Кинетика двумерного дырочного газа на гетерогранице p-GaAs/(Al)GaAs при одноосном сжатии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

д.

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 539.293 : 537.312.9

КРАВЧЕНКО ВАСИЛИИ НИКОЛАЕВИЧ

КИНЕТИКА ДВУМЕРНОГО ДЫРОЧНОГО ГАЗА НА ГЕТЕРОГРАНИЦЕ р-СаАв/САОСаАв ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Минина Н.Я.

Москва 1999г.

Содержание.

Введение..............................................................................5

Глава 1. Гетероструктуры на основе ОаАз/(А1)ОаА8............................15

1.1. Схема образования квантовой ямы на гетерогранице р-(А1)СаА8/СаА8................................................................................15

1.2. Энергетический спектр двумерного дырочного газа в р-СаА8/А1о.5Сао.5А8...........................................................................16

1.3. Низкотемпературные транспортные свойства 2Б носителей в одиночных гетероструктурах ОаАз/АЮаАв.............................19

1.4. Магнитотранспортные свойства 20 дырок на гетерогранице СаАз/(А1)ОаА8......................................................................25

1.5. Влияние одноосного напряжения на свойства 2Б дырочного газа в гетероструктурах р-СаА$/(А1)СаА8........................................27

1.6. Дефекты и глубокие уровни в гетероструктурах СаАв/АКлаАв, выращенных методом Молекулярно-Лучевой Эпитаксии................29

1.6.1 .БХ-центры.......................................................................30

1.6.2.ЕЬ2-дефект ы.....................................................................32

1.6.3.Линейные дефекты (дислокации)...........................................33

1.6.3.1.Дислокации в материалах типа АщВу....................................34

1.6.3.2.Энергетический спектр электронных состояний в ядре дислокации в

ваАв..............................................................................36

1.6.3.3.Дислокации несоответствия в гетероструктурах ОаАз/(А1)ОаА8..40

Глава 2. Методика эксперимента..........

2.1. Исследуемые образцы.................

2.2. Определение ориентации образцов

.51 .51 55

2.3. Создание анизотропной деформации..........................................59

2.4. Определение компонент тензора деформаций в образце...................62

2.5. Квантовые осцилляции магнитосопротивления..........................62

2.6. Измерения магнитотранспортных свойств.............. ....................65

2.7. Температурные измерения.....................................................69

2.7. Воздействие оптическим излучением.....................................70

Глава 3. Долговременные релаксации пьезосопротивления двумерного дырочного газа в гетероструктурах ОаАз/А^Сао.бАз..................75

3.1. Релаксации пьезосопротивления............................................75

3.1.1.Эффект памяти о предыдущих возмущениях системы......................80

3.1.2.3ависимость амплитуды релаксаций от величины давления.............82

3.1.3.Зависимость релаксаций пьезосопротивления от температуры.......84

3.1.4.Внешние факторы, приводящие к гашению релаксаций...................89

3.1.5.Различный характер релаксаций пьезосопротивления для направлений сжатия [110] и [110]..................................................94

ЗЛ.б.Поведение полной концентрации и подвижности 2Б дырок в процессе релаксаций пьезосопротивления..........................................................99

3.1.7. «Переключение» знака релаксаций длительным освещением......104

3.2. Обсуждение результатов............................................................110

3.2.1.Возможные источники изменения концентрации двумерных дырок в ходе релаксаций пьезосопротивления...............................................110

3.2.2. Компенсация пьезоэлектрического поля........................................113

3.2.3. Перезарядка оборванных связей в ядрах дислокаций несоответствия.....................................................................................117

3.2.4.Поведение подвижности двумерных дырок в ходе релаксаций пьезосопротивления............................................................................137

Глава 4. Влияние одноосного сжатия на транспортные свойства двумерных дырок в гетероструктурах p-Alo.5Gao.5As/GaAs..........................144

4.1. Транспортные и магнитотранспортные свойства двумерных дырок при одноосном сжатии.................................................................145

4.2. Вклад дырочно-дырочного рассеяния в электрическое сопротивление.......................................................................................153

4.3. Расчет параметров модели из экспериментальных данных.........156

4.4. Отрицательное магнитосопротивление....................................163

4.5. Вклад других механизмов рассеяния в температурную зависимость сопротивления. Температурно зависимые парциальные подвижности. Режим Блоха-Грюнайзена.....................................................................169

4.6. Дырочно-дырочное рассеяние и его поведение при одноосном сжатии....................................................................................................172

4.7. Поведение парциальных подвижностей под давлением.............178

5. Основные выводы и результаты............................................180

6. Список литературы...........................................................184

Введение.

