Ефекти просторового перерозподілу "гарячих" носіїв заряду в напівпровідниках і гетероструктурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

ЕФЕКТИ ПРОСТОРОВОГО ПЕРЕРОЗПОДІЛУ “ГАРЯЧИХ” НОСІЇВ ЗАРЯДУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ

І ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ

Більовський Павло Антонович

Київ-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Винославський Михайло Миколайович,

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Данильченко Борис Олександрович,

Інститут фізики НАН України,

завідувач відділу фізики

радіаційних процесів

доктор фізико-математичних наук, професор

Тулупенко Віктор Миколайович

Донбаська державна машинобудівна академія

(м. Краматорськ),

завідувач кафедри фізики

Захист дисертації відбудеться “ 17 “ червня 2010 року о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03028, м. Київ, проспект Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий: “ 17 “ травня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради О.О. Чумак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Вже на протязі півстоліття вивчення фізики твердого тіла тісно пов'язане з дослідженнями сильно нерівноважних станів у системі носіїв заряду в напівпровідниках і напівпровідникових структурах, які розігріваються електричним полем. У таких умовах носії заряду часто проявляють нові властивості, які не спостерігаються без розігріву.

На теперішній час добре вивчені явища струмових нестійкостей у кристалах з вихідною N-подібною або S-подібною вольтамперною характеристикою (ВАХ). У першому випадку можуть виникати високопольові домени: домени Ганна, акустоелектричні домени та ін. У другому випадку можуть виникати шнури струму.

У 80-х роках минулого століття було теоретично передбачено утворення нового класу просторово неоднорідних дисипативних структур у розігрітій електронно-дірковій плазмі в однорідному напівпровіднику - термодифузійних автосолітонів (АС). Механізм утворення АС пов'язаний із впливом термодифузії носіїв заряду на їх просторовий розподіл. Показано, що просторовий тип АС (поперечні - у вигляді доменів сильного поля або поздовжні - у вигляді струмових шнурів), залежить від концентрації носіїв і величини їх розігріву і зумовлений переважаючим механізмом розсіювання носіїв - електрон-фононним, або електрон-дірковим, відповідно.

Утворенням АС пояснювали спостереження світних плям і ниток у плівках GaAs в електронно-дірковій плазмі, що генерувалась в доменах Ганна або інжектувалась через p-n-перехід, світних ниток в p-n-переходах в -SiC і в Si p+^-n+^-p-n- структурах, S-подібні ВАХ і осциляції струму в термогенерованій електронно-дірковій плазмі у вузькозонних кристалах InSb. На теперішній час поперечні термодифузійні АС експериментально добре вивчені в однорідних кристалах Ge і Si. У той же час поздовжні АС у цих матеріалах раніше не спостерігалися, а умови їх виникнення і поведінка в інших матеріалах вивчені ще не досить повно.

Дослідження автосолітонів дозволяють одержати нові знання про поведінку системи носіїв в умовах сильної нерівноважності, зокрема і про процеси самоорганізації. З іншого боку, ці знання важливі для розробки напівпровідникових приладів, у яких можуть реалізовуватися сильно неоднорідні розподіли струму і поля. Тому експериментальні дослідження поздовжних АС і їх взаємодії з поперечними АС є актуальною фундаментальною і прикладною проблемою.

У наш час активно вивчаються нерівноважні стани і в маловимірних структурах, зокрема, у гетероструктурах з різними типами квантових ям (КЯ). У гетероструктурах, застосовуючи селективне легування, можна просторово рознести носії і домішкові центри. Це дозволяє досягати більших величин рухливості носіїв і, відповідно, більшої їх нерівноважності в сильних латеральних (вздовж квантоворозмірних шарів) електричних полях.

У гетероструктурах поряд з механізмами, які призводять до струмових нестійкостей в об'ємних матеріалах, можуть проявлятися також нові квантові ефекти, пов'язані з маловимірністю структур, наприклад, з можливістю просторового переносу носіїв (“Real space transfer”) між квантоворозмірними шарами (наприклад, між квантовою ямою і легованим бар'єром або між квантовими ямами з різною рухливістю). Це явище спочатку пропонувалося використовувати для одержання високочастотних струмових коливань.

Недавно теоретично було запропоновано використовувати явище просторового переносу для одержання інверсії населеності підзон розмірного квантування в тунельно зв'язаних квантових ямах у гетероструктурах типу InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs з метою створення джерел випромінювання в середньому і далекому інфрачервоному діапазонах спектра. Однак у таких структурах при напруженостях електричних полів, які необхідні для даного ефекту, можуть виникати різного типу домени, які можуть істотно впливати на утворення інверсного розподілу носіїв. Тому вивчення особливостей латерального транспорту в таких структурах є актуальним завданням.

Все вищевикладене і зумовило вибір теми даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відділі електроніки твердого тіла Інституту фізики НАН України згідно із планами наукової діяльності відділу в рамках бюджетних тем НАН України і Державного фонду фундаментальних досліджень України:

* “Інвертовані розподіли електронів і генерація інфрачервоного випромінювання в напівпровідникових гетероструктурах з квантовими ямами” у рамках наукового проекту “Нанофізика і електроніка” програми НАН України “Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології” - договір №6/05 - н (2005 р.)

* “Оптичні і електричні властивості квантоворозмірних структур різних типів” (2003 - 2005 рр., № держреєстрації 0103U003870)

* “Кінетичні і оптичні явища в напівпровідникових гетероструктурах, наноструктурах і сплавах” (2006 - 2010 рр., № держреєстрації 0106U002965)

* Державний фонд фундаментальних досліджень (2009 - 2010 рр.), реєстраційний номер проекту Ф28.2/054, “Просторовий перенос і далеке інфрачервоне випромінювання “гарячих” електронів у гетероструктурах з тунельно-зв'язаними квантовими ямами”.

