Эффект замороженной туннельной фотопроводимости в двумерной электронной системе приповерхностного δ-легированного слоя в GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Дижур Сергей Евгеньевич

ЭФФЕКТ ЗАМОРОЖЕННОЙ ТУННЕЛЬНОЙ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В ДВУМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ¿-ЛЕГИРОВАННОГО

СЛОЯ В СаАэ

01.04.10 — физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель — кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Котельников Игорь Николаевич

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

Алтухов Игорь Витальевич

Ведущая организация — Институт общей физики РАН

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 002.231.01 при Институте радиотехники и электроники РАН «22» сентября 2006 г. в 10^ по адресу 125009 Москва ГСП-9, Моховая 11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан «//» августа 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

кандидат физико-математических наук, Трофимов Владимир Тимофеевич

профессор

Артёменко Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении последних лет акценты в интересе к полупроводниковым структурам сместились в сторону нанотехно-логий. Современные способы получения таких систем (например, метод молекулярно-лучевой эпитаксии [1]) позволяют получать системы с квантовыми точками, напряжёнными слоями, дельта-слоями и пр. Структуры с предельно неоднородным (дельта-, ¿-) легированием (2,3] вызывают огромный интерес для фундаментальных исследований в области физики твёрдого тела, а также при отработке новых способов изготовления полупроводниковых структур. С практической точки зрения, эти структуры перспективны для создания высокоэффективных электронных устройств. Однако, формирование ¿-слоя, находящегося в полупроводнике вблизи (около 20 нм) высококачественной границы с металлом, связано с рядом трудностей. Поэтому, изучению таких структур уделено крайне мало внимания.

Данная работа посвящена исследованию влияния внешнего излучения на электронную систему в приповерхностном ¿-слое таких структур. Исследуемые GaAs структуры с ¿-легированным кремнием слоем (Al/<5s;-GaAs) обладают важным свойством: практически монослойная легирующая примесь кремния создаёт потенциальную яму в однородном (от границы с металлом до подложки) объёме полупроводника, и тупнельно-прозрачный барьер между А1 и ¿-слоем позволяет контролировать изменение как заполненных, так и пустых подзон в этой квантовой яме через туннельный ток.

Эффект замороженной, или удержанной (persistent), фотопроводимости (ЗФП) наблюдался, как правило, в п-легированных GaAs и AlGaAs структурах. ЗФП проявляется в виде изменения проводимости после облучения образца излучением видимого, инфракрасного или рентгеновского диапазонов [2]. В литературе этот эффект объяснялся за счёт влияния примесных состояний: DX-центров, ЕЬ2-центров, глубоких уров-

ней, примесных уровней в подложке, барьерных примесей. Подавляющее большинство таких работ было выполнено с помощью магнитотранспорт-ных измерений, не позволяющих получить информацию о незаполненных подзонах и проследить за изменением потенциального профиля структур вне области проводящих каналов. При этом, эффект ЗФП определялся, в основном, по изменениям в концентрации носителей. Туннельная структура типа Л1/<5-СаЛз является наиболее подходящим объектом для исследования эффекта замороженной фотопроводимости в ¿-слоях. Преимущества такой системы заключаются в следующем. Кроме возможности анализа спектра как пустых, так и заполненных состояний в двумерной электронной системе ¿-слоя, через туннельное сопротивление можно контролировать изменения потенциального барьера на границе между алюминием и ¿-слоем, возникающие после подсветки. Как показали расчёты, но туннельным спектрам возможно отличить изменения (после засветки) числа заряженных центров в объёме полупроводника от ионизации ВХ-центров в самом ¿-слое.

Целью работы являлось изучение состояний двумерной электронной (2В) системы ¿-слоя после облучения и получение информации о механизмах, определяющих свойства носителей в двумерной электронной системе после подсветки излучением видимого или инфракрасного диапазонов.

Научная новизна. Благодаря технике туннельной спектроскопии [4] и высококачественным туннельным структурам А1/^-СаАэ, впервые наблюдался и описан эффект замороженной туннельной фотопроводимости (ЗТФП); проведены исследования влияния энергии кванта излучения на этот эффект; определена зависимость ЗТФП от температуры и найдена критическая температура эффекта; проведены сравнения экспериментально полученных данных с результатами самосогласованных расчётов для структур с ¿-слоями; показано, что эффект ЗТФП зависит как от числа заряженных центров в объёме СаАв, так и от величины

заряда на границе эпитаксиального слоя и подложки. При этом, влияние фотоионизации БХ-центров на электронный спектр двумерных подзон отличается от ЗТФП, приводя к равномерному сдвигу подзон в ¿-слое. В туннельной системе А1/<5-СаАз при подстройке уровней в режиме ЗТФП впервые наблюдались эффекты отражения электронов на пороге эмиссии ЬО-фононов.

Положения, выносимые на защиту.

• Обнаружение эффекта замороженной туннельной фотопроводимости, заключающегося в сгущении пустых подзон к заполненным состояниям после засветки структуры А1/6-ОаАв при низких температурах.

• Обнаружение влияния анергии кванта излучения на эффект замороженной туннельной фотопроводимости.

• Эффект замороженной туннельной фотопроводимости существует лишь при температурах ниже критической Те = 45 ± 3 К.

• Доказательство равномерности сдвига уровней при изменении зарядового состояния доноров в самом ¿-слое.

• Наблюдение отражения электронов на пороге эмиссии ЬО-фоноиов при туннелировании в двумерную электронную систему с помощью эффекта замороженной туннельной фотопроводимости.

Достоверность результатов не вызывает сомнений, подтверждена исследованиями на большом количестве образцов и теоретическими расчётами. Часть результатов согласуется с рядом исследований, выполненными как при участии автора, так и другими научными группами.

Практическая ценность работы обусловлена следующим. В результате облучения, состояния незаполненных уровней меняются на десятки мэВ. Это позволяет, в принципе, создать на основе туннельных ¿-легированных структур, например, высокоэффективные фотоэлектрические при-

ёмники. Благодаря тому, что замороженные состояния сохраняются при гелиевых температурах в течение продолжительного времени (изменения не превышают 0.1% в час), на основе таких систем возможно создание элементов памяти. Засветка, так же как, например, магнитное поле или давление, может применяться в качестве инструмента воздействия на электронную систему, вызывая эффект ЗТФП. Это, в частности, продемонстрировано в представляемой работе.

Апробация работы. Результаты диссертации были доложены на российских и международных конференциях: II всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто-и наноэлектронике (С.-Петербург, 2000); Нанофотоника (Н. Новгород, 2001); International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2001 — 2006); Российская конференция по физике полупроводников (Н. Новгород, 2001, С.-Петербург, 2003, Москва,

2005); 3rd International Conference 'Physics of low-dimensional structures -3' (Chernogolovka, Moscow District, Russia, 2001); International Conference on the Physics of Semiconductors (Edinburg, Scotland, UK, 2002, Vienna, Austria, 2006); 15th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics (Oxford, UK, 2002); 2nd Asian Conference on High Pressure Research (Nara, Japan, 2004); 16th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems (Albuquerque, New Mexico, 2005); на семинаре "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления" (Троицк, Московская, обл 2005,

2006); на VIII Международной Школе-семинаре молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений "(Сочи, 2004); на конкурсах молодых специалистов ИРЭ РАН (2003 — 2005).

Основные публикации по материалам диссертации приведены в конце автореферата. Результаты диссертации полностью опубликованы в 30 работах, из них 5 статей в ведущих российских и 1 статья в зарубежном журналах, 7 статей в трудах конференций и тсзисы докладов 15 всерос-

сийских и международных конференций. Общий объём опубликованных работ по теме диссертации составил 81 страницу.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 96 страниц, 29 рисунков, 1 таблицу и библиографию из 42 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В главе 1 приводится краткий обзор свойств полупроводниковых структур с ¿-слоями и основных результатов исследований эффекта замороженной фотопроводимости (ЗФП).

В разделе 1.1 описываются структуры с ¿-легированными слоями, даётся представление об их зонном строении, перспективах использования для изучения свойств двумерного электронного газа, возникающего в квантовой яме ¿-слоя.