Задача о влиянии напряженного состояния решетки на электронную структуру множественных квантовых ям и двумерных (2Б) слоев носителей заряда на гетерограницах композиционных полупроводниковых материалов является одной из фундаментальных проблем физики квантово-размерных систем. Развитие техники молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) привело к возможности создания как отдельных гетеропереходов, так и сложных гетероструктур, композиционный состав которых, уровень и характер легирования, а также геометрические размеры (толщина слоев) могут быть заданы с высокой степенью точности. Обнаружена высокая чувствительность физических свойств таких искусственно созданных квантово-размерных систем к целому ряду задаваемых в процессе роста параметров, таких как композиционный состав образующих гетеропереход полупроводниковых материалов, качественный и количественный состав легирующей примеси, характер легирования, ориентация подложки, толщина слоев. Варьирование вышеперечисленных параметров предоставляет возможность создавать новые структуры с интересными физическими свойствами, находящими также и техническое применение.

Одним из основных факторов, влияющих на свойства гетероперехода, является степень соответствия параметров кристаллических решеток двух полупроводниковых материалов на Гетерогранице. Несоответствие кристаллических решеток приводит к биаксиальным растягивающим или сжимающим напряжениям в слоях. Такие внутренние напряжения, также как и прикладываемые извне, существенным образом смещают уровни размерного квантования двумерных носителей заряда в ямах и значительно влияют на

энергетический спектр и кинетические транспортные свойства полупроводниковых материалов. Таким образом исследование воздействия деформации кристаллической решетки на электронные свойства квантово-размерных систем находится в рамках единой фундаментальной проблемы определения электронной структуры и физических свойств этих интересных образований.

В последние годы в связи с появлением технологий, позволяющих напылять эпитаксиальные структуры с точностью до моноатомных слоев и выращивать высококачественные низкоразмерные структуры, необычайно возрос интерес к структурам на основе СаАв/(А1)ОаА8. Причиной этому является то, что ОаА8/(А1)ОаАз имеет ряд значительных преимуществ перед другими полупроводниковыми структурами, главным из которых является то, что при довольно большой разнице ширины запрещенных зон (1.424 эВ у ваАв и 2.168 эВ у А1Аз) ваАв и А1Аз имеют очень близкие значения постоянной решетки (5.6533А и 5.6611А соответственно), а также близкие упругие и термические коэффициенты. Это позволяет избежать значительных напряжений на гетерограницах, что облегчает воспроизводимость параметров приборов и увеличивает срок их службы. Другим немаловажным преимуществом, которое тоже сыграло свою роль, является наличие готовой материальной базы -гетер о структуры (А1)СаА8ЛлаА8/(А1)СаА8 уже много лет используются в полупроводниковых лазерах.

Квантовые структуры на основе СаАз/(А1)ОаА8 являются перспективным материалом для создания фотоприемников в инфракрасной (ИК) области спектра. В частности, существуют примеры создания таких устройств на основе множественных квантовых ям из материалов СаА8/(А1)ваА8 п-типа [1-5]. Одним из

главных недостатков использования структур п-типа является то, что из-за правил отбора в межзонных переходах нормально падающее излучение не может быть поглощено, что приводит к усложнению конструкции приборов. В материалах же р-типа благодаря смешиванию состояний тяжелых и легких дырок такое поглощение возможно, и уже созданы инфракрасные фотодетекторы на основе множественных квантовых ям СаАз/(А1)СаА8 р-типа [6].

Основным препятствием в использовании гетероструктур р-СаА8/(А1)ваА8 является большая эффективная масса и, следовательно, более низкая подвижность двумерных дырок по сравнению с двумерными электронами. Одноосное напряжение в плоскости двумерного слоя приводит к более сильному смешиванию состояний тяжелых и легких дырок [7, 8] и есть основание предполагать, что применение одноосного напряжения могло бы дать увеличение подвижности двумерных дырок.

К сожалению, во всех известных работах, посвященных влиянию анизотропной деформации на свойства двумерных дырок, [7-11] исследования сводились в основном к изучению поведения спектра носителей и экспериментальные работы были проведены только оптическими методами, в то время как воздействие одноосного напряжения на транспортные свойства двумерного газа оставалось не изученным. Поэтому основной целью данной работы стало исследование влияния одноосного напряжения именно на транспортные свойства двумерных дырок. Для того, чтобы детально изучить влияние анизотропной деформации на подвижности двумерных дырок и, соответственно, на механизмы рассеяния носителей заряда в данных структурах, в работе решаются следующие задачи:

1. детально исследуется поведение сопротивления и магнитосопротивления двумерного дырочного газа на гетерогранице GaAsZAlo.5Gao.5As р-типа при одноосном напряжении сжатия;

2. изучаются зависимости полной и парциальных концентрации двумерных дырок в квантовой яме GaAsZAlo.5Gao.5As от величины одноосного напряжения;

3. проводится исследование влияния анизотропной деформации на температурные зависимости сопротивления и магнитосопротивления гетероструктур GaAsZAlo.5Gao.5As;

4. анализируются экспериментальные данные с целью выявления влияния одноосного напряжения на конкретные механизмы рассеяния носителей заряда в исследуемых системах.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. В работе впервые исследовано влияние одноосного давления на транспортные свойства двумерных носителей.