Метою роботи було виявлення і дослідження ефектів, пов'язаних із просторовим перерозподілом вільних носіїв заряду в об'ємних напівпровідниках і гетероструктурах, зумовленим їхнім розігрівом електричним полем.

Основними завданнями досліджень були такі:

1. Експериментальне виявлення утворення у фотогенерованій електронно-дірковій плазмі, розігрітій електричним полем, у кристалах германію поздовжних термодифузійних автосолітонів - витягнутих вздовж струму просторових структур, що характеризуються високою температурою носіїв (в доповнення до досліджень автосолітонів поперечного типу, які проводилися раніше).

2. Вивчення поведінки і взаємодії автосолітонів обох типів залежно від концентрації плазми і величини її розігріву.

3. З'ясування механізму утворення доменів сильного поля і осциляцій струму в селективно- та рівномірно легованих гетероструктурах n-ІnGaAs/GaAs з одиночними або подвійними тунельно-зв'язаними квантовими ямами в гріючих латеральних електричних полях.

4. Дослідження інфрачервоного випромінювання електронів у далекому інфрачервоному діапазоні спектра в гетероструктурах n-ІnGaAs/GaAs з подвійними квантовими ямами в гріючих електричних полях в умовах переносу носіїв між ямами.

Об'єктом досліджень є кристали германію з фотогенерованою електронно-дірковою плазмою і леговані гетероструктури InGaAs/GaAs з одиночними або подвійними тунельно-зв'язаними квантовими ямами.

Предметом досліджень є утворення просторово-неоднорідних структур у розподілі гарячих носіїв заряду і зумовлених ними особливостей електричного транспорту і випромінювання світла.

Методи досліджень.

· вимірювання вольтамперних характеристик (ВАХ) кристалів германію і гетероструктур у різні моменти імпульсу прикладеної напруги;

· дослідження поведінки в часі розподілу електричного поля в зразках при різних концентраціях фотогенерованих носіїв і напруженостях гріючого електричного поля;

· вимірювання інтенсивності випромінювання світла “гарячими” носіями в близькій (0.8 - 10 мкм) і далекій (50 - 120 мкм) інфрачервоній спектральній області з різних частин зразка між електричними контактами при різних значеннях гріючого електричного поля;

· електронна мікроскопія;

· числове моделювання процесів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

1. Експериментально доведене існування у фотогенерованій електронно-дірковій плазмі в кристалах германія в гріючому електричному полі просторово локалізованих областей високої температури носіїв заряду, які розташовуються вздовж напрямку струму. Показано, що виникнення таких структур пояснюється процесами самоорганізації в розігрітій плазмі і пов'язане з термодифузією носіїв.

2. Показано, що тип виникаючих структур і їх поведінка визначаються концентрацією носіїв у плазмі і величиною її розігріву: у слабко розігрітій плазмі з високою концентрацією носіїв виникають поздовжні автосолітони, а в плазмі з невисокою концентрацією носіїв при сильному її розігріві утворюються поперечні автосолітони.

3. Встановлено, що розігрів електронів при електричному латеральному транспорті носіїв у гетероструктурах InGaAs/GaAs із квантовими ямами призводить до виникнення статичних акустоелектричних доменів.

4. Виявлено, що в гетероструктурах InGaAs/GaAs з подвійними тунельно-зв'язаними селективно легованими квантовими ямами в сильному латеральному електричному полі має місце різке збільшення інтенсивності далекого інфрачервоного випромінювання електронів. Природу цього явища пояснено додатковим внеском прямих випромінювальних міжпідзонних переходів електронів у вузькій ямі, які стають можливими внаслідок просторового переносу гарячих носіїв із широкої ями.

Практичне значення отриманих результатів.

Результати досліджень просторово-неоднорідних структур у розігрітій електронно-дірковій плазмі необхідно враховувати при розробці різних приладів сильнострумової електроніки, оскільки їх виникнення визначає максимальні робочі струми і напруги, а також деградацію параметрів приладів.

Результати досліджень випромінювання електронів у селективно легованих подвійних тунельно-зв'язаних квантових ямах в гріючих латеральних електричних полях можуть бути використані для створення лазерів далекого інфрачервоного діапазону на міжпідзонних переходах, де інверсія формується внаслідок просторового переносу носіїв.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики вимірювань і створенні експериментальної установки, підготовці зразків, проведенні всіх вимірів, обробці отриманих експериментальних результатів. Здобувач приймав рівноправну зі співавторами робіт участь в обговоренні і інтерпретації результатів вимірювань, написанні статей, представленні результатів на наукових конференціях і семінарах. Дисертант самостійно сформулював і обґрунтував основні положення і висновки дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на наукових семінарах Інституту фізики НАН України, підсумкових конференціях ІФ НАН України (2003, 2007, 2009 рр.), міжнародних конференціях:

Антонов А.В. Электро-полевые домены в гетероструктурах InGaAs/GaAs с квантовыми ямами и латеральным транспортом носителей / Антонов А.В., Гавриленко А.В., Гавриленко В.И., Демидов Е.В., Звонков Б.Н., Ускова Е.А., Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // Сб. тезисов IV Международного украинско-русского семинара “Нанофизика и наноэлектроника”, посвященного 100-летию с дня рождения академика В.Е. Лашкарева, 15-18 сентября, 2003. - Киев, С. 75.

