авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Туннельная спектроскопия двумерной электронной системы приповерхностного дельта-легированного слоя в gaas

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Котельников Игорь Николаевич

Туннельная спектроскопия двумерной электронной системы приповерхностного дельта-легированного слоя в GaAs

01.04.10 физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Долгополов Валерий Тимофеевич доктор физико-математических наук Каган Мирон Соломонович доктор физико-математических наук, профессор Кульбачинский Владимир Анатольевич

Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится 16 мая 2008 г., в 10-00 на заседании диссерта-

ционного совета Д 002.231.01 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, Москва ГСП-9, ул. Моховая, 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН

Автореферат разослан «____» апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор С.Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экспериментальная информация о размерно-квантованных состояниях в полупроводниковых структурах извлекается, в основном, из оптических и магнитотранспортных измерений. Однако в последние годы на первый план в этой области выдвинулась туннельная спектроскопия. Метод туннельной спектроскопии [1] позволяет изучать не только заполненные, как в магнитотранспорте, но и пустые энергетические уровни. Кроме того, он обладает достаточно высоким разрешением, сравнимым с оптическими методами исследования, и позволяет определять положения особенностей в туннельных спектрах с точностью до нескольких сотен микровольт уже при гелиевых температурах. Это дает возможность надежно регистрировать и изучать тонкие эффекты, связанные с межчастичными взаимодействиями. Возрождение интереса к туннельным экспериментам связано с появлением молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), как метода получения полупроводниковых структур, в том числе на основе GaAs, с очень высоким качеством гетерограниц и высокоточным профилем легирования [2]. Предельные возможности легирования в МЛЭ реализует технология дельта-легирования (легирования) [3,4]. В этой технологии замещение атомов основной решётки атомами легирующей примеси можно осуществить при остановке роста и делать это, в идеале, в пределах только одной кристаллической плоскости, в которой проводится -легирование. В результате, вблизи этой плоскости в GaAs возникает Vобразная потенциальная яма для электронов (при легировании Si, например), которые удерживаются зарядом доноров вблизи легированного слоя.

Приближение плоскости легирования к поверхности GaAs приводит к сильной асимметрии потенциального профиля квантовой ямы -слоя. В направлении от -слоя к границе кристалла потенциал растет почти линейно с координатой на величину ~1 эВ. В сторону объема GaAs (при типичном остаточном легировании объема акцепторами с концентрацией около 1015 см-3) потенциал увеличивается с координатой, достигая области плоских зон на глубине около 1000 нм. При этом изменение потенциальной энергии составляет величину порядка ширины запрещенной зоны (1.5 эВ). Нанесение металла на поверхность GaAs дает возможность управлять величиной электрического поля между -слоем и металлом и, следовательно, изменять асимметрию потенциала вблизи слоя, а также концентрацию 2D электронов в нем. Соответственно, распределение электронной плотности в перпендикулярном плоскости легирования направлении также существенно меняется с напряжением на металлическом электроде (затворе). Это может усилить зависимость проводимости 2D канала от потенциала затвора. Такие особенности транспорта в двумерной электронной системе (ДЭС) приповерхностных слоев показывают перспективность их использования в качестве канала полевых транзисторов.



Когда расстояние между -слоем и металлом достигает десятков нанометров, между ними возникают переходы свободных носителей за счёт туннельного эффекта. Кроме того, близость -слоя к поверхности кристалла, сопровождающаяся переходом части свободных носителей на поверхностные состояния, создает условия для локализации [5] носителей в квантовой яме. Благодаря этому обстоятельству в -легированных слоях удалось наблюдать переход от слабой локализации к сильной с понижением температуры [6]. Высокое качество гетерограницы Al/GaAs, получаемой методом МЛЭ [7], открывает новую возможность использования приповерхностного -слоя. С помощью изготовленного на его основе туннельного перехода Al/-GaAs можно исследовать эффекты плотности состояний и электрон-фононного взаимодействия в ДЭС полупроводникового электрода методами туннельной спектроскопии.

