Резонансне тунелювання за участю глибоких центрів в напівпровідникових структурах та зв'язані з ним ефекти

Одержані вирази для e(q) дають можливість проаналізувати її для випадків безщільових напівпровідників. Як випливає із рівняння ( 27 ), має місце повне екранування зовнішнього поля на далеких відстанях у випадку, коли Еg =0 та у разі, якщо Еg< 0. В першому з цих випадків зона провідності має конічну форму при малих к, а в другому зона провідності є параболічною. Це означає якісно різні залежності від q при q -- 0 для таких зонних структур:

а) Е = 0; має скінченну величину, що визначається ( 27 );

б) Е < 0; рівняння ( 27) дає e=1+1/pln(q).

В цьому разі потенціал точкового заряду поводить себе, як

V(r)=1/r

на великих відстанях від центра;

в) Е > 0;

Eg/p,qw

де w - величина спін-орбітального розщеплення (остання залежність одержана із використанням точнішого гамільтоніану, ніж ( 25 )). Таким чином, ефект екранування в безщільових напівпровідниках з параболічною зоною провідності є сильнішим, ніж в кристалах із конічною зоною провідності, але є слабкішим, ніж в металах.

Підрозділ 7.2 присвячений іншому питанню, зв`язаному з проблемою утворення глибоких станів. Якщо звичайно в тунельно-резонансних структурах розглядаються зв`язані електронні стани, які утворюються при русі носіїв заряду в просторі, обмеженому гетеромежами, то тут аналізуються стани дещо іншої природи. Показується, що зв`язатись на домішковому потенціалі можуть електрони, які рухаються в перпендикулярному до гетеромеж напрямку. Розглядається симетрична ДБТРС, в області квантової ями якої існує домішковий потенціал. Енергетичний спектр даної задачі можна описати, знайшовши функцію Гріна системи із збурюючим потенціалом, тобто розв`язавши рівняння, аналогічне ( 1 ). Розв`язок показує, що в досліджуваній системі можуть виникати глибокі електронні стани; найбільш характерною їх рисою є те, що залежність енергії зв`язаного стану від ширини квантової ями, а також від висоти бар`єрів, має осцилюючий характер.

Висновки

В дисертації одержано і проаналізовано тунельні спектри невпорядкованих напівпровідникових надграток з глибокими домішковими центрами в потенціальних бар`єрах. Показано, що властивості таких НГ кардинально відрізняються від властивостей невпорядкованих граток без розсіювачів, зокрема, один з деже важливих результатів полягає в тому, що при внесенні домішок в бар`єри невпорядкована НГ може стати абсолютно прозорою при певних -- резонансних -- енергіях (в широкому інтервалі значень параметрів). При цьому спостерігається значне -- на порядки -- збільшення максимального значення коефіцієнта тунельної трансмісії електрона крізь гратку.

Проведено детальний аналіз тунельних спектрів невпорядкованих надграток в залежності від параметрів задачі. При цьому розглянуто різні типи невпорядкованих НГ, а також гратки, що знаходяться в зовнішньому однорідному електричному полі.

Одержано інший цікавий результат, а саме, немонотонну залежність коефіцієнта прозорості від товщини потенціальних бар`єрів невпорядкованої надгратки з глибокими центрами.

Таким чином, доведено сильний конструктивний вплив глибоких центрів на процеси в невпорядкованих надгратках: продемонстрована можливість делокалізації електронних станів із відповідними наслідками в в їх транспортних властивостях.

Запропоновано нові версії квазіперіодичних напівпровідникових надграток -- в яких модулюючий квазіперіодичний потенціал створюється за допомогою глибоких домішок. Доведено принципову можливість утворення квазіперіодичної модуляції тільки за рахунок глибоких центрів -- без залучення інших факторів квазіперіодичності, тобто показано, що введення глибоких домішок в періодичну НГ є самодостатньою причиною для виникнення квазіперіодичної модуляції потенціалу.

Досліджено декілька версій квазіперіодичних напівпровідникових надграток Фібоначчі. Проаналізовано особливості енергетичних спектрів, в тому числі інваріанта, зазначених структур. Показано, що запропоновані версії надграток Фібоначчі мають певні переваги перед відомими в літературі з точки зору їх практичного дослідження і використання.

Запропоновано новий тип квазіперіодичних ієрархічних надграток, квазіперіодична модуляція яких створюється глибоким центрами. Проаналізовано характер енергетичних спектрів таких надграток (зокрема, в зовнішньому однорідному електричному полі).

Показано, що введення домішкових центрів в мезоскопічний кристал (одновимірну балістичну надгратку) дає змогу в широких межах, цілеспрямовано регулювати енергетичний спектр останнього.