Винославский М.Н. Процессы самоорганизации фотогенерированной електронно-дырочной плазмы в p-Ge в электрическом поле / Винославский М.Н., А.В. Кравченко, П.А. Белевский // IV Міжнародна школа конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, тези доповідей, , 24-27 червня, 2003. - Дрогобич, Україна. - С. 131.

Винославский М.Н. Термодиффузионные автосолитоны в биполярной плазме многодолинного полупроводника / Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня, 2004. - тези доповідей, Т. 1, С. 209.

Белевский П.А. Электро-полевые домены в гетероструктурах InGaAs/GaAs с КЯ при латеральном транспорте носителей / Белевский П.А., Винославский М.Н., Кравченко А.В., Антонов А.В., Гавриленко В.И., Демидов Е.В., Звонков Б.Н., Ускова Е.А. // II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня 2004. - тези доповідей, Т. 2, С. 518.

Вайнберг В.В. Токовые неустойчивости и домены сильного поля в InGaAs/GaAs гетероструктурах с квантовыми ямами // Вайнберг В.В., Гуденко Ю.Н., Белевский П.А. // V Міжнародна конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, тези доповідей, Дрогобич, Україна, 27-30 червня 2005. - С. 31.

Белевский П.А. Образование акустоэлектрического домена в n-InGaAs/GaAs гетероструктурах с двойными тунельно связаными КЯ / Белевский П.А., Винославский М.Н., Вайнберг В.В., Порошин В.Н., Сарбей О.Г., Гавриленко В.И., Звонков Б. Н. // Материалы 7-го Российско-Украинского семинара “Нанофизика и наноэлектроника”, 1-4 октября 2006. - Санкт-Петербург, С. 24.

Belevski P.A. Acoustoelectric instability in the n-InGaAs/GaAs heterostructures with double tunnell-coupled quantum wells // Belevski P.A., Vinoslavskii M.N., Kravchenko A.V. // Materials of the international meeting “Clusters and nanostructured materials”, Uzhgorod, Ukraine, 9-12 Oktober, 2006.- Р. 80.

Vainberg V.V. Transport of hot electrons and near infrared radiation n-InGaAs/GaAs heterostructures / V.V. Vainberg, V.N. Poroshin, P. A. Belevskii, A. V. Kravchenko, A.V. Naumov // Materials of the international meeting “Clusters and nanostructured materials”, Uzhgorod, Ukraine, 9-12 Oktober, 2006. - Р. 277.

Винославский М.Н. Пространственный перенос и дальнее ИК - излучение "горячих" электронов в селективно легированных гетероструктурах InGaAs/GaAs с квантовыми ямами / Винославский М.Н., Белевский П.А., Вайнберг В.В., Порошин В.Н., Сарбей О. Г., Строганова И.В. // III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Україна, Одеса, 17-22 червня 2007. - тези доповідей, С. 227.

Белевский П.А. Пространственный перенос и дальнее ИК - излучение "горячих" электронов в InGaAs/GaAs гетероструктурах с квантовыми ямами / Белевский П.А., Винославский М.Н., Порошин В.Н., Вайнберг В.В. // Нанорозмірні системи: будова, властивості, технології (НАНСИС 2007), 21 - 23 листопада 2007. - Київ, тези доповідей, С. 312.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 15 наукових праць, у тому числі 5 статей у провідних фізичних журналах і 10 тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з 3 розділів. Вона викладена на 121 сторінці і містить 35 малюнків. Список літератури містить 130 джерел, з них 47 закордонних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, відображені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, зв'язок роботи із плановими завданнями. Наведені дані про апробацію роботи, кількість публікацій, особистий внесок здобувача, структуру і об'єм дисертації.

Перший розділ дисертації присвячений дослідженням утворення термодифузійних автосолітонів - просторово впорядкованих структур в електронно-дірковій плазмі в кристалах Ge в гріючому електричному полі. У першому підрозділі наведені основні положення теорії автосолітонів, а також огляд літературних джерел, де описані експериментальні дослідження автосолітонів у різних напівпровідникових матеріалах - Ge, Si, GaAs, InSb, Te, а також у напівпровідникових структурах.

Згідно з теорією (роботи Б. С. Кернера, В.В. Осипова і співавторів), автосолітон (АС) - є стаціонарний відокремлений власний стан нерівноважної системи. Параметри АС - форма, амплітуда, швидкість руху та ін. - повністю визначаються параметрами системи і не залежать від форми початкового збудження. У розігрітій електронно-дірковій плазмі в напівпровідникових кристалах можуть утворюватися автосолітони двох просторових типів: у вигляді високопольових доменів (поперечні АС) і у вигляді струмових шнурів (поздовжні АС). Крім того ці автосолітони діляться на “гарячі”, які характеризуються високою температурою і зниженою концентрацією носіїв заряду - у слабко розігрітій плазмі, і “холодні”, які характеризуються зниженою температурою і підвищеною концентрацією носіїв заряду - у сильно розігрітій плазмі. Просторовий тип АС визначається параметрами плазми і рівнем її розігріву. Високопольові гарячі АС досить докладно досліджені експериментально в кристалах Ge і Si за допомогою багатозондової контактної системи. У той же час, гарячі поздовжні АС менш досліджені, а в кристалах Ge не спостерігалися зовсім. Теоретичні розрахунки передбачають також можливість одночасного існування в тому самому кристалі напівпровідника АС різних просторових типів, що підтверджується деякими експериментальними дослідженнями.

У другому підрозділі викладена методика досліджень неоднорідних просторових структур в електронно-дірковій плазмі p-Ge, приготування зразків і електричних контактів, описана експериментальна установка.