Для полярного GaAs взаимодействие между электроном в зоне проводимости и LO-фононами не слишком слабое и хорошо описывается гамильтонианом Фрёлиха. Движение электрона вызывает поляризацию решетки, и во многих случаях следует учитывать, что электрон, окруженный "фононной шубой", ведет себя как квазичастица или полярон [8, 9]. Туннельная система Al/-GaAs представляется наиболее перспективной для наблюдения резонансных особенностей, связанных с поляронным взаимодействием между уровнями [10]. Дело в том, что расстояния между подзонами в -GaAs оказываются близки к энергии LO=36.5 мэВ продольных оптических фононов. Положения уровней в двумерном канале структуры Al/-GaAs можно менять за счёт внешних воздействий, подстраивая межподзонную энергию в резонанс с LO. В результате взаимодействия электронов с LO-фононами меняется также и время электрон-фононного рассеяния для состояний, отстоящих от поверхности Ферми в ДЭС на величину LO [9, 11]. Кроме того, на процесс туннелирования электронов существенно влияют эффекты неупругого взаимодействия с LO-фононами [1]. Экспериментально такие поляронные эффекты в туннельных системах с ДЭС не изучались, хотя их исследование имеет фундаментальное значение для физики низкоразмерных структур и, в частности, для развития поляронной теории многоэлектронных систем [11].

Таким образом, туннельная структура Al/-GaAs выглядит чрезвычайно привлекательным объектом для изучения ДЭС -слоя и межчастичных эффектов в ней. Однако до появления работ автора она не была реализована как туннельная система, пригодная для туннельно-спектроскопических исследований при гелиевых температурах.

Целями работы являются:

- получение высококачественных туннельных структур Al/-GaAs с двумерной электронной системой в -легированном (Si) слое GaAs и с металлическим затвором (Al), который изготавливается в камере молекулярно-лучевой эпитаксии;

- получение экспериментальной информации о спектре размерно-квантованных состояний в ДЭС приповерхностного -слоя в GaAs в условиях внешних воздействий (температуры, давления, магнитного поля и излучения), а также влияния на этот спектр межчастичных взаимодействий: электрон-электронного и электрон-фононного;

- исследование многочастичных особенностей в туннельных спектрах, связанных как с неупругими процессами при туннелировании, так и с изменением плотности состояний в ДЭС -слоя;

- изучение магнитотранспорта в приповерхностных одиночных и двойных -слоях;

- исследование фотоотклика структур Al/-GaAs на импульсное лазерное излучение субмиллиметрового диапазона.

Научная новизна работы связана, прежде всего, с созданием методом МЛЭ высококачественной туннельной структуры Al/-GaAs для изучения ДЭС, плотность которой можно менять в широких пределах. Качество такой структуры было проверено экспериментально в данной работе. Во-первых, проверка осуществлена путем сравнения спектра размерно-квантованных состояний в полупроводниковом электроде с результатами самосогласованных расчетов. Это было сделано в условиях, когда основные параметры структуры (высота барьера на границе Al/GaAs, расстояние между этой границей и -слоем, а также концентрация примесей в нем и в GaAs) были измерены независимыми методами. Во-вторых, качество структуры проверено путем наблюдения щели в квазичастичном спектре алюминиевого электрода структуры ниже температуры Tc=1.1 K сверхпроводящего перехода в Al, что признано одним из основных критериев качества туннельных структур с барьером Шоттки.

В структуре Al/-GaAs квантовая яма с двумерным электронным газом создается только за счет -легирования GaAs на значительном, по сравнению с системой AlGaAs/GaAs, удалении от гетерограницы. Самосогласованный потенциальный профиль такой квантовой ямы должен зависеть от параметров самой ДЭС, в частности, от ее плотности и квазичастичного спектра. Кроме того, внешние воздействия влияют не только на электроны в -слое, но и на параметры GaAs (зарядовое состояние остаточных примесей, параметры зонной структуры), которые тоже могут менять форму квантовой ямы -слоя. Это приводит к повышенной чувствительности туннельных характеристик ко всем этим факторам.

Благодаря указанному обстоятельству удалось наблюдать ряд новых эффектов методом туннельной спектроскопии. Обнаружен эффект замороженной туннельной фотопроводимости, проявляющийся как сгущение спектра пустых уровней в -слое состоянию после облучения структуры. Кроме того, был обнаружен резонансный межподзонный полярон в ДЭС по наблюдению пиннинга и расталкивания уровней при их диамагнитном сдвиге. Причем этот эффект удалось наблюдать благодаря близости межподзонных энергий Eij в -слое полярного GaAs к энергии LO оптических фононов. В условиях, когда Eij>LO, удалось обнаружить эффект отражения электронов на пороге эмиссии LO-фононов при туннелировании в ДЭС и впервые наблюдать переход от отражения к обычному неупругому туннелированию с участием LO-фононов. Было показано, что туннельная плотность состояний на поверхности Ферми ДЭС значительно уменьшается вблизи перехода проводящего канала приповерхностного -слоя в диэлектрическое состояние. Это было достигнуто как путем изменения технологических параметров структур, так и за счет стимулированного давлением перехода металл-диэлектрик в области -легирования.

