WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ХАБИБУЛЛИН РУСТАМ АНВАРОВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА КВАНТОВЫХ ЯМ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs С КОМБИНИРОВАННЫМ И ДЕЛЬТА-ЛЕГИРОВАНИЕМ

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: ______________________ Москва, 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент НИЯУ МИФИ Васильевский Иван Сергеевич Научный консультант: доктор физико-математических наук, зав. лаб. ИСВЧПЭ РАН Галиев Галиб Бариевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор НИТУ МИСиС Ковалев Алексей Николаевич доктор физико-математических наук, профессор МГТУ МИРЭА Мельников Александр Александрович ФГУП НИИ Физических проблем Ведущая организация им. Ф.В. Лукина

Защита диссертации состоится «30» октября 2012 года в 16 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д.212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454, Москва, Проспект Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Автореферат разослан «____» __________2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, Вальднер В.О.

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) представляет широчайшие возможности для выращивания многослойных полупроводниковых гетероструктур с толщинами эпитаксиальных слоев до монослоя. Метод МЛЭ позволяет создавать системы с пониженной размерностью – двумерные (квантовые ямы), одномерные (квантовые нити) и нульмерные (квантовые точки), в которых проявляются новые эффекты, приводящие к качественному изменению свойств полупроводниковых материалов. Это открывает большие возможности для создания на базе данных систем приборов широкого профиля применения – лазеров, оптических модуляторов, фотодетекторов, транзисторов и т.д. Одной из важнейших областей применения выращенных методом МЛЭ гетероструктур является современная твердотельная электроника. На сегодняшний день приборы гетероструктурной сверхвысокочастотной электроники активно применяются в приложениях радиолокации, спутниковом телевидении, многоканальных системах беспроводной связи, в том числе – спутниковой и специальной. При этом базовым материалом для многих приборов являются гетероструктуры на основе квантовой ямы (КЯ) AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs.

На сегодняшний день существует необходимость постоянной оптимизации электрофизических параметров гетероструктур для улучшения характеристик приборов, созданных на базе КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs, несмотря на то, что фундаментальные свойства данной КЯ достаточно подробно изучены. В первую очередь, это задачи повышения частоты и получения достаточно высокой мощности полевых СВЧ транзисторов. Такая оптимизация затрагивает решение ряда фундаментальных задач, связанных с исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в сложных квантовых наносистемах, состоящих из различных полупроводниковых материалов и позволяющих реализовать подход наноинженерии для создания структур с желаемыми параметрами.

Исследование квантовых ям, близких к поверхности, в гетероструктурах AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs является актуальной задачей для создания более совершенных транзисторных гетероструктур. С одной стороны, при приближении КЯ к поверхности гетероструктуры возрастает модуляция потенциала КЯ затворным напряжением, что приводит к увеличению частоты. С другой стороны, при уменьшении толщины барьерного слоя AlxGa1-xAs возрастает влияние поверхностного потенциала, что приводит к изменению зонного профиля в гетероструктуре. При этом увеличивается напряженность встроенного электрического поля в верхних слоях гетероструктуры, что отражается на электрофизических и оптических свойствах. Поэтому исследование данных эффектов является крайне важным при проектировании современных транзисторных гетероструктур.

Актуальность исследования гетероструктур с использованием комбинированного легирования для получения высокой концентрации электронов в КЯ определяется необходимостью создания мощных и одновременно высокочастотных транзисторов. Одной из проблем при получении высоких концентраций электронов в КЯ является уменьшение подвижности электронов из-за интенсивного рассеяния на ионизированных донорах в структурах без модулированного легирования. Кроме того, в данных гетероструктурах необходим высокий энергетический барьер КЯ в широкозонном подзатворном слое, поскольку на затвор мощных транзисторов прикладывается достаточно большая амплитуда напряжения. Для решения данных задач идет поиск по усовершенствованию технологии роста и конструированию более сложных и продуманных гетероструктур на основе КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs. Например, идеи по созданию КЯ со ступенчатым профилем дна зоны проводимости, дельта-легирования в субслоях-колодцах, продуманного расположения легирующей примеси в КЯ, позволяют значительно улучшить как электрофизические свойства гетероструктуры, так и характеристики транзисторов, созданных на базе данных гетероструктур. Применение различных способов легирования, введение дополнительных функциональных слоев, направленный инжиниринг слоев гетероструктуры – все это позволяет создать специфические квантовые системы с КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs, исследование которых имеет важную фундаментальную и прикладную ценность.