В разделе 1.2 вводятся основные понятия, связанные с замороженной фотопроводимостью. Рассматриваются известные по литературе физические механизмы возникновения эффекта ЗФП и приводится краткий обзор экспериментальных работ, посвящённых этому эффекту. Ранее, этот эффект исследовался, в основном, магнитотранспортными методами, а применение метода туннельной спектроскопии должно позволить установить связь между засветкой и положениями уровней (как заполненных, так и пустых) в квантовой яме 6-слоя. Влияние подсветки на

спектр пустых состояний в ¿-слое ранее не наблюдалось. Это привело к необходимости введения нового понятия "замороженной туннельной фотопроводимости" (ЗТФП).

В разделе 1.3 обсуждаются многочастичные явления в туннельных полупроводниковых структурах, для наблюдения которых может быть использована засветка как способ изменения электронного состояния системы. Обозначен круг задач, для решения которых применение ЗТФП может быть целесообразно: исследование межподзонных резонансных по-ляронов, эффектов взаимодействия электронов с ЬО-фононами при тун-нелировании.

В главе 2 описываются объекты исследований (туннельные переходы А^-СаАв) и метод их исследования — туннельная спектроскопия; вводится понятие туннельного спектра; описаны использованные экспериментальные методики исследования.

Раздел 2.1 посвящен структурам А\/6-СгАв, их внутреннему строению, геометрии туннельных контактов и кратко описан способ их выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Представлен энергетический профиль дна зоны проводимости такой системы, полученный с помощью самосогласованных расчётов.

Туннельные структуры с одиночным приповерхностным ¿-легированным слоем А1/<5-СаАБ были выращены в ИРЭ РАН методом МЛЭ [5]. На каждом из образцов находилось по два туннельных затвора. Исследовались образцы с затворами разных геометрических форм: узкие полоски и восьмиугольники двух размеров. Заряд легирующей примеси кремния на глубине ~ 20 нм от границы раздела А1/СаАв создаёт сильно асимметричный потенциальный профиль, в котором образуются уровни размерного квантования.

В разделе 2.2 описан метод туннельной спектроскопии, введено понятие туннельного спектра и указан способ его измерения.

Близость ¿-слоя к границе раздела металл-полупроводник позволяет измерять туннельный ток в структурах А1,М-ОаАз. Приложение по-

ложительного смещения V между А1 затвором и каналом приводит к туннелированию электронов из заполненных подзон в яме ¿-слоя в металлический электрод, при отрицательном напряжении электроны из металла туннелируют во все подзоны квантовой ямы ниже уровня Ферми в А1 электроде. Проводимость о (и) с^ ^ И^и) р1(и), где есть

туннельная прозрачность барьера для уровня Е^ Рг(Е) — плотность состояний в двумерной электронной системе, и суммирование ведётся по каждой г-той подзоне. Поскольку плотность 2Б состояний имеет форму ступеньки, на зависимости <1а/<Ш от С/ появляется "провал", когда уровень Ферми в алюминии пересекает дно подзоны. Для возможности сравнения образцов с различающимися величинами а, введено понятие "туннельного спектра", определяемого как зависимость логарифмической производной Б (и) = йХла/йи = (в.о/<Ш)/сг туннельной проводимости от и и измеряемой в обратных вольтах.

Рис. 1. Потенциальный профиль дна зоны проводимости туннельного перехода М/5-СаАэ, туннельная проводимость и туннельный спектр. Обозначены положения десяти первых энергетических уровней в ¿-легированном слое (заполнена только одна подзона).

Раздел 2.3 описывает эксперименты по изучению эффекта ЗТФП при различных засветках и температурах.

Для подсветки образцов использовались три источника излучения: светодиоды видимого (красного) и ближнего инфракрасного диапазонов с энергиями квантов ~ 2 и ^ 1.3 эВ, соответственно, и С02-лазер с энергией ~ 0.13эВ. Энергия ширины Ед запрещённой зоны СаЛэ при температуре Т — 4.2 К равна 1.52 эВ. Это позволило исследовать влияние энергии светового кванта на величину эффекта.

Для определения температурной зависимости эффекта ЗТФП были проведены серии экспериментов, состоящие в охлаждении не засвеченного образца до 4.2 К, засветки, последующего отогрева до промежуточных температур, вплоть до температуры ~ 80 К, и обратного охлаждения с измерением туннельных спектров во всех этих точках.

Эксперименты под квазигидростатическим давлением были выполнены в диапазоне до 2.5 ГПа при температуре 4.2 К в системе цилиндр-поршень.

Глава 3 Посвящена результатам экспериментов. Показана связь времени насыщения эффекта ЗТФП с геометрией туннельных затворов при различных энергиях облучающих квантов. Определена температурная зависимость ЗТФП. Найдена критическая температура эффекта. Проведено сравнение с результатами измерений под давлением.

В разделе 3.1 описаны результаты первых наблюдений эффекта ЗТФП. Было показано, что при гелиевых температурах положения незаполненных подзон Е{ после засветки красным светодиодом значительно сдвигаются, "сгущаясь" к основному состоянию Ец, которое практически не меняется. Именно такое поведение и было названо эффектом ЗТФП. При дальнейшем увеличении времени засветки I, начиная с некоторого значения ¿з, положения подзон более не изменялись: эффект достигал насыщения. При этом наблюдалась полная воспроизводимость замороженных состояний после отогрева образцов до комнатной температуры.

Раздел 3.2 представляет результаты исследований зависимости положения двумерных подзон от времени засветки и энергии квантов излучения (больше и меньше ширины запрещённой зоны) при различных гео-

метриях туннельных затворов. Сравнение результатов для образцов с близкими параметрами (вырезанных из одной пластины), но с различной геометрией туннельных затворов, позволило выявить дополнительные особенности ЗТФП для случаев засветок светодиодом видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов.

Выяснилось, что при засветке видимым излучением важную роль играет малая прозрачность А1 затвора. Это приводит к тому, что времена до насыщения эффекта ЗТФП для туннельных затворов различной геометрии могут отличаться на несколько порядков.

Рис. 2. Зависимость положения подзон от времени засветки £ красным и ИК светом для разных геометрий туннельных затворов. Образцы типа "а" и "Ь": октеты 0.7 и 0.2 мм, образцы типа "с" — полоски шириной 10 [ш.

Изменения в туннельных спектрах после облучения видимым и ИК светом качественно не отличаются. Тем не менее, максимальная величина эффекта в случае подсветки с энергией квантов Ни < Ед оказывается примерно вдвое меньше, чем для ки > Ед.

В этом же разделе приводятся результаты наблюдения ЗТФП при облучении структуры А1/£-СаАз СОг-лазером с энергией 1и> ~ 0.13 эВ

Ед. Сдвиг подзон, в этом случае, при засветке до насыщения оказался

таким же, как и для ИК-светодиода.

Рис. 3. Влияние засветки излучением с разными энергиями квантов на сдвиг пустых подзон. □ — красный светодиод Луд — 2 эВ > Ед\ А - ИК светодиод 1ш1п ~ 1.3эВ < Ед. Отдельно показаны оси 4 для красного светодиода (верхняя шкала) и ИК (нижняя). -А- — положения подзон до и после засветки СОг-лазером с Ъ.исог — 0.13 эВ Ед в течение времени { > ~ 600 с.

В разделе 3.3 описываются результаты исследований температурных зависимостей эффекта ЗТФП.

Точные измерения туннельных спектров в режиме ЗТФП при температуре 77 К и засвстке красным светом показали отсутствие эффекта сгущения 2Б подзон: уровни размерного квантования сдвигаются к зоне проводимости приблизительно на одну и ту же величину ~ 1 мэВ. Была проведена серия измерений туннельных спектров при температурах от 4.2 до 76 К после засветки образца при 4.2 К, из которых найдена критическая температура Тс = 45±3 К, ниже которой эффект ЗТФП сохраняется, а при более высокой, положения подзон возвращаются практически к своим темновым значениям.

Глава 4 содержит анализ экспериментальных данных.

