Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 Магнитотранспортные свойства гетеропереходов II типа на основе GaInAsSb/InAs и GaInAsSb/GaSb й Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, А.Ф. Липаев, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 2 августа 2005 г. Принята к печати 14 сентября 2005 г.) Приведены результаты детального исследования магнитотранспортных свойств разъединенных гетеропереходов II типа в системе GaInAsSb/InAs(GaSb). Впервые обнаружен и исследован электронный канал с высокой подвижностью носителей (до 50 000-60 000 см2/B с) в изотипной разъединенной гетероструктуре p-GaInAsSb/p-InAs. Изучен эффект истощения электронного канала и переход от полуметаллической к полупроводниковой проводимости при сильном легировании акцепторами четверного твердого раствора.

Детально исследованы магнитотранспортные свойства при температурах 4.2-200 K и получены данные об энергетическом спектре и параметрах двумерных носителей на гетерогранице. Экспериментально установлено, что в гетероструктурах Ga1-x Inx Asy Sb1-y /GaSb в зависимости от состава могут быть реализованы как ступенчатые гетеропереходы (x = 0.85), так и разъединенные (x = 0.95), что подтверждается теоретическими расчетами. В гетероструктурах GaInAsSb/InAs : Mn, выращенных на подложках, легированных магнитной примесью Mn с высокой концентрацией (p > 5 1018 см-3), обнаружены аномальный эффект Холла и отрицательное магнитосопротивление, обусловленные обменным взаимодействием ионов Mn в InAs с высокоподвижными электронами в канале на гетерогранице.

PACS: 73.63.Hs, 73.43.Qt, 73.43.-f 1. Введение ние дислокаций несоответствия и позволило исследовать их свойства. Кроме того, такие изопериодные гетероГетеропереходы на основе четырехкомпонентных структуры позволяют создавать как ступенчатые, так и твердых растворов в системе Ga-In-As-Sb широко ис- разъединенные гетеропереходы, изменяя состав четверпользуются в настоящее время для создания оптоэлек- ного твердого раствора GaInAsSb, и исследовать динатронных приборов (лазеров, светодиодов и фотодиодов) мику изменения транспортных свойств гетеропереходов в спектральном диапазоне 2-5 мкм, актуальном для за- II типа при плавном изменении энергетического зазора дач газового анализа и охраны окружающей среды [1Ц5].

и изменении типа гетероперехода от разъединенного к Как впервые было показано Есаки с соавт. [6], в ступенчатому гетеропереходу [7Ц9].

системе GaSbЦInAs возможно образование как ступен- Цель данной работы состоит в обобщении начатых гетеропереходов II рода, когда скачки потенциа- ших экспериментальных исследований одиночных разълов зоны проводимости и валентной зоны на границе единенных гетеропереходов II типа GaInAsSb/InAs и контактирующих материалов имеют одинаковый знак, GaInAsSb/GaSb с различным уровнем легирования четтак и разъединенных гетеропереходов II рода, когда верного твердого раствора.

из-за разницы в значениях электронного сродства контактирующих материлов валентная зона широкозонного 2. Электронный канал с высокой полупроводника лежит по энергии выше, чем зона проводимости узкозонного. В работах [7,8] было установ- подвижностью носителей лено, что в разъединенном гетеропереходе на контакте на гетерогранице разъединенных GaSb/InAs величина энергетического зазора составляет гетеропереходов II типа = 150 мэВ при T = 300 K. Представляет интерес исGaInAsSb/InAs следование одиночных гетеропереходов InAs/GaSb, который образуют разъединенные гетеропереходы II типа.

