Магнитооптические свойства квантовых ям и квантовых проволок с примесными резонансными состояниями молекулярного типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

005539215

ГУБИН ТИХОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ЯМ И КВАНТОВЫХ ПРОВОЛОК С ПРИМЕСНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ТИПА

Специальность: 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г 1 моя т

САРАНСК-2013

005539215

Работа выполнена на кафедре «Физика» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель: Кревчик Владимир Дмитриевич,

доктор физико-математических наук,

профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный

университет», декан физико-математического факультета

Официальные оппоненты: Шорохов Алексей Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет», профессор кафедры теоретической физики

Борисов Анатолий Викторович

доктор физико-математических наук, профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, профессор кафедры теоретической физики

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сашсг-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Защита состоится "18" декабря 2013 г., в 14— часов, на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» по адресу. 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, 68, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва, с авторефератом - на сайте университета www.mrsn.ru

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, диссертационный советД212.117.13

Автореферат разослан "15" ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.117.13 кандидат технических наук, доцент

Шибайкин С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к квантовым ямам (КЯ) с примесными

резонансными состояниями обусловлен перспективой создания новых

источников стимулированного излучения на примесных переходах (обзор дан в

[1]). Особый интерес представляют резонансные Д"-состояния, образующиеся

в результате обобществления электрона двумя нейтральными донорами, уровни

энергии которых расположены между дном удерживающего потенциала КЯ и

уровнем энергии её основного состояния (резонансные g- и и-состояния).

Наличие обменного взаимодействия может существенно влиять на характер

зависимости средней энергии связи резонансных g- и «-состояний от величины

внешнего магнитного поля, а также на магнитооптические свойства

многоямных квантовых структур (МКС) с -центрами. Важно отметить, что

для интерпретации результатов эксперимента, связанного с изучением В'-

центров в КЯ во внешнем магнитном поле [2], актуальной является задача

идентификации резонансных -состояний по характеру зависимости средней

энергии связи от магнитного поля, а также по особенностям спектров

примесного магнитооптического поглощения. Ценная информация о

примесных резонансных состояниях в полупроводниковых наноструктурах

может быть получена при изучении эффекта фотонного увлечения (ЭФУ)

носителей заряда. ЭФУ обусловлен импульсом фотонов, передаваемым в

процессе поглощения электронной подсистеме. Учёт импульса фотона

приводит к асимметрии в распределении носителей заряда в пространстве

квазиимпульса, т.е. к образованию тока увлечения (ТУ). Обладая высокой

чувствительностью к модификации примесных состояний атомного и

молекулярного типа [3] в условиях гибридизации размерного и магнитного

квантования, ЭФУ, как нелинейный оптический эффект, может быть

использован для идентификации примесей. Диссертационная работа посвящена

развитию теории примесного магнитооптического поглощения в

полупроводниковых МКС с резонансными -состояниями и ЭФУ в квантовой

проволоке (КП) с примесной зоной, образованной резонансными состояниями

з

электрона, локализованного в поле регулярной цепочки -центров при наличии внешнего продольного магнитного поля. Актуальность проведённых исследований определяется ценной информацией о параметрах примесных резонансных состояний и примесной зоны, а также об эффективной массе электрона в примесной зоне, которую можно получить из анализа спектров магнитооптического поглощения МКС и ЭФУ в КП.

Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании влияния обменного взаимодействия на примесное магнитооптическое поглощение в МКС с резонансными £>~ -состояниями, а также особенностей ЭФУ электронов, связанных с наличием примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП в условиях внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования.

Задачи диссертационной работы

1. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получить дисперсионные уравнения, описывающие резонансные g- и и-состояния £>; -центра в КЯ с параболическим потенциалом конфайнмента при наличии внешнего продольного по отношению к оси роста КЯ магнитного поля. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и обменного взаимодействия на среднюю энергию связи резонансного состояния 01 -центра в КЯ. Провести сравнение зависимости средней энергии связи резонансного £-состояния от внешнего магнитного поля с соответствующей зависимостью для случая локализованного £>," -состояния в КЯ и с экспериментальными данными по зависимости энергии связи £>~ -состояния от внешнего магнитного поля в ОаАв/АЮаАз КЯ, легированной мелкими донорами Б!.

2. В дипольном приближении получить аналитическую формулу для коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС с

резонансными -состояниями с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и обменного взаимодействия на спектры примесного магнитооптического поглощения.

3. В рамках обобщённого варианта модели Кронига-Пенни в модели потенциала нулевого радиуса получить дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>°-центров в КП при наличии внешнего продольного магнитного поля. Исследовать зависимость ширины примесной зоны от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования в КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей.

4. Получить аналитическую формулу для эффективной массы электрона в примесной зоне, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП. Исследовать зависимость эффективной массы от периода регулярной цепочки, параметров КП и параметров диссипативного туннелирования.

5. Получить аналитическое выражение для плотности тока фотонного увлечения при оптических переходах электронов из состояния примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров, в гибридно-квантованные состояния КП. Исследовать влияние внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования на спектральную зависимость плотности ТУ для случая рассеяния электронов на системе короткодействующих примесей в КП.

Научная новизна полученных результатов

1. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получены дисперсионные уравнения электрона, локализованного на -центре с резонансными g- и и-состояниями при наличии внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси размерного квантования КЯ с параболическим потенциалом конфайнмента. Исследована зависимость средней энергии связи резонансного ^-состояния ЙГ -центра от величины внешнего магнитного поля с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Проведено сравнение теоретических кривых с экспериментальными данными по зависимости энергии связи электрона на В' -центре от величины внешнего магнитного поля в КЯ ОаАв/АЮаАз с мелкими донорами 81 и продемонстрировано их хорошее согласие, несмотря на то, что было использовано всего два подгоночных параметра: уширение энергетических уровней А = 4,8 мэВ, взятое из эксперимента, и среднее расстояние между О0-центрами Д|3 = 4 нм. Показано, что в КЯ ОаАв/АЮаАя, легированных мелкими донорами 81, при определённых условиях возможно существование резонансных -состояний, которые могут давать существенный вклад в измеряемую на эксперименте зависимость энергии связи О' -состояний от внешнего магнитного поля.