Електронно-діркова плазма генерувалася однорідно вздовж однієї із широких граней зразка імпульсом світла дзвоноподібної форми від лампи-спалаху тривалістю порядку декількох мілісекунд. Плазма розігрівалася імпульсами напруги прямокутної або трикутної форми амплітудою до 300 В і тривалістю порядку 10 - 15 мікросекунд. Квазістаціонарні ВАХ зразків p-Ge вимірювалися за допомогою прямокутних імпульсів напруги, що прикладались до зразка в максимумі імпульсу світла (при практично незмінному освітленні). Імпульси напруги трикутної форми, що прикладались до зразка також при незмінному освітленні, дозволяли вимірювати динамічні ВАХ, а також спостерігати динаміку утворення автосолітонів. Для спостереження перебудови АС різних типів при зміні концентрації носіїв прямокутний імпульс напруги вмикався під час наростання або спаду імпульсу освітленості.

Розподіл електричного поля вздовж напрямку струму вимірювався за допомогою системи з 20 потенційних вольфрамових зондів. Випромінювання гарячих носіїв у близькому інфрачервоному діапазоні вимірювалося приймачем Ge:Au. Переміщаючи приймач вздовж зразка, можна було досліджувати розподіл випромінювання і порівнювати його з розподілами електричного поля. Вимірювання проводилися при температурі 77 К.

Результати досліджень викладені в третьому підрозділі першого розділу дисертації. На підставі цих результатів зроблено висновок про виникнення в освітлених зразках p - Ge в гріючому електричному полі витягнутих вздовж струму областей з підвищеною температурою і зниженою концентрацією носіїв заряду, тобто поздовжних струмових автосолітонів. На користь такого висновку говорять наступні експериментальні факти. Характерна квазістаціонарна ВАХ освітленого зразка p - Ge із двома інжектуючими n - p контактами має поряд з N-подібними ділянками, що пов'язані з утворенням поперечних високопольових АС (досліджених раніше), також і ділянки крутого росту струму, що раніше не досліджувались. На динамічній ВАХ, виміряній за допомогою трикутного імпульсу напруги, є S-подібна область. Така поведінка ВАХ звичайно пов'язується з виникненням у зразку шнурів струму.

Встановлено також, що при досягненні граничних полів у зразках p - Ge стрибкоподібно з'являються сигнали близького інфрачервоного випромінювання I_IR і I_gl (крізь скляний фільтр) з областей, більш витягнутих уздовж струму, ніж у випадку поперечних АС. Це говорить про виникнення областей з високою температурою носіїв, незважаючи на те, що величина середнього поля в цих ділянках зразка не може забезпечувати таку високу інтенсивність випромінювання в зазначеному спектральному діапазоні. Схожі за формою сигнали, тільки значно більшої амплітуди спостерігаються з області поперечного високопольового АС. На осцилограмах сигналів видно ділянки ступінчастого росту і спаду. Наявність “поличок” на спаді сигналів I_IR і I_gl після закінчення імпульсу напруги свідчать про сильний неоднорідний джоулевий розігрів кристалу і про появу “гарячих плям” в області автосолітона.

Крім того, на освітленій поверхні зразків у протяжних областях, з яких спостерігалося випромінювання в ближньому ІЧ діапазоні, виявлені проплавлені струмові канали. Ці канали, очевидно, демонструють місце утворення повздовжніх АС, які завдяки малому їхньому діаметру швидко (за одиниці мікросекунд) розігріваються аж до температури плавлення гратки. Діаметр каналів збігається з теоретичним визначенням ширини повздовжніх АС: L_АС = (Ll_е)^-1/2 ~ 1_*10^-3 см.

Крім експериментальних досліджень, були проведені розрахунки параметрів електронно-діркової плазми на відповідність умовам виникнення поздовжних струмових АС. Показано, що теоретичні вимоги для виникнення поздовжних АС задовольняються:

1) виконується перша загальна для обох типів АС умова l/L << 1 (L - довжина біполярної дифузії, l - довжина енергетичної релаксації носіїв); 2) виконується умова ( + s)^-1 = 1, де _p ~ (Te) і = dln(_p)/dln(Te), ~ (Te)^s і s = dln()/dln(Te), (ф_p, ф_е - часи релаксації імпульсу і енергії носіїв, відповідно, T_е - температура носіїв), яка забезпечує позитивний зворотний зв'язок по температурі носіїв. Релаксація імпульсу носіїв при високій концентрації електронно-діркової плазми n ? p ? 1_*10¹⁶ см^-3 відбувається, в основному, при електронно-діркових зіткненнях і =3/2, а енергія носіїв розсіюється при зіткненні з фононами і s = -1/2); 3) виконується співвідношення _ee(~1_*10^-14 с)<<_p(~1_*10^-13 с)<<(~1_*10^-11 с), у якому _ee<<_p забезпечує формування повздовжнього АС у вигляді струмового шнура (_ee - час електрон-електронних зіткнень).