Цель и задачи работы Целью работы явилось установление влияния на электронные свойства КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs уменьшения глубины залегания КЯ и применения комбинированного объемного и дельта-легирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

Теоретически изучено изменение встроенного электрического поля в гетероструктурах на основе КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs при приближении КЯ к поверхности (уменьшении толщины барьерного слоя Lb до 5 нм) и увеличении степени донорного легирования кремнием.

Проведены расчеты изолиний суммарной концентрации электронов в КЯ при изменении глубины залегания КЯ с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона.

Изготовлена серия гетероструктур методом МЛЭ на основе проведенного расчета изолиний суммарной концентрации электронов в КЯ.

Исследовано изменение напряженности встроенного электрического поля при приближении КЯ к поверхности гетероструктур методом спектроскопии фотоотражения.

Теоретически исследована зависимость подвижности электронов при рассеянии на ионизированных донорах от соотношения концентраций Ndelta/ND при переходе от объемного легирования (ND) к двустороннему дельталегированию (Ndelta) в переходных слоях GaAs на границах составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As в структурах с высокой электронной плотностью.

Изготовлены гетероструктуры с составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As методом МЛЭ с различными способами легирования (Ndelta/ND = 0 1).

Исследованы электрофизические параметры выращенных гетероструктур при помощи эффектов Холла и Шубникова-де Гааза на мезаструктурах в форме холловских мостиков при температурах 300, 77 и 4,2 К.

Исследованы оптические переходы в КЯ выращенных гетероструктур методом спектроскопии ФЛ.

Научная новизна работы 1. Впервые теоретически и экспериментально установлена зависимость встроенного электрического поля в гетероструктуре с КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs от толщины барьерного слоя Lb с компенсирующим поверхностный потенциал легированием.

2. Разработан метод создания гетероструктур с постоянной концентрацией и высокой подвижностью электронов в КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs при приближении КЯ к поверхности.

3. Впервые обнаружена и объяснена немонотонная зависимость холловской подвижности электронов от Lb в гетероструктурах с КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs с компенсирующим поверхностный потенциал легированием.

4. Впервые экспериментально установлено, что определяющую роль в изменении соотношения интенсивностей оптических переходов в спектрах ФЛ гетероструктур с разной Lb в приближении постоянной концентрации электронов в КЯ играет встроенное поле и симметрия профиля КЯ.

5. Впервые теоретически рассчитана и объяснена зависимость подвижности электронов от соотношения концентраций Ndelta/ND при переходе от объемного легирования (ND) центральной области составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As к двустороннему дельталегированию (Ndelta) в переходных слоях GaAs на границах составной КЯ.

6. Впервые разработан и исследован новый тип гетероструктуры с двусторонним дельта-легированием переходных слоев GaAs КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As, одновременно сочетающий высокую концентрацию и приемлемую подвижность электронов.

Научная и практическая значимость работы Представленные результаты диссертационной работы расширяют известные ранее представления об электронном транспорте и оптических свойствах гетероструктур с КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs различной конструкции при применении различных способов легирования. При этом фундаментальность поставленных в работе задач была прямым образом связана с исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в сложных квантовых наносистемах, состоящих из различных полупроводниковых материалов и позволяющих реализовать подход наноинженерии для создания структур с желаемыми параметрами.

Практическая ценность работы связана с тем, что исследуемые в работе гетероструктуры с высокой концентрацией (более 1·1012 см-2) и подвижностью (более 7000 см2/В·с при 300 К) электронов широко применяются в качестве базового материала малошумящих и мощных СВЧ транзисторов. Таким образом, проведенные в работе исследования позволят создавать СВЧ транзисторы с улучшенными частотными характеристиками.