В разделе 4.1 приводятся оценки коэффициента пропускания излучения в структуре А1/¿-СаЛв. В области энергий сг 2 эВ СаАэ является хорошо поглощающим материалом с глубиной поглощения ~ 1 мкм. Поэтому, в подзатворную область образцов типа "а" и "Ь" (октеты 0.7 и 0.2

-1-•-г—

м"

-20 -

-40

Е2 - "

-е—о

I ^

Г

I Е-

0 20 4О4Тс 60 80

т,к

Рис. 4. Температурная зависимость эффекта ЗТФП. Показаны положения подзон до и после засветки при Т = 4.2 К и отогрева засвеченного образца до температуры Т. Отмечено положение критической температуры Тс = 45 ± 3 К. На примере подзоны Е? стрелками показано, к каким положениям возвращается эта подзона при охлаждении до 4.2 К образца, отогретого до температуры Т.

мм) излучение может проникать, лишь проходя через А1-плёнку. Оценки соответствующего коэффициента прохождения показывают, что это должно приводить к сильному ослаблению интенсивности излучения. В образцах типа "с", (узкие полоски шириной ~ Юмкм), засветка приграничных с затвором областей, проникновение излучения под затвор на его краях (дифракционные эффекты) и фотогенерируемые процессы дрейфа и дуффузии неравновесных носителей заряда под затвором приводят к тому, что характерные времена ts не ограничиваются малой прозрачностью А1-плёнки, а определяются мощностью излучения, попадающего в СаАв с краёв затвора. В работе показано, что характерные времена насыщения эффекта ЗТФП для образцов разных типов, облучаемых красным светодиодом, различаются на 4-5 порядков вследствие малой прозрачности А1-плёнки. Оценка прозрачности при гелиевых температурах даёт величину ~ Ю-4—Ю-5.

В случае же засветки с энергией квантов Нь> < Ед (ИК светодиод), С а Аз становится прозрачным. Это приводит к тому, что подзатворная область образцов засвечивается падающим излучением за счёт отражения

от задней и боковых границ образцов, слоев металлизации. Как следствие, характерные времена насыщения эффекта ЗТФП не зависят от геометрии образцов.

В разделе 4.2 выдвигаются предположения о происходящих в туннельной структуре А1/<5-СаАз процесса« после воздействия на неё облучения.

Полученные результаты выявляют два эффекта в исследованных структурах при гелиевой температуре после засветки красным светом: "сгущение" 2Б уровней размерного квантования и увеличение концентрации электронов в двумерной электронной системе (ДЭС). Туннельная спектроскопия позволяет контролировать квантовую яму: туннельный ток определяется потенциальном барьером на гетерогранице А1/СаА8, а положение уровней в туннельном спектре связано с потенциальным профилем ямы в глубине полупроводника. Поскольку проводимость а при и — 0 зависит от высоты барьера Ф5 на границе раздела А1/СаАз как а ос ехр(—2(Фз + £т?)/£оо), где £оо характерная энергия туннелировалия, наблюдаемое поведение а{£) показывает пренебрежимо малое изменение Ф5 после подсветки. Следовательно, сгущение 2В подзон в ¿-слое в режиме ЗТФП может быть объяснено только уширением профиля потенциальной ямы со стороны объёма СаАз. По всей видимости, это связано с уменьшением концентрации заряженных акцепторов в объёме СаАэ вследствие фотовозбуждения захваченных на акцепторные уровни электронов вне области ¿-легирования. Проведённый оценочный расчёт зависимости от концентрации примесных центров положений подзон качественно подтверждает это предположение.

Наблюдаемое отсутствие ЗТФП при температуре 77 К и равномерный сдвиг уровней размерного квантования позволил сделать предположение, что такое поведение можно связать с увеличением концентрации активных примесей (например, за счёт фотоионизации БХ-центров) в самом ¿-слое. Моделирование в программе самосогласованных расчётов показало практически однородный сдвиг уровней в этом случае.

Раздел 4.3 описывает возможный механизм возникновения эффекта ЗТФП. Обнаруженные различия после засветки красным и ИК светом,

по-видимому, связаны с генерацией электронно-дырочных пар, которая возникает, в дополнение к фотоионизации глубоких центров и акцепторных состояний в СаАб, только для излучения с Ьи > Ед. В этом случае, статическое электрическое поле приповерхностного ¿-слоя приводит к пространственному разделению фотогенерируемых электронов и дырок в области между ¿-слоем и подложкой. Электроны "сваливаются" в ¿-слой и стекают в омические контакты по 2Б-каналу. Дырки же, двигаясь в сторону объёма СаАв, могут накапливаться в области границы эпитаксиального слоя и подложки. Оставшийся после выключения подсветки заряд дырок, действуя как "обратный затвор", может значительно опустить уровень Ферми в глубине СаАэ, уменьшая тем самым изгиб зон в обеднённой области между ¿-слоем и подложкой. Таким образом, можно предположить, что при > Ед уменьшение заряда акцепторных или глубоких центров в эпитаксиальном слое ваАв, за счёт их фотоионизации, приводит к уширению потенциальной ямы приповерхностного ¿-слоя, которое вызывает "сгущение" пустых уровней (эффект ЗТФП) и некоторое увеличение концентрации электронов в 20-канале. Кроме того, процесс накопления заряда дырок на "обратном затворе" структуры, возникающий за счёт генерации электронно-дырочных пар, вызывает дополнительное "распрямление" потенциального профиля от ¿-слоя в объём СаАэ.

В случае кь> < Ед генерации электрон-дырочных пар не возникает и сдвиг незаполненных уровней в ¿-слое может быть обусловлен только перезарядкой примесных центров в эпитаксиальных слоях, а возможно, и глубоких состояний в подложке. Последнее может приводить к эффекту ЗФП в подложке образца, что в свою очередь, изменит распределение потенциала вблизи 2Б-канала. В результате отсутствия межзонных перо-ходов при Л.1/ < Ед можно ожидать, что сдвиг уровней окажется меньше, чем для ки > Ед, что и наблюдается в эксперименте.

Эти предположения подтверждаются и результатами расчётов', а) с уменьшением уровня р-легирования (соответствующее уменьшению концентрации заряженных центров, вызванному фотоионизацией) и

б) опусканием дна зоны проводимости в объёме СаАз (соответствующее накоплению положительного заряда на границе обеднённой области или границе эпитаксиального слоя и подложки за счёт образования электрон-дырочных пар).

В обоих случаях наблюдается хорошее согласие теории и эксперимента.

В разделе 4.4 обсуждаются эффекты, связанные с наличием БХ-центров в области ¿-слоя и их фотоионизацией.

Влияние фотоионизации БХ-центров в ¿-слое если и имеет место, то даёт лишь незначительный вклад для исследованных образцов с А^; < 5 х 1012 см-2. Эксперименты при высоких гидростатических давлениях подтверждают, что уровень ВХ-центров находится значительно выше уровня Ферми в ¿-слое при атмосферном давлении. Следовательно, число носителей NDX, захваченных на эти центры в процессе охлаждения образца, не превышает нескольких процентов от концентрации ДЭС. Оценки показывают, что при Епх — Ес +170 мэВ, где Епх есть уровень БХ-центров, а Ее - дно зоны проводимости, И^х ~ Ю10 см~2. Фотоионизация ВХ-центров может объяснить наблюдавшийся равномерный сдвиг подзон с АЕ1 ~ 1 мэВ при Т = 77 К > Тс.

Глава 5 описывает применение ЗТФП для достижения условий резонанса при исследованиях многочастичных особенностей в туннельных спектрах.

В разделе 5.1 приводятся примеры задач, в решении которых применение ЗТФП как способа изменения состояния электронной системы может оказаться наиболее, действенным инструментом.

Раздел 5.2 описывает эффект отражения электронов при туннелиро-вании. Исследованы структуры А^-СаАэ, в которых наблюдали тунне-лирование в одну или в несколько подзон ДЭС приповерхностного 8-легированного слоя. Используя внешние воздействия, было возможно расталкивать подзоны ¿-слоя с помощью диамагнитного сдвига в1 параллельном магнитном поле или сгущать их за счёт эффекта ЗТФП. Обнаружено отражение электронов на пороге эмиссии ЬО-фонона при

включении новой подзоны в процесс туннелирования, когда к неупругому туннелированию в пределах одной подзоны добавляются межподзонные переходы электронов в двумерной системе с испусканием ЬО-фонона.

-ю о ю Да*, %

Рис. 5. Экспериментальная зависимость амплитуды ступеньки Да* в туннельной проводимости от положения уровня Ехр для образца с одной заполненной подзоной и от Егр для образца с двумя заполненными подзонами.

