Введение к работе
Актуальность темы определяется тем. что полупроводниковые гетеропереходы на основе узкозонных чстырсхкомпонентных твердых растворов А3В5 в системе GaSb-InAs представляют значительный интерес для создания оптоэлектронных приборов (лазеров, светодиодов и фотодиодов) для спектрального диапазона 2-5 мкм. Этот диапазон актуален хтя задач газового анализа и экологического мониторинга.
В настоящее время наблюдается устойчивый рост интереса к гетероструктурам II типа, основной чертой которых является пространственное разделение электронов и дырок и их локализация в самосогласованных квантовых ямах по обе стороны гетерограницы. Это приводит к ряду интересных физических эффектов в оптических и магнитотранспортных свойствах, возникновение которых в гетеропереходах I типа невозможно. Ярким представителем гетеропереходов II типа является гетеросистема InAs/GaSb. впервые полученная и изученная Есаки с сотр. [ IJ. в которой из-за большой разницы в значениях электронного сродства контактирующих материалов валентная зона GaSb лежит по энергии выше, чем зона проводимости InAs на величину энергетического зазора А=150мэВ. Аналогом таких гетеропереходов являются гетеропереходы GaInAsSb/InAs(GaSb), выращивание которых в широком интервале составов подробно изучено. Используя твердые растворы GalnAsSb различного состава, можно менять перекрытие зон на гетерогранице и создавать как ступенчатые гетеропереходы II типа, так и разъединенные. В настоящее время в литературе уже накоплен значительный материал по исследованию гетеропереходов II типа [2], созданы и активно разрабатываются оптоэлектронные приборы. Так. были исследованы люминесцентные,
электрические и фотоэлектрические свойства как ступенчатых, так и разъединенных гетеропереходов II типа в гстеросистеме GaInAsSb/InAs(GaSb). обнаружена интенсивная интерфейсная электролюминесценция, обусловленная туннельной рекомбинацией носителей, пространственно разделенных на гетерогранице, предложены и созданы инфракрасные лазеры нового типа на основе гетеропереходов II типа [3].
Однако до настоящего времени детального исследования магнитотранспорта (эффекта Холла, магнитосопротивления, подвижности и механизма рассеяния носителей) на одиночной гетерогранице II типа GaInAsSb/InAs(GaSb) не проводилось.
Эти исследования важны как для понимания фундаментальных процессов, происходящих на гетерогранице II типа, так и для создания электронных и оптоэлектронных приборов, использующих уникальные свойства таких гетеропереходов. Ранее магнитотранспортные свойства разъединенных гетеропереходов II типа исследовались лишь для структур с квантовыми ямами и сверхрешетками (InAs/GaSb. GalnSb/InAs. AlSb/InAs/GaSb). Помимо фундаментального интереса, актуальность данных исследований определяется важным практическим применением исследуемых гетеропереходов для создания оптоэлектронных приборов нового поколения для среднего и дальнего ИК-диапазона, таких как ту ннсльно-инжекционные лазеры и длинноволновые лазеры, управляемые магнитным полем.
Цель и задачи работы Целью работы является исследование магнитотранспортных свойств гетеропереходов на основе многокомпонентных твердых растворов в системе GaSb-InAs. выращенных методом ЖФЭ( и характеристик полуметаллического канала на
гетерофанице II типа в зависимости от состава и уровня легирования четверного твердого раствора, меняющих условия перекрытия зон на гетерофанице и парамефы самосогласованных квантовых ям, изучение явлений переноса и механизма рассеяния носителей на гетерофанице в :лабых и сильных магнитных полях.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались :ледующие задачи:
Исследование гальваномагнитных свойств одиночных гетсросфуктур Gai.xInxASySbi.y/InAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии с резкой (несколько монослоев) гетерофаницей, в области широкозонных твердых растворов (0<х<0.23, Е,,>0.56эВ). Установление характера зонной энергетической диафаммы таких гетеропереходов в зависимости от состава твердого раствора.
Исследование влияния уровня легирования твердого раствора ікцепторньши примесями на магнитотранспортные свойства юлу .металлического канала на гетерофанице II типа в системе э-GaInAsSb/p-InAs.
Исследование энергетического спектра и параметров квантовых їм. возникающих на фанице раздела в гетеропереходах II типа 3aInAsSb/InAs при низких температурах в слабых и сильных магнитных юлях. Выявление раздельного вклада электронов и дырок, локализованных и гетерофанице, в квантовую проводимость в сильных магнитных полях.
Проведение сравнительного исследования влияния етерофаницы на магнитотранспортные свойства гетеропереходов II типа с шфокозонным (0<х<0.23. Е8>0.56эВ) и узкозонным (0.88<х<(). Е8<0.4эВ) вердыми растворами Gai.xInxASySbi_y, выращенных на подложках InAs и jaSb,cooTBeTCTBeHHO.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведено комплексное исследование магнитотранспорта в слабых и сильных магнитных полях в гетеропереходах II типа на основе многокомпонентных твердых растворов в системе GaSb-InAs, созданных методом жидкофазной эпитаксии, в широком интервале составов твердого раствора в зависимости от типа и уровня легирования четверных твердых растворов. А именно:
-
Экспериментально обнаружен электронный какал с высокой подвижностью носителей (|Лп=ЗОООО-500О0 см2/Вс) на гетерограшще II типа в изотшшом p-GalnAsSb/p-InAs гетеропереходе с нелегированным и слабо легированным (р<5 1011см"3)четверным слоем.
