Температурные зависимости параметров вольт-амперной характеристики резонансно-туннельного диода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательский ядерный университет

Московский инженерно-физический институт

«Компьютерного моделирования, физики наноструктур и сверхпроводимости»

Контрольная работа

на тему: «Температурные зависимости параметров вольт-амперной характеристики резонансно-туннельного диода»

2011 г.

Введение

В настоящее время интерес к резонансно-туннельным структурам (РТС) вызван как с точки зрения их фундаментального исследования, так и с точки зрения большого количества возникающих возможностей для их практического применения. Преимущества использования РТС в качестве компонентов интегральных схем (ИС), где они могут дать существенный прирост производительности за счет возможности работать на больших частотах. Одним из видов таких РТС является резонансно-туннельный диод (РТД). Для построения ИС на основе РТД, необходимо знать статические и динамические параметры, в том числе вольт-амперные характеристики (ВАХ) и вольт-фарадные характеристики (ВФХ). Данная работа направлена на экспериментальное исследование характеристик ВАХ и ВФХ РТД и их зависимости от температуры.

Литературный обзор

Динамика изменения характеристик резонансного туннелирования в широком температурном диапазоне изучена слабо и ограничивается областью температур Т>77 К. Так, например, в [1, 2] представлены результаты исследования термически активированного резонансно-туннельного тока при низких уровнях напряжений, из которых было определено положение квантового уровня по отношению к уровню Ферми контакта. В [3] проведены измерения (статистических ВАХ в диапазоне Т=77-300 К, откуда затем определены температурной зависимости отношения токов пик/долина двухбарьерной резонансно-туннельной структуры AlxGa1-xAs/GaAs.

В 1974 году Чанг, Эсаки и Тсу [4] наблюдали резонансное туннелирование в двубарьерных структурах типа Ga0.3Al0.7As - GaAs - Ga0.3Al0.7As: первая с шириной барьеров 80 A и шириной ямы 50A; вторая с шириной барьеров и ямы по 40 A соответственно. Высота барьеров в обоих случаях 0.4 эВ. Концентрация электронов в подложке и электродах (GaAs) n = 1018 см-3, а энергия Ферми 40 мэВ.

Они рассмотрели зависимость кондактанса от напряжения при температурах 4.2 К, 77 К и 300 К. На рис.1 представлены данные, полученные Чангом, Эсаки и Тсу для первой структуры. При комнатной температуре мы видим монотонную кривую зависимости кондактанса от напряжения, что говорит о сильном температурном размытии и подразумевает относительно малую высоту барьера. С уменьшением температуры начинают проявляться особенности зависимости кондактанса от температуры. Это говорит о том, что большой вклад в туннелирование вносят фононы. При Т=4.2 К кривая имеет схожий характер, кроме известного аномального поведения при нулевом напряжении смещения. Тот факт, что особенности полученной зависимости при гелиевой температуре сгладились, объясняется наличием структурных флуктуаций и рассеянием на примесных атомах. Ассиметричный характер зависимостей кондактанса от напряжения объясняется ассиметричностью исследуемой двухбарьерной структуры.

Рис. 1 - Зависимость кондактанса от напряжения смещения для двухбарьерной гетероструктуры

Нельзя не отметить работу Соллнера [5] и его соавторов 1983 года.

Они наблюдали резонансное туннелирование при комнатной температуре и признаки области ОДС при 200 К. Параметры образца Ga0.75Al0.25As/ GaAs /Ga0.75Al0.25As: ширина барьеров и ямы по 50 A, концентрация доноров в яме ND2 = 1017см-3, концентрация доноров во внебарьерном GaAs ND1=ND3 = 1018см-3, высота барьеров 0.23 эВ.Так же исследовался отклик на внешний терагерцовый сигнал, вследствие чего была выявлена граничная частота при 2.5 ТГц. Эта работа показала, что резонансно-туннельный диод на двубарьерной гетероструктуре может быть хорошим терагерцовым генератором.

С момента своего появления на свет, резонансно-туннельный диод никогда не переставал быть интересным для многих физиков (бурное развитие технологии способствует получению все более и более чистых и качественных образцов). К таким ученым можно отнести Мёрфи, Эйзенштейна, Пфайфера и Веста. Прежде чем обратить внимание на их работу, связанную с температурной зависимостью [7], нужно сначала упомянуть о другой работе, которая посвящена образцу [6], в которой подробно описана исследуемая в работе [7] структура. На рис. 2 изображена схема исследуемого образца. Образец представляет собой двухямную гетероструктуру GaAs / AlGaAs / GaAs (пленки GaAs шириной в 200 A - квантовые ямы, пленка AlGaAs в 175 A - барьер), которая была получена методом молекулярно-пучковой эпитаксии. По краям образца вожжены индиевые контакты (на боковом разрезе на верхней вставке обозначены как «С»). Они образуют омический контакт к обеим ямам одновременно (ямы заштрихованы). Электроды “Top Gate” и “Bottom Gate” нанесены методом фотолитографии. Подавая на них отрицательный потенциал, можно добиться того, что каждый из индиевых электродов образует контакт к разным ямам. Например, отрицательный потенциал, приложенный к электроду “Top Gate” приводит к обеднению электронами той части ямы, которая находится под ним. Аналогично дело обстоит с другой ямой и электродом “Bottom Gate”. На нижней вставке рис.2 изображен вид сверху этого образца. Он сделан в форме креста. Такая форма позволяет использовать четырехконтактный метод Ван дер Пау для измерения подвижности электронов и представляется возможным определить их концетрацию при помощи эффекта Холла и Шубникова-де Гааза.

Рис. 2 - Схематическое изображение образца из работы

Аналогичные три образца были использованы в статье [7] (ширины барьеров AlxGa1-xAs различаются в диапазоне от 175 A до 340 A и 0.1 < x < 0.33). Эта статья посвящена влиянию электрон-электронного (e-e) и электрон-фононного (e-ph) рассеяний на ширину резонансного пика. Измерения были проведены методом туннельной спектроскопии при четырех температурах в диапазоне от T = 110.7 K до 10 K. Поскольку при 2D-2D туннелировании, а здесь рассматривается именно оно, сохраняется компонента импульса, параллельная барьеру, то туннельная проводимость должна обращаться в нуль при всех напряжениях, кроме тех, при которых уровни квантования в ямах выравниваются. Авторы этой работы считают, что в данном случае e-e рассеяние вносит доминирующий вклад в уширение пика.

Рис. 3 - Зависимость туннельной проводимости от напряжения при разных температурах

На рис. 3 приведена зависимость dI/dV от V для образца с одной и той же концентрацией электронов в обеих ямах (Ns = 1.6?10^11 см-2). Из графика видно, что при увеличении температуры пик уширяется и понижается, а значит, время жизни электронов уменьшается из-за e-e рассеяния в каждой яме. Во вставке рис.4 представлен график функции F(V)=I/V, которая получена из данных dI/dV численным интегрированием. С этой функцией удобнее работать, поскольку при сохранении импульса F(V) является сверткой спектральной функции A(E,k) 2D-электронов (спектральная функция A(E,k) дает вероятность того, что электрон с волновым вектором k имеет энергию E, и обладает сильным пиком при энергии (h2 k2 /2m)). В основной части рисунка приведена температурная зависимость ширины Г кривой F(V) для трех образцов. Образцы А и В имеют почти равные концентрации 2D-электронов в ямах ( Ns = 1.6?10^11 см-2 у образца А и Ns = 1.5?10^11 см-2 у В ), но разное значение Г (Т=0) (так называемое количество статического беспорядка). Образец С имеет меньшую плотность (Ns = 0.8?10^11 см-2), но такое же количество статического беспорядка, что и образец В. Факт, что при температуре ниже T= 2 K кривая Г почти не зависит от T, является свидетельством того, что неупругие процессы становятся пренебрежительно малыми. В этом режиме ширина резонансной кривой чувствительна к плотности неоднородностей и рассеянию на статическом неупорядоченном потенциале (например, на Si-донорах). При температуре T > 2 K величина Г растет квадратично с температурой. Причем видно, что Г увеличивается с уменьшением концентрации Ns, следовательно, температурная часть Г зависит от плотности 2D электронов, а не от беспорядка. А это в свою очередь предполагает неэластичные процессы, такие, как e-e и e-ph (акустические фононы) рассеяния. Но вклад e-ph рассеяния можно считать малым, так как при туннелировании с участием фононов с ростом температуры пик туннельной проводимости увеличивался бы.