Доведено можливість резонансного тунелювання в L-подібному квантовому дроті (хвильоводі) крізь бар`єр з домішковими центрами, який запропоновано вводити в кут цієї структури. Проаналізовано транспортні властивості такого хвильоводу і показано, що завдяки домішкам можна досягати суттєвого зменшення втрат в потужності електронної хвилі при проходженні її через хвильовод.

Таким чином, продемонстровано можливість за допомогою домішкових центрів суттєво поліпшувати транспортні властивості і широко регулювати тунельні характеристики таких напівпровідникових наноструктур, як мезоскопічний кристал та L-подібний квантовий хвильовод, тобто таких об`єктів, в яких поєднуються або комбінуються властивості тунельно-резонансних та низьковимірних структур.

Одержано результати аналізу енергетичного спектра дефектної надгратки з розсіювачами в потенціальних бар`єрах (макроскопічний дефект зумовлений тим, що ширина однієї із квантових ям відрізняється від інших).

Розраховано і проаналізовано енергетичні спектри такого важливого напівпровідникового об`єкту, як альтерновані надгратки. Проаналізовано енергетичні спектри різних типів альтернованих НГ з неоднаковими товщинами бар`єрів. Виявлено важливі особливості спектрів вказаних структур; показано, що розглядувані спектри є дуже чутливими до введення глибоких домішків в бар`єри альтернованих надграток.

Одержано результати розрахунку імовірності тунельної іонізації глибокого домішкового центра поблизу вільної поверхні напівпровідника за рахунок ізоенергетичних електронних переходів з об`ємних станів в таммівську зону поверхневих станів.

Розраховано імовірність польової іонізації глибокого центра в області просторового заряду, потенціальний рельєф якої описується параболічним законом.

Два останні ефекти можуть відігравати важливу роль в фізичних процесах в бар`єрних структурах.

Показано, що енергетичні спектри таких найбільш вивчених тунельно-резонансних структур, як двобар`єрна ТРС, асиметричні подвійні квантові ями істотно залежать від наявності глибоких домішкових центрів в потенціальних бар`єрах, і отже, за допомогою останніх можна досягати бажаних модифікацій енергетичних спектрів вказаних структур.

Доведено можливість виникнення явища негативного диференціального опору в контакті метал-напівпровідник, в області просторового заряду якого існують глибокі домішкові центри. Одержано вирази для відповідних вольт-амперних характеристик і виявлено найкращі умови для утворення негативного диференціального опору.

Досліджено декілька питань, зв`язаних з проблемою утворення глибоких домішкових станів, а саме: 1) продемонстровано можливість утворення глибоких домішкових станів в двобар`єрній тунельно-резонансній структурі, коли на домішковому потенціалі в області квантової ями зв`язується електронна хвиля, що рухається перпендикулярно до гетеромеж; 2) показано, що врахування самого факту просторової дисперсії діелектричної проникності e , а точніше того, що e=1 на малих відстанях від домішкового центра, дозволяє вже в простій моделі одержувати як мілкі, так і глибокі рівні в забороненій зоні напівпровідників; 3) на базі методу kр збурень в реалістичній моделі зонної структури напівпровідників одержано прості аналітичні вирази для діелектричної проникності для різних типів безщільових напівпровідників в залежності від параметрів кристала; показано, що внесок в діелектричну проникність вузькозонних напівпровідників (з кейнівською моделлю зонної структури) від спін-відщепленої зони, на відміну від зон легких та важких дірок, є регулярним при малих значеннях мінімальної ширини забороненої зони.

Результати дисертації опубліковано в таких роботах

1. Шека Д. И., Шека В.И., Король А.Н. Диэлектрическая проницаемость узкозонных кубических кристаллов / / Тезисы докладов Восьмого совещания по теории полупроводников.-К.: Наукова думка.-1975.-С.175.

2. Sheka D.I., Korol A.N. Dielectric permittivity of semiconductors with narrow forbidden gap in the long-wave limit // Phys.Stat.Sol. (b).-1976. №2.-Р.413-418.

3. Шека Д.И., Шека В.И., Король А.Н. Диэлектрическая проницаемость узкозонных кубических кристаллов // ФТТ.-1976.-18.-№10.-С.2887-2892.

4. Шека Д.И., Шека В.И., Король А.Н. Пространственная дисперсия диэлектрической проницаемости в полупроводниках типа InSb // ФТТ.-1977.-19.-№10.-С.3155-3158.

5. Король А.Н., Стриха В.И., Шека Д.И. Туннельный механизм релаксации глубокого центра с туннельным резонансным током в ОПЗ полупроводников // Тезисы докладов Девятого совещания по теории полупроводников.-Тбилиси.-1978.-С229.

6. Король А.Н., Шека Д.И. Туннельный резонансный ток с участием глубоких уровней в диодах Шоттки // Физические процессы в полупроводниковых приборах с бар`єром Шоттки.-К.: Наукова думка.-1979.-С.123-128.

7. Король А.Н., Стриха В.И., Шека Д.И. Туннельный резонансный ток в контакте металл-полупроводник // ФТП.-1980.-14.-№6.-С.1180-1185.

8. Король А.Н. Вероятность туннельной ионизации глубокого центра в области пространственного заряда // УФЖ.-1988.-18.-С.875.

9. Шека Д.И., Воскобойников А.М., Король А.Н. Вероятность ионизации глубокого центра вблизи свободной поверхности полупроводника // Поверхность. Физика, химия, механика.-1983.-1.-№9.-С.21-24.

10. Король А.Н., Шека Д.И., Стриха В.И. О возможности получения отрицательного дифференциального сопротивления в диодах Шоттки // Известия вузов. Физика.-1990.-№10.-С.120-122.

11. Король А.М. Прозорість невпорядкованої супергратки, складеної із потенціальних бар`єрів та квантових ям із розсіюючими центрами всередині бар`єрів // Тези доповідей 1 Української конференції "Структура і фізичні властивості невпорядкованих систем".-частина 1.-Львів.-1993.-С.14.

12. Korol A.M. Effect of scattering in the potential barriers on the tunneling transparency of a disordered superlattice // Physical Review B.- 1994.- 50.- №4.- Р.- 2661-2663.

13. Дослідження енергетичного спектру двобар`єрної тунельно-резонансної структури з домішками методом функцій Гріна / Король А.М..; УДУХТ.-Київ, 1994.-5с.-Укр.-Деп. в ДНТБ України 22.08.1994, №1735 -Ук 94// Анот. в ВИНИТИ РАН, №11, 1994.

14. Про залежність енергетичного спектру однобар`єрної структури з домішками від її параметрів / Король А.М.; УДУХТ.-Київ, 1994.-5с. -Укр.-Деп. в ДНТБ України 22.08.1994, №1733 -Ук 94 // Анот. в ВИНИТИ РАН, №11,1994.

15. Korol A.M. On tunneling spectra of a new version of Fibonacci superlattices // Physica Status Solidi (b).-1994.-183.-P.K51-K53.

16. Король А.Н. Об энергетическом спектре иерархической сверхрешетки с примесями в потенциальных барьерах // Письма в Ж Э Т Ф.-1994.-59.-№10.-С.659-662.

17. О зависимости энергетического спектра двубарьерной туннельно-резонансной структуры с примесями от ее параметров / Король А.Н.; УДУХТ.-Київ, 1994. 5с. -Рус.-Деп. в ДНТБ України 22.08.1994, №1739 -Ук 94 // Анот. В ВИНИТИ РАН, №11, 1994.

18. Король А.Н. Туннельные спектры полупроводниковых сверхрешеток Фибоначчи с примесями в потенциальных барьерах // УФЖ.-1995.-40.-№7.-С.749-751.

19. Король А.Н. О зонной структуре нового варианта сверхрешеток Фибоначчи // ФТТ.-1994.-36.-№8.-С. 2339-2342.

20. Король А.Н. О туннельном спектре неупорядоченных полупроводниковых сверхрешеток с примесями в барьерах // УФЖ.-1995.-40.-№7.-С.748-749.

21 Король А.Н. О резонансном туннелировании через примесные центры в L-образном электронном волноводе // Поверхность. Физика, химия, механика.-1995.-№6.-С.106-109.

22. Король А.М. Прозорість невпорядкованої надгратки з розсіюючими центрами в потенціальних бар`єрах // УФЖ.-1995.-40.-№4.- С. 374-376.

23. Король А.Н. О туннельной прозрачности неупорядоченной сверхрешетки с рассеивателями в потенциальных барьерах // Ж Э Т Ф.-1994.-106.-№2(8).- С. 499-502.

24. Король А.Н. О немонотонной зависимости туннельной прозрачности от толщины барьеров для неупорядоченной сверхрешетки с примесями в барьерах // ФТП.-1995.-29.-№10.-С.1844-1846.

25. Korol A.M. Transmittivity of a disordered superlattice with impurities in the potential barriers // Physics, Chemistry and Application.-Minsk.-1995.-P.281-282.

26. Korol A.M. Dependence of tunneling transparency of the disordered superlattice on the parameters of impurity centers located inside the barriers // Physical Review B.- 1996.- 53.-№15.-Р. 9548-9549.

27. Король А.Н. О транспортных характеристиках мезоскопического кристалла с примесями в потенциальных барьерах // Физика низких температур.-1996.-22.-№4.-438-441.

28. Korol A.M. Transmittivity of a disordered superlattice with the scatterers inside barriers in the external electric field // Abstracts of the International School-Conference " Physical problems in material science of semiconductors".-Chernivtsi.-1995.-P.193.

29. Korol A.M. On the deep impurity states in the quantum well of the double barrier resonant structure // Abstracts of the International School-Conference "Physical problems in material science of semiconductors".- Chernivtsi.-1995.-P.278.

Анотація

Король А.М. Резонансне тунелювання за участю глибоких центрів в напівпровідникових структурах та зв`язані з ним ефекти. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10.-Фізика напівпровідників і діелектриків. Київський університет Тараса Шевченка, Київ, 1998.

В дисертації представлено результати теоретичних досліджень процесу резонансного тунелювання за участю глибоких станів в напівпровідникових структурах і зв`язаних з ним ефектів. Розраховуються і аналізуються енергетичні спектри двобар`єрної тунельно-резонансної структури, асиметричних подвійних квантових ям, надграток з макродефектами за умови, що в потенціальних бар`єрах вказаних структур знаходяться глибокі центри. Показано, що глибокі домішки кардинальним чином змінюють тунельні спектри невпорядкованих надграток різних типів. Пропонуються нові версії квазіперіодичних надграток Фібоначчі, а також ієрархічних НГ і аналізуються їх спектри. Продемонстровано сильний вплив розсіювачів на енергетичні спектри мезокристалів, транспортні властивості L-подібних квантових хвильоводів, тунельні спектри альтернованих надграток різних типів, характеристики контакту метал-напівпровідник. Розглянуто також деякі питання утворення глибоких станів в напівпровідниках.

Ключові слова: глибокі стани (центри), резонансне тунелювання, тунельні спектри, невпорядковані надгратки, квазіперіодичні надгратки, мезокристали, квантовий хвильовод, тунельно-резонансні структури, альтерновані надгратки, контакт метал-напівпровідник.

Аннотация

Король А.Н. Резонансное туннелирование с участием глубоких центров в полупроводниковых структурах и связанные с ним эффекты.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10.-Физика полупроводников и диэлектриков. Киевский университет Тараса Шевченко, Киев, 1998.

В диссертации представлены результаты теоретических исследований процесса резонансного туннелирования с участием глубоких состояний в полупроводниковых структурах и связанных с ним эффектов. Рассчитываются и анализируются энергетические спектры двубарьерной туннельно-резонансной структуры, асимметричных двойных квантовых ям, сверхрешеток с макродефектами при условии, что в потенциальных барьерах указанных структур находятся глубокие центры. Показано, что глубокие примеси кардинальным образом изменяют туннельные спектры неупорядоченных сверхрешеток разных типов. Предложены новые версии квазипериодических сверхрешеток Фибоначчи и иерархических сверхрешеток и анализируются их спектры. Продемонстрировано сильное влияние рассеивателей на энергетические спектры мезокристаллов, транспортные свойства L-образных квантовых волноводов, туннельные спектры альтернированных сверхрешеток разных типов, характеристики контакта металл-полупроводник. Рассматриваются также некоторые вопросы образования глубоких состояний в полупроводниках.

Ключевые слова: глубокие состояния (центры), резонансное туннелирование, туннельные спектры, неупорядоченные сверхрешетки, квазипериодические сверхрешетки, мезокристаллы, квантовые волноводы, туннельно-резонансные структуры, альтернированные сверхрешетки, контакт металл-полупроводник.

Abstracts

Korol A.M. Resonant tunneling with the participation of deep centers in the semiconductor structures and effects associated with it.

The theses for a degree of the doctor of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.10.- Physics of semiconductors and dielectrics., Taras Shevchenko Kyiv university, Kyiv, 1998.

Results of the investigation of theoretical study of the resonant-tunneling process with the participation of deep states in semiconductor structures as well as the effects associated with this process are presented in these theses. Energy spectra of the double-barrier resonant-tunneling structure, assymmetric double quantum wells, superlattices with macrodefects are calculated and analyzed under the condition that deep centers are incorporated into potential barriers of these structures. It is demonstrated that deep states change the tunneling spectra of the disordered superlattices of various types crucially. New versions of quasiperiodical Fibonacci superlattices as well as the hierarchical superlattices are proposed and their spectra are analyzed. Strong effect of the scatterers on the energetical spectra of mesocrystalls, transport properties of the L-shaped quantum waveguides, tunneling spectra of the alternated superlattices of various types, the characteristics of the metal-semiconductor junctions is demonstrated. Certain problems of the creation of deep states in the semiconductors are also considered.

Key words: deep states (centers), resonant tunneling, tunneling spectra, disordered superlattices, quasiperiodic superlattices, mesocrystalls, quantum waveguides, resonant-tunneling structures, alternated superlattices, metal-semiconductor junction.

Размещено на Allbest.ru