А.Г. Погосов, М.В. Буданцев

На основе полупроводниковой мембраны, отделенной от подложки, изготовлен транзистор с эффектом кулоновской блокады - квантовая точка, соединенная двумя туннельными барьерами с областями истока и стока, рядом с которой расположены два боковых затвора. Полупроводниковая мембрана изготовлена методом селективного травления жертвенного AlAs слоя, отделяющего GaAs подложку от AlGaAs/GaAs гетероструктуры, содержащей двумерный электронный газ.

Рис. Структура кондактанса подвешенного одноэлектронного транзистора как функция затворного VG напряжения и напряжения исток-сток VSD.

Латеральная геометрия транзистора формировалась электронной литографией и последующим анизотропным реактивным травлением. Для изучения переноса заряда в полученной структуре проводились низкотемпературные измерения кондактанса как функции тянущего и затворного напряжений. Проводились сравнительные измерения величины кулоновской щели в транзисторе, находящемся в массиве полупроводника, и в нем же, но оторванном от подложки (т.е. до и после операции селективного травления). Зависимость кондактанса подвешенного одноэлектронного транзистора от тянущего (исток-сток) и затворного напряжения имеет ромбовидную структуру, характерную для эффекта кулоновской блокады. До отрыва транзистора от подложки величина кулоновской щели составляла 50 К (в температурных единицах), в то время как после отрыва от подложки увеличилась до 150 К (см. рис.).

Увеличение энергии в 3 раза против предельного ожидаемого результата в e≈10 раз объясняется наличием невытравленных областей между квантовой точкой и областями истока/стока.

В полученном транзисторе наблюдается также блокада туннелирования предположительно не кулоновской природы, проявляющаяся в подавлении кондактанса при малых смещениях исток/сток V_SD ≈50 мВ (см. рис.) вне зависимости от затворного напряжения. Подобное поведение описано в работе, где оно объясняется эффектом фононной блокады, исчезающим при повышении температуры до 400 мК. Однако, в нашем случае такое поведение сохраняется до высоких температур 4,2 К и, таким образом, требует отдельного теоретического изучения.

Проведенные исследования и, в первую очередь, обнаружение большой величины зарядовой энергии подвешенной квантовой точки позволяют заключить, что подобные устройства перспективны с точки зрения создания одноэлектронных приборов, работающих при высоких температурах, а также представляют интерес как структуры с необычными физическими свойствами, обусловленными спецификой фононных мод и электрон-фононного взаимодействия в подвешенных мембранах.

А. Ф. Зиновьева, А. В. Двуреченский, Н. П. Стёпина, А. С. Дерябин, А. И. Никифоров, R. Rubinger, N. A. Sobolev, J. P. Leitao, M. C. Carmo

Проведены исследования электронных состояний в структурах с Ge/Si квантовыми точками (КТ) методом ЭПР. Локализация электронов вблизи КТ реализована в квантовых ямах, формирующихся за счет сложения упругих напряжений в Si, окружающем Ge КТ, в многослойных структурах с когерентными КТ. Главные значения полученного аксиально-симметричного g-тензора совпадают со значениями g-тензора для электронов в Si, g-фактор имеет анизотропную угловую зависимость, соответствующую симметрии одиночной долины зоны проводимости Si, что подтверждает локализацию электронов в напряженных областях Si вблизи Ge КТ. Зафиксирована анизотропия ширины линии ЭПР-сигнала. В магнитном поле, направленном вдоль оси роста структуры наблюдается наиболее узкая линия с шириной ~0.8 Гс. В магнитном поле, лежащем в плоскости роста структуры (001), ширина линии возрастает приблизительно в 4 раза (рис.1). Данный эффект может быть объяснен анизотропией процессов спиновой релаксации, связанной с существованием эффективного магнитного поля Бычкова-Рашба, возникающего вследствие структурной асимметрии Ge квантовой точки. До сих пор подобный эффект наблюдался только для двумерных (2D) асимметричных структур и связан с прецессионным механизмом спиновой релаксации при движении носителя в двумерном слое. В случае системы с КТ эффективное магнитное поле возникает при туннелировании носителей между квантовыми точками. В процессе туннелирования спин электрона поворачивается на малый угол, что приводит к перевороту спина после достаточного количества прыжков между КТ. Перенос заряда осуществляется преимущественно между близко расположенными КТ с сильной туннельной связью.

Рис. В центре рисунка дано схематическое изображение Ge квантовой точки (КТ) в Si с локализованным электроном вблизи вершины КТ. На двух верхних панелях представлены ЭПР-спектры локализованных электронов в зависимости от направления магнитного поля.