В работе успешно разработаны и апробированы РНЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor) гетероструктуры с необходимой концентрацией электронов ns ~ 1,5–2,0·1012 cм-2 и сохранением высокой подвижности электронов с тонким барьерным слоем, которые могут успешно использоваться как наиболее технологичный материал для СВЧ транзисторов и схем, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн.

В работе разработан и исследован новый тип PHEMT гетероструктуры с неоднородным легированием составной КЯ, обеспечивающий высокую концентрацию электронов ns ~ 1013 cм-2 и максимально уменьшающий нежелательное рассеяние на примесях, который может успешно применяться как базовый материал для изготовления мощных СВЧ транзисторов.

Комплексные исследования электронного транспорта и оптических свойств гетероструктур на основе КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs с комбинированным и дельта-легированием, сопоставления проведенного в работе расчетного моделирования и экспериментальных данных свидетельствуют о высокой научной значимости работы.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанный метод создания гетероструктур на основе КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs с малой толщиной барьерного слоя Lb = 916 нм, который обеспечивает высокую подвижность при сохранении требуемой концентрации электронов в КЯ за счет увеличения степени одностороннего дельта-легирования кремнием.

2. Установленная немонотонная зависимость холловской подвижности электронов от глубины залегания КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs в случае компенсации поверхностного потенциала и ее объяснение.

3. Обоснование механизма изменения соотношения интенсивности пиков на спектрах фотолюминесценции при увеличении встроенного электрического поля в гетероструктуре с малой глубиной залегания КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs с постоянной концентрацией электронов.

4. Разработанная методика создания гетероструктур, одновременно сочетающих в себе высокую концентрацию и приемлемую подвижность электронов на основе составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As с комбинированным объемным и дельта-легированием кремнием.

5. Обнаруженная зависимость подвижности электронов от номера подзоны размерного квантования в составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As с комбинированным объемным и дельта-легированием кремнием.

Достоверность научных положений, результатов и выводов Достоверность научных результатов обусловлена применением современных и общепризнанных экспериментальных методов: МЛЭ, спектроскопии фотолюминесценции и фотоотражения, измерений эффектов Холла и Шубниковаде Гааза. Полученные в работе результаты и выводы не противоречат ранее известным данным, неоднократно апробированы на Международных и российских конференциях и научных семинарах.

Личный вклад соискателя Соискатель принимал активное участие на всех стадиях исследования электронного транспорта и оптических свойств в гетероструктурах AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs. Им была выполнена бльшая часть работ по сбору и анализу имеющихся литературных (отечественных и зарубежных) данных по теме, а также основная часть экспериментальных и расчетных работ.

Расчет зонной структуры и подвижности электронов, рост образцов методом МЛЭ, измерения электрофизических параметров методом эффекта Холла, обработка данных эффекта Шубникова-де Гааза, и спектров ФЛ проводились лично соискателем.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав основного содержания и выводов, содержит 195 страниц, включая 96 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 218 наименований.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по Нанотехнологиям “Форум Роснанотех” (Москва, 2011 г.) – Финалист IV Международного конкурса научных работ молодых ученых; 2-ой Международной научной конференции «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике» (Зеленоград, 2011 г.); 1-ой и 2-ой научно-практических конференциях по физике и технологии наногетероструктурной СВЧэлектроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2011, 2012 г.г.) – диплом стипендиата фонда имени чл.-корр. РАН Мокерова В.Г.; 1-ой Всероссийской школесеминаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для энергетики» (Москва, 2011 г.); Национальной конференции по росту кристаллов IV Международной конференции “Кристаллофизика XXI века”, посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2010 г.); VI, VII и IX Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2008, 2009, 20г.г.); Научных сессиях НИЯУ МИФИ (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г.г.); 11-ой и 15-ой Международной телекоммуникационной конференции молодых ученых и студентов «Молодежь и наука» (Москва, 2008 и 2011 г.г.).

Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликованы 31 работа в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций и семинаров, в том числе 5 работ в реферируемых журналах из перечня ВАК, 4 работы в трудах конференций и 1 патент РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования электронного транспорта и оптических свойств гетероструктур на основе КЯ AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs с разной глубиной залегания КЯ и применением комбинированного и дельта-легирования; сформулированы цель работы и решаемые задачи, указана новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор научно-технической литературы и анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в РФ и за рубежом, по изучению электронного транспорта и оптических свойств в гетероструктурах AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs. Проанализированы основные результаты исследований встроенного электрического поля, энергетического спектра и электрофизических параметров в гетероструктурах, опубликованные в реферируемых журналах за последние 15 лет. Описана проблематика создания продуманного дизайна гетероструктуры для мощных транзисторов.

Рассмотрены современные направления разработки транзисторных гетероструктур с большой канальной проводимостью и высоким пробивным напряжением. По результатам анализа литературных данных обоснована актуальность и научная новизна темы диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание используемого современного метода формирования экспериментальных образцов гетероструктур – молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ): физические принципы эпитаксиального роста, расчет параметров роста (парциальные давления осаждаемых веществ, скорости роста), калибровочные кривые парциального давления осаждаемых веществ от температуры. Кратко описаны методы анализа электрофизических параметров исследуемых гетероструктур: измерительные комплексы температурных зависимостей сопротивления, магнетосопротивления, эффектов Холла и Шубникова-де Гааза (ШдГ). Описаны методики получения спектров фотолюминесценции (ФЛ) и фотоотражения (ФО) и принципиальные схемы соответствующих экспериментальных установок.

В третьей главе представлен анализ полученных в работе результатов расчетного моделирования зонной структуры гетероструктур на подложке GaAs. В первой части главы приведены основные параметры полупроводников, входящих в состав исследуемых гетероструктур (ширина запрещенной зоны, эффективная масса электрона, диэлектрическая постоянная и др.), зависимость данных параметров от состава полупроводников (в случае тройных соединений AlxGa1-xAs и InyGa1-yAs от мольной доли замещающего компонента). Рассмотрено влияние механического напряжения в псевдоморфных гетероструктурах Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs на энергетический спектр и указаны поправочные коэффициенты параметров материалов напряженных полупроводниковых слоев, которые использовались в ходе расчетов. Во второй части главы описаны основные процессы, протекающие в контактной области исследуемых полупроводников. В качестве примера рассмотрен гетеропереход Al0,3Ga0,7As/GaAs c разной концентрацией модулированного легирования. В третьей части главы сформулирована постановка задачи для расчета зонной структуры и метод решения с помощью самосогласованной системы уравнений Шредингера и Пуассона. Представлены результаты моделирования гетероструктур с разным принципом и концентрацией дельта-легирования. Теоретически исследован процесс заполнения и опустошения КЯ при приложении напряжения разного знака на поверхность гетероструктуры (моделирование управления транзистором при подаче напряжения на затвор). По зависимости концентрации электронов в КЯ от приложенного напряжения на поверхность исследована крутизна данного модельного транзистора при изменении толщины барьерного слоя AlxGa1-xAs.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния встроенного электрического поля на энергетический спектр и электрофизические параметры гетероструктур с приповерхностными КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs в случае компенсации поверхностного потенциала. В первой части главы проведен анализ влияния толщины Lb барьерного слоя Al0,23Ga0,77As, ограничивающего КЯ со стороны поверхности, на энергетический спектр и концентрацию электронов в подзонах размерного квантования.

Для фиксированного уровня легирования расчеты подтвердили, что при увеличении Lb квантово-размерные уровни смещаются вниз относительно уровня Ферми. При этом концентрации электронов в подзонах КЯ увеличиваются.

