Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Морфология гетерограниц и транспорт двумерных электронов в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами

Диссертация: Морфология гетерограниц и транспорт двумерных электронов в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Недавно была предложена новая концепция подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси. В рамках этой концепции подавление рассеяния ДЭГ в GaAs квантовых ямах достигается не только пространственным разделением областей легирования и переноса носителей заряда, но и экранировкой флуктуационного потенциала положительно заряженных доноров Х-электронами, возникающими в слоях AlAs… Читать ещё >

Содержание

  • Список сокращений
  • Список обозначений
  • Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи
    • 1. 1. Структуры с двумерным электронным газом
    • 1. 2. Транспортные свойства двумерного электронного газа в классических магнитных полях
    • 1. 3. Влияние морфологии гетерограниц на анизотропию транспортных свойств двумерного электронного газа
  • Постановка задачи
  • Глава 2. Методика эксперимента
    • 2. 1. Ростовая установка и технология изготовления образцов
    • 2. 2. Характеризация поверхности сканирующей зондовой микроскопией
      • 2. 2. 1. Полу контактная топография
      • 2. 2. 2. Сканирующая емкостная микроскопия
      • 2. 2. 3. Анализ представления поверхности, полученного сканирующей микроскопией
    • 2. 3. Методика магнетотранспортных измерений
  • Глава 3. Влияние условий роста на морфологию поверхности исследуемых структур
    • 3. 1. Морфология поверхности образцов
    • 3. 2. Распределение поверхностной локальной ёмкости

Морфология гетерограниц и транспорт двумерных электронов в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешёточными барьерами (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

В настоящее время селективно-легированные полупроводниковые структуры с высокоподвижным двумерным электронным газом (ДЭГ). синтезируемые методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), имеют большое значение для микроэлектроники, а также для экспериментального изучения свойств электронных систем пониженной размерности. Наиболее ярким и значимым фундаментальным явлением, открытым в таких структурах, является дробный квантовый эффект Холла [1]. Основным механизмами, уменьшающими подвижность ДЭГ в селективно-легированных МЛЭ структурах, являются рассеяние на случайном потенциале ионизованных центров легирующей примеси и рассеяние на неровностях гетерограниц. В традиционном GaAs/AIGaAs гетеропереходе высокая подвижность ДЭГ достигается пространственным разделением областей легирования и переноса носителей заряда. Такой способ подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси неизбежно ведет к уменьшению концентрации ДЭГ и не является оптимальным для получения максимальной проводимости, увеличение которой важно как для научных исследований, так и для практического использования МЛЭ структур в быстродействующей электронике.

Недавно была предложена новая концепция подавления рассеяния на случайном потенциале легирующей примеси [2−4]. В рамках этой концепции подавление рассеяния ДЭГ в GaAs квантовых ямах достигается не только пространственным разделением областей легирования и переноса носителей заряда, но и экранировкой флуктуационного потенциала положительно заряженных доноров Х-электронами, возникающими в слоях AlAs сверхрешеток второго рода AlAs/GaAs, которые было предложено использовать в качестве барьеров к квантовой яме. В такой МЛЭ структуре можно получать более высокую проводимость ДЭГ по сравнению с традиционными GaAs/AIGaAs гетеропереходами, что существенно расширяет экспериментальные возможности изучения фундаментальных свойств электронных систем пониженной размерности на основе селективно-легированных структур. Кроме того, благодаря высокой проводимости ДЭГ в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами, они являются весьма перспективными для практического использования в малошумящей СВЧ электронике. Но, несмотря на фундаментальную и прикладную значимость, транспортные свойства ДЭГ в селективно-легированных GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерам и! влияние условий роста на эти свойства остаются до сих пор практически неизученным.

Цель данной диссертационной работы состоит в установлении причин анизотропии транспортных свойств и природы отрицательного МС ДЭГ в GaAs квантовых ямах с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерам, выращенных методом МЛЭ на подложках GaAs с ориентацией (100). Основными задачами являются: исследование морфологии поверхности структуры, исследование анизотропии транспорта ДЭГ в изучаемых МЛЭ структурахизучение особенностей магнетотранспорта в СЛГС с квазипериодической модуляцией ростовых поверхностей и экспериментальное исследование переноса носителей заряда в условиях рассеяния на короткодействующем и дальнодействующем потенциалах [5, 6].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. По результатам диссертации опубликовано 11 работ [7−17].

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Изучено влияние условий синтеза на самоорганизацию рельефа ростовых поверхностей селективно-легированных структур, состоящих из одиночных GaAs квантовых ям с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами, выращенных методом моле-кулярно-лучевой эпитаксии на поверхности GaAs с ориентацией (100). Показано, что среднеквадратическое отклонение высоты рельефа поверхности ¦ уменьшается с 3 нм до 0,3 нм при увеличении давления в потоке мышьяка. Обнаружена анизотропия рельефа для всех структур. Для структуры с наиболее развитым рельефом установлено, что соотношение корреляционных длин для направлений [1Т0] и [110] превышает 4- автокорреляционная функция в направлении [110] имеет квазипериодическую составляющую с характерным периодом 0,8 мкм.

2. Обнаружена и исследована анизотропия подвижности двумерного электронного газа в GaAs квантовых ямах толщиной 10 нм. Установлено, что анизотропный вклад в подвижность возрастает с увеличением среднеквадратического отклонения высоты рельефа ростовых поверхностей и уменьшается при увеличении концентрации электронов в квантовой яме. Обнаруженная анизотропия подвижности объясняется рассеянием носителей заряда на крупномасштабном рассеивающем потенциале.

3. В структурах с развитым рельефом поверхности обнаружены осцилляции маг-нетосопротивления двумерного электронного газа, соизмеримые с характерным периодом этого рельефа. Соизмеримые осцилляции магнетосопротивления обусловлены одномерной потенциальной модуляцией двумерного электронного газа, возникающей благодаря квазипериодическому рельефу.

4. Изучено магнетосопротивление двумерного электронного газа в GaAs квантовых ямах с самоорганизованными непланарными гетерограницами в области классических магнитных полей. Экспериментальные данные сопоставлены с теоретическими зависимостями, учитывающими рассеяние на разных видах потенциала, и результатами численного моделирования. Отрицательное магнетосопротивление, наблюдаемое в структурах с развитым поверхностным рельефом, обусловлено рассеянием на суперпозиции короткодействующего и дальнодействующего электростатического потенциалов и имеет квазиклассическую природу.

5. Сопоставление рельефа ростовых поверхностей, распределения локальной емкости и результатов магнетотранспортных измерений позволяет заключить, что самоорганизация непланарных ростовых поверхностей в изучаемых структурах приводит к возникновению анизотропного крупномасштабного рассеивающего потенциала. В условно «гладких» структурах, с величиной среднеквадратического отклонения высоты рельефа поверхности равной 0,3 нм, он не имеет выраженного периода и проявляется лишь в анизотропии подвижности. В структурах с развитым поверхностным рельефом этот потенциал является квазипериодическим и приводит к анизотропии проводимости и появлению максимума в магнетосопротивлении вдоль направления [110] при Bmax ~ 0,15 Тл.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю А. А. Быкову и А. И. Торопову за постоянное руководство и помощь при выполнении работы. Автор также благодарен А. К. Калагину за техническую поддержку при проведении экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе исследована морфология ростовых поверхностей селективно-легированных структур, в которых двумерный электронный газ находится в GaAs квантовой яме с AlAs/GaAs сверхрешеточными барьерами. Изучены транспортные свойства двумерных электронов в таких структурах с различным поверхностным рельефом.

Показать весь текст

Список литературы

  1. R. Hey, K.-J. Friedland, R. Klann, H. Kostial, H.K. Ploog. New route to reduce ionized impurity scattering in modulation-doped GaAs quantum wells. Journal of Crystal Growth, 175−176, 1997, pp. 1126−1130.
  2. A. D. Mirlin, D. G. Polyakov, F. Evers, and P. Wo"lfle. Quasiclassical Negative Mag-netoresistance of a 2D Electron Gas: Interplay of Strong Scatterers and Smooth Disorder. Phys. Rev. Lett. 87, 2001, pp.126 805−1 -126 805−4.
  3. D. G. Polyakov, F. Evers, A. D. Mirlin, and P. Wo"lfle. Quasiclassical magnetotransport in a random array of antidotes. Phys. Rev. В 64, 2001, pp.205 306−1-205 306−19.
  4. А.А., Бакаров А. К., Горан А. В., Латышев А. В., Торопов А. И. Анизотропия магнетотранспорта и самоорганизация корругированных гетерограниц в селективно легированных структурах на (100) GaAs подложках. Письма в ЖЭТФ, том 74, вып. З, 2001, с. 182−185.
  5. А. К., Bykov A. A., Goran А. V., Latyshev А. V. and Toropov A. I. Nonplanar Two-Dimensional Electron Gas Grown on Substrates with Self-Organized Surface Corrugations. Phys. Low-Dim. Struct. (PLDS), 11/12, 2001, pp.253−260.
  6. A.K., Быков A.A., Горан A.B., Деребезов И. А., Попова А. В., Торопов А.И.
  7. Friedland, K.-J.- Hey, R.- Ploog, K.H. Extremely high conductivities in modulation-doped GaAs and (Galn)As quantum wells with AlAs/GaAs type-ll-superlattice barriers. Compound Semiconductors, 1997 IEEE International Symposium, pp.79−82.
  8. Э.М., Гусев Г. М., Квон З. Д., Погосов А. Г., Энтин М. В. Стохастическая динамика двумерных электронов в периодической решетке антиточек. Письма в ЖЭТФ т.55, 11,1992, с.649−652.
  9. Alexander Dmitriev, Michel Dyakonov, and Re’mi Jullien. Classical mechanism for negative magnetoresistance in two dimensions. Phys. Rev. В 64, 2001, pp.233 321−1-233 321−4.
  10. A. V. Bobylev, Frank A. Maa0, Alex Hansen, and E. H. Hauge. Two-dimensional magnetotransport according to the classical Lorentz model Phys. Rev. Lett. 75, 1995, pp. 197−200
  11. E.M. Baskin, M.V. Entin. Magnetic localization of classical electrons in 2D disordered lattice, Physica В 249−251, 1998, pp.805−808
  12. A. D. Mirlin, J. Wilke, F. Evers, D. G. Polyakov, and P. Wo"lfle. Strong Magnetoresistance Induced by Long-Range Disorder, Phys. Rev. Lett. 83,1999, pp.2801−2804.
  13. M. M. Fogler, A. Yu. Dobin, V. I. Perel, and В. I. Shklovskii. Suppression of chaotic dynamics and localization of two-dimensional electrons by a weak magnetic field. -Phys. Rev. В 56, 1997, pp.6823−6838.
  14. C. W. J. Beenakker. Guiding-center-drift resonance in a periodically modulated two-dimensional electron gas. Physical Review Letters 62,1989, pp.2020−2023.
  15. Y. Tokura, T. Saku, S. Tarucha, and Y. Horikoshi. Anisotropic roughness scattering at a heterostructure interface. Phys. Rev. В 46,1992, pp. 15 558−15 561.
  16. A.C. Churchill, G.H. Kim, A. Kurobe, M.Y. Simmons, D.A. Ritchie, M. Pepper, G.A.C: Jones. Anisotropic magnetotransport in two-dimensional electron gases on (311)B GaAs substrates. Journal of Physics: Condensed Matter 6, 1994, pp.6131−6138.
  17. Masashi Akabori, Junichi Motohisa, Takashi Fukui. Large positive magnetoresistance in periodically modulated two-dimensional electron gas formed on self-organized GaAs multiatomic steps. Physica E 7, 2000, pp.766−771.
  18. Y. Nakamura, S. Koshiba, H. Sakaki. Formation of multi-atomic steps and novel n-AIGaAs/GaAs heterojunctions on vicinal (11 1) B substrates by MBE and anisotropic transport of 2D electrons. Journal of Crystal Growth, 175−176,1997, pp. 1092−1096
  19. Y. Nakamura, H. Sakaki. Anisotropic magneto-resistance of laterally modulated GaAs/AIGaAs systems with a 15−20 nm periodicity formed on vicinal (111)B substrates. Physica B: Condensed Matter, 256−258,1998, pp.273−278.
  20. K.-J. Friedland, R. Hey, O. Bierwagen, H. Kostial, Y. Hirayama, K.H. Ploog. Conductance anisotropy of high-mobility, modulation-doped GaAs single quantum wells. -Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 13, 2002, 2−4, pp.642−645.
  21. Georgios Apostolopoulos, Jens Herfort, Lutz Daweritz, and Klaus H. Ploog. Reentrant Mound Formation in GaAs (001) Homoepitaxy Observed by ex situ Atomic Force Microscopy. Physical Review Letters 84,15, 2000, pp.3358−3361.
  22. Yoon Soon Fatt. Scanning force microscopy observation of GaAs and AIGaAs surfaces grown by molecular beam epitaxy. Journal of Applied Physics, Volume 71, Issue 1,1992,pp. 158−163.
  23. Y. Yayon, A. Esser, M. Rappaport, V, Umansky, H. Shtrikman, and I. Bar-Joseph. Long-range Spatial Correlations in the Exciton Energy Distribution in GaAs/AIGaAs Quantum Wells. Physical Review Letters, 89,15, 2002, pp.15 7402(4).
  24. A.A.Bykov, G.M.Gusev, J.R.Leite, A.K.Bakarov, A.V.Goran, V.M.Kudryashev, A.l.Toropov, Quasiclassical negative magnetoresistance of a two-dimensional electron gas in a random magnetic field, Phys. Rev. В 65, 2001, pp.35 302−1-7.
  25. A. Ballestad, B. J. Ruck, M. Adamcyk, Т. Pinnington, and T. Tiedje. Evidence from the Surface Morphology for Nonlinear Growth of Epitaxial GaAs Films. Phys. Rev. Lett. 86, 2001, pp.2377−2380.
  26. D.E.Khmel'nitskii. Quantization of Hall conductivity. JETP Lett. 38, 1983, pp.552−556.
  27. Patrick A. Lee and T.V.Ramakrishnan. Disordered electronic systems. Rev. Mod. Phys. 57, 1985, pp.287−337.
  28. D.K.K.Lee, J.T.Chalker, D.Y.K.Ko. Localization in a random magnetic field: the semi-classical limit. Phys. Rev. В 50, 1994, pp.5272−5285.
  29. F.Evers, A.D.Mirlin, D.G.Polyakov, P.Wolfle. Semiclassical theory of transport in a random magnetic field. Phys. Rev. В 60,1999, pp.8951−8969.
  30. Neave J.H., Joyce B.A., Dobson P.J., Norton N. Dynamics of Film Growth of GaAs by MBE from RHEED Observations. Appl. Phys. A., v.31> 1983, pp.1−8.
  31. G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 1986, pp.930−933.
  32. Руководство пользователя СЗМ Смена. Компания «НТ-МДТ», Москва, 2002, с. 1−157.
  33. Y. Martin, С. С. Williams, and Н. К. Wickramasinghe. Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub 100-A scale. Journal of Applied Physics Volume 61, Issue 10, 1987, pp.4723−4729.
  34. U. DQrig, J. K. Gimzewski, and D. W. Pohl. Experimental observation of forces acting during scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 57,19,1986, 2403−2406.
  35. Yves Martin, David W. Abraham, and H. Kumar Wickramasinghe. High-resolution capacitance measurement and potentiometry by force microscopy. Applied Physics Letters Volume 52, Issue 13,1988, pp. 1103−1105.
  36. Paul Girard. Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors. Nanotechnology 12, 2001, pp.485−490.
  37. П.А. Арутюнов, А. Л. Тол стихи на. Феноменологическое описание характеристик поверхности, измеряемых методом атомно-силовой микроскопии. Кристаллография, Т.43, № 3, 1998, с.524−534.
  38. Z. Ding, D.W. Bullock, P.M. Thibado, V. P. LaBella, Kieran Mullen. Atomic-Scale Observation of Temperature and Pressure Driven Preroughening and Roughening. -Phys. Rev. Lett, v.90, 21, 2003, pp.216 109−1-219 109−4.
  39. Tadashi Saku, Yoshiji Horikishi and Yasuhiro Tokura. Limit of Electron Mobility in Al-GaAs/GaAs Modulation-doped Heterostructures. Jpn.J.Appl.Phys., 35, 1996, pp.34−38.
  40. А.И., Хмельницкий Д. Е. Андерсоновская локализация и аномальное магнетосопротивление при низких температурах. УФН, т.136, вып. З, 1982, с.536−538.
  41. I. L. Aleiner and A. I. Larkin. Divergence of classical trajectories and weak localization. Phys. Rev. В 54, 1996, pp. 14 423−14 444.
  42. Alexander Dmitriev, Michel Dyakonov and Remi Jullien. Anomalous Low-Fiejd Classical Magnetoresistance in Two Dimensions. Physical Review Letters, 89, 2002, pp.26 6804(4).
Заполнить форму текущей работой

На отлично!