Поскольку расположение КТ в плоскости носит случайный характер, то при каждом прыжке направление туннелирования меняется, что приводит к изменению направления эффективного магнитного поля. Частота прыжков между КТ может рассматриваться как характерная частота флуктуаций эффективного магнитного поля. Из анализа угловой зависимости ширины ЭПР-линии была получена характерная частота флуктуаций 1/τ_с=3×10¹¹с^-1. Данное значение и время поперечной спиновой релаксации T₂=10^-7c, полученное из ширины ЭПР-линии, позволили оценить величину эффективного магнитного поля H_BR≈30 Гс. Полученное значение очень близко к величине поля Бычкова-Рашбы в 2D Si/Ge структурах, что говорит о возможной близости констант Бычкова-Рашбы для 2D структур и для структур с КТ.

А.И.Якимов, А.В.Двуреченский, А.И.Никифоров, Г.Ю.Михалев

Исследована электронная структура в системе вертикально совмещенных двойных квантовых точек (КТ) GeSi в матрице Si (в массивах "двухатомных" искусственных молекул). Основу экспериментальных методов составляет спектроскопия кремниевых диодов Шоттки со встроенными в базовую область двумя слоями нанокластеров Ge, расположенных коррелированно один над другим в направлении роста.

Рис. (а) Энергия связи дырки в основном состоянии "двухатомной'" молекулы как функция толщины барьерного слоя Si между квантовыми точками Ge. Содержание Ge в нанокластерах с=0.9. Черные квадраты - экспериментальны данные, сплошная линия - теоретическая кривая. Штриховой линией показан расчетный энергетический уровень дырки в одиночной квантовой точке. Круглый маркер - результат измерений для структуры с одним слоем нанокластеров Ge (б) Расчетные вероятности нахождения дырки в нижней (p_b) и в верхней (p_t) квантовых точках Ge_cSi_1-c как функция расстояния между нанокластерами tSi и их состава.

В таких экспериментах измеряются температурные зависимости комплексной проводимости структуры на различных частотах и при различных обратных смещениях, после чего восстанавливаются температурные зависимости темпа эмиссии дырки из связанных состояний в делокализованные состояния валентной зоны и определяется энергия активации скорости эмиссии. Развита математическая модель для определения распределения упругих деформаций, энергетического спектра дырок и пространственной конфигурации дырочных состояний в многослойных гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками GeSi. Основу подхода составляют атомистическая модель поля валентных сил с межатомным потенциалом Китинга, приближение сильной связи и метод свободной релаксации.

Установлено, что при сближении квантовых точек Ge в составе двухатомной искусственной молекулы наблюдаются два эффекта, неожиданные с точки зрения традиционного квантово-механического представления: 1) уменьшение энергия связи дырки в двойной квантовой точке по сравнению с энергией ионизации одиночной квантовой точки Ge (Рис. а); 2) разрушение гибридизованной дырочной орбитали и локализация волновой функции дырки в одной из квантовых точек и последующее восстановление молекулярной орбитали при продолжении сближения квантовых точек (Рис. б). Показано, что первый эффект обусловлен частичной релаксацией упругих напряжений в кристалле, вызванной взаимным влиянием нанокристаллов Ge в матрице Si. Второй - асимметрией потенциальной энергии дырки в двух квантовых точках, возникшей в результате наложения полей упругих деформаций от вертикально совмещенных нанокластеров Ge. Продемонстрировано, что оба эффекта исчезают, когда содержание Ge в квантовых точках, образующих искусственную молекулу, становится меньше 90% вследствие уменьшения деформаций в гетеросистеме.

А.Г. Милёхин

Рис. Спектры КРС структур с КТ InAs/ Al1-xGaxAs в зависимости от элементного состава матрицы (x=0÷1), измеренные в геометрии рассеяния z(yx)-z с энергией возбуждения лазера 1.92 эВ при T=300K.

Экспериментально изучено комбинационное рассеяние света (КРС) оптическими фононами в наноструктурах InAs/Al_1-xGa_xAs с квантовыми точками (КТ) в зависимости от элементного состава матрицы (x=0÷1).

Структуры были выращены в ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ростовой моде Странского-Крастанова. В спектрах КРС обнаружены моды, обусловленные рассеянием InAs- подобными оптическими фононами в квантовых точках. Частоты этих мод определены в зависимости от состава матрицы (Рис.). Показано, что с увеличением концентрации атомов Ga в материале матрицы происходит диффузия атомов Ga в КТ, о чем свидетельствует уменьшение частоты InAs- подобного фонона в спектрах КРС. При этом частоты в структурах с номинальным составом КТ InAs/GaAs частота этой моды достигает соответствующего значения в ст руктурах с КТ In_0.5Ga_0.5As/AlAs. Это позволяет сделать вывод, что элементный состав квантовых точек In_1-yGa_yAs может достигать значения 50% (y_Ga=0.5).

С целью определения содержания атомов Al в КТ InAs/AlAs изучены ИК спектры и спектры КРС объемных релаксированных твердых растворов InAlAs с различным содержанием Al. Установлено двумодовое поведение спектра оптических фононов в InAlAs. Определены частоты TO и LO InAs- и AlAs- подобных фононов в InAlAs в зависимости от концентрации Al. На основе этих данных в ближайшее время будет определено содержание алюминия в КТ InAs/AlAs.