Гетеропереход GaSbЦInAs обнаруживает необычные Но это наталкивается на серьезную проблему, связанмагнитотранспортные свойства благодаря сосуществоную с образованием дислокаций несоответствия из-за ванию электронов и дырок, которые пространственно различия периодов решетки InAs (6.0584 ) и GaSb разделены и локализованы в самосогласованных кван(6.096 ). Мы поставили перед собой задачу исследовать товых ямах по обе стороны гетерограницы вследствие магнитотранспортные свойства одиночных гетеропереособенностей разрыва зон на разъединенной гетерограходов II типа. Для этого были созданы два типа изонице II типа [10]. В данной работе мы рассмотрим периодных одиночных гетеропереходов GaInAsSb/InAs особенности магнитотранспорта в одиночной изотипи GaInAsSb/GaSb методом жидкостной эпитаксии. Созданой разъединенной гетероструктуре p-GaInAsSb/p-InAs ние изопериодных гетероструктур исключило образова(см. рис. 1). Первым поразительным результатом было E-mail: mkd@iropt2.ioffe.rssi.ru наблюдение электронного типа проводимости в иссле520 Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, А.Ф. Липаев, Ю.П. Яковлев Таблица 1. Основные характеристики гетероструктур p-GaxIn1-x AsySb1-y/p-InAs : Zn (x = 0.17; y = 0.22) с различным уровнем легирования твердого раствора. T = 77 K Введенная примесь Знак носителей тока |R |, 106 см2/Кл |H|, 103 см2/(В с) №образца Вид Концентрация, По термоэдс По знаку R H = 2кЭ H = 10 кЭ H = 2кЭ H = 10 кЭ примеси ат% в твердом растворе при H = 2кЭ 1 - - p n 4.5 4.3 65.0 64.2 Te 10-4 p n 4.45 3.85 57.4 55.3 Te 2 10-4 p n 4.0 3.35 52.8 44.4 Te 4 10-4 p n 4.1 3.0 46.6 34.5 Te 10-3 p n 3.25 1.6 45.0 18.6 Te 5.8 10-3 n n 0.19 0.1 11.4 6.7 Te 1.2 10-2 n n 0.1 0.05 11.8 5.8 Zn 3 10-3 p n 4.9 3.35 49.0 33.9 Zn 4 10-3 p n 2.7 2.4 24.4 19.10 Zn 8 10-3 p n 0.27 0.03 2.1 0.11 Zn 1.2 10-2 - p 0.002 0.005 0.02 0.Примечание. R Ч коэффициент Холла, рассчитанный на квадрат плоскости образца; H Ч холловская подвижность.

дуемой гетероструктуре p-GaInAsSb/p-InAs с нелеги- ной температуре. Наблюдалось резкое увеличение тунрованным или слабо легированным слоем четверного нельного тока в месте локализации p-p-гетероперехотвердого раствора, выращенного методом жидкофазной да [11]. Холловская подвижность H в таких гетерострукэпитаксии на подложке p-InAs [11Ц14]. В отличие от турах Ч как с нелегированным твердым раствором, квантовых ям на основе гетероперехода p-GaSb/n-InAs так и слабо легированным Te Ч в слабом магнитном в данном случае в образовании гетероперехода участво- поле (H < 5кЭ) практически не зависит от темперавали полупроводники с p-типом проводимости. туры в интервале 4.2-77 K (образцы 1 и 2, рис. 2, табл. 1). Незначительное уменьшение подвижности H (до 10%) при T 4 K указывает на то, что механизм рассеяния в этом интервале температур определяется главным образом рассеянием носителей на неоднородности гетерограницы [15,16]. Исследуемые эпитаксиальные структуры были получены методом ЖФЭ с высоким качеством границы раздела. Толщина переходного слоя на гетерогранице составляла 3-4 монослоя ( 12 ), что было показано с помощью просвечивающей электронной микроскопии [17]. Планарность эпитаксиального роста и границы раздела GaInAsSb/InAs были подтверждены наличием толщинных осцилляций при исследовании образцов методом двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. Кулоновское рассеяние в электронном канале может быть сильно уменьшено из-за пространственного Рис. 1. Энергетическая схема структуры p-Ga0.83In0.17As0.22Sb0.78/p-InAs для нелегированных твердых растворов.