Практическая ценность работы связана с использованием приповерхностных -легированных слоев в канале полевого транзистора. Перспективность их применения в таком качестве показали выполненные автором измерения и анализ магнитотранспортных характеристик одиночных и двойных -слоев, изготовленных вблизи границы Al/GaAs. Было показано, что в асимметричной потенциальной яме приповерхностного -слоя наблюдается значительный рост подвижности при увеличении концентрации 2D электронов как за счет напряжения на затворе структуры Al/-GaAs, так и при введении второго слоя легирования. Изготовленный на основе этих исследований полевой транзистор с пятью -легированными слоями в подзатворной области GaAs позволил обеспечить более эффективное управление проводимостью канала, чем транзистор на основе одиночного -слоя.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработка технологии получения высококачественных туннельных структур Al/-легированный GaAs, при которой Al-электрод выращивается in situ в камере молекулярно-лучевой эпитаксии.

2. Исследование изменений спектра незаполненных 2D-подзон в слое туннельной структуры Al/-легированный GaAs после ее засветки излучением видимого или инфракрасного диапазонов и установление связи изменений в спектре с параметрами областей пространственного заряда вблизи -слоя.

3. Обнаружение межподзонного полярона в приповерхностном слое GaAs, проявляющегося в туннельных спектрах в условиях, когда разность энергий заполненной и пустой 2D-подзон оказывается кратной энергии LO-фонона.

4. Обнаружение эффекта отражения электронов при туннелировании в двумерную электронную систему, связанного с включением в процесс туннелирования новой 2D-подзоны, расстояние от которой до заполненной подзоны превышает энергию LO-фонона.





5. Экспериментальное доказательство связи собственно-энергетического поляронного эффекта при туннелировании из двумерной электронной системы с величиной отношения энергии Ферми к энергии LO-фонона.

6. Обнаружение формирования мягкой щели в туннельной плотности состояний на поверхности Ферми двумерной электронной системы вблизи перехода проводящего канала -слоя в диэлектрическое состояние.

7. Обнаружение роста подвижности 2D электронов в приповерхностном -слое при увеличении их концентрации за счет изменения потенциала на Al-затворе.

8. Обнаружение эффекта возрастания туннельного сопротивления структуры Al/-легированный GaAs под действием импульсного лазерного излучения субмиллиметрового диапазона.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью данных на большом числе образцов и их признанием научной общественностью. Часть обнаруженных эффектов количественно согласуются с результатами расчетов на основе общепринятых моделей. Часть полученных экспериментальных данных пока имеют лишь качественное согласие с имеющимися теоретическими представлениями.

Личный вклад автора. Автором диссертации разработана технология изготовления туннельных структур Al/-GaAs в камере молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Оптимизация технологических режимов при изготовлении конкретных образцов -легированных туннельных структур методом МЛЭ проводилась автором с 1989 по 2003 гг. совместно с сотрудниками отдела В.Г. Мокерова (ИРЭ РАН) Б.К. Медведевым, Ю.В. Федоровым, А.С. Бугаевым и А.В. Гуком.

Все основные экспериментальные результаты на туннельных структурах Al/-GaAs были получены автором или при его непосредственном участии. Это касается также постановки научных задач и интерпретации полученных результатов. Эксперименты при гидростатических давлениях были проведены при участии автора сотрудниками лаборатории Е.М. Дижура в ИФВД РАН. Эксперименты по измерению фотоотклика структур на импульсное лазерное излучение субмиллиметрового диапазона были выполнены совместно с С.Д. Ганичевым в Регенсбургском университете (Германия).

Автор являлся руководителем грантов РФФИ (с 2000 по 2006 гг.) и грантов Миннауки (совместно с В.Г. Мокеровым, 1989-1992 гг.), в которых получены основные результаты диссертации. Часть результатов была получена автором в рамках грантов РФФИ (руководитель А.Я. Шульман, 1994-1999 гг.), в которых автор участвовал в качестве ответственного исполнителя.

