Estruturas de barreira dupla de PbTe/PbEuTe crescidas por epitaxia de feixe molecular

• Main Author: Alexandre Miranda Pires dos Anjos
• Other Authors: Eduardo Abramof
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2006
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/MTC-m13@80/2006/05.04.17.23

Este trabalho apresenta o crescimento por epitaxia de feixe molecular de estruturas de barreira dupla (BD) de PbTe/Pb$_{1-x}$Eu$_{x}$Te e o processamento do dispositivo, visando à medida de tunelamento ressonante. As amostras foram crescidas sobre substratos de BaF$_{2}$ (111) à temperatura de 300$°$C. Medidas de resistividade e efeito Hall foram realizadas em filmes de referência para determinação das propriedades elétricas adequadas para cada camada da BD. As camadas de PbTe com concentração de elétrons \textit{n} $\sim$ $10^{17}$ cm$^{-3}$, para os espaçadores e o poço, foram controladas pelo desvio estequiométrico ajustando-se o fluxo adicional de Te. A maior mobilidade Hall a 77 K de 1,5x10$^{4}$ cm$^{2}$/Vs foi obtida bem próxima à região de transição \textit{n} para \textit{p}, que ocorreu abruptamente para a razão entre os fluxos de Te e PbTe próxima a 0,02. Para se obter camadas com maiores concentrações de elétrons, um estudo sobre a dopagem do PbTe com Bi foi realizado. Filmes de PbTe com valores de \textit{n} entre 1x10$^{17}$ e 4x10$^{19}$ cm$^{-3}$ foram obtidos aumentando-se o fluxo da célula de Bi$_{2}$Te$_{3}$. Medidas de resistividade e efeito Hall foram realizadas nestes filmes em temperaturas entre 10 e 320 K. Os resultados indicam que os átomos de Bi foram efetivamente incorporados ao PbTe como doadores ativos. Não foi observada ativação termal nesses níveis de dopagens, indicando que o Bi acrescentou níveis ressonantes com a banda de condução. As curvas de mobilidade mostram que as camadas de PbTe tendem ao comportamento metálico com o aumento da concentração de elétrons. Valores de \textit{n} em torno de 10$^{19}$cm$^{-3}$ são sugeridos como os mais adequados para as camadas de contato em dispositivos. No crescimento dos filmes referência da barreira de Pb$_{1-x}$Eu$_{x}$Te, a razão de 2,2 entre o fluxo de Te sobre o de Eu foi considerada como a mais adequada. Pelos espectros por transformada de Fourier no infravermelho obteve-se uma concentração de európio x = 0,050, partindo-se de uma relação entre os fluxos de Eu e PbTe que previa uma concentração nominal de x = 0,044. Assumindo 50\% de descasamento entre as bandas de valência e condução, uma altura de barreira de 150 meV é encontrada na interface PbTe/Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te. Um conjunto de amostras de BD de PbTe/Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te foi crescido com espessuras nominais, estimadas pela taxa de crescimento, de 12 nm para os espaçadores, de 5 nm para o poço, entre 2,5 e 100 nm para as barreiras e de 36 nm para as camadas de cobertura. Para se obter os parâmetros estruturais, espectros de difração de raios X de alta resolução foram medidos em torno do pico de Bragg (222). Através do melhor ajuste entre os espectros calculados pelas equações de Takagi- Taupin aos medidos, a espessura individual das camadas constituintes das estruturas de BD foi determinada com precisão. Obteve-se uma boa correlação entre as espessuras nominais e as determinadas por raios X, exceto para espessuras menores que 10 nm, onde uma discrepância de até 40\% foi observada. A análise por raios X revelou que interfaces abruptas foram obtidas no crescimento MBE e que as barreiras de Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te ficam completamente tencionadas às camadas de PbTe, dentro das estruturas, para espessuras de até 100 nm. As curvas IxV dos dispositivos de BD em estrutura mesa apresentam comportamento ôhmico, confirmando a eficiência da dopagem de Bi das camadas de contato. A corrente de fuga superficial pelas bordas da mesa foi considerada a principal causa para a não detecção de efeitos de tunelamento ressonante em duplas barreiras de PbTe/PbEuTe. === This work reports the growth of PbTe/Pb$_{1-x}$Eu$_{x}$Te double barrier (DB) structures by molecular beam epitaxial and the device processing aiming the resonant tunneling measurement. The samples were grown on (111) BaF$_{2}$ substrates at 300$°$C. Resistivity and Hall effect measurements were performed on reference films to determine the most suitable electrical properties of each layer of the DB structure. PbTe layers with electron concentration of \textit{n} $\sim$ 10$^{17}$ cm$^{-3}$ for the spacers and the well were controlled by stoichiometric deviation through the additional Te flux. The highest Hall mobility at 77 K of 1.5x10$^{4}$ cm$^{2}$/Vs was obtained just near the \textit{n} to \textit{p} transition range, which occurred abruptly at a beam flux ratio between Te and PbTe close to 0.02. To obtain layers with higher electron concentration, a study of Bi doping on PbTe was performed. PbTe films with \textit{n} values between 1x10$^{17}$ e 4x10$^{19}$ cm$^{-3}$ were obtained by increasing the Bi$_{2}$Te$_{3}$ effusion cell flux. Resistivity and Hall effect measurements at temperature from 10 to 320 K were done for these films. The results indicate that Bi atoms were effectively incorporated to PbTe as active donors. No thermal activation was observed for these doping levels, indicating that Bi has added resonant levels with the conduction band. Mobility curves show that the PbTe layers tend to a metallic behavior, when the electron concentration increases. Values of \textit{n} around 10$^{19}$cm$^{-3}$ are suggested as the most appropriate for the contact layers in the device. The beam flux ratio of 2.2 between Te and Eu was considered as the most suitable for the growth of the Pb$_{1-x}$Eu$_{x}$Te barrier reference layers. Using the Fourier transform infrared spectra, the europium concentration of x = 0.050 was obtained, close to the nominal concentration of x = 0.044 predicted from the beam flux ratio between Eu and PbTe. Considering a band offset of 50\% between the conduction and valence bands, a barrier height of 150 meV is found for the PbTe/Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te interface. A set of PbTe/Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te DB samples was grown with nominal thicknesses, estimated by the growth rates, of 12 nm for the spacers, 5 nm for the well, from 2.5 to 100 nm for the barriers and 36 nm for the cap layers. To obtain the structural parameters, high-resolution x-ray diffraction spectra were measured around the (222) Bragg peak. From the best fit of the calculated spectra, using Takagi-Taupin equations, to the measured ones, the individual thickness of the layers that compose the DB structure was precisely determined. A good agreement between the nominal thicknesses and the values obtained from the x-ray analysis was achieved, except for layers thinner than 10 nm, where a discrepancy up to 40\% was observed. The x-ray analysis also revealed that abrupt interfaces were obtained during the MBE growth, and that the Pb$_{0,95}$Eu$_{0,05}$Te barriers are completely strained to the PbTe layers inside the DB structures up to thicknesses of 100 nm. The IxV curves of the DB mesa devices exhibit an ohmic behavior, confirming the Bi doping efficiency in the contact layers. Leak currents through the mesa edges were considered to be the main reason which prevents the detection of resonant tunneling in the PbTe/PbEuTe double barrier structures.