Рис. 4 - Зависимость ширины Г кривой F(V) от температуры из работы

По получению вольт-амперных характеристик РТД к настоящему времени проведено много работ, в том числе работы по изучению зависимости ВАХ от температуры.

В работе [8] были исследованы ВАХ в диапазоне температур 10-200 К. В качестве образца исследования выступали РТД дырочного типа на основе гетероструктуры Si0.6Ge0.4/Si(1 0 0), изготовленные методом химического парофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD). Толщина Si0.6Ge0.4-квантовой ямы, Si-барьеров и Si0.6Ge0.4-спейсерных слоев -7, 4 и 15 нм соответственно. На рис.5 представлены полученные зависимости ВАХ.

Рис. 5 - ВАХ при T=10-200 К

Из экспериментальных ВАХ были получены температурные зависимости следующих параметров РТД в прямом и обратном направлении: напряжения смещения пика (рис.2а), тока пика (рис.2b), тока долины (рис.2c), отношения ток пика/ток долины (рис. 2d), разности тока пика-тока долины (рис. 2e).

Рис. 6 - Температурные зависимости параметров РТД

Напряжении смещения пика постепенно уменьшается с увеличением температуры, а при Т=110-120 К наблюдается резкий спад напряжения, минимальное значение Vpeak=8 mV при T=200 K. Причиной подобного скачка авторы назвали возможные изменения в процессе туннелирования, связанные с уменьшением энергии резонансного уровня тяжелых дырок в квантовой яме вследствие увеличения величины их эффективной массы. Зависимости токов пика и долины от температуры имеют немонотонный характер: увеличение до максимального значения при Т=30-70 К, а далее-резкий спад в том же температурном диапазоне Т=100-120 К, в котором наблюдался и спад напряжения смещения пика. Температурные зависимости (Ipeak/Ivalley) и (Ipeak-Ivalley) слабо изменяются при низких температурах, а по достижении области спада напряжения смещения пика терпят резкий скачок до максимума. При дальнейшем увеличении температуры отношение тока пика к току долины уменьшается. Такой характер зависимости, по мнению авторов статьи, связано с тем, что рост туннельного тока происходит медленнее, чем рост фонового тока, возникновение которого связано с наличием примесей и других факторов.

В статье [9] проведены измерения зависимости ВАХ от температуры. В качестве образца использовалась трехбарьерная РТС InGaAs/InAlAs, выращенная на подложке InP(001) методом молекулярной лучевой эпитаксии (MBE). Толщина первой и второй InGaAs-квантовых ям- 6.8 и 5 нм соответственно, верхнего InAlAs-барьера-1,9нм, среднего-3,1 нм, нижнего-1,9. В качестве спейсерных слоев выступали слои из InGaAs толщиной 5,6 нм, контактных слоев- n+ InGaAs, допированные Si, n=1*10^18 см-3. На рис.7(а) показаны вольт-амперные характеристики трёхбарьерной структуры InGaAs/InAlAs, размером 3*6 мм2, полученные при комнатной (300 К) и азотной (77 К) температурах. Эксперимент показывает, что наблюдается незначительная зависимость значения тока пика и долины от температуры. Ток пика незначительно уменьшается при 77 К по сравнению с 300К при V=0,2В. Так же ВАХ при 77К имеет более широкую нисходящую часть и более высокое значение напряжения долины.

Рис. 7(a) - ВАХ РТС InGaAs/InAlAs при комнатной и азотной температурах

На рис 7(б) приведена вольт-амперная характеристика трёхбарьерной структуры GaAs/AlAs, размером 3*6 мм2 при комнатной(300к), азотной(77к) и гелиевой(4к) температурах.

Рис. 7(b) - ВАХ РТС GaAs/AlAs при комнатной, азотной и гелиевой температурах

В трёхбарьерной структуре GaAs/AlAs наблюдается более ярко выраженная зависимость ВАХ от температуры. С понижением температуры уменьшается пиковое значение тока, так же уменьшается отношение пик-долина.

