/Al^/Gai.^/As heterostructures". Physica B 184 216-2201993).

20. R. C. Newman. "The lattice locations of silicon impurities in GaAs: effects due to stoichiometry, the Fermi energy, the solubility limit and DX behaviour". Semicond. Sci. Technol. 9 1749-1762 (1994).

21. Т. N. Theis, P. М. Mooney, S. L. Wright. "Electron Localization by a Metastable Donor Level in n-GaAs: A New Mechanism Limiting the Free-Carrier Density". Phys. Rev. Lett. 60 361-364 (1988).

22. D.C. Chadi, K.J. Chang. "Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and A^Ga^As Alloys". Phys. Rev. Lett. 61 873-876 (1988).

23. E.H. Rhoderick. Metal-semiconductor contacts, стр. 1. Clarendon Press, Oxford edition, 1978.

24. A. Zrenner, H. Reisinger, F. Koch, K. Ploog, J.C. Maan. "Electronic subbands of a delta doping layer in GaAs in a parallel magnetic field". Phys. Rev. В 33 5607-5610 (1986).

25. А.В. Henriques. "Quantum and transport mobilities in delta-doped semiconductor". Phys. Rev. В 53 16365-16371 (1996).

26. Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн. "Электронные свойства двумерных систем". Москва, Мир, 1985.

27. T.N. Theis, J.P. Kotthaus, P.J. Stiles. "Two-dimentional magnetoplasmons in the silicon inversion layer". Solid State Commun. 24 273-277 (1977).

28. D.C. Tsui, E. Gornik, R.A. Logan. "Far infrared emission from plasma oscillations of Si inversion layers". Solid State Commun. 35 875-877 (1980).

29. M.L.F. Lerch, D.J. Fisher, A.D. Martin, C. Zhang, L. Eaves. "Charge accumulation over a region of electrical multistability in a double barrier structure". Surface Science 361-362 226-230 (1996).

30. D.A. Dahl, L.J. Sham. "Electrodynamics of quasi-two-dimentional electrons". Phys. Rev. В 16 651-661 (1977).

31. J.G. Chen, C.H. Yang, M.J. Yang, R.A. Wilson. "Observation of two-dimensional resonant magnetopolarons and phonon-assisted resonant tunneling in double-barrier heterostructures". Phys. Rev. В 43 4531-4533 (1991).

32. D.C. Tsui, G. Kaminsky, P.H. Schmidt. "Tunneling study of surface quantization in n-РЬТе". Phys. Rev. В 9 3524-3531 (1974).

33. С.В. Duke. "Optical Absorption Due to Space-Charge-Induced Localized States". Phys. Rev. 159 632-644 (1967).

34. D.J. Ben-Daniel, C.B. Duke. "Conductance Anomalies due to Space-Charge-Induced Localized States". Phys. Rev. 160 679-685 (1967).

35. C.B. Duke. "Continuously-variabeinfrared line absorption due to narrow spacecharge channels". Phys. Lett. A 24 461-463 (1967).

36. G.A. Barraf, J.A. Appelbaum. "Effect of Electric and Magnetic Fields on the Self-Consistent Potential at the Surface of a Degenerate Semiconductor". Phys. Rev. B 5 475-497 (1972).

37. G.S. Bobinger, A.F. J. Levi, S. Schmitt-Rink, A. Passner, L.N. Pfeiffer, K.W. West. "Direct observation of two-dimensional magnetopolarons in a resonant tunnel junction". Phys. Rev. Lett. 65 235-238 (1990).

38. A.K. Louis, P. Maass, A. Rieder. "Wavelets: Theory and Applications". John Wiley&Sons Ltd (1997).

39. K.S. Chan, F.W. Sheard, G.A. Toombs, L. Eaves. "Magnetoquantum effect in III-V tunneling heterostructures". Phys. Rev. B 56 1447-1455 (1997).