При дослідженні впливу величини концентрації і розігріву на поведінку поперечних високопольових АС і повздовжніх струмових АС було встановлено наступне. З вимірюваних розподілів електричного поля вздовж зразка виявлено, що N-подібні ділянки ВАХ супроводжуються утворенням поблизу анодного контакту високопольових АС або збільшенням їх кількості при більших прикладених напругах. Ділянки крутого зростання ВАХ супроводжуються зменшенням кількості високопольових АС - до одиночного. термодифузійний автосолітон електрон дірка

Дослідження динаміки зміни локальних полів показали, що при достатньому рівні освітленості (концентрації електронно-діркової плазми n ? 5_*10¹⁵ см^-3) і високій напруженості електричного поля високопольовий АС утворюється на початку імпульсу поблизу анодного контакту. Збільшення освітленості (на 10 %) приводить до того, що високопольовий АС на початку імпульсу поблизу анода не виникає, а замість нього спостерігаються падіння і осциляції невеликого локального поля поблизу анода або в середині зразка, що супроводжуються осциляціями струму. Це говорить про зростання локальної концентрації електронно-діркової плазми і про можливість виникнення поздовжних АС. Невелике збільшення гріючого поля знову приводить до виникнення високопольового АС поблизу анода після декількох осциляцій струму і поля. Такі результати підтверджуються у двох спеціальних режимах вимірювань. При включенні прямокутного імпульсу напруги при наростаючій освітленості зразка (а значить і концентрації носіїв) високопольовий АС, що виникає майже одразу, потім руйнується при досягненні деякої граничної концентрації носіїв. І навпаки, при включенні прямокутного імпульсу напруги в момент спаду освітленості зразка високопольовий АС виникає в середині імпульсу при зменшенні освітленості до певного граничного значення.

У другому розділі дисертації викладені результати експериментального вивчення особливостей латерального транспорту електронів у гетероструктурах ІnGaAs/GaAs з подвійними квантовими ямами в гріючому електричному полі.

У вступі коротко обґрунтована актуальність дослідження таких гетероструктур, пов'язана з можливістю створення на їх основі компактних джерел випромінювання в середньому і далекому інфрачервоному діапазоні спектра. Зазначено, що в гріючих полях у таких структурах можуть виникати струмові нестійкості характерні саме для арсеніду галію, так і нестійкості, пов'язані із квантовим розмірним ефектом та особливостями будови даних структур. Тому необхідно було проведення досліджень латерального транспорту електронів у даних гетероструктурах з метою визначення умов, при яких виникає той або інший тип струмової нестійкості і умов коли можлива реалізація інверсної населеності.

У другому підрозділі описані досліджувані гетероструктури, методи виготовлення контактів до них, а також методики вимірювань.

Гетероструктури складалися з 20 пар квантових ям шириною 100 А і 200 А, розділених бар'єром GaAs товщиною 50 А, і рознесених на 800 А. Основні дослідження проводилися на гетероструктурах, у яких вузькі ями селективно легувалися кремнієм (n_s= 1.110¹¹ см^-2 на один період структури). Гетероструктури іншого типу були однорідно леговані з концентрацією донорної домішки n_s = 3.010¹¹ см^-2 на період. Крім цього, були проведені порівняльні дослідження на структурах з одиночними КЯ (20 одинарних КЯ шириною 200 А, розділених бар'єром GaAs товщиною 800 А), і на зразках з однорідною плівкою GaAs товщиною 2.5 мкм, нанесеною на підкладку з напівізолюючого GaAs, подібно до гетероструктур з КЯ.

Для розігріву електронної системи і вимірювань ВАХ зразків використовувався генератор прямокутних імпульсів напруги, з амплітудою імпульсів від 0 до 1000 В, тривалістю переднього фронту не більше 80 наносекунд. Тривалість імпульсу регулювалася від 0.1 до 10 мікросекунд. Також була реалізована методика подвійних імпульсів напруги однакової або різної полярності з роздільним регулюванням амплітуди імпульсів і регульованою затримкою між ними. За допомогою системи з 10 вольфрамових потенційних зондів вимірювалися розподіли напруженості електричного поля вздовж зразка. Дослідження проводилися при температурах 4.2-100 К.

В результаті досліджень, встановлено, що при сильних латеральних електричних полях в гетероструктурах відбувається розвиток акустоелектричної нестійкості і виникають домени сильного поля.

В полях, менших граничної величини імпульс струму через гетероструктуру повторює прямокутну форму імпульсу напруги. У полях, що більші цієї величини, після закінчення інкубаційного періоду в кілька сотень наносекунд з'являються спад струму і загасаючі осциляції. Тривалість інкубаційного періоду зменшується з ростом середнього поля вздовж структури і, практично, не залежить від відстані між контактами і температури. Для одноямних структур ця залежність якісно близька за формою до попередніх, але при малих полях час інкубації в декілька разів менший. В області сильних полів (E > 2.5 кВ/см для двохямних структур) час інкубації з ростом поля перестає зменшуватися і починає зростати. Імпульс струму повертається до прямокутної форми, а при подальшому зростанні поля (E ~ 4 кВ/см) з'являються більш високочастотні (~10 Мгц) хаотичні, але незатухаючі осциляції струму ганнівского типу.

ВАХ, що відповідають періоду інкубації, для всіх структур при температурі 4.2 К при малих полях демонструють практично лінійне зростання, за винятком деяких особливостей, що пояснюються у третьому розділі дисертації. В області 1-го мінімуму осцилляцій струму на ВАХ структур спостерігається або ділянка слабкої негативної диференціальної провідності N-типу, або вихід на насичення.

Вимірювання розподілів електричного поля показують, що загасаючі коливання струму не пов'язані з періодичним рухом і зникненням поблизу контакту доменів поля. Домен починає формуватися в середній частині зразка після закінчення інкубаційного періоду, потім збільшуючись за величиною, рухається до анода, де і зупиняється. Визначена по цих розподілах швидкість руху домена v ? 3.5*10⁵ см/с дорівнює швидкості поширення поперечної моди акустичних коливань в GaAs.

