Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 10, стр. 1025-1028

ВВЕДЕНИЕ

Исследование электронного транспорта в полупроводниковых сверхрешетках (СР) вызывает большой интерес в течение последних десятилетий [1, 2], в основном, в связи с предсказанным усилением блоховских волн, перспективным для реализации перестраиваемых источников генерации терагерцового диапазона. Однако образование электрических доменов из-за статической отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП), возникающей в СР при резонансном туннелировании между квантово-размерными состояниями в соседних квантовых ямах (механизм Эсаки-Цу), препятствует усилению. В данной работе исследован туннельный ток в СР с электрическими доменами.

1. ОБРАЗЦЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

Были исследованы СР двух типов: на основе GaAs и на основе InAs, выращенные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Указанные СР имели следующие параметры (1 период: яма/барьер): 4 нм GaAs/2 нм AlAs (100 периодов), 4 нм GaAs/3 нм AlAs, (100 периодов) и 4.5 нм InAs/3.5 нм AlSb (60 периодов). СР были расположены между сильно легированными верхним контактным слоем n⁺-GaAs и, соответственно, n⁺-InAs и сильно легированной (~10¹⁹ см^–3) подложкой. СР были легированы мелкими донорами в концентрации 2 × 10¹⁷ см^–3. С помощью электронной литографии были изготовлены меза-структуры в форме колец диаметром 10–15 мкм и шириной кольца 0.8–1.5 мкм. Перед нанесением контактного металла (золота) пластинку с вытравленными мезами покрывали диэлектриком. Кольцевые металлические контакты к структурам формировали также распределенные терагерцовые резонаторы на длину волны в свободном пространстве от 110 до 160 мкм [3]. В таких резонаторах должны эффективно возбуждаться моды, в которых электрическое поле электромагнитной волны направлено поперек слоев, а волна распространяется вдоль периметра кольца. В некоторых образцах (по-видимому, с достаточной добротностью) удавалось наблюдать возбуждение резонатора за счет отрицательного сопротивления СР с доменами [4].

В данной работе был исследован туннельный ток в условиях образования электрических доменов, возникавших из-за наличия ОДП в некоторой области напряжений. К образцам прикладывали треугольные импульсы напряжения с временами нарастания и спада 0.5–100 мкс. Из зависимостей напряжения и тока от времени восстанавливали вольтамперные характеристики (ВАХ) при прямой и обратной развертке напряжения.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены ВАХ сверхрешетки GaAs/AlAs. Движущиеся домены возникали при некотором пороговом напряжении, что проявлялось в резком падении тока (до 50%). Рост тока при напряжении выше порогового свидетельствует о треугольной форме дипольного домена [5] (см. вставку к рисунку). Отрицательный заряд на одной из границ домена (в одной квантовой яме – КЯ) создается свободными электронами (концентрация которых больше, чем на порядок, превышает концентрацию доноров), что обеспечивает необходимый скачок поля, а положительный заряд на другой границе – положительно заряженными донорами. Из-за полного опустошения доноров появляется линейный участок зависимости поля от координаты внутри домена. Действительно, оценка величин полей вне и внутри домена, проведенная по экспериментальной ВАХ, дает концентрацию носителей, необходимую для скачка поля на границе домена, ~5 × 10¹⁸ см^–3, тогда как концентрация легирующих доноров ~2 × 10¹⁷ см^–3. (Здесь и в дальнейшем для анализа характеристик доменной неустойчивости мы используем аналогию с эффектом Ганна.)

Рис. 1.

ВАХ СР GaAs/AlAs при прямой и обратной развертке напряжения. На вставке – форма домена.

Гистерезис тока при прямой и обратной развертке напряжения мы связываем с переходами между режимами со статическим и движущимся доменом. В режиме со статическим доменом на ВАХ появляется участок с насыщением тока. При прямой развертке насыщение начинается при напряжении, когда ток достигает значения в максимуме ВАХ. При обратной развертке область насыщения расширяется до меньших полей. Это связано с тем, что напряжение перехода от движущегося домена к статическому больше, чем для обратного перехода при уменьшении напряжения. Обнаружена также большая асимметрия времен перестройки доменных режимов: переход от движущегося к статическому домену происходит за время меньше 100 нс, а обратный переход – за время ~100 мкс (рис. 2). Большее время связывается с наличием глубоких примесей на одной из границ СР – буферный слой.

Рис. 2.

ВАХ СР GaAs/AlAs при времени развертки напряжения 50 мкс (кривая 1) и 100 мкс (кривая 2).

На рис. 3 приведены ВАХ двух СР GaAs/AlAs, отличающихся толщиной барьеров AlAs – 2 (структура 1) и 3 нм (структура 2). В структуре 2 насыщение тока начинается сразу при пороговом напряжении, т.е. в этом случае образуется только статический домен. Отметим, что поскольку пороговое напряжение начала насыщения тока практически совпадает с напряжением образования движущихся доменов в структуре 1, т.е. соответствует максимуму исходной ВАХ однородного образца, то область сильного поля (для материала n-типа) в этом случае должна находиться у анода [6].

