Štúdium 2D transportu elektrónov cez potenciálovú bariéru

1. Štúdium 2D transportu elektrónov cez potenciálovú bariéru Ing. Jozef Martaus, oddelenie optoelektroniky, Elektrotechnický ústav SAV • Obsah: • Kvantové štruktúry a súčiastky • Východisková polovodičová heteroštruktúra • Princíp lokálnej anodickej oxidácie, aplikácia na polovodičové heteroštruktúry • Štúdium 2D transportu elektrónov cez vytvorenú potenciálovú bariéru • 4.1 I-V charakteristika potenciálovej bariéry po aplikácii LAO • 4.2 Odstránenie oxidovej čiary pomocou mokrého leptania • 4.3 I-V charakteristika potenciálovej bariéry po odstranení oxidovej čiary • 4.4 Určenie efektívnej výšky potenciálovej bariéry, porovnanie • 4.5 Jednoduchý teoretický model, porovnanie s experimentom • 5. Zhrnutie, ďalšia práca J. Martaus CENG ‘06

2. 1. Kvantové štruktúry a súčiastky • zberač (drain) plošné hradlo zdroj (source) Vodivosť (2e2/h) QPC GaAs/AlGaAs 0.6 K Vodivosť (nS) Napätie na hradle (V) Napätie na hradle (V) kvantový bodový kontakt (QPC) meranie kvant. vodivosti G. Mori et al., J. Vac. Sci. Technol. B22 (2), (2004) B. J. van Weeset al.,Phys. Rew. Lett.60, 848 (1988) jednoelektrónový tranzistor (SET) meranie Coulombovských oscilácií U. F. Keyseret al., Appl. Phys. Lett.76 (4), (2000) J. Martaus CENG ‘06

3. 1. Kvantové štruktúry a súčiastky • zberač (drain) plošné hradlo zdroj (source) pôdorys QPC s požadovanými rozmermi 400 nm 300 nm a menej zberač 200 nm a menej plošné hradlo ochudobnená oblasť (potenciálová bariéra) zdroj dvojdimenzionálny elektrónový plyn (2DEG) AFM snímok QPC ‘výrobný’ náčrt pre QPC Základným stavebným prvkom kvantových štruktúr súoxidové čiary vytvorené pomocou lokálnej anodickej oxidácie (LAO). J. Martaus CENG ‘06

4. 1. Kvantové štruktúry a súčiastky • Požiadavky kladené na oxidové čiary: • tvarové: • malý laterálny rozmer (< 200 nm) • vysoký pomer medzi výškou a šírkou čiary • tvarová stálosť prierezu na dĺžke • elektrické: • vysoká izolačná schopnosť (~GΩ) • vytvorenie vysokej potenciálovej bariéry v 2DEGuD. Graf et al., J. Appl. Phys.99, 053707 (2006) potenciálová bariéra 2DEG 1. Aký materiálový systém obsahujúci 2DEG zvolíme? 2. Akým spôsobom realizujeme lokálnu anodickú oxidáciu? J. Martaus CENG ‘06

5. 2. Východisková polovodičová heteroštruktúra • InGaP 5 nm GaAs 2 nm AlGaAs AlGaAs 12 nm 12 nm ΔSi ΔSi 17 nm 17 nm AlGaAs AlGaAs GaAs buffer 500 nm GaAs buffer 500 nm 2DEG 2DEG substrate substrate EF EC EF EC 2DEG 34 nm pod povrchom 2DEG 31 nm pod povrchom oni štruktúra rastená pomocou molekulárnej epitaxie (MBE) štruktúra rastená pomocou epitaxie z plynnej fázy organokovov (OMVPE) my GaAs/AlxGa1-xAsmateriálový systém GaAs/AlxGa1-xAs/InGaPmateriálový systém vysoká pohyblivosť nosičov náboja v 2DEGu InGaP je bariérový materiál vzhľadom na AlGaAs vysoká kvalita rozhrania medzi rastenými vrstvami InGaP má nižšiu hustotu povrchových stavov ako GaAs drahý, pomalý rast, potreba ultra vysokého vákua nižšia kvalita rozhraní medzi rastenými vrstvami J. Martaus CENG ‘06

6. 3. Princíp lokálnej anodickej oxidácie, aplikácia na polovodičové heteroštruktúry • I-V AFM hrot smer pohybu AFM hrotu oxid AFM hrot (katóda) OH- ióny atómy substrátu vodná vrstva (elektrolyt) oxid substrát (anóda) 2DEG ochudobnená oblasť ohmický kontakt • Lokálna anodická oxidácia (LAO) Negatívne napätiemedzi hrotom a vzorkou vo vodnej vrstve spôsobuje elektrolytický rozklad vody. Nastáva oxidácia vzorky pod hrotom (elektrické pole je vysoké ~ GV/m). • LAO polovodičových heteroštruktúr • Rozdelenie dvojdimenzionálneho elektrónového plynu (2DEG) umiestneného blízko pod povrchom vytvorením potenciálových bariér. • účel:vytvorenie rôznych štruktúr a súčiastok (QPC, SET, kvantový drôt, submikrometrová Hallova sonda) M. Ishii et al., Jpn. J. Appl. Phys.34 (p1, 2b), 1329 (1995) Gomez-Monivas, PRL91 (2003) J. Martaus CENG ‘06

7. 4.1 I-V charakteristika potenciálovej bariéry po aplikácii LAO • 2000nm 1000nm A B 0nm 29nm A-B 21,8nm 14,5nm 7,3nm 0  400  800 1200 1600 2000 nm vzorka MO 874_1po aplikácii LAO šírka oxidovej čiary ≈ 185 nm výška oxidovej čiary ≈ 9 nm J. Martaus CENG ‘06

8. 4.2 Odstránenie oxidovej čiary pomocou mokrého leptania • 30s v roztoku1NH3+10H2O 28 nm 0nm 39 nm 2000 nm 1900 nm 2000 nm 0 nm 1900 nm 1000 nm 1000 nm 950 nm 950 nm 0 nm 0 nm 0 nm 0 nm LAO oxid prirodzený oxid InGaP ovplyvnený leptaním ~ 9nm 2 nm InGaP AlGaAs ~17 nm 12 nm ~15nm ΔSi AlGaAs 17 nm 2DEG hĺbka oxidovej čiary je ~1,5 násobok jej výšky GaAs 500 nm substrát R. Held et al., Appl. Phys. Lett.73 (2), (1998) východzia heteroštruktúra po aplikácii LAO po odleptaní J. Martaus CENG ‘06

9. 4.3 I-V charakteristika potenciálovej bariéry po odstranení oxidovej čiary • 1900nm A B 950nm 0nm 40nm A-B 30nm 20nm 10nm 0  380  760 1140 1520 1900nm vzorka MO 874_1po odleptaní šírka čiary ≈ 139 nm hĺbka čiary ≈ 15 nm J. Martaus CENG ‘06

10. 4.4 Výpočet efektívnej výšky potenciálovej bariéry, porovnanie • uvažujeme: tepelne aktivované nosiče náboja bariéra dostatočne hrubá na potlačenie tunelovania nárast efektívnej výšky bariéry z Φ(300) = 55 meV po aplikácii LAO na Φ(300) = 270 meV po odleptaní oxidovej čiary Čo spôsobilo tento nárast? po odleptani oxidovej čiary na GaAs/AlxGa1-x As štruktúre rastenej pomocou MBE nedochádza k zmene efektívnej výšky bariéry R. Held et al., Appl. Phys. Lett.73 (2), (1998) J. Martaus CENG ‘06

11. 4.5 Jednoduchý teoretický model, porovnanie s experimentom • qΦ(0) w qΦ(V) qV a w-a zvolený tvar bariéry uvažujeme: napätový spád je lokalizovaný na bariére volíme: a≈ 25 nm~ vzdialenosť ΔSi roviny od 2DEGu po LAO: pre Φ(0) = 200 meV → w ≈ 63 nm, Ns = 1,9.1016 m-2 po odleptaní: pre Φ(0) = 350 meV → w ≈ 78 nm, Ns = 6,5.1015m-2 J. Martaus CENG ‘06

12. 5. Zhrnutie, ďalšia práca • • doterajšie výsledky • príprava energetickej bariéry na odlišnom materiálovom systéme Φ(300mV) = 0,055 eV • ukázanie vplyvu odstránenia oxidu na efektívnu výšku bariéry Φ(300mV) = 0,27 eV • porovnanie jednoduchého teoretického modelu s experimentom → možnosť nastavenia koncentrácie nosičov náboja v kanále (v 2DEGu) ovplyvnením povrchu leptaním • ďalšia práca • príprava topologicky úzkych a zároveň vysokých oxidových čiar • dosiahnutie energeticky vysokých, rovnomerných bariér • štúdium komplexnejšieho modelu transportu nosičov náboja cez potenciálovú bariéru • príprava kvantových štruktúr a súčiastok, ich nizkoteplotná charakterizácia • príprava submikrometrovej Hallovskej sondy J. Martaus CENG ‘06

13. 6. Poďakovanie • Ďakujem za pozornosť. J. Martaus CENG ‘06