Причина такого поведения – ослабление поверхностного потенциала по мере удаления КЯ от поверхности. Для компенсации поверхностного потенциала при приближении КЯ к поверхности было рассчитано увеличение легирования -Si слоя. Это необходимо для сохранения постоянной концентрации электронов ns в КЯ при уменьшении Lb. Для рассматриваемой базовой конструкции гетероструктуры с шириной КЯ 12 нм и толщиной спейсерного слоя 5 нм рассчитанная зависимость концентрации легирования является семейством гиперболических Nd 3,49ns (129,73 46,50ns ) / Lb функций с параметром ns:. Во второй части главы исследованы электрофизические и оптические свойства образцов 711, 718, 719, 721, 724, 725, 731 и 738, выращенных методом МЛЭ с Lb = 23, 18, 15, 13, 11, 9, 7 и 5 нм, соответственно, с рассчитанной концентрацией компенсированного легирования для сохранения постоянной концентрации электронов в КЯ ns = 1,6·1012 см-2. Из рис. 1 видно, что при уменьшении Lb с 23 нм до 11 нм холловская концентрация электронов nH = (1,58–1,69)1012 см-2 остается близкой к заданной. Уменьшение nH при Lb менее 11 нм по-видимому связано с амфотерным поведением атомов кремния при увеличении концентрации донорной примеси. Измерения показали, что зависимость холловской подвижности H от Lb имеет немонотонный характер (см. рис. 1) с максимальным значением H, наблюдаемом в образце 724 с промежуточной толщиной барьерного слоя Lb = 11 нм.

Рис. 1. Холловская подвижность и концентрация электронов в серии образцов с разной Lb при температурах 300, 77 и 4,2 К Из отношения подвижностей при температурах 300 и 77 К установлено, что в крайних из серии образцах появляется дополнительный механизм рассеяния, который не зависит от температуры. Для более детального исследования механизмов рассеяния были выбраны три характерных образца (738, 724 и 718), на которых исследовался низкотемпературный электронный магнетотранспорт. На рис. 2, а представлены осцилляции ШдГ исследуемых образцов (измерения проводились Н.А. Юзеевой на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова). Из осцилляций ШдГ при помощи Фурье анализа определена частота осцилляций и концентрация электронов nSdH в заполненной подзоне размерного квантования в КЯ с высокой подвижностью электронов (рис. 2, б). Разность nSdH – nH не превышает 3%, что свидетельствует о заполнении электронами одной подзоны КЯ. Из осцилляций ШдГ методом Дингла были вычислены квантовые времена рассеяния электронов q. Из отношения транспортного к квантовому времен рассеяния t/q (рис. 2, в) установлено, что в образце 724 доминирует рассеяние на удаленных ионизированных донорах, а в образцах 738 и 718 появляется рассеяние на большие углы. Поскольку иных факторов изменения, кроме слоевой конструкции структуры, в образцах не было, то дополнительное рассеяние, скорее всего, связано с изменением зонной структуры и особенностями легирования.

Рис. 2. Осцилляции Шубникова-де Гааза для образцов 718, 724 и 738 а), Фурье спектр осцилляций ШдГ б) и график Дингла из осцилляций ШдГ в) Для получения данных о зонном профиле образцов, при помощи спектроскопии фотоотражения исследовалось встроенное электрическое поле в барьерном слое в зависимости от глубины залегания КЯ. Из спектров ФО (рис. 3) с помощью модели Аспнеса и Штудны были вычислены значения напряженности встроенного электрического поля в исследуемых образцах (рис. 4). Зависимость напряженности встроенного электрического поля от Lb была вычислена в простой теоретической модели. Расхождение теории и эксперимента для образца 725 мы связываем с амфотерным поведением донорной примеси, что подтверждают холловские измерения.