Для выяснения причины появления отражения (отрицательная ступенька проводимости Аа" = Д<7ры/<7о < 0, где Асгры есть изменение проводимости, вызванное электрон-фононным взаимодействием, и сто -фоновая проводимость) наиболее удобным объектом является ДЭС малой плотности с концентрацией 213-электронов ~ 5 х 1011 см-2. В образцах с энергией Ферми Ер всего 20 мэВ в единственной заполненной подзоне, в процессе туннелирования участвуют не более двух подзон на пороге эмиссии LO-фонона.

Вблизи порога испускания фонона, туннельный ток, в основном, определяется переходами в незаполненные состояния основной подзоны Eq. При этом Аа* > 0, что соответствует обычным процессам неупругого туннелирования — открытию дополнительного канала тока с уровня Ферми металла при испускании LO-фонона. Подъём дна Е\р = Ei — — Ер над порогом за счёт диамагнитного сдвига показал, что Аа* остаётся положительной. В этом случае открывается дополнительный канал

для гуннелирования внутри одной подзоны с испусканием ЬО-фонона во всей области барьера между металлом и ДЭС. Следовательно, туннельная проводимость должна возрастать, а вклад от неупругого внутрипод-зонного электрон-фононного рассеяния Д<7;п(ет соответствовать положительной ступеньке в проводимости. После подсветки образца излучением светодиода до насыщения эффекта ЗТФП, величина Е\р оказывается существенно ниже порога. Электроны из металла туннелируют уже в две подзоны ДЭС. С включением второй подзоны Еу {Е\ — Ео > ею) в туннельный перенос заряда, электроны могут, испустив ЬО-фонон с ненулевой компонентой импульса кг в направлении туннелирования, перейти в подзону Ео- В результате, добавочный вклад Дсгшта в проводимость, связанный с такими переходами, оказывается меньше нуля. Качественно это можно объяснить обратным рассеянием (отражением) туннелирую-щих электронов при столкновении с ЬО-фононами, эмитированными при межподзонных переходах в ДЭС. В этом случае, относительная проводимость в области порога определяется уже обоими вкладами: Дет* = = (АсГггага + Д0»п«ег)/<7о- Когда величина |Дсг4п(ег| превысит АаШга, Асг* окажется отрицательной, что и наблюдается в эксперименте.

Полученные результаты показывают, что процесс, соответствующий отражению электронов, связан с включением в процесс туннелирования новой подзоны и эмиссией ЬО-фононов при переходах электронов из этой подзоны в основное состояние в области ДЭС. Это согласуется с расчётами [6] для ЗБ туннельных систем, где анализ мнимой части собственной энергии электрон-фононной системы, показал наличие эффекта отражения при туннелировании.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

Основные результаты, полученные в работе

1. Исследовано влияние облучения видимым светом на структуры А1/<5-СаАв с приповерхностным дельта-легированным слоем с помощью метода туннельной спектроскопии. Обнаружен эффект заморожен-

ной туннельной фотопроводимости в таких структурах при гелиевых температурах: незаполненные уровни размерного квантования в яме ¿-слоя сгущаются к основному состоянию. При этом, сдвиг пустых уровней составлял 10... 50 мэВ, в то время как энергия заполненного состояния изменялась на 2 ... 5 мэВ.

2. Определено влияние энергии кванта излучения на эффект ЗТФП. Показано, что эффект ЗТФП при засветке видимым (красным) светом с энергией /и/ ~ 2 эВ примерно вдвое превышает результат воздействия излучения ближнего инфракрасного диапазона с энергией ~ 1.3 эВ. Обнаружено, что после воздействия излучением СОг-лазера с Ни ~ 0-13 эВ Ед величина эффекта совпадает с результатом засветки ИК-светодиодом.

3. Получена зависимость эффекта ЗТФП от температуры. Найдена критическая температура Тс = 45 ± 3 К, ниже которой эффект ЗТФП сохраняется. При более высокой Т > Тс положения подзон возвращаются практически к своим "темновым" значениям.

4. Показано, что с помощью метода туннельной спектроскопии в туннельных структурах с ¿-слоем можно отличить изменение зарядового состояния в объёме ваАв от зарядового состояния в ¿-слое.

5. Сделан вывод о том, что при межзонной подсветке (Ии > Ед) в наблюдаемый эффект дают вклад процессы фотовозбуждения в обёме СаАэ:

а) межзонные переходы электронов с последующим накоплением положительного заряда в глубине полупроводника

б) ионизация глубоких центров в эпитаксиальном слое и/или подложке.

При Ни<Ед сдвиг подзон связан только с последним процессом.

6. Применение эффекта замороженной туннельной фотопроводимости позволило обнаружить и исследовать отражение электронов на пороге эмиссии ¿О-фононов при туннелировании в двумерную элек-

тронную систему ¿-слоя в СаАя. Кроме того, удалось проследить переход от обычного неупругого туннелирования к эффекту отражения электронов.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур. Туннельная спектроскопия 2D подзон дельта-слоя в режиме замороженной туннельной фотопроводимости. Нанофотоника. Материалы совещания. Нижний Новгород 2629 марта 2001 г. Институт физики микроструктур РАН. с. 236-239

2. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур. Межподзонный резонансный поля-рон в приповерхностном дельта-легированном слое GaAs. Нанофотоника. Материалы совещания. Нижний Новгород 26-29 марта 2001 г. Институт физики микроструктур РАН. с. 159-162

3. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur. Persistent 2D states of ¿-layer quantum well and resonant polaron in ¿-GaAs/Al structures. Proceedings of 9th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 17-22, 2001, c.286-289.

4. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур, Ю.В. Федоров, А.В. Гук. Резонансный 2Б-полярон в приповерхностном дельта-легированном слое GaAs. V Российская конференция по физике полупроводников. 2001, Нижний Новгород, 10-14 сентября. Тезисы докладов, т.2 с. 308.

5. S.E.Dizhur, I.N.Kotel'nikov, VA.Kokin, and F.V.Shtrom 2D-subband spectra variations under persistent tunnelling photoconductivity condition in tunnel delta-GaAs/Al structures PLDS Vols. 11/12 (2001) pp.233244,

6. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur, F.V. Shtrom Many-body lines in tunneling spectra of Al^-GaAs junctions near resonant polaron threshold. Pro-

ceedings of 10th Internationa] Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 17-21, 2002, c.323-326.

7. E. M. Dizhur, A. N. Voronovsky, I. N. Kotelnikov, S. E. Dizhur, and M. N. Feiginov Experimental study of pressure influence on tunnel transport into 2DEG. Phys. Stat. Sol. (b) 235, No2, pp. 531-535 (2003), WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

8. I. N. Kotel'nikov, E. M. Dizhur, A. N. Voronovsky, S. E. Dizhur, V. A. Kokin and M. N. Feiginov Tunneling spectroscopy near-surface delta-layer in GaAs at high pressure Proceedings of the 11th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, June, 23-28, 2003, pp. 117-118, Ioffe Institute, St. Petersburg, 2003.

9. И.Н. Котельников, С. E. Дижур, Ф. В. Штром, Н. А. Варванин, По-ляронные и пороговые фононные особенности в туннельных спектрах структур па основе GaAs с дельта-легированием Тезисы докладов 6-ой Российской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 27-31 октября 2003 г., сс. 347-348

10. С. Е. Дижур, И.Н. Котельников, Н.А. Мордовец, В.А.Кокин, Ф. В. Штром Туннельная спектроскопия приповерхностного дельта-легированного слоя как метод исследования "заморожснных"состо-яний в GaAs Тезисы докладов 6-ой Российской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 27-31 октября 2003 г., сс. 510-511.

11. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur Polaron singularities in tunnelling spectra of high density 2D electron system in delta-layer Proceedings of 12th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June, 21-25, 2004, pp. 366-367. Ioffe Institute, St.Petersburg, 2004

12. Е.М.Дижур, А.Н.Вороновский, А.В.Федоров, И.Н.Котельников, С.Е.Ди-жур Переход приповерхностного ¿-слоя туннельной структуры Al/<5(Si)-GaAs в диэлектрическое состояние под давлением Письма в ЖЭТФ,

т. 80, в.б, сс. 489-492 (2004).