2. Показано, что с ростом обменного взаимодействия меняется характер зависимости средней энергии связи резонансного д-состояния от магнитного поля В: если расстояние между центрами й12 больше эффективного боровского радиуса то характер искомой зависимости близок к линейной, что отвечает £>" -состояниям атомного типа, при Л^а^ средняя энергия связи резонансного §-состояния ~-/в, что отвечает О^ -состояниям в КЯ.

3. В дипольном приближении получена аналитическая формула для коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС с резонансными -состояниями с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. Показано, что в спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляций интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между нейтральными донорами.

4. В рамках обобщённого варианта модели Кронига-Пенни методом потенциала нулевого радиуса исследовано влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на ширину примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП, туннельно-связанной с объёмным полупроводником. Получены дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны в КП с параболическим потенциалом конфайнмента. Показано, что во внешнем магнитном поле ширина примесной зоны уменьшается из-за уменьшения вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций электрона. Получено аналитическое выражение для эффективной массы электрона в примесной зоне КП. Показано, что с ростом периода регулярной цепочки й" -центров эффективная масса электрона в примесной зоне стремится к эффективной массе электрона в зоне проводимости КП. Выявлена достаточно высокая чувствительность ширины примесной зоны и эффективной массы примесного электрона к таким параметрам диссипативного туннелирования, как температура, частота фононной моды, константа взаимодействия с контактной средой.

5. Теоретически исследованы особенности ЭФУ электронов, связанные с наличием примесной зоны, образованной резонансными

состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки I)0-центров в КП в условиях внешнего продольного магнитного поля и диссипативного туннелирования. В приближении сильного магнитного квантования получена аналитическая формула для плотности ТУ при оптических переходах электронов из состояния примесной зоны в гибридно-квантованные состояния КП. Показано, что с уменьшением периода регулярной цепочки £>°-центров в КП порог ЭФУ сдвигается в длинноволновую область спектра из-за роста эффективной массы электрона в примесной зоне. При этом в спектральной зависимости плотности ТУ возрастает амплитуда и число осцилляции интерференционной природы. Найдено, что с ростом внешнего магнитного поля происходит подавление осцилляций из-за уменьшения ширины примесной зоны. Показано, что параметры диссипативного туннелирования оказывают существенное влияние на порог ЭФУ в КП с примесной зоной.

Практическая ценность работы.

1. Развитая теория примесного магнитооптического поглощения в МКС может быть использована для идентификации резонансных О" -состояний в КЯ ОаАя/АЮаАв, легированных мелкими донорами 81.

2. Выявленный эффект магнитного вымораживания примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП, может быть использован для управления концентрацией электронов в легированных наноструктурах.

3. Развитая теория ЭФУ в КП с примесной зоной при наличии внешнего продольного магнитного поля и диссипативного туннелирования может быть использована как при разработке детекторов лазерного излучения с управляемой фоточувствительностью, так и в исследованиях энергетической зависимости времени релаксации импульса электронов в КП.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. В КЯ ОаАз/ЛЮаЛз, легированных мелкими донорами 81, возможно существование резонансных -состояний в условиях обменного взаимодействия на расстояниях не более 4 нм между нейтральными донорами.

2. С ростом обменного взаимодействия меняется характер зависимости средней энергии связи резонансного д-состояния А" -центра от магнитного поля в КЯ: если расстояние между -О0-центрами больше эффективного воровского радиуса, то характер искомой зависимости близок к линейной, что отвечает ¿'"-состояниям атомного типа, в противном случае характер данной зависимости является нелинейным, что соответствует Щ -состояниям.

3. В спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляций интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между нейтральными донорами.

4. В КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей, имеет место эффект магнитного вымораживания примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки -О0-центров, связанный с уменьшением вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций электрона.

5. Для спектральной зависимости ЭФУ при оптических переходах электрона из состояния примесной зоны в гибридно-квантованные состояния КП характерен квантово-размерный эффект Зеемана с осцилляциями интерференционной природы, амплитуда которых

зависит от. периода . регулярной цепочки, величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2011 г.); на 7-й Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2012 г.); на XX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2013» (Москва, 2013 г.); на 7-й Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (Пенза, 2013 г.); на 12-й Международной научной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2013 г.).

Личный вклад Основные теоретические положения диссертации разработаны совместно с профессором В.Д. Кревчиком. Конкретные расчёты и анализ результатов проведены автором самостоятельно. Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с A.B. Разумовым и А.Б. Груниным, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.

Публикации По результатам исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, опубликовано 10 работ, из них 3 - статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 124 страницы текста, включая 24 рисунка. Список цитируемой литературы включает 181 наименование.

Краткое содержание работы

Во введении к диссертации на основании аналитического обзора теоретических и экспериментальных работ, связанных с исследованиями оптических свойств квантовых ям и квантовых проволок с примесными резонансными состояниями, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, её научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию влияния обменного взаимодействия на среднюю энергию связи резонансного g-состояния £>2" -центра в КЯ при наличии внешнего магнитного поля, а также на примесное магнитооптическое поглощение в МКС с резонансными Б^ -состояниями. Основная цель состояла в выявлении возможности идентификации резонансных £>; -состояний в КЯ ОаАэ/АЮаАБ с мелкими донорами как по зависимостям средней энергии связи резонансного g-состояния от магнитного поля, так и по особенностям спектров примесного магнитооптического поглощения с использованием результатов эксперимента, выполненного в работе [2]. Двухцентровой потенциал моделировался суперпозицией потенциалов нулевого радиуса одинаковой мощности. Рассмотрен случай поперечного расположения оси -центра по отношению к направлению внешнего магнитного поля. Энергетические уровни резонансных g- и «-состояний расположены выше дна удерживающего потенциала КЯ под первой подзоной размерного квантования (в отсутствие внешнего магнитного поля В). На рис. 1 представлена зависимость средней энергии связи резонансного ¿»-состояния от ширины КЯ Ь (см. кривую 1). На этом же рисунке кривыми 2 и 3 показана зависимость энергии дна первой (л = 0) и второй (и = 1) подзон размерного квантования от ширины параболической квантовой ямы £.