Электронный канал с высокой холловской подвижностью носителей (50 000-70 000 см2/В с) впервые был обнаружен в изотипных гетероструктурах p-Ga0.83In0.17As0.22Sb0.78/p-InAs при T = 77 K [12,13].

Кроме того, существование электронного канала в p-GaInAsSb/p-InAs было визуально продемонстрировано Рис. 2. Зависимости холловской подвижности H при при исследовании на сканирующем туннельном микро- H = 10 кЭ от температуры. Номера кривых соответствуют скопе поверхности скола гетероструктуры при комнат- номерам образцов в табл. 1.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Магнитотранспортные свойства гетеропереходов II типа на основе GaInAsSb/InAs и GaInAsSb/GaSb разделения зарядов на гетерогранице. Высокое значение холловской подвижности и ее слабая температурная зависимость были сопоставимы с результатами для структур GaSb/InAs/GaSb с одиночными квантовыми ямами, выращенными молекулярно-пучковой эпитаксией [18].

В изотипной одиночной разъединенной гетероструктуре II типа p-GaInAsSb/p-InAs наблюдалась интенсивная электролюминесценция в спектральном диапазоне 0.3-0.4 эВ при температурах 4-77 K [19Ц21]. Спектры электролюминесценции содержали две полосы излучения с энергиями фотона h1 = 0.311 эВ и h2 = 0.368 эВ при малом уровне инжекции. При увеличении уровня инжекции наблюдался сдвиг полос излучения в сторону более высоких энергий фотона и перераспределение интенсивности между пиками электролюминесценции.

Рис. 3. Зависимости магнитосопротивления от магнитного поНизкоэнергетическая полоса излучения h1 доминироля при различной ориентации образца 1 (табл. 1) в магнитном вала при малых уровнях инжекции и демонстрировала поле, T = 77 K.

слабый Дголубой сдвигУ порядка 4 мэВ в интервале токов накачки 50-100 мА, тогда как интенсивность высокоэнергетической полосы h2 возрастала суперлинейно магнитосопротивление в зависимости от температуры с ростом тока накачки и наблюдался сильный сдвиг при T = 77-200 K и от напряженности магнитного поля пика люминесценции до 12 мэВ. Как было показано до 20 кЭ; ( /) измерялось при H n, ( /) Чпри в работах [22,23], энергетический спектр электронноH n, где n Ч нормаль к плоскости гетероструктуры, го канала носит сложный характер. Наблюдение двух см. вставки на рис. 3, a, b. Исследовался также эффект полос излучения h1 и h2 было объяснено непрямыШубниковаЦде-Гааза при T = 1.5-20 K в магнитных ми (туннельными) излучательными переходами через полях вплоть до H = 50 кЭ.

гетерограницу и рекомбинацией электронов и дырок, Исследования магнитотранспортных свойств в гетелокализованных в самосогласованных квантовых ямах.

роструктурах p-GaInAsSb/p-InAs в слабых магнитных Эти две полосы излучения связаны с наличием двух полях (до 20 кЭ) при температуре T = 77-200 K позвоуровней размерного квантования для электронов, что было подтверждено результатами исследования интер- лили установить ряд характеристик электронного канала на гетерогранице (подвижность, концентрацию электрофейсной электролюминесценции в магнитном поле при нов, ширину канала), а также оценить вклад канала, низких температурах [21]. При исследовании квантовых подложки и четверного эпитаксиального слоя твердого гальваномагнитных явлений нами было установлено, раствора в общий магнитотранспорт гетероструктуры что перенос заряда осуществляется носителями двух размерно-квантовых подзон с двумерными концентраци- при этих температурах.

Полезную информацию о свойствах гетероструктур ями Ns = 1011 см-2 и Ns = 4.2 1011 см-2.