Встановлено, що причиною загасаючих коливань струму є відбиття від контакту і торця зразка акустичного потоку, пов'язаного з акустоелектричним доменом. Для цих досліджень використовувалися зразки, в яких один з контактів містився біля торця зразка, а другий - у його середній частині. На зразок подавалися подвійні імпульси напруги з регульованою затримкою t_d. Полярність першого імпульсу U₁ бралася такою, щоб анодом був контакт, розташований у середній частині зразка. Тривалість імпульсу бралася такою, щоб струм встигав досягти мінімального значення. Як показують зондові вимірювання, за цей час відбувається формування статичного домена поблизу анода. Після вимкнення напруги акустичний пакет, створений доменом, рухався вздовж вільної частини зразка, відбивався від торця і повертався у проміжок між контактами.

При цьому для другого імпульсу напруги U₂ протилежної полярності відбитий потік поширюється в напрямку дрейфу електронів, а для другого імпульсу тієї ж полярності - в протилежному напрямку. Тому в першому випадку він підсилює дію другого імпульсу при утворенні домена і зменшує струм, а у другому - послаблює цю дію і збільшує струм.

У третьому розділі дисертації викладені результати досліджень латерального транспорту електронів у двохямних гетероструктурах ІnGaAs/GaAs, що описані у розділі 2, в умовах просторового переносу. Суть просторового переносу полягає в тому, що при розігріві полем, електрони переходять із квантових ям з високою рухливістю носіїв у більш високі по енергії стани в сусідній КЯ (або в бар'єрі), де їх рухливість менша і, відповідно, вони менше розігріваються електричним полем. Зворотний перехід має меншу імовірність, тому відбувається накопичення носіїв у цих станах. Це дозволяє сподіватися на одержання інверсії населеностей носіїв. Якщо оптичний перехід із цього стану є незабороненим, то можна одержати лазерний ефект. У вступі до розділу наведено короткий огляд літератури, стосовно даного ефекту, його практичного застосування, зокрема і для одержання джерел випромінювання у далекому і середньому інфрачервоному діапазонах.

Дослідження проводилися при розігріві носіїв в імпульсних електричних полях при температурах Т = 4.2 - 100 К. Щоб уникнути розвитку акустоелектричних доменів, які утворюються у структурах такого типу тривалість прикладених імпульсів напруги була меншою часу інкубації (?400 наносекунд). Інтенсивність випромінювання “гарячих” електронів у діапазоні 50-120 мкм вимірювалася домішковим приймачем Ge:Ga через фільтр із чорного поліетилену при Т = 4.2 К.

Експериментально встановлено, що для селективно легованих структур при Т = 4.2 К на ВАХ в області полів Е = 1 - 1.5 кВ/см спостерігається зменшення швидкості наростання струму з полем. Ця особливість ВАХ відсутня при 100 К. Вона також відсутня на ВАХ структур з однорідним легуванням при усіх досліджених температурах. Зазначена особливість ВАХ селективно легованої структури при Т = 4.2 К яскраво проявляється на похідній від струму по полю і не проявляється при Т = 100 К, а також не проявляється на ВАХ однорідно легованої структури.

Також експериментально встановлено, що для селективно легованих структур в полях E = 1 - 1.5 кВ/см має місце різке зростання інтенсивності далекого інфрачервоного випромінювання. При подальшому збільшенні поля (E > 1.5 кВ/см) інтенсивність ІЧ випромінювання або ж зростала, але повільніше, або ж насичувалася. Величина поля, при якій спостерігається різке збільшення інтенсивності випромінювання відповідає області, де має місце особливість ВАХ - зменшення швидкості наростання струму з полем.

Обидва ефекти можна пояснити просторовим переносом електронів між квантовими ямами. З ростом поля внаслідок збільшення енергії електронів відбувається їхній перехід із широкої квантової ями в вищі по енергії стани - на другу підзону у вузькій ямі, де вони розігріваються полем слабкіше через меншу рухливість. Це зумовлює вповільнення наростання струму з ростом поля, що і спостерігається в структурах із селективним легуванням через досить велику різницю рухливостей носіїв у різних ямах.

Розігрів електронів у широких ямах призводить до випромінювання ними світла при непрямих внутрішньозонних оптичних переходах, інтенсивність якого монотонно зростає із збільшенням гріючого електричного поля. При переносі носіїв із широкої у вузьку яму до непрямих оптичних переходів додаються прямі міжпідзонні переходи у стани першої підзони, які є можливими внаслідок перекриття хвильових функцій носіїв першої і другої підзон у сусідніх ямах. Це і призводить до сильного збільшення інтенсивності випромінювання.

Розрахунки залежності величини розігріву носіїв у вузькій і широкій квантових ямах від електричного поля показують, що при будь-яких електричних полях електронна температура у широкій ямі вище ніж у вузькій. Наприклад, у полі Е=1,4 кВ/см температури електронів у ямах відрізняються майже в три рази. При цьому електронна рухливість у вузькій ямі значно менша ніж у широкій. Оцінка відношення концентрацій електронів на другій і першій підзонах (у вузькій і широкій КЯ, відповідно) показує, що в полях понад 1,4 кВ/см заселеність другої підзони у вузькій ямі стає більшою ніж у першій, що якісно узгоджується із поведінкою струму та інтенсивності випромінювання гарячих електронів.

В однорідно легованих структурах рухливість електронів і величина їх розігріву електричним полем у вузькій і широкій ямах також повинні відрізнятися, тому що час релаксації імпульсу носіїв для всіх механізмів розсіювання залежить від ширини квантової ями, і, особливо, від шорсткості її границь. Однак, очевидно, ця різниця набагато менша ніж у селективно легованих структурах. Тому ефекти, зумовлені просторовим переносом електронів між ямами у випадку однорідного легування, значно слабкіші і експериментально не спостерігаються.