и

0.04

Рис.1 Зависимость средней энергии связи резонансного g-cocтoяния ¿>2'-центра (кривая 1) и энергии дна первой (кривая 2) и второй (кривая 3) подзон размерного квантования от ширины КЯ ОаАэ/АЮаАз при С/0 = 0.2 эВ, Л12 = 4 нм, В-ОТл (энергия отсчитывается от дна КЯ).

Из рис. 1 видно, что при уменьшении ширины КЯ уровень энергии ^-состояния оказывается привязанным ко второй

0

10

подзоне размерного квантования и, когда средняя энергия связи ^--состояния

8

12

Ь, нм

становится сначала равной, а затем меньше энергии размерного квантования, примесное £>2" -состояние выходит в область непрерывного спектра первой подзоны, т.е. является резонансным. В рамках модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы получены дисперсионные уравнения электрона, локализованного на £>~ -центре с резонансными g- и и-состояниями при наличии внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси роста КЯ. На рис. 2 приведены результаты численного анализа дисперсионных уравнений для локализованных и резонансных состояний £>~ -центра как с учётом дисперсии ширин КЯ, описываемой функцией гауссова типа (случай МКС) (см. кривые 1 и 3 соответственно), так и с учётом лоренцева уширения энергетических уровней (см. кривые 2 и 4), величина которого А = 4,8 мэВ взята из эксперимента [2]. Точками на рис. 2 обозначены результаты эксперимента [2] по исследованию зависимости энергии связи £>~ -состояния от величины внешнего магнитного поля в КЯ ОаАэ/АЮаАв, легированных мелкими донорами 81. Можно видеть, что величина энергии связи примеси 81 и характер её зависимости от внешнего магнитного поля в большей степени отвечают резонансным 1>~ -состояниям (сравн. кривые 3, 4 и 1, 2). Таким образом, в КЯ ОаАв/АЮаАв, легированных мелкими донорами 81, возможно

существование резонансных 1)" -состояний в условиях обменного взаимодействия на расстояниях не более 4 нм между нейтральными донорами. На рис. 3 показано влияние обменного взаимодействия на характер зависимости средней энергии связи резонансного ^-состояния £>~ -центра от величины внешнего магнитного поля В. Видно, что с ростом обменного взаимодействия (с уменьшением Л12) характер данной зависимости меняется (сравн. кривые 1 и 5): если расстояние между £>° -центрами больше эффективного боровского радиуса аа, то характер искомой зависимости близок к линейной (см. кривую 5), что отвечает £г -состояниям атомного типа, при Я12 < а4 средняя энергия связи резонансного £-состояния ~л/й (см. кривые 1, 2 и 3 на рис. 3), что соответствует £>2 -состояниям.

Рис. 2 Зависимость средней энергии связи £>2 -состояния от величины внешнего магнитного поля в КЯ ОаАв/АКЗаАв при Е, = 0.4 мэВ (Е1 - энергия связи такого же £>7 -центра в объёмном полупроводнике), /, = 10 нм, £/„=0.2 эВ ([/„ - амплитуда удерживающего потенциала КЯ), К12 = 4 нм (Л,2 —расстояние между £>°-центрами): 1 и 3 - для случая локализованных и резонансных Д2 -состояний соответственно с учётом дисперсии ширин КЯ; 2 и 4 - для случая локализованных и резонансных ¿)2~ -состояний с учётом экспериментального уширения Д = 4.8мэВ. Точками обозначены результаты эксперимента в селективно-легированных структурах йаАз/АЮаАв [2].

12

Рис. 3 Зависимость средней энергии связи резонансного ^-состояния О^ -центра от величины внешнего магнитного поля в КЯ ОаАз/АЮаАэ при £^=0.4 мэВ, ¿ = 10 нм, иа=0,2 эВ для различных расстояний между £>° -центрами Л12, нм: 1 - 4, 2 - 8, 3 — 12, 4 - 16, 5-20. Точками обозначены результаты эксперимента в селективно легированных структурах ОаАэ / АЮэАб [2].

2

0

5

10

15

20

В, Тл

В этой же главе в дипольном приближении получено аналитическое выражение для коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС с резонансными -состояниями с учётом лоренцева уширения энергетических уровней. На рис. 4 представлена спектральная зависимость коэффициента примесного магнитооптического поглощения для МКС ОаАэ/АЮаАз, построенная для различных значений средних расстояний между £>° -центрами. Можно видеть, что для спектральной зависимости коэффициента поглощения характерен квантово-размерный эффект Зеемана с осцилляциями интерференционной природы, которые исчезают с ростом среднего расстояния между £>°-центрами (см. вставку к рис.4). Необходимо отметить, что из-за наличия вырождения по магнитному и радиальному квантовым числам имеет место совмещение пиков в двух соседних дублетах Зеемана. Таким образом, в спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляций интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между £>° -центрами.