можно получить при исследовании поперечного магнитосопротивления ( /). В слабых магнитных полях 3. Исследование параметров ( /) H2 (рис. 3, a), а при H > 3кЭ наблюдается электронного канала тенденция к насыщению зависимости ( /) = f (H).

в гетероструктурах Сопоставляя эти результаты с критерием сильного поp-Ga1-xInxAsySb1-y/InAs : Zn ля для лоренцовского магнитосопротивления H/c = 1, можно оценить значение подвижности в исследуемых (x = 0.17, y = 0.22) гетероструктурах 50 000 см2/(B с), что согласуется с определенным ранее из эффекта Холла значением Изопериодные твердые растворы p-Ga1-xInxAsy Sb1-y (x = 0.17, y = 0.22) с резкой гетерограницей выра- подвижности в электронном канале H (рис. 2).

При вращении образца в магнитном поле от H n щивались методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложках p-InAs : Zn (p = 2 1016 см-3). Слои твердого (рис. 3, a) до H n (рис. 3, b) обнаружена анизотропия раствора были нелегированными или слабо легирован- магнитосопротивления: значения ( /) на порядок ными Te, оставаясь p-типа. Толщина слоев твердых меньше по сравнению с ( /). Такая анизотропия харастворов была порядка 2 мкм. Для изучения гальвано- рактерна для размерных эффектов, когда проводимость магнитных эффектов из таких структур были изготовле- определяется квазидвумерным слоем, в качестве котоны прямоугольные образцы с потенциальными зондами рого выступает электронный канал на гетерогранице на поверхности эпитаксиальной пленки. Измерялись твердого раствора и подложки p-InAs [24].

коэффициент Холла, электропроводность, подвиж- Были изучены осцилляции ШубниковаЦде-Гааза при ность H, поперечное ( /) и продольное ( /) низких температурах (T = 1.25-20 K) в магнитных поФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 522 Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, А.Ф. Липаев, Ю.П. Яковлев Из температуры Дингла TD был определен параметр уширения уровней Ландау и значение квантового (одночастичного) времени релаксации i соответственно:

= kTD = 2.4 10-4 TD (эВ), (4) i = 10-13 с. (5) 4. Истощение электронного канала в гетероструктурах Ga1-xInxAsySb1-y/p-InAs : Zn (x = 0.17, y = 0.22) при различном уровне легирования твердого раствора Рис. 4. Осцилляции магнитосопротивления в образце Ga0.83In0.17As0.22As0.22Sb0.78/p-InAs. T, K: 1 Ч 1.25, 2 Ч4.2.

Параметры самосогласованных квантовых ям, образованных на гетерогранице в разъединенных гетеропереходах II типа, и свойства электронного канала зависят лях H 50 кЭ. На рис. 4 представлены осцилляции от уровня легирования полупроводников, составляющих магнитосопротивления для нелегированного образца гетероструктуру.

p-Ga1-xInxAsSb/p-InAs для температур T = 1.25 и 4.2 K Нами было изучено влияние легирования твердого в полях до 30 кЭ.

раствора Ga0.83In0.17As0.22Sb0.78 донорной и акцепторной Из температурной зависимости амплитуды осцилляпримесью на гальваномагнитные свойства гетеропереций ШубниковаЦде-Гааза была определена эффективная хода [14]. Схематически энергетические диаграммы гемасса носителей тока m по формуле [25] тероструктур в системе GaInAsSb/p-InAs для твердых sh 22kFT2 m A1 Tрастворов, сильно легированных донорной (Te) и акцепeH =, (1) A2 T2 торной (Zn) примесью, представлены на рис. 5. Основsh 22kFT1 m eH ные параметры исследованных образцов приведены в где A1 и A2 Ч амплитуды осцилляций магнитосопротивтабл. 1. Знак напряжения Холла для всех исследованных ления в магнитном поле H при температурах T1 и T2, образцов (кроме образца 11, табл. 1) всегда указывал на kF Ч квазиимпульс электрона с энергией Ферми.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |    Книги по разным темам