Экспериментальная часть

В качестве образцов исследования выступали два типа РТД, каждый из которых выполнен на основе гетероструктуры GaAs/AlAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии. РТД представляет собой двухбарьерную квантовую структуру, где барьерами являются слои из AlAs, а квантовой ямой-слой GaAs. Слои образуют характерный двухбарьерный потенциальный профиль дна зоны проводимости (рис.8). Параметры структуры представлены в табл. 1. Различие между двумя типами РТД состоит в разной площади мезы, для одного она составляет 6х6 мкм2, для другого 20х20 мкм2.

Табл. 1 - Размеры слоев двухбарьерной квантовой структуры

На рис. 8 представлена фотография двух образцов с мезой 6х6 мкм2, сделанная оптическим микроскопом с 200-кратным увеличением. На нижней контактной площадке размещена структура, сверху подведена верхняя контактная площадка.

Рис. 8 - Энергетическая диаграмма РТД с приложенным напряжением смещения

Рис. 9 - Образец с мезой 6х6 мкм2

Стоит заметить, что структура несимметричная, основное отличие в размере спейсерных слоёв. Поэтому были проведены исследования как прямого, так и обратного включения РТД. Прямое и обратное включение определяется направлением тока через структуру. Измерения ВАХ и ВФХ РТД проводились на созданных ранее специализированных установках. Напряжение смещения задавалось с внешнего прецизионного источника питания. Для охлаждения образца до температуры 12 К был применен криокулер, использующий замкнутый цикл гелия.

1. Измерение ВАХ РТД.

Основными параметрами, характеризующими ВАХ, являются отношение токов пик-долина, положение и ширина области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП).

Измерение ВАХ при прямом включении РТД (образец с мезой 6х6 мкм2)

В диапазоне температур 12- 293 К были измерены вольт-амперные характеристики образцов в прямом направлении. На рис.1 приведены ВАХ, полученные при температурах Т = 293 К и Т = 12 К.

Рис. 10 - ВАХ РТД в прямом направлении

Как можно заметить, ВАХ изменяется с падением температуры как внутри области ОДП, так и до области ОДП (выполаживается), и сама область ОДП смещается в сторону больших напряжений.

По полученным ВАХ были найдены значения максимума модуля отрицательной дифференциальной проводимости:

Из полученных данных видно, что при уменьшении температуры образца, максимальное значение отрицательной дифференциальной проводимости увеличивается и смещается в сторону более высоких напряжений.

Для более детального исследования из ВАХ при промежуточных значениях температуры были получены следующие дополнительные зависимости:

1) Зависимость границ ОДП от температуры образца.

Рис. 11

Видно, что при уменьшении значения температуры, ширина области ОДП сужается, а при приближении температуры РТД к азотной, ширина ОДП становится почти постоянной.

2) Зависимость тока пика и тока долины от температуры образца.

Рис. 12

При понижении температуры до азотной значение разность тока пика и тока долины увеличивается, при дальнейшем понижении разность практически перестаёт изменяться.

3) Зависимость отношения ток пика/ток долины от температуры образца.

Рис. 13

Данная зависимость показывает, что с уменьшением значения температуры отношение растёт, однако при приближении к азотной температуре рост отношения пика к долине приостанавливается и отношение выходит на почти постоянное значение.

4) Зависимость средней дифференциальной проводимости от температуры образца.

Рис. 14

Данная зависимость показывает, что при понижении температуры образца, средняя дифференциальная проводимость повышается.

5) Зависимость средней мощности возможного излучения от температуры образца.

Рис. 15

При понижении температуры РТД средняя мощность возможного излучения уменьшается.

Измерение ВАХ при обратном включении РТД (образец с мезой 20х20 мкм2)

В диапазоне температур 52 - 298 К были измерены вольт-амперные характеристики образцов в обратном направлении. На рис.1 приведены ВАХ, полученные при температурах Т = 298 К и Т = 52 К.

Рис. 16 - ВАХ РТД в обратном направлении

ВАХ изменяется с падением температуры как внутри области ОДП, так и до области ОДП, а сама область ОДП смещается в сторону больших напряжений.