Рис. 4 Спектральная зависимость коэффициента примесного магнитооптического поглощения в МКС ОаАз/АЮаАэ с резонансными А> -состояниями при Д = 0.4 лгаВ, 1 = 10 нм, и0 = 0.2 эВ, В = 5 Тл, 4 =10 нм (Ьс - средний период МКС), £ = 1 см2 ( £ - площадь КЯ) для различных средних расстояний между £>° -центрами Лп, нм: 1 -4; 2 - 12; 3 - 20. На вставке в более мелком масштабе показана правая часть кривых данного рисунка.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию влияния внешнего магнитного поля на ширину примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки О0-центров в КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей. Потенциал конфайнмента КП моделировался потенциалом двумерного гармонического осциллятора. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси КП. Потенциал регулярной цепочки £>° -центров, расположенных вдоль оси КП, моделировался суперпозицией потенциалов нулевого радиуса одинаковой мощности. В отличие от случая локализованных состояний электрона в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП [4], примесная зона, образованная резонансными состояниями, расположена между дном удерживающего потенциала КП и уровнем энергии её основного состояния. В КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей, возникает дополнительное уширение примесной зоны за счёт конечного времени жизни связанного электрона. Предполагалось, что распадность примесных резонансных состояний электрона

Йсо, эБ

в КП обусловлена процессом диссипативного туннелирования и что систему «КП - объёмная матрица» можно моделировать асимметричным двухъямным осцилляторным потенциалом. Несмотря на использование инстантонных подходов для расчёта вероятности туннелирования [5], в этом случае появляется интересная возможность для исследования влияния объёмной матрицы и внешнего магнитного поля на ширину примесной зоны. В рамках обобщенного варианта модели Кронига-Пенни в модели потенциала нулевого радиуса получены дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны.

На рис. 5 а, б, в представлена рассчитанная с помощью дисперсионных уравнений зависимость ширины примесной зоны Ае в ТпБЬ КП от величины внешнего магнитного поля В для различных значений параметров диссипативного туннелирования: ет=кТ/Ел - эффективная боровская энергия), е1=На>1/Е^ (ш^ - частота фононной моды), ес=Ь\[с/Е11 (С -константа взаимодействия с контактной средой). Видно, что с ростом величины внешнего магнитного поля ширина примесной зоны уменьшается за счёт уменьшения вероятности диссипативного туннелирования Г0~ехр(-8) и степени перекрытия одноцентровых волновых функций. Важной особенностью приведённых на рис. 5 а, б, в кривых является достаточно высокая чувствительность ширины примесной зоны к изменению параметров диссипативного туннелирования: с ростом температуры (параметр ет) и частоты фононной моды (параметр а,) ширина примесной зоны увеличивается, что связано с ростом Г0 (время жизни примесного электрона уменьшается); увеличение константа взаимодействия с контактной средой (параметр ес) приводит к уменьшению Ае из-за блокировки туннельного распада.

-►

В, Тл

Рис. 5 Зависимость ширины примесной зоны Дв в InSb КП от величины внешнего магнитного поля при U0= 0,4 эВ (U0 - амплитуда удерживающего

потенциала КП), ¿„=70 нм (£0 - радиус КП), Lz = 300 нм - длина КП), для различных значений параметров диссипативного туннелирования: а - £т : 1 - 2,9; 2 - 2,5 {ес =eL =1); б - £с: 1-1; 2-2 (ег =2,9; е£ = 1); е - 1-1; 2-3

(sr=2,9; ес =1).

С использованием дисперсионного уравнения электрона, локализованного в поле регулярной цепочки D° -центров, получена аналитическая формула для его эффективной массы m" в примесной зоне. На рис. 6 приведена зависимость m]¡m (m - эффективная масса электрона в зоне проводимости КП) от периода регулярной цепочки £>° -центров, нормированного на эффективный боровский радиус, для различных значений величины внешнего магнитного поля. Видно, что с ростом периода регулярной цепочки D° -центров эффективная масса электрона в примесной зоне стремится к эффективной массе электрона в зоне проводимости КП из-за уменьшения обменного взаимодействия. Таким образом, в КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей, имеет место эффект

<

магнитного вымораживания примеснои зоны, связанный с уменьшением вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций.

* *

т. 1т

I

IV 1

V

2

0.5

1.5

Рис. 6 Зависимость относительной эффективной массы электрона в примесной зоне в ГпЭЬ КП от периода регулярной цепочки а0 , нормированного на эффективный боровский радиус, при и„ = 0.4 эВ, ¿0 = 70 нм,

еТ=2,9, Д®1

* различных значений величины

а 0

внешнего магнитаого поля Б , Тл: 1 -5; 2-3.

Третья глава диссертации посвящена теоретическому исследованию особенностей ЭФУ электронов, связанных с наличием примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП, в условиях внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования. В приближении сильного магнитного квантования получена аналитическая формула для плотности ТУ при оптических переходах электронов из состояния примесной зоны в гибридно-квантованные состояния КП. Исследована спектральная зависимость плотности ТУ для случая рассеяния электронов на системе короткодействующих примесей. Как видно из рис. 7 а (см. кривую 2), для спектральной зависимости плотности ТУ характерен квантово-размерный эффект Зеемана. Видны также осцилляции интерференционной природы, которые подавляются с ростом величины В (см. рис. 7 6) из-за уменьшения степени перекрытия одноцентровых волновых функций. На рис. 8 показано влияние периода регулярной цепочки £>° -центров а0 на спектральную зависимость плотности ТУ в 1п8Ь КП. Можно видеть, что с уменьшением а0 возрастает число осцилляций интерференционной природы, а порог ЭФУ сдвигается в

длинноволновую область спектра за счёт увеличения эффективной массы электрона в примесной зоне.

Рис. 7 Спектральная зависимость плотности ТУ электронов в 1п8Ь КП с примесной зоной при С/0 =0,3 эВ; а0 = 28 нм, Ь0 = 70 нм, Ь1 =300 нм, е1 = 1, ес = 1, ет = 2,9 для различных значений величины внешнего магнитного поля: а: 1 — В = 0, 2 — В = 2 Тл; б: - В = 5 Тл.

0,03 0,04

0,06

0,08 0,1 ЙЮ, эВ

0,05 0,06 0,08

0,12 0,14 Нса, эВ

24

12

Ц/и

0,03 0,04

0,06 0,08 Лео, эВ

0,1

0,12

Рис. 8 Спектральная зависимость плотности ТУ электронов в КП 1п8Ь с примесной зоной при £/0=О,ЗэВ; В = 0, ¿ = 70 нм, Хг =300 нм, = 1, ес = 1, ет = 2,9 для различных значений периода регулярной цепочки О0 -центров а0 , нм: 1 -28:2-21.