 ВИСНОВКИ

Досліджені процеси, що відбуваються в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду при їхньому розігріві сильним електричним полем в об'ємних кристалах германія і гетероструктурах n-ІnGaAs/GaAs із квантовими ямами. Вивчені струмові нестійкості, що виникають при цьому, а також утворення просторово-неоднорідних структур у вигляді високопольових доменів або струмових шнурів.

Основні результати роботи:

а) експериментально виявлені передбачені раніше теоретично повздовжні термодифузійні автосолітони (АС) у вигляді струмових шнурів у кристалах Ge. Показано, що поздовжні АС утворюються при високих концентраціях електронно-діркової плазми (n ? 1_*10¹⁶ см^-3) і невеликому розігріві носіїв (до Т_е = =(2 - 4,5)Т_l, Т_l - температура гратки), на відміну від досліджених раніше поперечних високопольових АС, які утворюються при менших концентраціях плазми (5_*10¹³ см^-3 ? n ? 5_*10¹⁵ см^-3), але при більших локальних розігрівах носіїв (до Т_е ~ и_D ? 5Т_l);

б) експериментально показано, що поздовжні і поперечні АС можуть або по черзі з'являтися і зникати в одних і тих же ділянках зразка, або одночасно існувати в різних його частинах, які мають відповідні для даного типу АС локальні значення концентрації плазми і напруженості поля. Це може призводити до багатоступінчатої ВАХ;

в) встановлено, що в гетероструктурах n-ІnGaAs/GaAs із квантовими ямами в латеральному електричному полі виникають статичні високопольові акустоелектричні домени, що спричинюють N-подібність ВАХ;

г) встановлено, що причиною виникнення загасаючих осциляцій струму в гетероструктурах n-ІnGaAs/GaAs є відбиття від анодного контакту акустичного потоку, пов'язаного з акустоелектричним доменом;

д) виявлено, що в гетероструктурах InGaAs/GaAs з подвійними тунельно-зв'язаними квантовими ямами у гріючому електричному полі просторовий перенос електронів із широких квантових ям у вузькі ями приводить до різкого збільшення інтенсивності далекого інфрачервоного випромінювання електронів. Природа цього ефекту пояснена додатковим внеском прямих випромінювальних міжпідзонних переходів електронів у вузькій ямі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В СТАТТЯХ

1. Антонов А.В. Акустоэлектрические домены в гетероструктурах GaAs/InGaAs с квантовыми ямами / Антонов А.В., Гавриленко А.В., Гавриленко В.И., Демидов Е.В., Звонков Б.Н., Ускова Е.А., Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // Известия академии наук, Серия физическая. - 2004.- том 68, № 1, С. 68 - 70.

2. Винославский М.Н. Автосолитоны в электронно-дырочной плазме p-Ge / Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В. // ЖЭТФ. - 2006.- Т. 129, вып. 3. - С. 477 - 492.

3. Vainberg V.V. Current oscillation and high field domains in the InGaAs/GaAs heterostructures with the -doped quantum well / Vainberg V.V., Gudenko Yu.N., Belevski P.A., Vinoslavski M.N., Poroshin V.N., Vasetski V.M. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. - Т. 4, вип. 1, С. 41 - 50.

4. Белевский П.А. О природе затухающих колебаний тока при образовании статического акустоэлектрического домена в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs с квантовыми ямами // Белевский П.А., Винославский М.Н., Порошин В.Н., Строганова И.В. // ФТП. - 2008. - Т. 42, вып. 5, С. 604 - 607.

5. Belevskii P.A. Real-space transfer and far-infrared emission of hot electrons in InGaAs/GaAs heterostructures with tunnel-coupled quantum wells // Belevskii P.A., Vainberg V.V., Vinoslavskii M.N., Kravchenko A.V., Poroshin V. N., Sarbey O.G. // УФЖ. - 2009. - Т. 54, № 1-2, С. 122 - 127.

АНОТАЦІЯ

Більовський П.А. Ефекти просторового перерозподілу “гарячих” носіїв заряду в напівпровідниках і гетероструктурах - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2010.

В дисертації досліджуються процеси, що мають місце в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду при їхньому розігріві сильним електричним полем в об'ємних кристалах германію і гетероструктурах n-InGaAs/GaAs із квантовими ямами. Вивчені струмові нестійкості, що виникають при цьому, а також утворення просторово-неоднорідних структур у вигляді струмових шнурів або високопольових доменів.

За допомогою методик вимірювання розподілів електричного поля вздовж зразка та вимірювання інтенсивності інфрачервоного випромінювання експериментально виявлені передбачені раніше теоретично повздовжні термодифузійні автосолітони у вигляді струмових шнурів у кристалах Ge. Експериментально показано, що такі автосолітони утворюються у слабко розігрітій плазмі з високою концентрацією носіїв. У плазмі з невисокою концентрацією носіїв при сильному її розігріві утворюються поперечні автосолітони у вигляді доменів поля.

Виявлено, що в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs із квантовими ямами в латеральному електричному полі можуть виникати статичні високопольові акустоелектричні домени, що призводять до N-подібності ВАХ. За допомогою методики подвійних імпульсів напруги показано, що причиною виникнення загасаючих осциляцій струму в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs є відбиття від анодного контакту акустичного потоку, пов'язаного з акустоелектричним доменом. Також експериментально виявлено, що в гетероструктурах InGaAs/GaAs з подвійними тунельно-зв'язаними квантовими ямами просторовий перенос електронів у гріючому електричному полі із широких квантових ям у вузькі ями приводить до різкого збільшення інтенсивності далекого інфрачервоного випромінювання електронів. Це пояснено додатковим внеском прямих випромінювальних міжпідзонних переходів електронів у вузькій ямі.