Рис. 3. Спектры фотоотражения образ- Рис. 4. Напряженность встроенного элекцов 719, 721, 724 и 725 трического поля для образцов 718, 719, 721, 724 и 7Таким образом, в исследуемой серии образцов при приближении КЯ к поверхности возрастает концентрация донорной примеси и напряженность встроенного электрического поля в барьерном слое, что должно приводить к пространственному уширению профиля легирования из-за процессов диффузии и сегрегации. Расчет профиля дна зоны проводимости с помощью самосогласованной системы уравнений Шредингера и Пуассона показывает, что размытие ионизированных доноров приводит к увеличению наклона дна зоны проводимости в КЯ (рис. 5). Для экспериментального подтверждения изменения симметрии КЯ при уменьшении Lb использовалась спектроскопия ФЛ. В спектрах ФЛ для всех образцов присутствуют две полосы люминесценции, в области энергий 1 = 1,28–1,30 эВ и 2 = 1,35–1,38 эВ, которые идентифицированы как переходы из первой и второй электронных подзон в первую подзону тяжелых дырок, e1-h1 и e2-h1, соответственно (рис. 6). Из рис. 6 видно, что при уменьшении Lb возрастает интенсивность пика, отвечающего переходу e2-h1.

Это связано с увеличением перекрытия волновых функций электронов e2 и дырок h1 из-за увеличения наклона дна зоны проводимости в КЯ и подтверждает уширение профиля легирования при приближении КЯ к поверхности.

Рис. 5. Профиль дна зоны проводиРис. 6. Спектры фотолюминесценции образцов мости, первый и второй уровни раз718, 719, 721 и 724 при 77 К. Данные спектры мерного квантования в образце 719:

ФЛ приведены к одинаковой интенсивности 1 – без учета уширения профиля лепервого перехода e1-hгирования; 2 – с учетом уширения профиля легирования Таким образом, немонотонная зависимость подвижности электронов от Lb связана со следующими конкурирующими тенденциями: при малых Lb увеличивается концентрация донорной примеси для сохранения концентрации электронов в КЯ и уменьшается расстояние между ионизированными донорами и электронами в КЯ из-за процессов уширения профиля легирования, что приводит к интенсивному рассеянию электронов в КЯ; при больших Lb уменьшается концентрация донорной примеси и напряженность встроенного электрического поля в барьерном слое, что приводит к увеличению глубины V-образного потенциала, образованного ионизированной примесью, при этом амплитуда хвоста электронной волновой функции в области ионизированных доноров возрастает и подвижность электронов в КЯ уменьшается.

В пятой главе представлены результаты исследований электронного транспорта и оптических свойств гетероструктур с высокой концентрацией электронов в КЯ AlxGa1-xAs/GaAs/InyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAs. В первой части главы проведено исследование особенностей дизайна гетероструктур для мощных транзисторов. В данных гетероструктурах необходимо обеспечить высокую концентрацию электронов в КЯ, высокий энергетический барьер КЯ в широкозонном подзатворном слое, отсутствие областей с пониженным потенциалом, за исключением области КЯ, увеличение энергии запрещенной зоны в наиболее узкозонной области гетероструктуры – КЯ, уменьшение рассеяния двумерного электронного газа. В качестве компромиссного решения проблемы дизайна структуры для мощных транзисторов предложена наногетероструктура на основе составной КЯ с комбинированным легированием, сочетающая в себе принципы DC HFET (doped channel heterostructure field effect transistor) и PHEMT технологий. Схема слоев структуры представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема слоев образцов (легирование не показано) Во второй части главы проведено моделирование зонной диаграммы гетероструктур на основе КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As с различным способом легирования: однородное легирование, двустороннее дельта-легирование в переходных слоях (ПС) GaAs на границах КЯ и комбинированное легирование, одновременно сочетающее однородное и двустороннее дельта-легирование. Для оценки особенностей рассеяния электронов в предложенных структурах проведен расчет транспортной подвижности электронов t при рассеянии на ионизированной примеси с учетом межподзонных переходов.