Основные результаты и выводы

1. В модели потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследовано влияние обменного взаимодействия на среднюю энергию связи резонансного ^-состояния £>~ -центра в КЯ с параболическим потенциалом конфайнмента при наличии внешнего магнитного поля, а также на примесное магнитооптическое поглощение в МКС с резонансными -состояниями. Показано, что с ростом обменного взаимодействия меняется характер зависимости средней энергии связи резонансного §-состояния от величины внешнего магнитного поля В. Так, если расстояние между £>°-центрами й|2 больше эффективного боровского радиуса аа, то характер искомой зависимости близок к линейной, что отвечает изолированным О' -состояниям. При Яп < а^ средняя энергия связи резонансного ^-состояния ~4в , что соответствует /^-состояниям в КЯ. Проведено сравнение теоретических кривых с экспериментальными данными по зависимости энергии связи £>"-состояния от величины внешнего магнитного поля в КЯ GaAsM.lGa.As, легированных мелкими донорами Б!, и продемонстрировано их хорошее согласие. Выдвинуто предположение о том, что в КЯ ОаАв/АЮаАз с мелкими донорами при определённых условиях возможно существование резонансных £>2~ -состояний, которые могут проявляться в эксперименте в виде нелинейной зависимости средней энергии связи ^-состояния от величины внешнего магнитного поля. Показано, что в спектрах примесного магнитооптического поглощения в МКС обменное взаимодействие проявляется в наличии осцилляций интерференционной природы, амплитуда которых достаточно быстро убывает с ростом среднего расстояния между -центрами.

2. В рамках обобщённого варианта модели Кронига-Пенни методом потенциала нулевого радиуса исследовано влияние внешнего магнитного поля и диссипативного туннелирования на ширину примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП, туннельно-связанной с объёмной матрицей.

20

Показано, что с ростом величины внешнего магнитного поля ширина примесной зоны уменьшается за счёт уменьшения вероятности диссипативного туннелирования и степени перекрытия одноцентровых волновых функций электрона. Выявлена достаточно высокая чувствительность ширины примесной зоны к изменению параметров диссипативного туннелирования: с ростом температуры и частоты фононной моды ширина примесной зоны увеличивается, что связано с ростом вероятности диссипативного туннелирования, увеличение константы взаимодействия с контактной средой приводит к уменьшению ширины примесной зоны из-за блокировки туннельного распада. Показано, что с ростом периода регулярной цепочки £>° -центров эффективная масса электрона в примесной зоне стремится к эффективной массе электрона в зоне проводимости КП. Это связано с уменьшением обменного взаимодействия и, соответственно, ширины примесной зоны.

3. Теоретически исследованы особенности ЭФУ электронов, связанные с наличием примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона, локализованного в поле регулярной цепочки £>° -центров в КП, в условиях внешнего продольного магнитного поля и диссипативного туннелирования. Показано, что для спектральной зависимости плотности ТУ характерен квантово-размерный эффект Зеемана с осцилляциями интерференционной природы, которые подавляются с ростом внешнего магнитного поля. Исследовано влияние периода регулярной цепочки £>°-центров на спектральную зависимость плотности ТУ в КП. Найдено, что с уменьшением периода регулярной цепочки возрастает число и амплитуда осцилляции интерференционной природы, а порог ЭФУ сдвигается в длинноволновую область спектра.

Цитируемая литература

1. Алёшкин В.Я. Примесные резонансные состояния в полупроводниках. Обзор. / В.Я. Алёшкин, JI.B. Гавриленко, М.А. Одноблюдов, И.Н. Яссиевич // ФТП - 2008 - Т. 42 - Вып. 8 - С. 899-922.

2. Huant S. Two-dimensional D~ -Centers. / S. Huant, S.P. Najda, В. Etienne // Phys. Rev. Lett. - 1990 - V.65 - №12 - p. 1486-1489.

3. Кревчик В.Д. Метод потенциала нулевого радиуса в низкоразмерных системах (монография). // В.Д. Кревчик, А.Б. Грунин — Пенза; Изд-во ПГУ — 2002-108 с.

4. Кревчик В.Д. Модель полимерной молекулы в квантовой проволоке при наличии внешнего продольного магнитного поля. / В.Д. Кревчик, A.B. Разумов, В.А. Гришанова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2010. - №2 — С. 105-116.

5. Кревчик В.Д. Влияние диссипативного туннелирования на энергию связи и оптические свойства квазистационарных D' -состояний в квантовой молекуле. / В.Д. Кревчик, A.B. Калинина, E.H. Калинин, М.Б. Семёнов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2011 - №1 (17) - С. 126-139.

Основные публикации по теме диссертации

1. Губин Т. А. / Влияние обменного взаимодействия на энергетический спектр и оптические свойства резонансных Dl -состояний в квантовых ямах во внешнем магнитном поле. / В.Д. Кревчик, А.Б. Грунин, Т.А. Губин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки - 2013 — JVt 2 - С. 217-238.

2. Губин Т.А. Особенности примесной зоны в квантовой проволоке, образованной регулярной цепочкой £>° -центров с резонансными состояниями, во внешнем магнитном поле. / В.Д. Кревчик, A.B. Разумов, Т.А. Губнн // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки — 2013 — № 3 — С. 225-235.

3. Губин Т.А. Фотомагнитный эффект в квантовой проволоке с одномерной сверхрешёткой из потенциалов нулевого радиуса. /

B.Д. Кревчик, A.B. Разумов, Т.А. Губин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки - 2013 -№ 3 - С. 236-250.

4. Губин Т.А. Магнитооптика D' -центра в квантовом канале. /

C.А. Губина, Т.А. Губин, A.B. Митина, К.С. Ползунов // Материалы международной научно-практической конференции «Молодёжь и наука: модернизация и инновационное развитие страны». Пенза, 2011 г. - 4.1, С. 267270.