13. И. Н. Котельников, С. Е. Дижур Рассеяние с участием LO-фононов при туннелировании в двумерную электронную систему дельта-слоя Письма в ЖЭТФ т.81, в. 9, сс. 574-577 (2005)

14. I. N. Kotel'nikov, S. Е. Dizhur, N. A. Mordovets Decrease of tunnelling conductance near LO-phonon emission threshold in Al/delta-GaAs junctions Proceedings of 13th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 20-25, 2005, pp.171-172.

15. И.Н.Котельников, С.E.Дижур Пороговые особенности и межподзон-ный полярон в туннельной системе Al/delta-слой GaAs VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2005"Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат "Ер-шово") Тезисы докладов. Москва, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2005, Вт И-15с с.215

16. С.Е.Дижур, И.Н.Котельников, М.Е.Фейгинов Температурная граница эффекта замороженной туннельной фотопроводимости в переходе Al/d-GaAs VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2005" Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат "Ершово") Тезисы докладов. Москва, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2005, Вт Н-16с с.216

17. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур, М.Н. Фейгинов, Н.А. Мордовец Влияние энергии фотонов и температуры на эффект замороженной туннельной фотопроводимости структур Al/delta-GaAs Физика и техника полупроводников т.40 в.7, сс. 839-845, 2006

18. С.Е.Дижур, И.Н.Котельников, Е.М.Дижур Отражение электронов при туннелировании и межподзонный полярон в двумерной элек-

тронной системе дельта-слоя в GaAs Радиотехника и электроника, т.51, в.5, стр.625-632, 2006

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ченг JL Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Под редакцией Ченга Д., ПлогаК., перевод с английского под ред. Ж.И. Алферова // М. : Мир, 1989. - 584 с.

2. Шик А.Я. Полупроводниковые структуры с дельта-слоями / Шик А.Я.// ФТП. - 1992. - Т. 26, №7. - С. 1161.

3. Schubert E.F., Delta Doping of Semiconductors / Schubert E.F. // Cambridge : Cambridge University Press, 1996. - 616 c.

4. WolfE.L., Principles of Electron Tunneling Spectroscopy / WolfE.L. // Oxford : Oxford Univ. Press, 1985. - 576 c.

5. Котельников И.Н., Межподзонные резонансные поляроны в туннельных переходах Al/delta-GaAs / Котельников И.Н., КокинВ.А., Федоров Ю.В., ГукА.В., ТалбасвД.Т. // Письма в ЖЭТФ. - 2000. - Т. 71, №9. - С. 564-569

6. Appelbaum J.A., Interface Effects in Normal Metal Tunneling / Appel-baumJ.A., Brinkman W.F.// Phys. Rev. B. 2. - 1970. - T.2 №4. - C. 907-915

к исполнению 08/08/2006 Исполнено 09/08/2006

Заказ № 538 Тираж: 120 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 www.autoreferat.ru

Введение

1 Структуры с ^-легированием и замороженная фотопроводимость

1.1. Структуры с J-легированием.

1.2. Замороженная фотопроводимость в структурах с ^-слоями

1.3. Резонансные поляронные и фононные особенности в туннельных спектрах.

2 Образцы и методы исследований

2.1. Структуры с 5-слоем.

2.2. Туннельная спектроскопия.

2.3. Экспериментальные методики.

3 Экспериментальное исследование эффекта замороженной туннельной фотопроводимости

3.1. Первые наблюдения замороженной туннельной фотопроводимости. Описание эффекта

3.2. Зависимость эффекта замороженной туннельной фотопроводимости от времени и энергии кванта облучения при различных размерах туннельных затворов.

3.3. Температурные зависимости эффекта замороженной туннельной фотопроводимости.

4 Анализ экспериментальных данных

4.1. Оценки прохождения излучения в структуре Al/J-GaAs

4.2. Предположения о влиянии облучения на процессы в к\/5-GaAs.

4.3. Механизм возникновения эффекта замороженной туннельной фотопроводимости.

4.4. Участие примесных центров.

5 Применение эффекта замороженной туннельной фотопроводимости для исследования резонансного взаимодействия с LO-фононами

5.1. Изменение состояния двумерной электронной системы за счёт эффекта замороженной туннельной фотопроводимости

5.2. Отражение электронов при туннелировании

Актуальность темы На протяжении последних лет акценты в интересе к полупроводниковым структурам сместились в сторону нанотехнологий. Современные способы получения таких систем (например, метод молекулярно-лучевой эпитак-сии [1]) позволяют получать системы с квантовыми точками, напряжёнными слоями, дельта-слоями и пр. Структуры с предельно неоднородным (дельта-, 8-) легированием [2,3] вызывают огромный интерес для фундаментальных исследований в области физики твёрдого тела, а также при отработке новых способов изготовления полупроводниковых структур. С практической точки зрения, эти структуры перспективны для создания высокоэффективных электронных устройств. Однако, формирование 5-слоя, находящегося в полупроводнике вблизи (около 20 нм) высококачественной границы с металлом, связано с рядом трудностей. Поэтому, изучению таких структур уделено крайне мало внимания.

Данная работа посвящена исследованию влияния внешнего излучения на электронную систему в приповерхностном £-слое таких структур. Исследуемые GaAs структуры с ^-легированным кремнием слоем (А1/6si-GaAs) обладают важным свойством: практически монослойная легирующая примесь кремния создаёт потенциальную яму в однородном (от границы с металлом до подложки) объёме полупроводника, и туннельно-проз-рачный барьер между А1 и J-слоем позволяет контролировать изменение как заполненных, так и пустых подзон в этой квантовой яме через туннельный ток.

Эффект замороженной, или удержанной (persistent), фотопроводимости (ЗФП) наблюдался, как правило, в n-легированных GaAs и AlGaAs структурах. ЗФП проявляется в виде изменения проводимости после облучения образца излучением видимого, инфракрасного или рентгеновского диапазонов [2]. В литературе этот эффект объяснялся за счёт влияния примесных состояний: DX-центров, ЕЬ2-центров, глубоких уровней, примесных уровней в подложке, барьерных примесей. Подавляющее большинство таких работ было выполнено с помощью магнитотранспортных измерений, не позволяющих получить информацию о незаполненных подзонах и проследить за изменением потенциального профиля структур вне области проводящих каналов. При этом, эффект ЗФП определялся, в основном, по изменениям в концентрации носителей. Туннельная структура типа Al/J-GaAs является наиболее подходящим объектом для исследования эффекта ЗФП в 5-слоях. Преимущества такой системы заключаются в следующем. Кроме возможности анализа спектра как пустых, так и заполненных состояний в двумерной электронной системе 5-слоя, через туннельное сопротивление можно контролировать изменения потенциального барьера на границе между алюминием и <5-слоем, возникающие после подсветки. Как показали расчёты, по туннельным спектрам возможно отличить изменения (после засветки) числа заряженных центров в объёме полупроводника от ионизации DX-центров в самом <5-слое.

В связи с вышеизложенным, целью работы являлось изучение состояний двумерной электронной системы J-слоя после облучения и получение информации о механизмах, определяющих свойства носителей в двумерной электронной системе после подсветки излучением видимого или инфракрасного диапазонов и, используя обнаруженный эффект замороженной туннельной фотопроводимости (ЗТФП), исследовать резонансные особенности, связанные с поляронным взаимодействием между разными уровнями размерного квантования двумерного электронного газа (ДЭГ) в квантовой яме £-слоя.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Использовать метод туннельной спектроскопии для изучения поведения как заполненных, так и пустых подзон в квантовой яме J-слоя в режиме ЗТФП.

2. Использовать излучение красного и ближнего инфракрасного диапазонов с энергиями hv ~ 2 и ~ 1.3 эВ, соответственно, что больше и меньше ширины запрещённой зоны в GaAs при температуре 4.2 К, составляющей 1.52 эВ.

3. Исследовать зависимость величины эффекта ЗТФП от геометрии туннельных контактов.

4. Определить температурную зависимость эффекта ЗТФП и найти критическую температуру, при которой эффект исчезает.

5. Провести анализ полученных экспериментальных данных, сравнить их с теоретическими расчётами и предложить механизмы образования и исчезновения эффекта.

6. Изучить резонансные поляронные эффекты в ДЭГ квантовой ямы J-слоя, используя режим ЗТФП как инструмент для изменения меж-подзонных энергий.

Положения, выносимые на защиту.

