Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx в области нулевой аномалии.

I. Контакты к n-GaAs1-xSbx й Т.А. Полянская, Т.Ю. Аллен1, Х.Г. Нажмудинов, С.Г. Ястребов, И.Г. Савельев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 декабря 1997 г. Принята к печати 23 декабря 1997 г.) Исследованы вольт-амперные характеристики и дифференциальное сопротивление R(V ) =dV /dI туннельных контактов Au/n-GaAs1-xSbx. Барьеры Шоттки изготавливались на эпитаксиальных слоях n-GaAs1-xSbx, специально не легированных, в области составов твердого раствора 0.01 < x < 0.125. Показано, что зависимости R(V ) в диапазонах концентрации электронов 2 1018 n 7 1018 см-3 и температуры 4.2 T 295 K хорошо описываются теорией туннелирования, использующей самосогласованный расчет потенциала в области барьера Шоттки. Наблюдалась корневая зависимость проводимости G(V ) =(dV /dI)-1 от напряжения смещения V в области нулевой аномалии в соответствии с теорией Альтшулера и Аронова для квантовых поправок к плотности состояний на уровне Ферми, связанных с особенностями электронэлектронного взаимодействия в разупорядоченных металлах.

1. Введение ренциального сопротивления RN(V), определяемого нормальной плотностью состояний, которая для сферичеМы предприняли исследование дифференциального ской изоэнергетической поверхности имеет вид сопротивления R(V) = dV/dI барьерных структур Au/GaAs1-xSbx, сформированных на эпитаксиальных 1 2m 3/2 0(E) = (E-Ec)1/2, (3) слоях твердого раствора с вырожденным электронным 2 22 или дырочным газом, с целью выяснить, можно ли для барьеров Шоттки наблюдать с помощью туннельгде m Ч эффективная масса, энергия электрона E отсчиной спектроскопии аномалию в плотности состояний на тывается от дна зоны проводимости Ec. Поэтому первой уровне Ферми EF задачей наших исследований была проверка соответствия экспериментальных и теоретических зависимостей |E - EF|, (1) RN(V ) в тех областях температуры и напряжения V, где аномалия туннельной проводимости не проявляется. В предсказанную Альтшулером и Ароновым для слабо связи с этой задачей возникает вопрос об адекватности разупорядоченных металлов в работах [1Ц3]. Здесь E Ч теоретического описания туннелирования в барьерах энергия электрона. Аномалия (1) обусловлена осоШоттки экспериментально наблюдаемым зависимостям бенностью электрон-электронного взаимодействия, возRN(V) для реальных поверхностно-барьерных структур.

никающей в процессе диффузионного движения элекИзвестно, что теория, развитая в работах [4Ц7] для тронов в слабо разупорядоченном поле примесей и плотности состояний (3), удовлетворительно описывает других дефектов решетки. В результате в туннельной экспериментальные вольт-амперные характеристики и проводимости контакта G(V ) =(dV/dI)-1 при V 0, зависимости RN(V) для диодов Шоттки в области терно |eV | kT (V Ч напряжение смещения), появляется мополевой эмиссии. Однако в монографии [8] отмечено дополнительная составляющая G(V) (так называемая (см. разд. 3.2.2), что это согласие теории и эксперимента нулевая аномалия) типа удивительно, если принять во внимание, что пространственный заряд, связанный с примесями в полупроводG(V) = |V|, (2) нике, является скорее макро-, чем микронеоднородным G(0) в пределах ширины области пространственного заряда.

Это должно приводить к существенным флуктуациям где G(0) G(V = 0), Ч коэффициент, зависящий как в форме барьера [6], так и в вероятности туннеот удельного сопротивления и константы электронлирования. И действительно, согласие теории [4Ц7] и электронного взаимодействия (для плотности состоэкспериментальных данных резко ухудшается при исяний):

следовании диодов, изготовленных на более ФгрязныхФ /3/2.

полупроводниках, например, содержащих компенсируюДля выделения аномального вклада в проводимость щие примеси. Пример тому Ч известная проблема изнеобходимо знать ход ФфоновойФ зависимости диффебыточных темновых токов при низких (порядка азотной) температурах в барьерных структурах, изготовленных на В настоящее время: University of Tennessee at Chattanooga, TN 37403 Chattanooga, USA. основе эпитаксиальных слоев твердых растворов AIIIBV.

Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx... Характеристика структур Au/n-GaAs1-xSbx и параметры, определенные по изменениям dV /dI Номер Содержание Толщина Содержание Высота барьера b0, эВ Концентрация образца Sb, x пленки d, мкм Te, ат % 4.2 K 77.4 K 295 K Nd - Na, 1018 см-1n 0.01 34 1.5 0.64 0.63 0.68 3.0 1.2n 0.02 11 1 0.74 0.74 0.73 3.4 0.3n 0.02 11 1 0.912 0.905 0.89 3.9 0.4n 0.04 17 0.5 0.86 0.82 0.80 4.5 1.5n 0.04 17 0.5 0.74 0.73 0.73 2.7 0.6n 0.04 17 0.5 0.80 0.80 0.80 2.6 0.7n 0.04 43 1.5 1.05 1.04 1.03 6.6 0.8n 0.04 43 1.5 1.04 1.01 1.05 6.0 1.9n 0.06 16 0.2 0.80 0.80 0.80 2.0 0.10n 0.06 16 0.2 0.81 0.80 0.77 1.9 0.Этот вопрос существенно прояснился после созда- 2. Методика эксперимента ния флуктуационной теории барьера [9] и как следствие Ч появления области исследований, называеЭпитаксиальные слои твердого раствора GaAs1-xSbx мой некогерентной мезоскопикой. Применительно к выращивались методом жидкофазной эпитаксии в атмобарьерам Шоттки была развита теория термополесфере очищенного водорода. Температура роста варьировой эмиссии [10], которую мы проверили на струквалась в пределах 750 850C при скорости охлаждения турах Au/n-GaAs1-xSbx с концентрацией электронов от 0.3 до 2 град/мин. Толщина слоев составляла от n = Nd - Na 1016 1017см-3 [11]. Оказа= до 45 мкм. В качестве компонентов раствораЦрасплава лось, что теория [10] позволяет объяснить эксперииспользовались: Ga (99.9997%), нелегированный n-GaAs ментальные данные как в качественном (ход зави- марки АГН-1 с концентрацией электронов n 1016 см-= симостей тока от напряжения и температуры), так (источник As) и нелегированный p-GaSb с концентрации в количественном плане. В частности, низкотем ей дырок p 1017 см-3 (источник Sb). Содержание Sb = пературные ФизбыточныеФ токи в структурах Au/nварьировалось в пределах от x = 0.015 до x = 0.125. В GaAs1-xSbx объясняются присутствием компенсируюкачестве подложек использовался n-GaAs, легированный щих уровней остаточной примеси с концентрацией2 Te, с концентрацией электронов n = 1018 см-3 и ори Nt = Nd + Na =(3.0 0.4) 1019 см-3.

ентацией (111)A. Нелегированные эпитаксиальные слои Мы не могли использовать теорию [10] для расчеGaAs1-xSbx обладали n-типом проводимости с концента туннельного сопротивления RN(V), так как авторатрацией электронов n = Nd - Na = 1016 1017 см-3.

ми [9,10] не рассматривалась интересующая нас область Эти значения определяются чистотой исходных компонапряжения смещения V, близкая к 0. Однако мы нентов раствораЦрасплава, степенью очистки водорода полагаем, что влияние флуктуаций длины туннелирои особенностями технологического процесса. С целью вания на вольт-амперные характеристики существенно получения слоев с более широким диапазоном конуменьшается с увеличением концентрации электронов центраций электронов несколько серий эпитаксиальных n = Nd -Na в GaAs1-xSbx на 1.5Ц2 порядка по сравнению слоев легировались Te.