По полученным ВАХ были найдены максимальные значения отрицательной дифференциальной проводимости:

Таким образом, при подключении РТД в обратном направлении, при понижении температуры максимум дифференциальной проводимости уменьшается и смещается в область более высоких напряжений смещения.

При промежуточных значениях температуры были получены следующие дополнительные зависимости:

Зависимость границ ОДП от температуры образца.

Рис. 17

Легко заметить, что при обратном включении РТД понижение температуры до азотной способствует расширению области ОДП,

2) Зависимость тока пика и тока долины от температуры образца.

Рис. 18

При понижении температуры разность токов пика и долины увеличивается.

3) Зависимость отношения ток пика/ток долины от температуры образца.

Рис. 19

Отношение тока пика к току долины схоже зависит от температуры, как и в случае прямого подключения РТД.

4) Зависимость средней дифференциальной проводимости от температуры образца.

Рис. 20

При понижении температуры средняя дифференциальная проводимость уменьшается.

5) Зависимость средней мощности возможного излучения от температуры образца.

Рис. 21

Из полученной зависимости видно, что при понижении температуры мощность возможного излучения увеличивается.

2. Измерение ВФХ РТД.

Для получения ВФХ был использован метод, основанный на измерении разности фаз между током и напряжением измерительного сигнала, с помощью фазового детектора. Напряжение смещения задавалось с внешнего прецизионного источника питания. Для охлаждения образца до температуры 12 К был применен криокулер, использующий замкнутый цикл гелия.

ВФХ при Т=293К

Рис. 22

Полученные зависимости ВФХ имеют немонотонный характер - наблюдаются области с почти неменяющейся ёмкостью, области с резкими пиками и отрицательной ёмкостью. Все особенности кривой находятся в области отрицательной дифференциальной проводимости. При прохождении в обратном направлении наблюдается небольшой гистерезис в пиках.

Рис. 23

ВФХ при Т=12К.

При понижении температуры общий характер кривой сохраняется, однако все особенности в области ОДП достаточно сильно сглаживаются.

Рис. 24

резонансный туннельный диод напряжение

Рис. 25

Рис. 26

Выводы

В работе были измерены ВАХ и ВФХ РТД при температурах от 298 К до 12 К в прямом и обратном направлениях.

ВАХ изменяется с падением температуры как внутри области ОДП, так и до области ОДП (выполаживается), и сама область ОДП смещается в сторону больших напряжений. По полученным ВАХ были найдены:

значения максимума модуля отрицательной дифференциальной проводимости. При прямом подключении с уменьшением температуры образца максимальное значение ОДП увеличивается и смещается в сторону более высоких напряжений. При подключении РТД в обратном направлении с понижением температуры максимум дифференциальной проводимости уменьшается;

зависимость границ ОДП от температуры образца. Оказалось, что при прямом включении РТД понижение температуры способствует сужению области ОДП, а при обратном-расширению;

зависимость тока пика и тока долины от температуры образца. И в прямом, и в обратном направлении при понижении температуры разность токов пика и долины увеличивается;

зависимость отношения ток пика/ток долины от температуры образца. Обнаружено, что с понижением температуры до азотной, отношение растёт, при дальнейшем понижении температуры отношение токи пика/долины выходит практически на постоянное значение. Данная тенденция сохраняется при прямом и обратном включении РТД;

зависимость средней дифференциальной проводимости от температуры образца. При понижении температуры средняя дифференциальная проводимость увеличивается при прямом подключении и уменьшается при обратном;

зависимость средней мощности возможного излучения от температуры образца. Из полученной зависимости видно, что при понижении температуры средняя мощность возможного излучения уменьшается при возрастающем напряжении и увеличивается при убывающем.

Воль-фарадные характеристики РТД при Т=293К и Т=12 К имеют особенности в области ОДП. В обоих случаях наблюдается гистерезис по емкости в пиках кривой. При понижении температуры особенности на ВФХ по-прежнему присутствуют и сдвигаются за областью ОДП, однако наблюдается значительное уменьшение их амплитуды.

Размещено на Allbest.ru