1. Обнаружение эффекта замороженной туннельной фотопроводимости, заключающегося в сгущении пустых подзон к заполненным состояниям после засветки структуры Al/J-GaAs при низких температурах.

2. Обнаружение влияния энергии кванта излучения на эффект замороженной туннельной фотопроводимости.

3. Эффект замороженной туннельной фотопроводимости существует лишь при температурах ниже критической Тс = 45 ± 3 К.

4. Доказательство равномерности сдвига уровней при изменении зарядового состояния доноров в самом 5-слое.

5. Наблюдение отражения электронов на пороге эмиссии LO-фононов при туннелировании в двумерную электронную систему с помощью эффекта замороженной туннельной фотопроводимости.

Научная новизна.

Благодаря технике туннельной спектроскопии [4] и высококачественным туннельным структурам Al/5-GaAs, впервые наблюдался и описан эффект замороженной туннельной фотопроводимости (ЗТФП); проведены исследования влияния энергии кванта излучения на этот эффект; определена зависимость ЗТФП от температуры и найдена критическая температура эффекта; проведены сравнения экспериментально полученных данных с результатами самосогласованных расчётов для структур с (^-слоями; показано, что эффект ЗТФП зависит как от числа заряженных центров в объёме GaAs, так и от величины заряда на границе эпитаксиального слоя и подложки. При этом, влияние фотоионизации DX-центров на электронный спектр двумерных подзон отличается от ЗТФП, приводя к равномерному сдвигу подзон в (5-слое. В туннельной системе Al/J-GaAs при подстройке уровней в режиме ЗТФП впервые наблюдались эффекты отражения электронов на пороге эмиссии LO-фононов.

Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений, подтверждена исследованиями на большом количестве образцов и теоретическими расчётами. Часть результатов согласуется с рядом исследований, выполненными как при участии автора, так и другими научными группами.

Практическая значимость диссертации обусловлена следующим. В результате облучения, состояния незаполненных уровней меняются на десятки мэВ. Это позволяет, в принципе, создать на основе туннельных 6-легированных структур, например, высокоэффективные фотоэлектрические приёмники. Благодаря тому, что замороженные состояния сохраняются при гелиевых температурах в течение продолжительного времени (изменения не превышают 0.1% в час), на основе таких систем возможно создание элементов памяти. Засветка, так же как, например, магнитное поле или давление, может применяться в качестве инструмента воздействия на электронную систему, вызывая эффект ЗТФП. Это, в частности, продемонстрировано в представляемой работе.

Автор внёс значительный личный вклад в исследование эффекта ЗТФП, как то:

• Изготовление и модернизация частей экспериментальной установки.

• Усовершенствование методики измерений, отбор и монтаж образцов.

• Получение экспериментального материала при исследовании обнаруженного с его участием эффекта замороженной туннельной фотопроводимости.

• Создание методики компьютерной обработки полученных экспериментальных данных и оценки ошибок.

Самосогласованные расчёты были выполнены автором по программе В.А. Кокина. Некоторые расчёты были проведены М.Н. Фейгиновым. Эксперименты с СОг-лазером выполнены Н.А. Мордовцом. Эксперименты под давлением проводились Е.М.Дижуром и А.Н. Вороновским при участии автора.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации были доложены на российских и международных конференциях: II всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2000); Нанофотоника (Н. Новгород, 2001); International Symposium Nanostructures: Physics and Technology

St. Petersburg, Russia, 2001 — 2006); Российская конференция ио физике полупроводников (H. Новгород, 2001, С.-Петербург, 2003, Москва, 2005); 3rd International Conference 'Physics of low-dimensional structures - 3' (Cher-nogolovka, Moscow District, Russia, 2001); International Conference on the Physics of Semiconductors (Edinburg, Scotland, UK, 2002, Vienna, Austria, 2006); 15th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics (Oxford, UK, 2002); 2nd Asian Conference on High Pressure Research (Nara, Japan, 2004); 16th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems (Albuquerque, New Mexico, 2005); на семинаре "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления" (Троицк, Московская, обл 2005, 2006); на VIII Международной Школе-семинаре молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (Сочи, 2004); на конкурсах молодых специалистов ИРЭ РАН (2003 - 2005).

Основные результаты, полученные в работе

1. Исследовано влияние облучения видимым светом на структуры К\/5-GaAs с приповерхностным дельта-легированным слоем с помощью метода туннельной спектроскопии. Обнаружен эффект замороженной туннельной фотопроводимости в таких структурах при гелиевых температурах: незаполненные уровни размерного квантования в яме 5-слоя сгущаются к основному состоянию. При этом, сдвиг пустых уровней составлял 10. 50 мэВ, в то время как энергия заполненного состояния изменялась на 2. 5 мэВ.

2. Определено влияние энергии кванта излучения на эффект ЗТФП. Показано, что эффект ЗТФП при засветке видимым (красным) светом с энергией Дг/ ~ 2 эВ примерно вдвое превышает результат воздействия излучения ближнего инфракрасного диапазона с энергией ~ 1.3 эВ. Обнаружено, что после воздействия излучением СОг-лазера с hv ~ 0.13 эВ <С Ед величина эффекта совпадает с результатом засветки ИК-светодиодом.

3. Получена зависимость эффекта ЗТФП от температуры. Найдена критическая температура Тс = 45 ± 3 К, ниже которой эффект ЗТФП сохраняется. При более высокой Т >ТС положения подзон возвращаются практически к своим "темновым" значениям.

4. Показано, что с помощью метода туннельной спектроскопии в туннельных структурах с (5-слоем можно отличить изменение зарядового состояния в объёме GaAs от зарядового состояния в 5-слое.

5. Сделан вывод о том, что при межзонной подсветке (hu > Ед) в наблюдаемый эффект дают вклад процессы фотовозбуждения в объёме GaAs: а) межзонные переходы электронов с последующим накоплением положительного заряда в глубине полупроводника б) ионизация глубоких центров в эпитаксиальном слое и/или подложке.

При hv<Eg сдвиг подзон связан только с последним процессом.

6. Применение эффекта замороженной туннельной фотопроводимости позволило обнаружить и исследовать отражение электронов на пороге эмиссии LO-фононов при туннелировании в двумерную электронную систему <5-слоя в GaAs. Кроме того, удалось проследить переход от обычного неупругого туннелирования к эффекту отражения электронов.

Благодарности

В первую очередь, мне хочется поблагодарить своего научного руководителя, Игоря Николаевича Котельникова. Его влияние на мою научную деятельность невозможно переоценить. Я очень благодарен Игорю Николаевичу за определение научного направления, обсуждения возникающих целей и результатов исследований, помощь в работе, ежедневные полезные советы и дискуссии, моральную поддержку на протяжении всех этапов исследования. И конечно же, за здоровую и объективную критику.

Хотелось бы поблагодарить своих коллег и основных соавторов, без которых данная работа была бы невозможна. Н.А. Мордовца — за его талант как экспериментатора; М.Е. Фейгинова и В.А. Кокина — за теоретические расчеты; В.Г. Мокерова и его сотрудников Ю.В. Фёдорова, А.С. Бугаева и А.В. Гука за изготовленные высококачественные образцы (иначе и не было бы объектов исследования!).

Крайне признателен сотрудникам ИФВД А.Н. Вороновскому и А.В. Фёдорову за их блестящее проведение экспериментов под высоким давлением. И особенно благодарен их руководителю, Дижуру Евгению Михайловичу, моему отцу, по недоразумению являющимся соавтором, коллегой и учителем.

Мне очень приятно выразить благодарность сотрудникам и коллегам Института радиотехники и электроники РАН, за ту великолепную рабочую атмосферу, которая сложилась в нашем институре. Искренняя благодарность всему коллективу 18 отдела и ее руководителю, В.Н. Губанкову за доброжелательное отношение и внимание, В. А. Волкову, С.Н. Артёменко, С.В, Зайцеву-Зотову, А.Я. Шульману благодарен за консультации, обсуждения, советы, замечания, интерес, а также за совместное чаепитие.

За неоценимую помощь в решении всевозможных организационных вопросов, связанных с защитой диссертации, не могу не поблагодарить Дьячкову Ольгу Николаевну. Без её помощи процесс растянулся бы на века.