с концентрацией электронов в образцах, исследованных в Барьеры Шоттки изготавливались вакуумным напылеработе [11], при той же концентрации остаточной примением Au. Перед этим поверхность GaAs1-xSbx очищаси Nt = Nd +Na. В результате мы рассчитывали фоновую лась концентрированной HCl в течение 30 c для удалезависимость RN(V ) =dV/dI с плотностью состояний (3) ния естественного окисла с поверхности пленки. При на основе обычной теории полевой и термополевой эмисостаточном давлении 10-6 Top пластины постепенно насии. Вычисление зависимости RN(V)/RN(0) проводилось гревались до 200C (для отжига поверхности эпитакпо модели [14]. В этой работе было показано (на присиального слоя), затем охлаждались до 120C и при мере туннельной проводимости структур Au/n-GaAs), этой температуре производилось напыление Au. После что можно достичь хорошего согласия между теорией этого производился отжиг структур при температуре и экспериментом, если при вычислении прозрачности 200 250C в течение 3 4мин (для ФзакрепленияФ барьера использовать самосогласованное решение уравпленки Au) и затем Ч формирование методом фотолитонения Пуассона для электростатического потенциала графии структур Au/GaAs1-xSbx/GaAs диаметром от 0.электрона на границе металЦполупроводник.

до 1 мм. Прижимной контакт из капельки In, соединенной Эта величина концентрации остаточной примеси Nt в наших слоях с пленкой Au, и защищенной лаковым покрытием, обествердого раствора согласуется с полученными ранее оценками по печивал возможность измерений в диапазоне температур результатам исследования подвижности [12] и вольт-амперных характеристик p-n-переходов на основе GaAs1-xSbx [13]. 4.2 < T < 450 K.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 576 Т.А. Полянская, Т.Ю. Аллен, Х.Г. Нажмудинов, С.Г. Ястребов, И.Г. Савельев Измерение зависимости дифференциального сопротивления R(V ) = dV/dI от напряжения смещения V производилось по мостовой схеме при частоте модулирующего сигнала 22 кГц. Регулировка напряжения смещения позволяла осуществить плавный переход через значение V = 0. Установка обеспечивала измерение сигналов с амплитудой напряжения 2 10-5 2 10-4 В при модулирующем токе 10-7 А, остававшимся постоянным с точностью не хуже 5% в процессе измерений.

В зависимости от сопротивления образца амплитуда выходного сигнала генератора изменялась дискретно, но не превышала величины kT.

3. Результаты эксперимента В работах [14,15] показано, что экспериментально легко идентифицируемые параметры кривой RN(V) для контактов Au/n-GaAs Ч величина напряжения Vmax в области прямого смещения (помечена на рис. 1 и стрелками), при котором наблюдается максимум сопротивления RN(V) = Rmax(Vmax), и полуширина кривой N RN(V ) Ч не определяются однозначно величиной EF Рис. 2. То же, что и на рис. 1, но для структуры (т. е. концентрацией носителей тока n в полупроводнике Au/n-GaAs0.98Sb0.02 (образец 2n в таблице).

с вырожденным электронным газом) и высотой барьера b0(V = 0). Эти параметры можно определить только как подгоночные при согласовании экспериментальных и теоретических зависимостей RN(V )/RN(0). Проверизмерений. Значения концентраций, определенные путем ку этого метода определения n и b0 мы провели на сопоставления теоретических и экспериметальных криструктурах Au/n-GaAs с концентрацией электронов в вых RN(V)/RN(0), с точностью не хуже 15% совпадают GaAs (1.5 5) 1018 см-3, известной из холловских с результатами холловских измерений.

Эту же методику мы применили и для структур Au/n-GaAs1-xSbx. На рис. 1, 2 показаны результаты сопоставления экспериментальных (сплошные линии) и теоретических (штриховые) зависимостей RN(V)/RN(0) для образцов Au/GaAs0.96Sb0.04 (рис. 1) и Au/n-GaAs0.98Sb0.02 (рис. 2). Теоретические кривые рассчитывались по модели [14]. Добавочный вклад в дифференциальное сопротивление R(V) в области аномалии при V 0 и T =4.2 K не превышал 2 3% от значения RN(0) и поэтому не заметен на соответствующих кривых, представленных на рис. 1, 2. Влияние температуры на вид зависимостей RN(V) хорошо иллюстрирует рис. 2.

Видно, что с повышением температуры ширина кривой увеличивается, а положение Vmax сдвигается в сторону обратных напряжений смещения. Положение Vmax < при высоких температурах проявляется в структурах с относительно малой концентрацией электронов и объясняется увеличением вклада термополевой эмиссии с ростом температуры.

