САМОПОДДЕРЖИВАЮЩИЕСЯ ОСЦИЛЛЯЦИИ ТОКА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ТРАНСПОРТЕ В СВЕРХРЕШЕТКАХ GaAs/AlGaAs С ШИРОКИМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.315.572

САМОПОДДЕРЖИВАЮЩИЕСЯ ОСЦИЛЛЯЦИИ ТОКА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ТРАНСПОРТЕ В СВЕРХРЕШЕТКАХ СаАБ/АЮаАв С ШИРОКИМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ

Ю. А. Митягин, В. Н. Мурзин, А. А. Пищулин, И. П. Казаков

В сверхрешетках СаАв/АЮаАз с широкими квантовыми ямами проведены исследования, как экспериментальные, так и посредством численного моделирования, эффекта незатухающих осцилляции тока при поперечном транспорте, обусловленных формированием границы домена электрического поля при низких уровнях легирования структур. Обнаружен ранее не наблюдавшийся эффект периодической и сильной зависимости частоты осцилляции от напряжения смещения. Период указанной зависимости соответствует периоду ОДП резонансов в статических ВАХ сверхрешеток. Частота осцилляций при изменении напряжения в пределах одного периода изменялась в несколько раз. Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен особенностями свойств системы в непосредственной близости от концентрационного порога неустойчивости.

В последние годы возник дополнительный интерес к изучению явлений, связанных с образованием доменов электрического поля при поперечном транспорте в полупроводниковых сверхрешетках, обусловленный, с одной стороны, развитием теоретических методов описания процессов резонансного туннелирования в таких структурах [1-3], и, с другой стороны, открытием новых эффектов, обусловленных резонансно-туннельным характером протекания тока при поперечном транспорте в сверхрешетках - токовой мультистабильности [4, 5] и возникновения самоподдерживающихся высокочастотных

осцилляций тока в поперечном постоянном электрическом поле [6 - 10]. Эффект самоподдерживающихся осцилляций тока обусловлен весьма специфическим типом токовой неустойчивости, связанной с возникающей при определенных условиях нестабильностью положения границы домена электрического поля и представляет как фундаментальный, так и определенный прикладной интерес, поскольку частота осцилляций может варьироваться при изменении параметров структур, согласно теоретическим оценка;.' [6], в весьма широких пределах - от десятков килогерц до величин ~ 100 ГГц. Эффект осцилляций тока наблюдался в слабосвязанных сверхрешетках с пониженным уров нем легирования [7 - 9]. К настоящему времени экспериментальные исследования этого эффекта выполнены на ограниченном наборе структур, и объяснение явления дале ко от завершения. Поэтому необходимость экспериментальных исследований в этом направлении с целью выяснения условий существования эффекта и связи частотных характеристик осцилляций с параметрами сверхрешеток (ширинами квантовых ям и барьеров, степени и характера легирования) сохраняет свою актуальность.

Данная работа посвящена исследованиям, как экспериментальным, так и методами численного моделирования, эффекта незатухающих осцилляций тока, обусловленных неустойчивостью границы домена электрического поля при поперечном транспорте в сверхрешетках GaAs/AlGaAs с широкими квантовыми ямами. Исследовались выра щенные методом МЛЭ сверхрешетки GaAs/Alo^GaojAs n-типа (ширина ям - 250 Л ширина барьеров - 100 А, 30 периодов), заключенные между двумя сильно легированными (2 • 1018 см~3) слоями n+-GaAs. Уровень легирования структуры (объемная концентрация легирующей примеси кремния Nj = 5 • 1015 см~3) выбран достаточно низким, чтобы обеспечить, в соответствии с рекомендациями теории, искомый режим неустойчивости доменной границы. Измерения проводились на мезоструктурах с дна метром мез 500 мкм и Cr/Au контактами, изготовленными вакуумным напылением со стороны верхних частей мез и на обратной стороне n+-GaAs подложки.

Схема включения структуры приведена на вставке на рис. 1. Постоянное напряже ние смещения U прикладывалось к образцу, а ток измерялся с помощью нагрузочного сопротивления R, сигнал с которого по коаксиальному кабелю подавался на вход си стемы регистрации. Сопротивление R выбиралось достаточно малым (50 - 150 Ом), чтобы не искажать существенным образом вольт-амперные характеристики образца

Выбор типа структур был обусловлен наличием в каждой из квантовых ям нескольких подзон размерного квантования и соответственно возможностью наблюдать в них формирование нескольких типов доменов электрического поля, соответствующих ре

зонансному туннелированию из первой подзоны предыдущей ямы в одну из верхних подзон последующей ямы.

и, мВ и, мВ

Рис. 1. Измеренные статические вольт-амперные характеристики сверхрешеток СаАз/А1о,3Са0 7Аз при Т = 77 К; на вставке - схема включения структуры.

Рис. 2. Измеренные статические вольт-амперные характеристики сверхрешеток СаАз/А10.3Са0 7Аз при Т = 4.2К.

Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) сверхрешеток (усредненные по времени), измеренные при температурах 77 и 4.2 К, приведены на рис. 1 и 2. При обеих полярностях приложенного напряжения ВАХ имели характерный ступенчатый вид с несколькими платообразными участками, обусловленными формированием доменов электрического поля и дискретным перемещением границы домена вдоль оси сверхрешетки. Общее количество наблюдаемых платообразных участков (4) соответствует числу уровней размерного квантования в каждой из квантовых ям (5) (последний платообразный участок на рис. 1 и 2 не показан).

Измерения с временным разрешением показали, что при определенных величинах напряжения смещения (соответствующих платообразным участкам ВАХ) возникают

100

и=-2440мВ Т=4.2К

0 -

т-1-1-1-1 I I

1-1-1-1-1-1 > I » I I-1-1-1-г

О

50

100

150

200

250

I, МКС

Рис. 3. Зависимость от времени тока через сверхрешетку при включении постоянного напряжения смещения II.

незатухающие осцилляции тока через структуру. Типичная картина осцилляций приведена на рис. 3 при температуре Т = 4.2 К, а области значений напряжения смещения при которых наблюдался эффект, отмечеы на рис. 1 (Т = 11 К) и рис. 2 (Т = 4.2 К) горизонтальными отрезками. Частотные характеристики осцилляций не зависели о*: параметров измерительной цепи, что свидетельствует о внутренней природе токовой неустойчивости, ответственной за эффект осцилляций. Осцилляции наблюдались на плато ВАХ, соответствующих туннельным резонансам 1-3, 1-4 и 1-5; при этом частота осцилляций возрастала с увеличением номера туннельного резонанса. Так, при Т = ПК частота основной гармоники осцилляций на плато 1-3 (£/ = 540 — 1000мВ) составляла ~ 60 кГц, на плато 1-4 (£/ = 1500 — 2000 мВ) - 250 — 300 кГц, на плато 1-5 ([/ = 3050 — 3150 мВ) - 6 — 8 МГц. Наблюдаемое увеличение частоты объясняется увеличением вероятности туннелирования в верхние подзоны [5, 9].

При понижении температуры до 4.2 К наблюдались осцилляции тока, но с несколько более низкими частотами. Если в случае положительной полярности приложенного напряжения не наблюдалось заметной зависимости частоты осцилляций от напряжена

200

I I М I I I I I I I I I I I I М I I I I I I М I I I I I I I II I I I

1700 1900 2100 2300 2500

0.10

0.00

0.10

0 00

=1

и 0.10

0.00

0.10

0.00

0.10

0.00

1.15-10" см"1

» Т» > Т Г I I I I Г 1 I I Г 1 [» I I I I I » I I | I I I I I I I I

ПИШИ1'

I * 1 1Л 1Л10 ли'1

1.10-10'° см'

I I I | I Г г

щитип

1.0-10'° см1

N,,=0.40-Ю10 см"2

1600 1700

1800 1900 II, мВ

2000

1900 2100 и, мВ

Рис. 4. а) Фрагмент измеренной В АХ сверхрешетки СаАз/А103Са0тАз, соответствующий плато 1-4; б) зависимость от напряжения смещения 1} частоты / осцилляции тока для этой же структуры. Т — 4.2 К.

Рис. 5. Рассчитанные зависимости от напряжения смещения частоты осцилляции тока для сверхрешеток СаАв/А10 3Са0 тАз с разной степенью легирования.

то в противоположной полярности была обнаружена ранее не наблюдавшаяся сильная и периодическая зависимость частоты осцилляций от напряжения смещения, приведенная на рис. 4. При этом в пределах одного периода частота осцилляций, как видно из рис. 4, плавно изменяется по величине в несколько раз. Обнаруженная периодическая зависимость /(£/) коррелирует с периодом ОДП (отрицательная дифференциальная проводимость) структуры, наблюдаемой в статических ВАХ. При этом осцилляции наблюдаются только на участках ВАХ с положительной дифференциальной проводимостью, что дополнительно свидетельствует о внутренней природе эффекта.

Обнаруженный эффект периодической и сильной зависимости частоты осцилляций от напряжения смещения ранее не наблюдался. Более того, в известных экспериментальных работах осцилляции в сверхрешетках с отчетливо выраженной ОДП-структурой на плато статических ВАХ вообще не имели места. Принято было считать

[9], что отсутствие ОДП-структуры в В АХ является указанием на нестабильность домена и возможность существования токовых осцилляций.

Рис. 6. Рассчитанные токовый отклик при включении смещения и зависимость от времени профиля распределения электрического поля вдоль оси структуры для сверхрешето >: СаАэ/А^ 3Са0.7Лз (¿\у = 250 А, ¿в = ЮОЛ, 30 периодов) с различным уровнем легирования

Для интерпретации результатов эксперимента было выполнено численное моделирование процессов резонансного туннелирования и формирования доменов электрического поля, основанное на кинетической дискретной модели поперечного транспорта в сверх решетках [5]. Параметры туннелирования для рассматриваемых структур были опре делены из результатов измерений статических В АХ по методике, изложенной в [5]. Оказалось, что при уровнях легирования, меньших некоторого критического значения N(^Kp (для используемых модельных параметров эта величина составляла Л^р = 2-1015 см ~ () в сверхрешетке возникает неустойчивость домена и связанные с нею незатухающие осцилляции тока. На рис. 5 приведены результаты расчета усредненных по времени В АХ и зависимости частоты осцилляций тока (в тех случаях, если они имеют место) от на пряжения смещения при различных значениях концентрации N4 легирующей примеси вблизи Как видно из рис. 5, расчет подтверждает возникновение периодического

типа зависимости частоты осцилляций от напряжения смещения в непосредственной

близости от Ndxp, причем обнаруженная периодическая зависимость усиливается по мере приближения N¿ к NdKp. Наряду с этим по мере приближения N¿ к NdKp в рассчитанных ВАХ все более отчетливо проявляется ОДП-структура, и, наоборот, по мере понижения N¿ ОДП-структура ВАХ становится все менее и менее выраженной, как и периодическая зависимость частоты осцилляций. Характер токовых осцилляций иллюстрируется рис. 6, на котором рассчитанные временные зависимости тока приведены совместно с данными расчета профиля распределения электрического поля вдоль оси сверхрешетки. Из рисунка следует, что осцилляции тока связаны с неустойчивостью и периодическим перемещением во времени границы домена электрического поля в пределах нескольких периодов сверхрешетки.

Результаты расчетов позволяют дать качественное (принимая во внимание влияние несовершенства реальных структур) объяснение наблюдаемого эффекта. Возникающая периодическая зависимость частоты осцилляций тока от напряжения смещения является следствием особенностей свойств системы в непосредственной близости от порога неустойчивости в окрестности ОДП, отвечающих последовательному перескоку доменной границы между квантовыми ямами в структуре. По-видимому, уровень легирования в экспериментально исследуемых структурах оказался достаточно близким к критическому значению NdKp, что и обеспечило возникновение наблюдаемой на эксперименте периодической зависимости частоты осцилляций от напряжения смещения U. Заметим, что характер зависимости f(U) в пределах одного периода, следующий из модельного расчета, несколько отличается от экспериментально наблюдаемого, что указывает на необходимость либо уточнения используемых в расчете туннельных характеристик, либо усовершенствования самой модели.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект N 97-02-17474).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Р г е n g е 1 F., Wacker A., S с h о о 1 1 Е. Phys. Rev. В, 53, (1994).

[2] Bonilla L. L., Galan J., Cuesta J. A., et al. Phys. Rev. В, 50, 8644 (1994).

[3] W а с k e г A. in: Theory of Transport Properties of Semiconductor Nanostructures, ed. by E. Scholl (Chapman and Hall, 1998).

[4] К a s t r u p J. et al. Appl. Phys. Lett., 65, 1808 (1994).

[5] М и т я г и н Ю., М у р з и н В. Н. Письма в ЖЭТФ, 64, 146 (1996).

[6] W а с к е г А., Prengel F., Scholl Е. Proc. 22nd Int. Conf. Phys. Semicond., ed. by D. J. Lockwood (World Scientific, Singapore, 1995), p. 1075.

[7] G r a h n H. T. et al. Jap. J. Appl. Phys., 34, 4526 (1995).

[8] К a s t r u p J. et al. Phys. Rev. B, 52, 13761 (1995).

[9] Rastrup J., Hey R., P 1 о о g К. H., et al. Phys. Rev. В, 55, 2476 (1997). [10] Zhang Y., Rastrup J., P 1 о о g К. H., G r a h n H. T. Phys. Rev.

Lett., 77, 3001 (1996).

Поступила в редакцию 2 февраля 2000 г.