К сожалению, из-за недостатка места не могу поблагодарить всех сотрудников, коллег, друзей из МФТИ, ИФВД, ФИАН, ИРЭ, с кем мне доводилось работать и у кого учиться, но я признателен всем этим людям.

Напоследок, хочу также сказать спасибо всем, кто меня поддерживал и сочувствовал, и конечно. <дарей семье, особенно жене Юттеза ппни= мание и помощь, а также детям за то, что не всегда отвлекали от работы.

Сергей Дижур

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях

А1. Дижур С.Е., Котельников И.Н. // Туннельная замороженная фотопроводимость в структурах Al/delta-GaAs. Вторая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Тезисы докладов. Нестор, С.-Петербург, 2000, 48.

А2. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур // Туннельная спектроскопия 2D подзон дельта-слоя в режиме замороженной туннельной фотопроводимости. Нанофотоника. Материалы совещания. Нижний Новгород 26-29 марта 2001 г. Институт физики микроструктур РАН. 236-239.

A3, /it И.Н. Котельников, С.Е. Дижур // Межподзонный резонансный полярон в приповерхностном дельта-легированном слое GaAs. Нанофотоника. Материалы совещания. Нижний Новгород 26-29 марта 2001 г. Институт физики микроструктур РАН. 159-162.

А4. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur. // Persistent 2D states of 5-layer quantum well and resonant polaron in 5-GaAs/Al structures. Proceedings of 9th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 17-22, 2001, 286-289.

A5. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур, Ю.В. Федоров, А.В. Гук // Резонансный 20-полярон в приповерхностном дельта-легированном слое GaAs. V Российская конференция по физике полупроводников. 2001,

Нижний Новгород, 10-14 сентября. Тезисы докладов. 2, 308.

А6. Е.М. Дижур, А.Я. Шулъман, И.Н. Котельников, А.Н. Вороновский, С.Е. Дижур

Исследование влияния гидростатического давления до 3 ГПа на высоту барьера Шоттки и зарядовое состояние примеси по туннельным спектрам переходов n-GaAs/Me. V Российская конференция по физике полупроводников. 2001, Нижний Новгород, 10-14 сентября. Тезисы докладов. 1 145.

А7. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur // Inter-Particle Effects in High Density 2DEG of Near-Surface Delta-Layer in Tunnel Delta-GaAs/Al Junctions. Abstracts of 3rd International Conference 'Physics of low-dimensional structures - 3' Chernogolovka, Moscow District, Russia, 15-20 october 2001. 89

A8. S.E. Dizhur, I.N. Kotel'nikov

2D-subband spectra variations under persistent tunnelling photoconductivity condition in tunnel delta-GaAs/Al structures. Abstracts of 3rd International Conference 'Physics of low-dimensional structures - 3' Chernogolovka, Moscow District, Russia, 15-20 october 2001. p.90

A9. S.E.Dizhur, I.N.Kotel'nikov, V. A.Kokin, and F. V. Shtrom // 2D-subband spectra variations under persistent tunnelling photoconductivity condition in tunnel delta-GaAs/Al structures. PLDS 11/12, 233-244 (2001).

A10. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur, F. V. Shtrom// Many-body lines in tunneling spectra of Al/J-GaAs junctions near resonant polaron threshold. Proceedings of 10th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 17-21, 2002, 323-326.

All. S.E. Dizhur, I.N. Kotel'nikov, F.V. Shtrorn // Many-body singularities in tunnelling near resonant intersubband polaron threshold. Abstracts of 15th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics, Oxford, UK, 5 - 9 August 2002, 97.

A12. Dizhur S.E., Kotel'nikov I.N., ShtromF.V. // Quasi-particle spectrum of

2DEG and many-body singularities in tunnelling at resonant polaron conditions. Proc. of 26th Int. conf. of phys. and Semicond. "Physics of Semiconductors 2002" (Edinburgh, Scotland, UK), Institute of Physics Publishing, Bristol, 2003. Ser.171, P158.

A13. E. M. Dizhur, A. N. Voronovsky, I. N. Kotelnikov, S. E. Dizhur, and M. N. Feiginov // Experimental study of pressure influence on tunnel transport into 2DEG. Phys. Stat. Sol. (b) 235(2), WILEY-VCH Verlag GmbH к Co. KGaA, Weinheim, 531-535 (2003).

A14. I. N. Kotel'nikov, E. M. Dizhur, A. N. Voronovsky, S. E. Dizhur, V. A. Kokin and M. N. Feiginov // Tunneling spectroscopy near-surface delta-layer in GaAs at high pressure Proceedings of the 11th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg, Russia, June, 23-28, 2003, 117-118, Ioffe Institute, St.Petersburg, 2003.

A15. /it E.M. Dizhur, A.N. Voronovsky, I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur, M.N.

Feiginov // Experimental Study of Pressure Influence on Tunnel Transport into 2DEG http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0209407

A16. /it И.Н. Котельников, С. E. Дижур, Ф. В. Штром, Н. А. Варванин // Поляронные и пороговые фононные особенности в туннельных спектрах структур на основе GaAs с дельта-легированием. Тезисы докладов 6-ой Российской конференции по физике полупроводников, С.Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 27-31 октября 2003 г. 347-348.

А17. С. Е. Дижур, И.Н. Котельников, Н.А. Мордовец, В.А.Кокин, Ф. В.

Штром // Туннельная спектроскопия приповерхностного дельта-легирован слоя как метод исследования "замороженных"состояний в GaAs. Тезисы докладов 6-ой Российской конференции по физике полупроводников, С.-Петербург, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 27-31 октября 2003 г. 510-511.

А18. I.N. Kotel'nikov, S.E. Dizhur // Polaron singularities in tunnelling spectra of high density 2D electron system in delta-layer. Proceedings of 12th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June, 21-25,2004,366-367. Ioffe Institute, St.Petersburg, 2004.

A19. it Е.М.Дижур, А.Н.Вороновский, А.В.Федоров, И.Н.Котельников, С.Е.Диж // Переход приповерхностного <5-слоя туннельной структуры А1 /<5(Si)-GaAs в диэлектрическое состояние под давлением. Письма в ЖЭТФ, 80(6), 489-492 (2004).

E.M. Dizhur, A.N. Voronovsky,A.V. Fedorov, I.N. KoteVnikov, S.E. Dizhur // Tunneling and Lateral Conductance in GaAs delta-Layer Structure at Pressure Induced Transition to Insulating State. Book of abstract 2nd Asian Conference on High Pressure Research (ACHPR-2), November 1-5, 2004, Nara Japan Research Center for Explosion Safety, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Onogawa, Tsukuba-shi, Ibaraki, Japan p. 2.

A20. И. H. Котельников, С. E. Дижур // Рассеяние с участием LO-фононов при туннелировании в двумерную электронную систему дельта-слоя. Письма в ЖЭТФ 81(9), 574-577 (2005).

А21. I. N. KoteVnikov, S. Е. Dizhur, N. A. Mordovets Decrease of tunnelling conductance near LO-phonon emission threshold in Al/delta-GaAs junctions. Proceedings of 13th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 20-25, 2005, 171-172.

A22. E.M. Dizhur, A.N. Voronovsky, A.V. Fedorov, I.N. KoteVnikov and S.E. Dizhur // Pressure Induced Transition of 2DEG in £-doped GaAs to Insulating State. Theses of 13th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology St Petersburg, Russia, June 20-25, 2005, 409, 2005 Ioffe Institute.

A23. E Dizhur, A Voronovsky, A Fedorov, I KoteVnikov, and S Dizhur // Metal-insulator transition of the 2DEG in Al/<5-Si:GaAs under pressure. Theses of 16th International Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems, (EP2DS-16), Jul. 10-15, 2005, Albuquerque, New

Mexico, USA, P-C-52

A24. 25 (5) E.M.Дижур, А.Н.Вороновский, А.В Федоров, И.Н.Котельников, С.Е.Дижур // Переход типа металл-диэлектрик в дельта-слое туннельной структуры Al/d(Si)-GaAs под давлением. VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2005 "Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат "Ершово") Тезисы докладов. Москва, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2005, Пн Б 2-Зу с.40

А25. И. Н. Котельников, С. Е. Дижур Пороговые особенности и межподзон-ный полярон в туннельной системе Al/delta-слой GaAs VII Российская конференция по физике полупроводников " Полупроводники-2005"Moci 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат "Ершово") Тезисы докладов. Москва, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2005, Вт П-15с с.215.