2. Впервые обнаружен эффект долговременных релаксаций пьезосопротивления в гетероструктурах р-[001] СаАз/(А1)СаА8 и определены его основные свойства.

3. Обнаружен целый ряд эффектов, сопутствующих релаксациям пьезосопротивления, а именно, гашение релаксаций пьезосопротивления освещением, разное поведение релаксаций пьезосопротивления для направлений сжатия [110] и [110], переключение знака релаксаций длительным освещением образца.

4. Впервые высказана гипотеза о том, что дислокации могут быть причиной долговременных релаксаций сопротивления.

5. Обнаружено подавление сопротивления, положительного магнитосопротивления и их температурных зависимостей при одноосном давлении сжатия, что свидетельствует, как показал проведенный анализ, о подавлении дырочно-дырочного рассеяния одноосным напряжением сжатия.

6. Впервые в двумерных дырочных системах наблюден режим Блоха-Грюнайзена (р~Т5).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые в системе двумерных дырок на гетерогранице ОаА8/(А1)ОаАз транспортные свойства носителей заряда были исследованы при одноосном напряжении.

2. В гетероструктурах р-[001] ОаАз/(А1)ОаА8 при температурах ниже 160°К обнаружен эффект долговременных релаксаций пьезо-сопротивления. Релаксации обладают следующими свойствами: (1) долговременные релаксации наблюдаются как при приложении, так и при снятии давления, при этом величина остаточного пьезосопротивления растет с величиной прилагавшейся нагрузки; (и) с увеличением температуры темп релаксаций растет, и нагревом образца до температуры 180-200К система может быть переведена в равновесное состояние;

(ш) система имеет «память» о предыдущих возмущениях и релаксационных процессах; нагревом образца до температуры 180-200К данная «память» может быть погашена;

(ду) полная концентрация 2Т> дырок в яме изменяется в ходе релаксаций пьезосопротивления, полностью коррелируя с поведением сопротивления в процессе релаксаций;

(у) освещение образца красным светодиодом с энергией фотона 1.9 эВ или лампой накаливания приводит к гашению релаксаций; (у1) для направлений одноосного сжатия [110] и [110] изменение сопротивления в процессе релаксации имеет разный знак;

Показано, что релаксации пьезосопротивления могут быть объяснены туннелированием неравновесных носителей из подложки ОаАэ к гетерогранице ОаАз/(А1)ОаА8 под действием пьезоэлектрического поля либо перезарядкой оборванных связей в ядрах дислокаций несоответствия на гетерогранице.

3. Обнаружен эффект переключения знака релаксаций под воздействием длительного освещения: освещение образца лампой накаливания при Т=4.2К переводит систему в новое метастабильное состояние, в котором при одноосном сжатии вдоль [110] образцы демонстрируют релаксации пьезосопротивления, присущие направлению сжатия [110]. Отогревом образца до 180-200К система может быть снова переведена в равновесное состояние. Данный эффект можно объяснить образованием ковалентной связи между находящимися в ядре ос-дислокации друг напротив друга атомами Ав.

4. При гелиевых температурах в системе p-Alo.5Gao.5As/GaAs обнаружено сильное уменьшение при одноосном сжатии как величины положительного магнитосопротивления, так и его температурной зависимости. Анализ в рамках классической изотропной модели двух групп носителей с взаимным трением позволяет сделать вывод, что с увеличением одноосного напряжения дырочно-дырочное рассеяние подавляется.

и

Результаты диссертационной работы докладывались на

следующих конференциях, совещаниях, симпозиумах:

1. V.Kravchenko, N.Minina, A.Savin, O.P.Hansen, C.B.Sorensen, W.Kraak "Hole Hole Scattering in p-GaAs/AlGaAs Heterostructures under uniaxial compression" VIII Int. Conf. On HPSP, Thesalonoki, Greece, August 1998, Abstracts.

2. В.Н.Кравченко, Н.Я.Минина, А.М.Савин, О.П.Хансен «анизотропный характер низкотемпературных релаксаций пьезосопротивления и дислокации несоответствия на гетерогранице р-AlGaAs/GaAs», XXXI Совещание по физике низких температур, Москва, 2-3 декабря 1998г, тезисы докладов, стр.79.

