Сверхпроводимость границ раздела полупроводниковых слоев в двухслойных и многослойных гетероструктурах типа АIVBVI

Abstract

Проведено комплексное исследование и сравнение сверхпроводящих свойств двухслойных и многослойных полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур типа АIVВVI, проявляющих сверхпроводимость при критических температурах Тс≤6,5 К. Сверхпроводимость этих систем связана с инверсией зон в узкощелевых полупроводниках, обусловленной неоднородными напряжениями, создаваемыми сеткой дислокаций несоответствия, возникающей на границах раздела при эпитаксиальном росте. Обнаружено, что Тс и характер сверхпроводящего перехода двухслойных гетероструктур PbTe/PbS зависят от толщины полупроводниковых слоев d и напрямую связаны с качеством сеток дислокаций несоответствия на интерфейсах (количеством и типом структурных дефектов в сетках). Найдены существенные отличия в поведении двухслойных сэндвичей и сверхрешеток. Минимальная толщина d, при которой появляется сверхпроводимость, для двухслойных систем в несколько раз больше, чем для многослойных. Верхние критические магнитные поля Hc₂ двухслойных систем более анизотропны. В области температур, близких к Тс, для сверхрешеток наблюдается 3D-поведение, а ее понижение приводит к кроссоверу 3D–2D. Для двухслойных структур 2D-поведение начинается непосредственно от Тс и обнаруживается кроссовер типа 2D–1D с резкой расходимостью Hc₂, характерной для сверхпроводящих сеток.

Проведено комплексне дослідження й порівняння надпровідних властивостей двошарових і багатошарових напівпровідних епітаксіальних гетероструктур типу АIVВVI, що проявляють надпров ідність при критичних температурах Тс≤6,5 К. Надпровідність цих систем пов’язана з інверсією зон у вузькощілинних напівпровідниках, яка обумовлена неоднорідними напругами, створюваними сіткою дислокацій невідповідності, що виникає на інтерфейсах при епітаксіальному зростанні. Виявлено, що Тс і характер надпровідного переходу двошарових гетероструктур PbTe/Pb залежать від товщини напівпровідникових шарів d і прямо пов’язані з якістю сіток дислокацій невідповідності на інтерфейсах (кількістю й типом структурних дефектів у сітках). Знайдено істотні відмінності в поводженн і двошарових сендвичів та надграток. Мінімальна товщина d, при якій з’являється надпров ідність, для двошарових систем у кілька разів більше, ніж для багатошарових. Верхні критичні магнітні поля Hc₂ двошарових систем більш анізотропні. В області температур, близьких до Тс, для надграток спостерігається 3D-поводження, а її зниження призводить до кросоверу 3D–2D. Для двошарових структур 2D-поводження починається безпосередньо від Тс і виявляється кросовер типу 2D–1D з різкою розбіжністю Hc₂, характерною для надпровідних сіток.

Some epitaxial semiconducting IV–VI heterostructures is known to be superconducting at temperatures as high as 6.5 K. Superconductivity in these systems is supposed to be related to the band inversion in narrow-gap semiconductors due to the elastic stress field formed by misfit dislocation grids at the heterostructure interface. We report here a comparative study of superconducting properties of two-layer and multilayer IV–VI heterostructures. Superconducting critical temperature Tc and transition width of two-layer heterostructure is found to depend on thickness of layers and is influenced by quality of misfit dislocation grids at the interface. The superconducting properties of two-layer and multilayer heterostructures demonstrate essential distinctions. The minimum layer thickness of the two-layer heterostructures at which they display superconductivity is several times greater compared to that of the multilayer one. Upper critical magnetic fields Hc₂ for the two-layer heterostructures are more anisotropic. The multilayer heterostructures display a 3D behavior in the vicinity of Tc, and a 3D–2D crossover is observed in the temperature dependence of Hc₂ with decreasing the temperature. For the two-layer heterostructures the 2D behavior starts directly at Tc and a 2D–1D crossover is observed with a sharp divergence of Hc₂, which is characteristic for superconducting nets.