Зависимость расчетной подвижности t от отношения концентрации доноров в ПС GaAs Ndelta к полной концентрации доноров ND имеет два экстремума (рис. 8), что связано с различным поведением подвижностей электронов в подзонах i. В разных диапазонах значений Ndelta /ND преобладают различные конкурирующие тенденции: 1) в диапазоне Ndelta /ND от 0 до 0,55 – рост t из-за уменьшения рассеивающих центров в центральной области КЯ при переносе части донорной примеси в ПС; 2) в диапазоне Ndelta /ND от 0,55 до 0,83 – уменьшение t из-за возрастания прямого рассеяния электронов на ионах доноров в ПС GaAs; 3) в диапазоне Ndelta /ND от 0,83 до 1 – рост t из-за увеличения области локализации электронов в верхних подзонах, когда вследствие перестройки профиля КЯ происходит уменьшение перекрытия электронных волновых функций и донорной примеси.

Рис. 8. Рассчитанные холловская подвижность электронов µt (квадраты), подвижности электронов первой, второй и третьей подзон размерного квантования – µ0 (треугольник), µ1 (круг) и µ2 (звезда) в гетероструктуре с постоянной степенью легирования при переходе от объемного к дельта легированию В третьей части главы приведены результаты исследования электрофизических и оптических свойств гетероструктур с составной КЯ, выращенных методом МЛЭ на основе проведенного моделирования. Образцы 662 и 663 являлись структурами с однородно легированной КЯ и были изготовлены для сравнения как опорные образцы с разной степенью легирования. Дизайн структуры 6был таков, что в центральной части КЯ доноры отсутствуют, т.е. Ndelta /ND = 1. В образце 659 применялось комбинированное легирование.

Образцы с однородным легированием КЯ (обр. 662, 663) показали невысокую подвижность электронов. Комбинированное легирование немного увеличивает подвижность (обр. 659), а легирование только в ПС GaAs приводит к наибольшим значениям подвижности (обр. 656). Наблюдаемые изменения µH связаны со взаимным расположением примеси и электронной плотности, а также с экранированием при больших концентрациях электронов.

Рис. 9. Профиль зоны проводимости Рис. 10. Спектры фотолюминесценции обUC, уровни подзон размерного разцов при 77 К: сплошная линия – 656, квантования E0, E1, E2 и E3, волновые пунктирная линия - 6функции электронов 0, 1, 2 и 3 для образца 656 с двусторонним дельталегированием кремнием в ПС GaAs В образце 656 с наибольшей подвижностью электронов наблюдались осцилляции ШдГ с несколькими частотами. Особенностью полученных данных является то, что максимальную интенсивность на фурье-спектре имеет пик от подзоны с низкой концентрацией электронов (nSdH = 2·1012 см-2). При расчете подвижностей в подзонах, наибольшей i действительно обладает верхняя подзона КЯ. Это связано с тем, что основная часть ВФ электронов 3 расположена в центральной области КЯ (рис. 9), т.е. электроны верхней подзоны максимально пространственно разделены от ионизированных доноров. Кроме того, возникает экранирование кулоновского потенциала ионизированных примесей за счет высокой электронной плотности в нижних подзонах. На спектрах ФЛ образцов 656 и 659 наблюдаются три полосы люминесценции (рис. 10). Первая полоса с энергией в диапазоне 1,3–1,4 эВ соответствует рекомбинации электронов и дырок в составной КЯ. Вторая полоса с энергией 1,508 эВ соответствует фундаментальному переходу в буфере GaAs. В высокоэнергетичной части спектра полоса люминесценции с энергией в диапазоне 1,6–1,7 эВ отвечает переходам в сверхрешетках AlxGa1-xAs/GaAs (см. рис. 7).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что компенсация влияния поверхностного потенциала при приближении КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs к поверхности за счет увеличения концентрации одностороннего дельта-легирования позволяет сохранить требуемую концентрацию и высокую подвижность электронов в КЯ при уменьшении толщины барьерного слоя вплоть до 9 нм.

2. Показано, что максимальная подвижность электронов µe в PHEMT гетероструктуре с КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs достигается при толщине барьерного слоя Lb = 11 нм.

3. Впервые обнаружена немонотонная зависимость µe от Lb в PHEMT гетероструктуре с КЯ Al0,23Ga0,77As/In0,2Ga0,8As/GaAs, что связано с возрастанием рассеяния на ионизированных донорах, обусловленного различными причинами: при малых Lb из-за роста плотности доноров и уширения профиля их распределения вследствие усиления процессов сегрегации и диффузии; при больших Lb вследствие понижения энергии дна зоны проводимости в области легирования, что приводит к увеличению амплитуды хвоста электронной волновой функции в области ионизированных доноров.