5. Губин Т.А. Модификация энергетического спектра D: -центра с резонансным u-состоянием в квантовой молекуле во внешнем магнитном поле. / В.Д. Кревчик, E.H. Калинин, А.Н. Тында, В.А. Рудин, С.А. Губина, Т.А. Губин // Материалы 7-й Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем». Пенза, 2012 г. - С. 88-95.

6. Губин Т.А. Особенности спектра фотовозбуждения D^-центра с резонансным и - состоянием в квантовой точке во внешнем магнитном поле. / Вестник ПГУ - 2013 - №1 - С. 84-96.

7. Т.А. Губин / Влияние двух локальных мод диэлектрической матрицы на диссипативный туннельный перенос в полупроводниковых квантовых точках в условиях внешнего электрического поля. / И.А. Егоров, П.В. Кревчик, Т.А. Губин // Материалы XX международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов». Секция «Физика», г. Москва -2013 - С. 342-345.

8. Губин Т. А. / Эффект фотонного увлечения электронов в квантовой проволоке с участием резонансных D~ -состояний в магнитном поле. /

B.Д. Кревчик, A.B. Разумов, С.А. Губина, Т.А. Губин, Ю.В. Зенкова,

C.Б. Сибякина // Материалы 7-й Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое

23

и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем», г. Пенза - 2013 - С.236-240.

9. Gubin Т.А. Stability of Nonlinear 2D-tunnel Bifurcations in Systems of Interacting Quantum Molecules in the Metamaterials Matrix / V.D. Krevchik, V.I. Volchikhin, I.I. Artemov, M.B. Semenov, R.V. Zaytsev, T.A. Gubin, A.V. Razumov, A.K. Aringazin, K. Yamamoto // PIERS Proceedings, Stockholm, Sweden - 2013 - p.504-507.

10. Губин Т. A. / Оптические свойства квантовых ям с резонансными D~ -состояниями во внешнем магнитном поле. / В.Д. Кревчюс, А.Б. Грунин, Т.А. Губин // Материалы 12-й Международной научной конференции-школы «Материалы микро-, нано- и оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», г. Саранск - 2013 - С. 172.

Подписано в печать 12.11.2013г. Формат 60x84 1/16. Бумага ксероксная Усл. печ. л. 1,4. Заказ 12/11. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета

в типографии ИП Соколова А.Ю. 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74, к. 220, тел.: (8412) 56-37-16.

ФГБОУ ВПО ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201451745

ГУБИН ТИХОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ЯМ И КВАНТОВЫХ ПРОВОЛОК С ПРИМЕСНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ТИПА

Специальность 01.04.05 - Оптика

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук, профессор Кревчик В.Д.

ПЕНЗА-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................4

Глава 1 Влияние обменного взаимодействия на энергетический спектр и

оптические свойства резонансных -состояний в квантовых ямах во

внешнем магнитном поле

1.1 Введение....................................................................................41

1.2 Дисперсионное уравнение, описывающее резонансные 1У2 -состояния в квантовой яме при наличии внешнего магнитного поля..........................42

1.3 Влияние магнитного поля и обменного взаимодействия на среднюю энергию связи резонансного §-состояния. Сравнение с экспериментом......48

1.4 Спектры примесного магнитооптического поглощения в многоямной квантовой структуре с резонансными -состояниями.........................56

Выводы к главе 1..............................................................................61

Глава 2 Особенности примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона в поле регулярной цепочки I)0-центров в квантовой проволоке во внешнем продольном магнитном поле.

2.1 Введение....................................................................................63

2.2 Дисперсионное уравнение, определяющее границы примесной зоны, образованной резонансными состояниями электрона в поле регулярной цепочки ¿^-центров в квантовой проволоке.......................................................64

2.3 Зависимость ширины примесной зоны от величины внешнего магнитного поля и параметров диссипативного туннелирования.................................73

2.4 Эффективная масса электрона в примесной зоне...................................75

Выводы к главе 2..............................................................................86

Глава 3 Эффект фотонного увлечения электронов в квантовой проволоке с примесной зоной во внешнем продольном магнитном поле

3.1 Введение....................................................................................88

3.2 Расчет матричного элемента оптического перехода электрона из примесной зоны в гибридно-квантованные состояния квантовой проволоки в линейном по импульсу фотона приближении...................................................................89

3.3 Плотность тока фотонного увлечения электронов в квантовой проволоке при наличии внешнего продольного магнитного поля................................95

3.4 Спектральная зависимость плотности тока фотонного увлечения при рассеянии электронов на системе короткодействующих примесей........................................................................................98

Выводы к главе 3............................................................................100

Заключение

Библиографический список использованной литературы

102 106

Введение

В последние годы развитие нанотехнологий стимулировало прогресс в полупроводниковой наноэлектронике. В настоящее время имеется довольно широкий спектр её приборных приложений. В работе [1] предложена классификация одноэлектронных приборных структур, в основу которой положены выделенные в работе принципы. Большое количество известных в настоящее время наноэлектронных приборов рассмотренного типа может быть описано в рамках данной классификации. Структуры на основе одноэлектронного туннелирования (кулоновской блокады) [2] являются перспективными для создания широкого спектра твердотельных приборов [35]. Известно достаточно большое число структур рассматриваемого типа различной конфигурации и назначения, и количество публикаций на эту тему продолжает возрастать. Вследствие этого авторами работы [1] предложена классификация одноэлектронных приборов, доминирующим для которых является выделенный эффект. Достоинством классификации является то, что известные на момент опубликования работы приборы могут быть описаны с её использованием, а также то, что на её основе могут быть предложены новые приборы одноэлектроники [1]. Авторами [1] в основу классификации положены следующие принципы:

I. На основе характерных активных областей приборов различаются следующие классы одноэлектронных структур:

1) однотуннельные приборы, т.е. структуры, содержащие только один туннельный переход. Пример - одноэлектронный диод [6,7], содержащий р-п-переход с вырожденным газом носителей заряда;

2) цепочки туннельных переходов. К этому классу относятся структуры, содержащие два и более туннельных перехода в активной области, соединённые последовательно. Один из наиболее изученных приборов этого класса - одноэлектронный транзистор [8,9], содержащий два туннельных

перехода, отделяющих очень малый островок полупроводника от областей стока и истока. Большинство известных на данный момент одноэлектронных приборов относится к этому классу: «насос» [10-11], модулятор [11-12], одноэлектронная память [13] и др. [1].

