Kuantum kuyu içeren Ga1-yAlyAs engel yapılarda dikey iletim mekanizmalarının incelenmesi
Investigation of the vertical transport in Ga1-yAlyAs barrier structures containing quantum wells
Yazar: SAFİ ALTUNÖZ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇELİK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Merkez bölgesinde GaAs/Ga0,74Al0,26As kuantum kuyu ve merkez bölgesi ilen+-GaAs kontak tabakaları arasında Ga1-yAlyAs (0â¤yâ¤0,26) eğimli engel tabakaları[n+-GaAs/Ga1-yAlyAs(0â¤yâ¤0,26)/Ga0,74Al0,26As(NW)/Ga1-yAlyAs(0,26â¤yâ¤0)/bulunann+-GaAs] engel yapılarda dikey iletim mekanizmaları deneysel olarak incelendi.Deneylerde dairesel mesa geometrisinde hazırlanmış (kontak çapı 100â800 Î¼maralığında), kuantum kuyu sayısı Nw=0, 2, 4, 7 ve 10 olan engel yapı örneklerkullanıldı. Eğimli engel tabakaların herbirinin kalınlığı 500 Ã, merkez engel bölgesikalınlığı yaklaşık 1000 Ã'dur. Nw=2, 4, 7 ve 10 olan örneklerde kuantum kuyugenişliği aynı (Lw=35 Ã), kuantum kuyular arasındaki Ga0,74Al0,26As engel tabakasıkalınlığı (LB) sırasıyla 1006, 310, 135 ve 77 Ã'dur. Bu örneklerde, karanlıkta,akımâsıcaklık, akımâgerilim ve geometrik magnetorezistans (GMR) ölçümleriyapıldı. Örneklere 0,01â0,8 V aralığında DC gerilim uygulanarak, akım sıcaklığınfonksiyonu olarak (I-T karakteristikleri) ölçüldü. Dikey akımın örneğe uygulanangerilimle değişimi (I-V karakteristikleri) 3,5â295 K aralığında belirli sıcaklıklardakaydedildi. GMR deneylerinde engel yapı örneklere tabakalara paralel ancakakıma dik olarak 0,2â2,2 T aralığında magnetik alan (B) uygulandı ve dikey akımınmagnetik alanla değişimi (I-B grafikleri): (i) düşük gerilimlerde (0,01â0,1 V),sıcaklığın fonksiyonu olarak ve (ii) 3,5â295 K aralığında belirli sıcaklıklarda,örneğe uygulanan gerilimin fonksiyonu olarak ölçüldü.Deneysel I-T ve I-V karakteristiklerinden düşük gerilim ve yüksek sıcaklıklarda(T>110 K) ısısal uyarılma akımının, yüksek gerilim ve düşük sıcaklıklarda (T<70 K)tünelleme akımının başat dikey iletim mekanizmaları olduğu; ara sıcaklıkbölgesinde ise tünelleme ve ısısal akım mekanizmalarının birlikte etkin olduğubelirlendi. Yüksek sıcaklıklarda ölçülen I-T verileri sürüklenmeâdifüzyon teorisiçerçevesinde değerlendirilerek (i) Nw=0 ve 2 olan örneklerde uzay yükü yoğunluğu(NS) ve toplam engel yüksekliği (ÎUm), (ii) Nw=4, 7 ve 10 olan örneklerde etkinengel yüksekliği (ÎE) elde edildi ve (iii) ÎUm ve ÎE niceliklerinin örneğe uygulanangerilimle değişimi tartışıldı.iiiDüşük sıcaklıklarda (3,5 Kâ¤T<70 K) ölçülen I-V grafiklerinin çok hızlı artanbaşlangıç kısımları FowlerâNordheim (F-N) tünellemesi bağıntısına çakıştırılarak,her örnek için ÎEFN engel yüksekliği belirlendi. Bu ÎEFN değerleri I-T verilerindenelde edilen ÎUm ve ÎE değerleri ile karşılaştırıldı. İki ve dört kuantum kuyu içerenengel yapı örneklerin düşük sıcaklık I-V karakteristiklerinde gözlenenminimumların fiziksel nedenleri tartışıldı. Nw=7 ve 10 kuantum kuyu içeren engelyapı örneklerin I-V grafiklerinde, başlangıçtaki çok hızlı artıştan sonra, dikeyakımın artış hızında belirgin bir azalma ve daha yüksek gerilimlerde osilasyonlargözlendi. Bu osilasyonlar ile kuantum kuyularda meydana gelen taban altbandısıralı rezonans tünellemesi arasındaki ilişki ve osilasyon periyodu ile genliğininsıcaklıkla değişimi verilerinden yararlanarak osilasyonların fiziksel kaynağıincelendi.Sıcaklık ve örneğe uygulanan gerilimin fonksiyonu olarak yapılan GMRölçümlerinden elektron mobilitesinin sıcaklık ve gerilimle değişimi elde edildi.Engel yapı örneklerin mobiliteâsıcaklık grafikleri, hacimli Ga1-yAlyAs'de etkin olanbaşlıca saçılma mekanizmaları (iyonize safsızlık, uzay yükü, alaşım düzensizliği,akustik fonon ve polar optik fonon saçılması) için literatürde verilen bağıntılarkullanılarak, sıcaklığın fonksiyonu olarak hesaplanan mobiliteler ile karşılaştırıldı.Nw=0 ve 2 olan örneklerde 80â200 K aralığında iyonize safsızlık saçılması ve uzayyükü saçılmasının, yaklaşık 200 K'den yüksek sıcaklıklarda ise uzay yüküsaçılması ve polar optik fonon saçılmasının etkin olduğu belirlendi. Nw=4, 7 ve 10olan örneklerde 80â300 K aralığında iyonize safsızlık saçılması başat olurken,yaklaşık 240 ile 300 K arasında polar optik fonon saçılmasının da etkin olduğusonucuna varıldı.Deneysel mobiliteâgerilim verileri ve bu verilerden elde edilen sürüklenme hızıâelektrik alan grafikleri kullanılarak, engel yapı örneklerde sıcak elektron (hotelectrons) olayları incelendi. Yüksek gerilimlerde mobilitenin sistematik olarakazalması, elektrik alandan enerji kazanarak ısınan elektronların bir kısmınınGa1-yAlyAs engel tabakaları iletim bandında Î vadisinden L (ve X) vadilerinesaçılması (intervalley scattering) ile açıklandı.Anahtar Kelimeler: Ga1-yAlyAs engel yapılar, çoklu kuantum kuyular, dikey iletim,ısısal uyarılma akımı, tünelleme akımı, Fowler-Nordheim tünellemesi, sıralıivrezonans tünellemesi, engel yüksekliği, iyonize safsızlık saçılması, uzay yüküsaçılması, alaşım düzensizliği saçılması, akustik fonon saçılması, polar optik fononsaçılması, geometrik magnetorezistans, mobilite, sürüklenme hızı, sıcakelektronlar, vadilerarası saçılma.Danışman: Prof. Dr. Hüseyin Çelik, Hacettepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,Fizik Mühendisliği Bölümü.v

Abstract:
Vertical transport mechanisms in [n+-GaAs/Ga1-yAlyAs(0â¤yâ¤0.26)/Ga0.74Al0.26As(NW)/Ga1-yAlyAs(0.26â¤yâ¤0)/n+-GaAs] barrier structures which contain GaAs/Ga0.74Al0.26Asquantum wells in the central region and Ga1-yAlyAs (0â¤yâ¤0.26) graded barriersbetween the central region and n+-GaAs contact layers were investigatedexperimentally. Barrier structure samples prepared in circular mesa geometry(contact diameter in the range 100â800 Î¼m) with Nw=0, 2, 4, 7 and 10 quantumwells were used in experiments. The thickness of each graded barrier layer was500 Ã, and that of the central barrier region was approximately 1000 Ã. Thequantum well width (Lw=35 Ã) was the same for all the samples with Nw=2, 4, 7and 10, while the thickness (LB) of Ga0.74Al0.26As barrier layers in the quantumwells were 1006, 310, 135 and 77 Ã, respectively. In these samplescurrentâtemperature, currentâvoltage and geometric magnetoresistance (GMR)measurements were carried out in the dark. The vertical current was measured asa function of temperature (I-T characteristics) by applying DC voltage (in the range0.01â0.8 V) to the sample. The variation of vertical current with applied voltage(I-V characteristics) was recorded at selected temperatures in the range3.5â295 K. In GMR experiments, a magnetic field (B) in the range 0.2â2.2 T wasapplied parallel to the layers but perpendicular to the current, and the variation ofvertical current with magnetic field (IâB graph) was measured: (i) as a function oftemperature, at low voltages (0.01â0.1 V) and (ii) as a function applied voltage, atselected temperatures in the range 3.5â295 K.It is found from the experimental I-T and I-V characteristics that thermionicemission and tunneling are the major vertical transport mechanisms at lowvoltages and high temperatures (T>110 K) and at high voltages and lowtemperatures (T<70 K), respectively; while, both thermionic emission andtunneling mechanisms are effective in the intermediate temperature range. Byevaluating the I-T data measured at high temperatures in the framework ofdriftâdifussion theory, we obtained (i) the space charge density (NS) and totalbarrier height (ÎUm) for the samples with Nw=0 and 2 and (ii) the effective barrierviheight (ÎE) for the samples with Nw=4, 7 and 10, and (iii) discussed the variation ofÎUm and ÎE with applied voltage.To determine the effective barrier height (ÎEFN) of each sample theFowlerâNordheim tunneling equation was fitted to the rapidly rising initial part ofthe I-V graphs, which were measured at low temperature (3.5â¤T<70 K). TheseÎEFN values were compared with those of ÎUm and ÎE determined from I-T data.The physical origin of the minima observed in the low temperature I-Vcharacteristics of barrier structure samples with two and four quantum wells werediscussed. Following the sharp initial increase in the vertical current, a pronounceddrop in the voltage gradient of the current and oscillations were observed at highervoltages in the I-V characteristics of barrier structure samples with Nw=7 and 10quantum wells. The relationship between these oscillations and the ground statesequential resonant tunneling in the quantum wells and the physical origin of theseoscillations were investigated using the experimental data for the variation ofoscillation period and amplitude with temperature.The temperature and applied voltage dependences of the electron mobility wereobtained from the GMR measurements carried out as functions of temperatureand voltage. The mobilityâtemperature graphs of the barrier structure sampleswere compared with the mobilities for major scattering mechanisms (ionisedimpurity, space charge, alloy disorder, acoustic phonon, and polar optical phononscattering) in bulk Ga1-yAlyAs calculated as a function of temperature usingtheoretical expressions given in the literature. It is found that for the samples withNw=0 and 2 ionised impurity and space charge scattering are the dominantscattering mechanisms in the temperature range from 80 to 200 K, and spacecharge scattering and polar optical phonon scattering are effective at temperaturesabove about 200 K. For the samples with Nw=4, 7 and 10 ionised impurityscattering is the major scattering mechanism in the range 80â300 K, while theeffect of polar optical phonon scattering becomes important from about240 to 300 K.Hot electron phenomena in the barrier structure samples were studied by usingthe experimental mobilityâvoltage data and drift velocityâelectric field graphs asobtained from these data. The systematic decrease of electron mobility withviiapplied voltage at high voltages was attributed to the scattering of hot electrons,which gained energy from the applied electric field, from the Î valley to the L (or X)valleys in the conduction band of Ga1-yAlyAs barrier layers.Keywords: Ga1-yAlyAs barrier structures, multiple quantum wells, verticaltransport, thermionic emission current, tunneling current, FowlerâNordheimtunneling, sequential resonant tunneling, barrier height, ionised impurity scattering,space charge scattering, alloy disorder scattering, acoustic phonon scattering,polar optic phonon scattering, geometric magnetoresistance, mobility, drift velocity,hot electrons, intervalley scattering.Advisor: Prof. Dr. Hüseyin Çelik, Hacettepe University, Faculty of Enginering,Department of Physics Engineering.viii