Апробация результатов работы. Основные результаты докладывались на 1-ой Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989); Всесоюзной научной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ташкент, 1989); 5-ой Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, ГДР, 1990); 11 и 12-ой Всесоюзных конференциях по физике полупроводников (Кишинев,1988 г. и Киев, 1990 г.); 18-ом Советско-Японском Симпозиуме по электронике "General Electronics" (Токио, Япония, 1991); 19 - 21, 24 - 26 и 28-ой Международных конференциях по физике полупроводников (Варшава, ПНР, 1988; Салоники, Греция, 1990; Пекин, КНР, 1992; Иерусалим, Израиль, 1998; Осака, Япония, 2000; Эдинбург, Шотландия, Великобритания, 2002; Вена, Австрия, 2006); Международных симпозиумах по исследованиям полупроводниковых приборов (ISDRS-93 и ISDRS-95, Шарлоттсвилль, Вирджиния, США, 1993 и 1995); 7-мом Европейском рабочем совещании по молекулярно-лучевой эпитаксии (7th EURO-MBE, Палаццо делле Фесте-Бардонеччия, Италия, 1993); 1 - 7-ой Российских конференциях по физике полупроводников (Н. Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997; Новосибирск, 1999; Н. Новгород, 2001 г.; С.-Петербург, 2003; Москва, 2005); 1 и 3-ей Международных конференциях по физике низкоразмерных структур (Черноголовка, Московская обл., 1993 и 2001); 20-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Орландо, США, 1995); 12 и 15-ой международных конференциях по высоким магнитным полям в физике полупроводников (Варсбург, Германия, 1996 и Оксфорд, Великобритания, 2002); 7, 9 - 14 Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (Nanostructures: Physics and Technology), С.-Петербург, Россия, 1999; 2001 - 2006 гг.); 9-ой Международной конференции по высоким давлениям в физике полупроводников (ICHPPS,Саппоро, Япония, 2000); Совещании "Нанофотоника" (Н.Новгород, 2001); 2-ой Азиатской конференции по исследованиям в области высоких давлений (ACHPR-2, Нара, Япония, 2004); 16-ой Международной конференции по электронным свойствам двумерных систем (EP2DS-16, Альбукерк, США, 2005); Международной объединенной конференции по развитию исследований при высоких давлениях (AIRAPT-EHPRG, Карлсруэ, Германия, 2005); а также неоднократно обсуждались на семинарах в ИФВД РАН, ФИ им. П.Н. Лебедева РАН, ИПТМ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ИРЭ РАН, Курчатовском научном центре.

Основные результаты опубликованы в 42 научных трудах, в том числе в 24 статьях в реферируемых отечественных (17) и зарубежных (7) журналах, а также в сборниках трудов (18) отечественных и международных конференций и симпозиумов. Перечень этих публикаций приведен в конце диссертации. В этот список не включены некоторые тезисы докладов, опубликованные в сборниках тезисов конференций и семинаров, где проходила апробацию данная работа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 9 Глав и Заключения. Работа изложена на 217 страницах, содержит 56 рисунков, 6 таблиц и список литературы, включающий 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы, изложены ее научная новизна и практическая ценность, описана структура диссертационной работы и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 содержит обзор современного состояния исследований эффектов электрон-фононного взаимодействия в полупроводниковых структурах на основе GaAs.

Глава 2 посвящена описанию технологии изготовления туннельных переходов методом МЛЭ и характеристикам образцов, изучавшихся в диссертационной работе. Технология совершенствовалась в течение нескольких лет с целью получения высококачественной туннельной структуры Al/-GaAs. Для этого, после измерения туннельных спектров выращенных структур при гелиевых температурах, в технологические режимы роста вносились изменения, которые позволили добиться получения границы раздела Al/(100)GaAs высокого качества. При этом выращивание алюминиевого затвора in situ обеспечило однородность гетероперехода Al/(100)GaAs и получение монокристаллического алюминиевого слоя с минимально возможными напряжениями на границе с GaAs. Приведены параметры слоев в выращенных структурах. Описаны технологические этапы получения образцов туннельных структур с различной конфигурацией алюминиевых затворов. Здесь же описаны методики и приведены результаты независимых измерений высоты потенциального барьера на границе Al/GaAs (специально выращенные методом МЛЭ образцы Al/n-GaAs). Приведены туннельные характеристики образцов, которые исследовались в диссертационной работе.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.