3) матрицы туннельных переходов. Структуры этого класса содержат в активной области последовательное и параллельное соединение туннельных переходов в плоскости. Пример - гранулированная микроперемычка [14].

4) Массивы туннельных переходов. Такие структуры содержат последовательное и параллельное соединение туннельных переходов в различных измерениях [1].

II. Каждый из отмеченных классов структур может быть представлен определённым видом принципиальной структурной схемы:

1) Бокс (однотуннельный прибор). Структурная схема этого прибора соответствует нулевой размерности. В качестве островка выступает промежуточный электрод между туннельным переходом и конденсатором затвора.

2) Транзистор (цепочка туннельных переходов) содержит два туннельных перехода, соединённых последовательно, и островок между ними. Управление током через структуру осуществляется посредством затвора. На рис. 1 приведена одна из принципиальных схем реализации одноэлектронного транзистора. Существуют и другие варианты принципиальных схем [15], различающиеся расположением островка и затвора относительно истока и стока, а также конфигурацией затвора [1]. Островок может находиться как в плоскости стока и истока, так и выше или ниже неё. Конфигурация затвора может быть различной. Одна из часто используемых конфигураций -расщеплённый затвор [11]. В реальном транзисторе может использоваться различное число затворов разной конфигурации и различного расположения относительно островка.

1D

2D

Рис. 1 Принципиальные структурные схемы некоторых одноэлектронных приборов [1].

3) Принципиальная структурная схема для «многоостровковой» схемы цепочки туннельных переходов отличается от схемы транзистора количеством островков (см. рис. 1). Расположение островков относительно истока и стока, а также конфигурация, количество и расположение затворов может быть различным [15].

4) Микроперемычка (матрица туннельных переходов) - принципиальная структурная схема содержит двумерный массив островков (см. рис. 1, структура 2D). Управление током через структуру осуществляется затвором, расположенным над островками (на схеме отсутствует).

III. Условно (так как обычно одноэлектронные структуры состоят из различных материалов) выделяют следующие виды одноэлектронных структур по материалам островка (-ов):

1) Металлические. Плёночные структуры, в которых металлические островки разделены туннельными барьерами в виде диэлектрических слоев [1618], или структуры на основе гранулированных плёнок [14, 19], или на основе металлических коллоидных частиц [20] и т.д. В таких структурах имеет место ограничение трёхмерного электронного газа в островках.

2) Полупроводниковые. Примером таких структур могут быть приборы на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs [21-24], GaAs с ^-легированным слоем [10, 13], AlGaAs/InGaAs/GaAs [24] и др. В этих структурах осуществляется ограничение двумерного газа в малые лужицы различными способами: в результате прикладывания определённых смещений к затворам [21, 22], путём использования электронно-лучевой литографии и травления структуры [23], при использовании ионно-лучевой имплантации [24] и т. д. К этому же виду относятся кремниевые одноэлектронные структуры: на основе МОП полевого транзистора [8, 25]; структуры, полученные методом осаждения наноразмерных кремниевых кристаллов [26]; структуры, выполненные на подложке кремний-на-изоляторе [9, 27] и др.

3) Диэлектрические. В этом случае диэлектрические островки должны быть разделены слоями с меньшей проницаемостью по сравнению с материалом островков. На момент написания работы [1] примеров изготовления приборов этого типа нет.

4) Органические. Примером такой структуры может служить транзистор на основе стеариновой кислоты и карбонатовых кластеров [29]. Последние выступают в качестве островков.

5) Композиционные. Островки изготавливаются из композиционного материала или из различных материалов.

IV. По технологическим методам изготовления, материалам, формирующим различные области, управляющим электродам и другим принципам можно выделить разновидности одноэлектронных структур.

Металлические одноэлектронные структуры могут различаться по технологическому процессу изготовления. Применяемые методы: 1) электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) и напыления [16,17]; 2) линейного самосовмещения [30]; 3) окисления с использованием сканирующего туннельного микроскопа [18]; 4) SECO (ступенчатого торцевого среза) [31]; 5) анодирования переходов, изготовленных методами ЭЛЛ и напыления [32] и т.д.

Полупроводниковые структуры имеют следующие разновидности.

По материалам, образующим активную область, различают кремниевые структуры и структуры на основе полупроводников типа АШВУ По способу формирования активных областей среди кремниевых структур в свою очередь различают: 1) структуры, полученные в инверсионном слое кремниевого МОП полевого транзистора с двойным затвором [8, 33]; 2) структуры, сформированные на подложке кремний-на-изоляторе с использованием ЭЛЛ и реактивного ионного травления [9, 27, 34, 35]; 3) структуры на основе наноразмерных кремниевых кристаллов, полученных методом обработки в СВЧ плазме и используемых в качестве островков [26], и др. Как для кремниевых, так и для одноэлектронных структур на основе ОаАв существуют различные технологические методы их получения. Основным отличием этих методов является способ ограничения двумерного электронного газа (ДЭГ) в структурах, малые «лужицы» которого используются в качестве островков. В настоящее время известны следующие способы ограничения: 1) ограничение расщеплёнными барьерами Шоттки двумерного газа, формируемого в гетероструктуре ОаАз/АЮаАБ [11, 21]; 2) ЭЛЛ и реактивное ионное травление гетероструктуры ОаАв/АЮаАз для формирования областей истока, стока, канала и затворов [23]; 3) ЭЛЛ и вытравливание меза-структур в ОаАз/АЮаАБ и формирование барьеров Шоттки [36, 37]; 4) ограничение боковым затвором ДЭГ в 8-легированном слое ОаАв [13, 38]; 5) Ионно-лучевая имплантация ва в селективно-легированные гетероструктуры ваАз/АЮаАз или АЮаАзЛпОаАзЮаАз [24, 39] и т.д.