Рис. 3.

ВАХ двух СР GaAs/AlAs с толщиной барьеров 2 нм (кривая 1) и 3 нм (кривая 2).

Другая ситуация возникает в СР InAs/AlSb (рис. 4). Сначала наблюдается насыщение тока, вызванное образованием статического домена и его расширением с ростом напряжения и только при дальнейшем увеличении напряжения начинается рост тока. В этом случае поле в статическом домене должно соответствовать минимуму ВАХ первоначально однородного образца, а домен сильного поля должен находиться у катода. Какой именно статический домен должен образоваться, катодный или анодный, зависит от условий на контактах [6].

Рис. 4.

ВАХ СР InAs/AlSb при Т = 300 K.

Обсудим теперь причину появления максимумов на ВАХ, наблюдавшихся как в СР GaAs/AlAs, так и InAs/AlSb. На рис. 5 показаны ВАХ СР GaAs/AlAs с различным диаметром кольцевого электрода (7, 11 и 15 мкм). Видно, что период этих максимумов практически не меняется, т.е. положение максимумов на ВАХ не зависит от частоты терагерцового резонатора. Отметим также, что в структурах, в которых было зарегистрировано возбуждение резонатора, периодические максимумы не наблюдались [4]. Однако период максимумов заметно менялся при изменении температуры. На рис. 6 приведены ВАХ СР GaAs/AlAs при температурах от 74 до 412 K, а на вставке – разность напряжений третьего и второго максимума в зависимости от температуры.

Рис. 5.

ВАХ СР GaAs/AlAs для кольцевых резонаторов разного диаметра.

Рис. 6.

ВАХ СР GaAs/AlAs при различных температурах. На вставке – разность напряжений третьего и второго максимума в зависимости от температуры.

Мы связываем происхождение этих максимумов с туннельными переходами между КЯ в треугольном домене, сопровождающимися испусканием оптических фононов. Поскольку скорость движения доменов должна совпадать с дрейфовой скоростью электронов в области слабого поля (вне домена), то можно оценить время пролета домена, соответствующее измеренным значениям тока. Для напряжений от порогового до выхода ВАХ на насыщение это время составляет ~20–40 пс, тогда как время формирования домена должно быть порядка максвелловского времени релаксации, которое при уровне легирования 2 × 10¹⁷ см^–3, по крайней мере, на порядок короче. Поэтому можно считать что домен движется полностью сформированным. Тогда максимальное поле в домене можно оценить с помощью уравнения Пуассона, считая сверхрешетку сплошной средой. И наконец, можно оценить разность потенциалов и, соответственно, разность потенциальных энергий между соседними квантовыми ямами в вершине треугольного домена. Такая оценка (безусловно, очень грубая) показывает, что эта разность оказывается порядка 200 мэВ при напряжении на образце 10 В и соответствует энергии нескольких оптических фононов. Тогда объяснение наблюдаемых максимумов сводится к следующему. При напряжениях, когда разность энергий основных уровней размерного квантования является кратной энергии оптического фонона ħω₀, туннельный переход между соседними КЯ происходит с испусканием нескольких оптических фононов. При выходе из этого резонанса туннельный ток должен сильно уменьшаться. Естественно, основной вклад в туннельный ток в домене должны давать КЯ вблизи максимума поля, так как на них падает основное напряжение. Этот процесс показан на рис. 7. При этом мы не рассматриваем возбужденные состояния в КЯ, так как следующий за основным возбужденный уровень в исследуемых СР расположен выше основного на 0.4–0.6 эВ.

Рис. 7.

Схема туннельных переходов внутри домена с испусканием оптических фононов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При комнатной температуре были исследованы короткопериодные СР GaAs/AlAs и InAs/AlSb в условиях образования электрических доменов. При прямой и обратной развертке напряжения наблюдали гистерезис тока и серию максимумов на ВАХ, почти эквидистантных по напряжению. Гистерезис интерпретирован как переход между режимами с движущимся и статическим доменом. В последнем случае на ВАХ появлялся участок с насыщением тока. Обнаружена сильная асимметрия времен перестройки доменных режимов: переход от движущегося к статическому домену происходит за время меньшее 100 нс, а время обратного перехода ~100 мкс.

Рост тока при напряжении выше порогового свидетельствует о треугольной форме дипольного домена, обусловленной полным опустошением доноров внутри домена. Максимумы на ВАХ объяснены туннельными переходами между квантовыми ямами в треугольном домене, сопровождающимися испусканием оптических фононов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 16-29-09626, 16-29-03135) и программы РАН “Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий”.