А26. С.Е.Дижур, И.Н.Котельников, М. Е. Фейгинов // Температурная граница эффекта замороженной туннельной фотопроводимости в переходе Al/d-GaAs. VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2005"Москва, 18-23 сентября 2005 г. (Звенигород, пансионат "Ершово") Тезисы докладов. Москва, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2005, Вт Н-16с с.216.

А27. И.Н. Котельников, С.Е. Дижур, М.Н. Фейгинов, Н.А. Мордовец // Влияние энергии фотонов и температуры на эффект замороженной туннельной фотопроводимости структур Al/delta-GaAs. ФТП 40(7), 839

845 (2006).

А28. С.Е. Дижур, И.Н. Котельников, Е.М. Дижур Отражение электронов при туннелировании и межподзонный полярон в двумерной электронной системе дельта-слоя в GaAs Радиотехника и электроника 4 2006

А29. I.N.Kotel'nikov, E.M.Dizhur, A.N.Voronovskii and S.E.Dizhur Tunnel density of states at the Fermi level in the two-dimensional electron system of the delta-doped layer in GaAs Proceedings of 14th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, June 2006.

A30. E. Dizhur, A. Voronovsky, A. Fedorov, I. Kotel'nikov and S. Dizhur Metal-insulator transition in the 2DEG in Al/<5-Si:GaAs under pressure. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 34(1-2), 628-631 (2006)

Заключение

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. // Под редакцией Ченга JL, Плога К., перевод с английского под ред. Ж.И. Алферова, Москва, Мир, (1989).

2. А.Я. Шик. // Полупроводниковые структуры с (^-слоями. ФТП 26(7), 1161-1181 (1992).

3. Schubert E.F. 11 Delta Doping of Semiconductors (Cambridge: Cambridge Univ. Press) 616 (1996).

4. WolfE.L. I) Principles of Electron Tunneling Spectroscopy. (Oxford Univ. Press, Oxford) 576 (1985).

5. K. Ploog II Delta-doping in MBE-grown GaAs: concept and device application. Journal of Crystal Growth. 81, 304-313 (1987).

6. Котельников И.Н., КокинВ.А., Медведев Б.К., и др.// ФТП 26(8), 1462 (1992).

7. Schubert E.F., Ploog К. // Japan Journ. Appl. Phys. 24(8), L608-L610 (1985).

8. Koch F., Zrenner A., Ploog К. 11 Int. Conf. of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics. Wurzburg. Germany, 18 Aug. 1986, p.308.

9. Zrenner A., Koch F., Ploog K. // Surface Science 196, 671-676 (1988).

10. Zachau M., Koch F., Ploog K., Roentgen P., Beneking H. // Solid State Commun. 59(8), 591-594 (1986).

11. Ye Qiu-yi, Zrenner A., Koch F., Sigg H., Heitmann D., Ploog K. // Surface Science 228, 453-455 (1990).

12. Гуляев Ю.В., Мокеров В.Г., Медведев Б.К., Родионов А.В., Слетев Ю.В., Шмелев С. С. // Труды VII Международной конференции по микроэлектронике Microelectronics'90, Минск, 16-18 октября 1990 г., 261-265.

13. Pilkington S.J., Missons М. // The growth of epitaxial aluminium on As containing compound semiconductors. Journal of Crystal Growth, 196, 1-12 (1999).

14. Котельников И.Н., Кокин,В.А., Федоров Ю.В., Гук А.В., Талбаев Д. Т. /J Межподзонные резонансные поляроны в туннельных переходах Al/5-GaAs Письма в ЖЭТФ 71(9), 564-569 (2000)

15. A.G.de Oliveira, G.M.Ribeiro, D.A.W. Soares, J.A. CorreaF., M.I.N, daSilva, and H.Chacham. // Photoconductivity and n-typeto p-type transition in silicon planar doped GaAs structures with a doped cap layer. J. Appl. Phys 78(4), 2659-2665 (1995).

16. A.Zrenner PhD Thesis. (Munich: Technische Universitat Munchen), (1987).

17. P.M.Koenraad, A.P.J.Vonchen, J.Singleton, F.A.P.Blom, C.J.G.M.Langerak, M.R.Leys, J.A.A.J.Perenboom, S.J.R.M.Spermon, W.C. van Vleuten and J.H. Wolter // Surface Science 228, 538 (1990).

18. S. Arscott, M. Missous, L. Dobaczewski // Observation of persistent photoconductivity in delta-doped GaAs. Semicond. Sci. Technol. 7, 620— 623 (1992).

19. G.Li and C.Jagadish // Effect of illumination on the subband electronic structure of Si 5-doped GaAs. Appl. Phys. Lett., 70, 90-92 (1997).

20. C.Y.Chen and Tineke Thio, K.L. Wang, K.W.Alt and P.C.Shama // Persistent photoconductivity in Si delta-doped GaAs at low doping concentration. Appl. Phys. Lett. 73(22), 3235-3237 (1998).

21. Piotrzkowski R., Litwin-Staszewska E., Bosc F., Sicart J., Robert J.L. // New type of persistent photoconductivity related to DX-center: thestudy of interband PPC in Si-doped AlGaAs. Physica B. 273-274, 792795 (1999).

22. Левинсон И.Б., Рашба Э.И., Пороговые явления и связанные состояния в поляронной проблеме// УФН 111(4), 683 (1973).

23. Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн. Электронные свойства двумерных систем. Москва, Мир, (1985).

24. Н. С. Liu, Iva W. Cheung, A. J. SpringThorpe, C. Dharma-wardana, Z. R. Wasilewski, D. J. Lockwood, and G. C. Aers // Intersubband Raman Laser. Appl. Phys. Lett. 78(23), 3580-3582 (2001).

25. ConleyJ. W., Mahan G.D. // Tunneling Spectroscopy in GaAs. Phys. Rev. 161(3), 681-695 (1967).

26. AppelbaumJ.A., BrinkmanW.F. // Interface effects in normal metal tunneling. Phys. Rev. B. 2(4), 907-915 (1970).

27. G.D. Mahan // Many-particle physics. (New York: Kluwer), Ch. 7, Sec.7.3, 2000.

28. P. Guetin and G. Schreder // Tunneling Spectroscopy and Band-Structure Effects in n GaSb under Pressure Phys. Rev. В 6, 3816-3835 (1972).

29. D.C. Tsui // Tunneling study of Holl-TO-phonon interaction in GaAs and GaSb Phys. Rev. В 9(2), 487-494 (1974).

30. A. N. Voronovsky et al, // Theses Of The Conf. On "Advanced Methods of Pressure Treatment"(Bratislava) 1982.

31. P.M.Mooney // Appl. Phys. Lett. 67, R1 (1990).

32. J.S. Blakemore // Semiconducting and other major properties of gallium arsenide. J.Appl.Phys. 53(10), R123-R181 (1982).

33. E.M. Лифшиц Л. П. Питаевский // Теоретическая физика. Том X, Физическая кинетика (М., ФИЗМАТЛИТ, 2002), с. 453.

34. V.A. Kulbachinskii, R.A.Lunin, V.G.Kytin, V.A.Rogozin, P.V.Gurin, B.N. Zvonkov, D.O.Filatov // Persistent photoconductivity in quantum dot layers in InAs/GaAs structures, phys.stat.sol. (c) 0(4), 1297-1300 (2003).

35. O.A. Soltanovich, E.B. Yakimov, V.A. Kagadei and L.M. Romas // Study of depth distribution of metastable hydrogen-related defects in n-type GaAs. Physica B, 308-310, 827-830 (2001).

36. D.J. Chadi // Arsenic-antisite defect in GaAs: Multiplicity of charge and spin states. Phys.Rev. В 68, 193204-193208 (2003).

37. D. K. Maude, J. C. Portal, L. Dmowski, T. Foster, L. Eaves, M. Nathan, M. Heiblum, J. J. Harris, and R. B. Beall // Investigation of the DX center in heavily doped n-GaAs. Phys. Rev. Lett. 59, 815-818 (1987).

38. Дижур E.M., Федоров А.В. // Туннельная спектроскопия на постоянном токе и цифровой метод анализа экспериментальных данных. ПТЭ 4, 38-42 (2005).