В таблице приведены значения концентрации n = Nd - Na и высоты барьера b0, определенные путем подгонки экспериментальных и теоретических кривых.

Ранее для структур Au/n-GaAs1-xSbx с концентрацией Рис. 1. Зависимости RN(V )/RN(0) от приложенного напряжев твердом растворе n = Nd - Na = 1016 1017 см-ния V для структуры Au/n-GaAs0.96Sb0.04 (образец 7n втаблице) по фотоэлектрическим измерениям [16] было получено при температурах T, K: 1 Ч4.2, 2 Ч 77.4, 3 Ч 295. Стрелками ph значение высоты барьера b0 = 0.88 0.03 эВ при показаны значения Vmax.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Дифференциальное сопротивление туннельных контактов Au/GaAs1-xSbx... 4. Заключение Зависимость дифференциального сопротивления dV/dI в барьерах Шоттки Au/n-GaAs1-xSbx от напряжения смещения и от температуры в диапазоне 4.2

В области малых смещений до |V | = 10 40 мэВ наблюдается корневая зависимость проводимости G(V) = (dV/dI)-1 от напряжения смещения V. Это согласуется с теорией Альтшулера и Аронова для квантовых поправок к плотности состояний на уровне Ферми, связанных с особенностями многочастичного взаимодействия в разупорядоченном проводнике [1Ц3].

Список литературы Рис. 3. Зависимости проводимости G = G(V )-G(0) в области нулевой аномалии от |V | при T = 4.2 K для структур:

[1] B.L. Altshuler, A.G. Aronov. Sol. St. Commun., 30, 1 ЧAu/n-GaAs0.96Sb0.04 (образец 4n), 2 ЧAu/n-GaAs0.98Sb0.(1979).

(образец 2n).

[2] Б.Л. Альтшулер, А.Г. Аронов. Письма ЖЭТФ, 37, (1983).

[3] B.L. Altshuler, A.G. Aronov. In: Electron-Electron Interactions in Disordered Systems, ed. by A.L. Efros and T = 77 K, не зависящее от состава твердого раствора M. Pollak (Elsevier Science Publishers. B.V., 1985) Ch. 1.

[4] F.A. Padovani, R. Stratton. Sol. St. Electron., 9, 695 (1966).

в пределах 0.03 < x < 0.125. Если сравнить с этими [5] C.R. Crowell, V.L. Rideout. Sol. St. Electron., 12, 89 (1969).

данными приведенные в таблице значения b0, то [6] C.Y. Chang, S.M. Sze. Sol. St. Electron., 13, 727 (1970).

видно, что они группируются вокруг преведенных выше [7] V.L. Rideout, C.R. Crowell. Sol. St. Electron., 13, 993 (1970).

ph величин b0, за исключением структур 7n, 8n.

[8] Э.Х. Родерик. Контакты металл-полупроводник (М., В работе [15] показано, что для барьеров Шоттки Радио, 1982). [Пер. с англ.: E.H. Roderick. Metalна n-GaAs положение максимума зависимости semiconductor contacts (Clarendon Press, Oxford, 1978)].

[9] М.Э. Райх, И.М. Рузин. ЖЭТФ, 92, 2257 (1987).

RN(V ) = Rmax при прямом напряжении смещения N [10] М.Э. Райх, И.М. Рузин. ФТП, 21, 456 (1987).

V = Vmax всегда значительно меньше величины EF. В [11] Т.А. Полянская, Х.Г. Нажмудинов. ФТП, 21, 1737 (1987).

нашем случае Ч для структур на твердом растворе [12] Ю.Ф. Бирюлин, В.Н. Каряев, И.Ю. Новикова, Т.А. Поn-GaAs1-xSbx Ч значения Vmax при T = 4.2K 38мэВ для лянская, В.В. Чалдышев, Ю.В. Шмарцев. ФТП, 15, образца 7n на рис. 1, и 22 мэВ для образца 2n на рис. (1981).

также существенно ниже значений EF(T = 4.2K) = [13] А.Я. Вуль, С.В. Кидалов. ФТП, 20, 451 (1986).

и 120 мэВ соответственно.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам