gaasalas超晶格室温下的输运机制及自维持场畴振荡

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1、第19卷第10期　　　　　　　　半　导　体　学　报　　　　　　　Vol.19,No.101998年10月　　　　　　CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSOct.,1998GaAsöAlAs超晶格室温下的输运机制及自维持场畴振荡武建青　江德生　孙宝权(超晶格国家重点实验室　中国科学院半导体研究所　北京　10083)摘要　在GaAsöAlAs(10nmö2nm)弱耦合掺杂超晶格I2V曲线的第一个平台上,我们首先观测到了直流偏压下的室温微波振荡.观测到的最高振荡频率可达142MHz.这种由级联隧穿引

2、起的振荡在测试温度范围14～300K内始终存在.经分析发现:由于垒层仅有2nm,电子隧穿通过垒层的几率很高,相比之下,电子越过势垒而产生的热离子发射电流要小得多.在温度低于300K时,超晶格内的纵向输运机制是级联共振隧穿和声子辅助隧穿.这是室温仍然能观测到自维持振荡的主要原因.由于实现振荡所施加的偏压比较低(在室温下偏压范围大约为015～2V),有利于抑制室温下通过X谷的热离子发射电流.PACC:7320,7220H,7340G[1]自从Esaki和Tsu提出半导体超晶格(SL)概念以来,超晶格内的纵向输运得到了广[

3、2～5]泛的研究.其中,GaAsöAlAs超晶格的场畴及自维持振荡是最受人们关注的一个研究领域.超晶格内的微波振荡依其机制可以分为三种:Bloch振荡,扩展耿氏振荡及场畴振荡.前两种属于微带输运.当电子受外场加速在k空间从k=0向布里渊区边界运动时,如果中途不发生散射,电子将发生布喇格反射,从而导致Bloch振荡产生.Bloch振荡的频率在THz范围.如果电子在到达布里渊区边界前受到散射,但是已经通过布里渊区内色散曲线的拐点,由于有效质量变负,从而导致负阻和振荡的产生.这种振荡叫作扩展耿氏振荡.其频[6]率与器件的载

4、流子浓度(n)和长度(L)之积有关,可达60GHz.第三种振荡机制来自于弱耦合超晶格的级联共振隧穿现象.当一外加偏压加到超晶格上时,基态上的电子会隧穿到邻[2]阱的激发态上去,这将导致场畴的形成和负阻的产生.当超晶格内的掺杂浓度相当高,能在畴边界产生电荷积累并能屏蔽高场畴区与低场畴区之间的电场之差时,将形成稳定的场畴.高低场畴之间将会形成稳定的畴边界.如果掺杂浓度不是足够高,畴边界将会不稳定并[7]导致自维持电流振荡.众所周知,在低温下(比如77K)这种振荡很容易观测到.然而,实用化的器件通常要在室温下工作,因此室温

5、下的输运性质具有非常重要的意义.目前还很少有武建青　男,博士生,从事超晶格输运和光学性质的研究江德生　男,研究员,博士生导师,从事低维结构的电学及光学性质研究1998202224收到本文10期　　　　　武建青等:GaAsöAlAs超晶格室温下的输运机制及自维持场畴振荡　　　　789[2]文章专门进行这方面的探讨,大概是因为较难观测到GaAsöAlAs掺杂弱耦合超晶格在室温下的振荡.室温下,超晶格二极管的热激发背景电流很高,很容易掩盖隧穿电流.在这篇文章中,我们研究了具有较窄垒宽的GaAsöAlAs超晶格二极管I2V特

6、性的温度依赖关系,并首先观测到了在I2V曲线的第一平台上的室温微波振荡.同时分析了温度对GaAsöAlAs超晶格纵向输运的影响.实验所用样品是MBE生长的30周期的掺杂弱耦合GaAsöAlAs超晶格二极管.其生+18-3长程序如下:首先在n(100)GaAs衬底上生长一层450nm的GaAs(1×10cm),之后是17-3100nm厚的GaAs(1×10cm)层.接下去为30周期的GaAsöAlAs(10nmö2nm)超晶格,17-317GaAs阱的中心7nm掺硅至4×10cm.在超晶格上面是三个薄层:100nmGa

7、As(1×10-318-318-3cm),400nmGaAs(1×10cm)和50nmGaAs(4×10cm).生长完成后,将衬底减薄至011mm,再将两个表面蒸发上AuGeNi形成欧姆接触.通过解理的方法将样品解理成011×2011mm的管芯,用铟将管芯焊至铜热沉上便可得到实验所用二极管.热沉作为一个电极,另一电极用键合方法引出.在I2V测量中,用HP8112脉冲发生器作三角波发生器,其输出经一放大器加到样品上.I2V曲线由TektronixTHS720示波器记录.低温由HC22APD氦循环恒温器实现.图1为依Kr

8、onig2Penney模型计算出的10nmö2nmGaAsöAlAs超晶格的能级图.对#谷来说,该结构的基态微带宽度$E#1仅为113meV,表明相邻阱之间的耦合比较弱.我们选取的掺杂浓度比较低,以便获得直流偏压下的自维持振荡.阱的宽度选取的比较宽,这样可使基态能级$E#1较低,子能级间的带隙较窄,$E#1较小.子能级间的带隙较窄可使I2V曲线