Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 7, стр. 683-685

ВВЕДЕНИЕ

Исследован туннельный электронный транспорт в сверхрешетках (СР) InAs/AlSb с электрическими доменами при комнатной температуре. Ранее [1] на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) при напряжениях выше порога образования доменов была обнаружена серия максимумов, почти эквидистантных по напряжению. Домены возникали из-за наличия отрицательной дифференциальной проводимости в СР [2]. Для выяснения происхождения этих максимумов были изучены СР InAs/AlSb с разной толщиной квантовых ям.

1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Сверхрешетки InAs/AlSb, выращенные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, находились между сильно легированными (~10¹⁹ см^–3) подложкой и верхним контактным слоем n⁺-InAs. Сверхрешетки были легированы мелкими донорами в концентрации 2 × 10¹⁷ см^–3. Изучались СР (60 периодов) с одинаковыми барьерами (3.5 нм AlSb), но с разной шириной квантовых ям (КЯ): 4, 5 и 6 нм. К образцам прикладывались треугольные импульсы напряжения с временем нарастания 0.5…10 μс. Вольт-амперные характеристики восстанавливались из зависимостей напряжения и тока от времени. Измерения проведены при комнатной температуре.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а–1в приведены вольт-амперные характеристики трех СР InAs/AlSb с толщиной квантовых ям 6, 5 и 4 нм соответственно. При сравнительно слабых напряжениях имеет место резонансное туннелирование по нижней минизоне с линейным начальным участком. Резкое падение тока при некотором пороговом напряжении вызвано образованием движущихся доменов (см., например, [3, 4] и ссылки там). Расчет дисперсионных характеристик СР показал, что ширина первой минизоны в нашем случае около 26 мэВ. Таким образом, при напряжениях U выше 1.5 В в соседних КЯ снимается перекрытие первых минизон в соседних КЯ и проводимость осуществляется за счет нерезонансного туннелирования с релаксацией носителей на акустических фононах, что должно приводить к монотонному росту тока. Рост тока (в среднем), наблюдаемый при напряжениях выше порогового, свидетельствует о треугольной форме дипольного домена [2]. Происхождение треугольной формы движущегося домена вызвано следующим. Для того чтобы обеспечить перепад между областями сильного и слабого поля (вне и внутри домена), необходим достаточно большой заряд на границах (“стенках”) домена. Как показывают оценки [1], этот заряд должен быть примерно на порядок больше, чем уровень легирования в наших СР. Поэтому отрицательный заряд на одной из границ домена (в одной КЯ) создается свободными электронами, а положительный заряд на другой границе – положительно заряженными донорами (концентрация которых на порядок меньше необходимой для формирования границы домена). Из-за полного опустошения доноров и появляется линейный участок зависимости поля от координаты внутри домена. С ростом напряжения увеличивается как длина домена, так и величина максимального поля в нем. При U > 1.5 В на вольт-амперных характеристиках на фоне роста тока наблюдается ряд квазипериодических по напряжению осцилляций. Период этих осцилляций по напряжению для образцов, ВАХ которых приведены на рис. 1а и 1б, соответствует расширению домена на один период СР, т.е. периодические изменения тока в СР с квантовыми ямами 5 и 6 нм связаны с перескоками границы домена в соседнюю квантовую яму. Совершенно другая картина наблюдается для СР с толщиной КЯ 4 нм (см. рис. 1в). Период осцилляций по напряжению здесь значительно больше, чем в предыдущих образцах и не соответствует перескокам границы домена между соседними КЯ. Причина этого, по нашему мнению, заключается в том, что при увеличении ширины КЯ растет энергетическое расстояние между уровнями размерного квантования в КЯ и, соответственно, растет максимальное поле в домене. Мы объясняем эти максимумы тем, что туннельные переходы между КЯ в треугольном домене сопровождаются испусканием оптических фононов. Максимальное поле в домене можно оценить с помощью уравнения Пуассона, считая СР сплошной средой, а также оценить разность потенциальных энергий между соседними КЯ в вершине треугольного домена. Такая оценка (безусловно, очень грубая) показывает, что в узкой КЯ эта разность оказывается больше энергии оптического фонона. Тогда происхождение максимумов сводится к следующему. При напряжениях, когда разность энергий основных уровней размерного квантования является кратной энергии оптического фонона, туннельный переход между соседними КЯ происходит с испусканием 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.

Рис. 1.

Вольт-амперные характеристики сверхрешеток InAs/AlSb с разной толщиной КЯ: W_КЯ = 6 (а), 5 (б) и 4 нм (в), и одинаковой толщиной барьеров: W_б = 3.5 нм.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.