-
Исследованы транспортные свойства одиночных изотипных гетероструктур II типа GalnAsSb/p-InAs с различным составом широкозонного твердого раствора p-Gai-xInxASySbi.y/p-InAs (0<х<0.23, Eg>0.563B), выращенных методом ЖФЭ с резкой гетерограницей, в зависимости от уровня легирования акцепторами четверного эпитаксиального слоя.
-
Показано, что в изотипном p-GalnAsSb/p-InAs гетеропереходе при сильном легировании твердого раствора (р>5 10псм"3) наблюдается резкое падение подвижности, обусловленное переходом от полуметаллической к полупроводниковой проводимости и истощением электронного канала.
-
Исследован энергетический спектр электронного канала на гетсрогранице GalnAsSb/InAs со стороны InAs в сильных (свыше ЮТ) магнитных полях при низких (1.5-4.2К) температурах и оценены двумерные концентрации электронов.
-
Обнаружен и исследован электронный канал, возникающий в
гетероструктурах II типа с узкозонным твердым раствором Gai-xInxASySbi.y (0.9<х<1, Eg<0.43B), выращенным на подложке GaSb.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что в ней
1) обнаружен и изучен электронный канал с высокой
подвижностью носителей на гетерогранице II типа в одиночных
гетероструктурах GalnAsSb/InAsCGaSb^полученных методом ЖФЭ;
2) установлена возможность управления свойствами
полуметаллического канала на гетерогранице в разъединенном
гетеропереходе II типа в системе GaInAsSb/InAs(GaSb) при изменении
состава четверного твердого раствора, уровня его легирования и
при воздействии магнитного поля.
3) при исследовании в сильных магнитных полях установлено, что
в энергетическом спектре носителей на гетерогранице p-GalnAsSb/p-InAs
проявляются две размерно-квантованные подзоны Е\ и Е2 с двумерной
концентрацией электронов ns=l.l 10исм"2 ип3=4.2 10псм^ соответственно;
4) полученные фундаментальные результаты по исследованию
магннтотранспортных свойств полуметаллического канала на
разъединенной гетерогранице II типа открывают возможность создания
новых электронных и оптоэлектронных приборов (холловских сенсоров,
транзисторов, туннельно-инжекционных лазеров, а также длинноволновых
лазеров, управляемых магнитным полем).
На защиту выносятся следующие научные положения.
1. Гетеропереходы GaKxInxASySbi.y/InAs (0<х<0.23), полученные методом ЖФЭ, представляют собой разъединешше гетеропереходы II типа, в которых валентная зона широкозонного полупроводника (твердый
раствор) лежит по энергии выше юны проводимости узкозонного Hi величину Д=50-100мэВ. Изменение состава твердого раствора в сторон) увеличения содержания In в пределах 0<х<0.23 не приводит к изменении: типа зонной диаграммы гетероперехода.
2. В изотипных одиночных гетероструктурах
p-Gai_xInxAsySbi.y/p-InAs с нелегированнымн или слаболегированнымн
эпитаксиальными слоями (р<5 10псм"э) на границе раздела со стороны InAs
существует полуметаллический канал с высокой подвижностью электронов
ц„=3000()-50000см2/В с (Т=4.2-250К).
3. Сильное легирование твердого раствора GalnAsSb акцепторами
(Zn>4 10_іат%. р>1(),8см"3) приводит к резкому, до 1000см2/Вс, падению
подвижности в электронном канале на гетерогранице GalnAsSb/InAs. что
связано с переходом от полуметаллического к полупроводниковому
характеру проводимости и об) словлено истощением электронного канала и
возрастающей ролью рассеяния на неоднородностях интерфейса.
4. Узкозонные твердые растворы Gai.xIn^ASySbi.y. (0.85<х<1)
выращенные на подложках GaSb. образуют либо ступенчатый
гетеропереход при ().85<х<()9. либо разъединенный при 0.85<х<0.9, при
этом в ступенчатых гетеропереходах подвижность определяется
носителями из эпитаксиального слоя (цп=6000см2/Вс, Т=77К), а в
разъединенном гетеропереходе основной вклад в подвижность вносят
электроны из полуметаллического канала со стороны узкозонного твердого
раствора (цн=16000-18000см2/Вс, Т=77-3()0К).
5. Энергетический спектр электронного канала на гетерогранице
GalnAsSb/InAs состоит из двух размерно квантованных подзон с
концентрацией электронов ns=l.l 10псм"2 и ns=4.2 10"см2 соответственно
для вышележащей и нижележащей подзоны.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы апробировались на всероссийских и международных конференциях: Intern. Conf. on Superlattices, Microstructures and Microdevices. Liege, Belgium. 1996: Nanostructures: Physics and Technology. St.Peterburg, 1997 и 2000: III Всероссийской конференции по физике полупроводников, Москва. 1997: Physics on the Turn of XXI Century St.Peterburg, 1997; Санкт-Петербургской молодежной научной конференции по физике полупроводников. 1998; Всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. С.-Петербург 1999; Международной Зимней школе ФТИ по физике полупроводников, Зеленогорск. 2000; а также на семинарах лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф.Иоффе.
Публикации
По материалам было опубликовано 14 печатных работ, в том
числе 6 в рецєнзіфуемьіх изданиях. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка
литературы. Общий объем диссертации составляет /2 т страниц, включая
страниц основного текста. 32, рисунков и &~ таблиц Список
цитируемой литературы включает в себя SSd наименование и занимает
<& страниц.