Ключові слова: "гарячі" носії, термодифузійні автосолітони, електронно-діркова плазма, інфрачервоне випромінювання, напівпровідникові гетероструктури, просторовий перенос, акустоелектричний домен.

АННОТАЦИЯ

Белёвский П.А. Эффекты пространственного перераспределения “горячих” носителей заряда в в полупроводниках и гетероструктурах - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт физики НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертации приведены результаты экспериментального исследования процессов пространственного перераспределения плотности электронно-дырочной плазмы в кристаллах Ge и электронов в полупроводниковых гетероструктурах n-InGaAs/GaAs с квантовыми ямами в греющих электрических полях, приводящих к образованию неоднородных упорядоченных структур и нелинейным полевым зависимостям тока и инфракрасного излучения “горячих” носителей. При проведении исследований использовались методики измерения распределения электрического поля вдоль образца с помощью системы из большого количества потенциальных зондов и исследования излучения "горячих" носителей в инфракрасном диапазоне спектра.

В результате проведенных исследований в електронно-дырочной плазме, разогретой электрическим полем, в кристаллах Ge экспериментально обнаружены, предсказанные ранее теоретически, продольные термодиффузионные автосолитоны (АС) в виде токовых шнуров. Их возникновение приводит к появлению участков крутого роста либо S-образных участков ВАХ. Показано, что продольные токовые АС образуются при высоких концентрациях плазмы (n ? 1_*10¹⁶ см^-3) и невысоком уровне разогрева носителей: до Т_е = (2 - 4,5)Т_l (Т_l - температура решетки). Исследованные ранее поперечные высокополевые АС, которые приводят к N-образным участкам ВАХ, образуются при меньших концентрациях плазмы (5_*10¹³ см^-3 ? n ? 5_*10¹⁵ см^-3), но при более высоком уровне локального разогрева носителей: до Т_е ~ и_D ? 5Т_l. Оба типа автосолитонов характеризуются высокой температурой (Т_е ? 1000 К) и пониженной концентрацией плазмы. Показано, что продольные и поперечные АС могут одновременно существовать в разных частях образца, обладающих подходящими для данного типа АС локальными значениями концентрации плазмы и напряженности поля.

Экспериментально установлено, что в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs с двойными квантовыми ямами (КЯ) в пороговых латеральных электрических полях возникает статический высокополевой акустоэлектрический домен. Измерены его параметры (время инкубации, время распада, величина поля в домене). Установлено, что причиной возникновения затухающих осцилляций тока при возникновении домена в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs является отражение от анодного контакта акустического пакета, связанного с доменом.

Показано, что при разогреве носителей латеральным электрическим полем в пороговых полях Е = 1 - 1,5 кВ/см в гетероструктурах n-InGaAs/GaAs с двойными селективно легированными КЯ происходит пространственный перенос носителей из нелегированной широкой КЯ в вышележащие по энергии состояния в узкой КЯ где происходит их накопление, что проявляется в уменьшении скорости роста тока с полем. При этом на полевой зависимости интенсивности длинноволнового ИК излучения появляется участок крутого роста, который объясняется добавкой к внутризонному излучению горячих электронов излучения за счет прямых межподзонных переходов.

Ключевые слова: "горячие" носители, термодиффузионные автосолитоны, электронно-дырочная плазма, инфракрасное излучение, полупроводниковые гетероструктуры, пространственный перенос, акустоэлектрический домен.

SUMMARY

Bilyovskiy P.A. Effects of space redistribution of “hot” carriers in semiconductors and heterostructures. - Manuscript.

Thesis for Physics and Mathematics candidates degree on the speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to investigation of processes occurring with strongly non-equilibrium charge carriers in the bulk germanium crystals and n-InGaAs/GaAs heterostructures with quantum wells under the conditions of heating carriers by a high electric field. There have been studied instabilities arising under these conditions as well as formation of spatially non-uniform structures such as high-field domains or current filaments.

Measurements of both the electric field distribution along a sample and infrared emission intensity revealed the thermal-diffusion autosolitons arising in the form of current filaments in the Ge crystals which were predicted earlier theoretically. There has been shown experimentally that such autosolitons arise in a weakly heated plasma with a high carrier concentration. In the case of plasma with a small carrier concentration and under strong heating up, the transverse autosolitons arise in the form of field domains.

It is obtained that in the n-InGaAs/GaAs heterostructures with quantum wells under the lateral electric field, the static high field acoustoelectric domains may arise which cause the N-like behavior of their current-voltage characteristics. Using the double voltage pulse method, it is shown that decaying current oscillation, observed in the n-InGaAs/GaAs heterostructures, generated as a result of reflection of an acoustic flux by the anode contact. Also, it is shown that in the heterostructures with the double tunnel-coupled quantum wells a spatial transfer of heated electrons from the wider quantum wells into the narrower ones results in a sharp increase of intensity of the far infrared emission. An additional contribution of the direct radiative intersubband transitions of electrons in the narrower well can be responsible for this phenomenon.

Keywords: "hot" carriers, thermodiffusive autosolitons, electron-hole plasma, infrared radiation, semiconductor heterostructures, real space transfer, acoustoelectric domain.

Размещено на Allbest.ru

...