Далее авторы статьи рассматривают приборные структуры одноэлектроники по способам изготовления. Нас особенно интересуют полупроводниковые приборы. Рассмотрим несколько одноэлектронных структур, относящихся к полупроводниковым.

На рис. 2 представлен кремниевый одноэлектронный транзистор, сформированный в инверсионном слое МОП полевого транзистора с двойным затвором [8]. Нижний и верхний затворы получены методом ЭЛЛ и сухого химического травления. Нижний затвор (положительно смещённый) формирует

инверсионный канал, верхний затвор (отрицательно смещённый) -потенциальные барьеры. Рабочая температура прибора около 4,2 К.

Рис.2 Одноэлектронный транзистор, сформированный в инверсионном слое МОП полевого транзистора с двойным затвором [1].

К другой разновидности относится квантово-точечный транзистор. Он изготовлен на основе структуры кремний-на-изоляторе с использованием ЭЛЛ и реактивного ионного травления. Канал с островком сформированы в верхнем кремниевом слое подложки. В отличие от предыдущего прибора, данный транзистор имеет только один поликремниевый затвор, расположенный над каналом. В режиме туннелирования в структуре наблюдаются осцилляции тока в зависимости от напряжения на затворе по причине двух эффектов: квантового ограничения и одноэлектронного туннелирования, причём изготовлены были квантово-точечные транзисторы с каналом п- и р-типа проводимости. Рабочая температура п-канального транзистора - до 100 К, р-канального транзистора -до 81 К [41]. К этой же разновидности по методу изготовления относятся и другие приборы, например, одноэлектронная память [27, 42]. Структура этого прибора подобна структуре квантово-точечного транзистора (рис. 3), поэтому также относится к классу цепочек туннельных переходов. Её отличие от транзистора заключается в том, что в качестве островка выступает квантово-точечный кремниевый плавающий затвор. Хранение электрона на плавающем затворе приводит к экранированию канала от потенциала на управляющем затворе и сдвигу порогового напряжения. Известны различные методы получения плавающего затвора: осаждение и второй этап ЭЛЛ и реактивного

Upper gate

Lower gate

ионного травления [27], метод самосовмещения [42]. Этот прибор может работать при комнатной температуре.

Интенсивно разрабатываются и одноэлектронные полупроводниковые структуры на основе ОаАя. В этих структурах осуществляется ограничение ДЭГ в островки различными методами. По способу ограничения можно выделить несколько разновидностей таких структур.

Рис. 3 Квантово-точечный транзистор с поликремниевым затвором [1].

На рис. 4 показан прибор, представляющий собой двойной туннельный переход на основе гетероструктуры ОаАз/АЮаАБ [21]. В этом приборе ограничение ДЭГ в островки осуществляется посредством приложения напряжения к металлическим расщеплённым затворам Шоттки, расположенным на поверхности структуры. Двумерный электронный газ формируется на границе раздела слоёв ОэАб и АЮэАб, его плотность контролируется напряжением, приложенным к проводящей подложке. При подаче отрицательных напряжений на расщеплённые затворы происходит обеднение ДЭГ под ними. В результате в ДЭГ формируется канал с малыми сегментами (островками) между участками (барьерами) [43-45]. Рабочая температура прибора около 1 К. Другая разновидность может быть представлена транзистором на основе гетероструктуры ОаАэ/АЮаАз, в котором области затвора, стока, истока, островка и канала получены путём ЭЛЛ и реактивного ионного травления канавок в исходной пластине [24]. В результате такого технологического процесса происходит ограничение ДЭГ в этих областях. В отличие от прибора, изображённого на рис. 4, в такой структуре затворы лежат в одной плоскости с областями стока, истока и островка (планарные затворы).

Metal

2DEG

ж"

Рис. 4 Структура на основе ОаА$/АЮаА$ с расщеплённым затвором Шоттки [1].

GaAs

n" GaAs Substrate

Как одну из разновидностей

отмеченных структур можно рассматривать транзистор на основе ОаАз/АЮаАБ, изготовленный методом ЭЛЛ и жидкостного химического вытравливания меза-структуры и формирования затворов Шоттки [36]. ДЭГ формируется на границе раздела слоёв ОаАз и АЮэАб. На боковых стенках полученного при травлении канала с ДЭГ электрохимическим способом сформированы планарные затворы Шоттки. Напряжение, подаваемое на эти островки, обеспечивает ограничение ДЭГ в островки. Если в структуре с расщеплённым затвором (рис. 4) электрическое поле приложено перпендикулярно ДЭГ, то горизонтальное электрическое поле, вызванное напряжением на планарном затворе Шоттки, действует на электроны в направлении, параллельном ДЭГ, вызывая его сильное ограничение. Рабочая температура прибора - до 20 К. Существует ряд одноэлектронных структур с ДЭГ в 5-легированной пластине ОаАз. В таких структурах ДЭГ лежит выше 5-легированного слоя. Контуры структур (исток, сток, затворы и канал) очерчены методами ЭЛЛ и травления меза-структуры в пластине ОаАз с 5-легированным слоем. В результате прикладывания напряжения к боковым затворам, а также ввиду наличия примесей и шероховатостей границ в структуре происходит разделение канала с ДЭГ на ряд островков. Такие структуры относятся к классу цепочек туннельных переходов и могут использоваться при создании одноэлектронной памяти. Рабочая температура структур с ДЭГ в 8-легированной структуре ваАз около 4,2 К.

Таким образом, авторами работы [1] предложена классификация приборов наноэлектроники, работающих на основе эффекта одноэлектронного туннелирования. Большое количество известных в настоящее время одноэлектронных приборов может быть описано в рамках данной классификации. Авторы работы отмечают, что появившиеся структуры, которые можно отнести к функционально-интегрированным элементам или простей