4. Установлено, что неоднородное распределение донорной примеси в составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As с высокой концентрацией электронов ne~1013 см-2 приводит к увеличению подвижности электронов за счет уменьшения пространственного перекрытия электронной плотности и ионизированных доноров.

5. Установлено, что увеличение подвижности электронов в верхних подзонах размерного квантования в составной КЯ Al0,38Ga0,62As/GaAs/In0,15Ga0,85As/GaAs/Al0,38Ga0,62As с двусторонним дельталегированием слоев GaAs связано с увеличением ширины области локализации электронов верхних подзон и экранированием кулоновского потенциала ионизированной донорной примеси за счет высокой электронной плотности в нижних подзонах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев, В.П. Гладков, В.А. Кульбачинский, А.Н. Клочков, Н.А. Юзеева. Влияние встроенного электрического поля на оптические и электрофизические свойства P-HEMT наногетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs. – Физика и техника полупроводников, 2011, т. 45, вып. 5, с. 666–671.

2. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, В.П. Гладков, Н.И. Каргин, М.Н. Стриханов. Увеличение подвижности электронов в комбинированно-легированных транзисторных наногетероструктурах AlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs в случае многоподзонной проводимости.

– Ядерная физика и инжиниринг, 2012, т. 3, № 2, с. 179-187.

3. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев, Р.А. Лунин, В.А. Кульбачинский. Рассеяние и подвижность электронов в комбинированно-легированных HFET-структурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs с высокой концентрацией электронов. – Физика и техника полупроводников, 2011, т. 45, вып. 10, с. 1373–1378.

4. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Д.С. Пономарев, Г.Б. Галиев, В.А. Кульбачинский. Подвижность электронов в комбинированнолегированных транзисторных наногетероструктурах GaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs c высокой концентрацией электронов: моделирование и эксперимент. – Нано – и микросистемная техника, 2011, № 12, с. 21–24.

5. Полупроводниковая наногетероструктура со ступенчатой квантовой ямой AlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs на подложке GaAs с комбинированным легированием. – Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев. Патент № 113072 РФ от 12.10.2011 г.

6. R.A. Khabibullin, I.S. Vasil’evskii, D.S. Ponomarev, G.B. Galiev, E.A. Klimov, L.P. Avakyanz, P.Yu. Bokov, A.V. Chervyakov. The built-in electric field in P-HEMT heterostructures with near-surface quantum wells AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/GaAs. – J. Phys.: Conf. Ser., 2012, v. 345, 012015.

7. Д.С. Пономарев, Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, В.П. Гладков, В.А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева, Н.И. Каргин, М.Н. Стриханов. Квантовое и транспортное времена рассеяния электронов в наногетероструктурах In0,52Al0,48As/InxGa1-xAs/In0,52Al0,48As с повышенным содержанием индия. – Ядерная физика и инжиниринг, 2012, т. 3, № 2, с. 1–6.

8. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев. Разработка P-HEMT гетероструктур с тонким подзатворным барьером для приборов KA и V диапазонов. – Материалы докладов научнопрактической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения», 2011, с. 46–47.

9. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, В.А. Кульбачинский, Р.А. Хабибуллин. Встроенное электрическое поле в приповерхностных квантовых ямах AlGaAs/InGaAs/GaAs. – Материалы докладов IХ-ой Курчатовской молодежной научной школы, 2011, РНЦ «Курчатовский Институт», 2011, с.

136.

10. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, В.П. Гладков, Е.А.

Климов, В.А. Кульбачинский. Спектроскопия фотолюминесценции в наногетероструктурах AlGaAs/InGaAs/GaAs с различной глубиной залегания квантовой ямы. – Материалы докладов 1-ой Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для энергетики», 2011, с. 85–93.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.