3. O.P.Hansen, V.N.Kravchenko, N.Ya.Minina, A.Savin Uniaxial stress influence on low temperature hole-hole scattering processes in p-GaAs/AlGaAs heterostructures. -In: 16th General Conference of the Condensed Matter Division, Leaven, Belgium , August 25-27, 1997, Abstract booklet SI, p.83.

4. Е.В.Богданов, К.И.Колоколов, В.Н.Кравченко, Н.Я.Минина, Я.С.Ольсен, А.М.Савин, О.П.Хансен, Влияние сильного электрического поля и света на долговременные релаксации пьезосопротивления в гетероструктурах p-GaAs/A10.5Ga0.5As, 2-ая Российская конференция по физике полупроводников (РКФП 96) 26 февраля-1 марта 1996г., Зеленогорск(С.-Петербург), Тезисы докладов, том 2, с. 154.

5. Bogdanov E.V., Kolokolov K.I., Kravchenko V.N., Minina N.Ya., Savin A.M., Hansen O.P., Olsen J.S., Light and electric field influence on resistivity and long-term relaxations of piezoresistivity in p-GaAs/Alo.5Gao.5As hetero structures, in International Conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics", Abstracts, Uzgorod, Ukraine, 1996, p. 12.

6. В.Н.Кравченко, Н.Я.Минина, А.М.Савин, В.Краак, К.Б.Соренсен, О.П.Хансен Влияние одноосного сжатия на энергетический спектр, магнитосопротивление и процессы рассеяния двумерных дырок в гетероструктурах на основе p-GaAs/AlGaAs In: III Всероссийская конференция по физике полупроводников ПОЛУПРОВОДНИКИ'97, Москва, 1-5 декабря 1997, тезисы докладов, стр.177.

7. Hansen О.Р., Kravchenko V., Minina N., Olsen J.S., Savin A., Effect of memory in p-type GaAs/AlGaAs heterostructure piezoresistivity, Joint XV AIRAPT&XXXIII EHPRG International Conference: High Pressure Physics and Technology, Warsaw, Poland, Sept. 1995, Abstracts 65/МоР-Ё1

8. Bogdanov E., Hansen O.P., Kravchenko V., Minina N., Olsen J.S., Savin A. Influence of illumination and high-voltage pulse on long-time relaxation of piezoresistivity in p-type GaAs/AlGaAs heterostructure.-In: Int.School Conf. Physical problems in material science of semiconductors. Abstract booklet. Chernivtsi, Ukraine, 1995, p.75.

9. Bogdanov E.V., Hansen O.P., Kolokolov K.I., Kravchenko V.N., Minina N.Ya., Olsen J.S., Savin A.M. High electric field and light illumination influence on long-time relaxation effect in piezoresistivity

in p-GaAs/A10.5Ga0.5As heterostructures under uniaxial compression, 2th Int.Conf. Physics of low-dimensional structures. Dubna, Russia, 1995, Abstracts p.55.

10.Hansen O.P., Kravchenko V.N., Olsen J.S., Minina N.Ya., Savin A.M., Long time relaxations in a Be-doped GaAs/AlGaAs under external uniaxial stress, 7th International Conference on Narrow Gap Semiconductors, Jan. 1995, Santa Fe, New Mexico, USA, Abstracts D7.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

статьях:

1. В.Н. Кравченко, Н.Я. Минина, Я.С. Олсен, A.M. Савин, О.П. Хансен «Долговременные релаксации сопротивления двумерного дырочного газа на гетерогранице GaAsM.lo.5Gao.5As, индуцированные одноосным сжатием» Письма в ЖЭТФ, 61(5), стр.417-422 (1995) (Kravchenko V.N., Minina N.Ya., Savin A.M., Olsen J.S., Hansen O.P., Long-term relaxation of the resistance of 2D-hole gas at a GaAs/AlGaAs heterojunction induced by uniaxial compression, JETP Lett., 61, N5, p.424, 1995.)

2. Bogdanov E.V., Hansen O.P., Kolokolov K.I., Kravchenko V.N., Minina N.Ya., Olsen J.S., Savin A.M. "High electric field and light illumination influence on long-time relaxation effect in piezoresistivity in p-GaAs/Al0.5Ga0.5As heterostructures under uniaxial compression"-Phys. Low-Dimensional structures, 1995, v.12, p.181-185.

3. Hansen O.P., Kravchenko V.N., Olsen J.S., Minina N.Ya., Savin A.M., Piezoresistance and long time r