WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В СОСТАВНЫХ КВАНТОВЫХ ЯМАХ InAlAs/InGaAs/InAlAs, СОДЕРЖАЩИХ НАНОРАЗМЕРНЫЕ ВСТАВКИ InAs

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 Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)

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 МГТУ МИРЭА Мельников Александр Александрович кандидат физико-математических наук, доцент МГУ им. М.В. Ломоносова Кытин Владимир Геннадьевич Ведущая организация Национальный исследовательский университет МИЭТ

Защита диссертации состоится «30» октября 2012 года в 17 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) по адресу: 119454, Москва, Проспект Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан «__» ________ 2012 года.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу МИРЭА.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Вальднер В.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы Развитие полупроводниковой электроники привело, с одной стороны, к созданию сверхбольших интегральных схем (СБИС), основанных на кремниевой технологии, с другой стороны к созданию твердотельной электроники сверхвысоких частот (СВЧ), вплоть до 1011 Гц. Системы с использованием СВЧ сейчас наиболее важны в приложениях радиолокации, спутниковом телевидении, многоканальных системах беспроводной связи, в том числе космической и специальной. Увеличение частотного диапазона вплоть до ТГц области спектра на сегодняшний день необходимо вследствие перегруженности существующих диапазонов, а также нарастания плотности информации. Кроме того, благодаря специфике взаимодействия ТГц излучения с веществом созданы уникальные методы спектроскопии и теравидения для систем диагностики и безопасности.

СВЧ твердотельная электроника имеет заметно меньший уровень интеграции схем и использует в качестве базовых функциональных материалов не кремний, а другие полупроводники или многослойные гетероструктуры на основе различных полупроводников, в основном соединений III и V групп периодической системы элементов таблицы Д.И. Менделеева (А3В5). Этот выбор продиктован уникальными свойствами таких структур - обеспечением в несколько раз более высоких дрейфовых скоростей насыщения электронов, чем в кремнии, а также возможностью инженерии зонной структуры. Главное преимущество гетероструктур заключается в использовании двумерного электронного газа, который локализуется в потенциале квантовой ямы (КЯ) в поперечном направлении. Низкоразмерные системы проявляют уникальные новые свойства, связанные с размерным квантованием энергии и квазиимпульса электронов, а также с пространственным распределением зарядов (например, квантовый эффект Холла, сверхвысокие подвижности электронов).

В последние два десятилетия наблюдается интенсивное развитие промышленного освоения гетероструктурных СВЧ приборов, в том числе HEMT (high electron mobility transistor) на основе гетеросистем InGaAs/InAlAs/InAlAs на подложках фосфида индия (InP). Возрастает также число научных работ, посвященных исследованиям таких гетероструктур. Такая тенденция объясняется заметными преимуществами, которые дает использование InP HEMT структур в приложениях, требующих достаточно высоких частотных и низких шумовых параметров. В то время как псевдоморфные HEMT приборы на GaAs ограничены величиной мольной доли InAs в 2030%, в канале HEMT приборов на InP возможно повышение этой величины до 70% и более. Помимо этого, за счет введения дополнительного слоя InAs в активную область гетероструктуры возможно увеличить электронную подвижность за счет уменьшения эффективной массы электронов, однако при этом возникает механическое напряжение слоя и ограничение, связанное с релаксацией решетки. Поэтому, уменьшение накопления механической деформации в растущих слоях является и по сей день актуальной проблемой. Оптимизация конструкции и дизайна гетероструктуры становится ключевой задачей для достижения рекордных значений подвижности и, одновременно, концентрации двумерных электронов, что обеспечит большую проводимость канала транзистора и высокий к.п.д. Исследование влияния конструктивных особенностей наногетероструктуры, выбор состава и толщины активного слоя – КЯ, применение напряженных слоев, способа легирования (одностороннее или двухстороннее) и изучение структурных особенностей гетероструктур является комплексной и сложной задачей. При помощи эпитаксиальной технологии возможно создать сложную двумерную систему с КЯ, составленной из нескольких гетерослоев, для формирования зонного профиля с одновременным учетом ограничений, накладываемых механическими свойствами гетероматериалов. При этом для получения максимальной информации о такой системе необходимо привлекать не только традиционные измерения холловских параметров при комнатной температуре, но и подробно проанализировать взаимосвязь структурных и электрофизических параметров, с использованием ряда методик, таких как температурные зависимости сопротивления, квантовые осцилляционные эффекты.

Необходимо решение вопросов и развитие существующих подходов, учитывающих изменение электрофизических свойств конкретной гетероструктуры за счет изменения состава квантовой ямы (например, увеличения мольной доли InAs в слое InGaAs). Кроме того, необходимо учитывать ухудшение кристаллического совершенства эпитаксиальных слоев за счет частичной релаксации напряжений в квантовой области гетероструктуры, образование протяженных дефектов, включение новой кристаллической фазы с параметром решетки, отличным от параметра решетки подложки InP. Таким образом, стоящая задача вовлекает исследование фундаментальных электронных свойств новых КЯ совместно с контролем их структурных параметров.

Цель и задачи работы Целью работы явилось установление влияния введения одной и нескольких наноразмерных вставок нелегированного InAs в квантовую яму In0,53Ga0,47As на электрофизические и структурные свойства наногетероструктур In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

Исследован электронный транспорт в выращенных методом молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ) образцах с одиночной (ОКЯ) и составной (СКЯ) ямой InGaAs, содержащих одну или две наноразмерные вставки InAs.

Изучено влияние состава, ширины однородной и составной КЯ, а также способа -легирования кремнием (одностороннего и двухстороннего) на электрофизические свойства гетероструктур: электронную подвижность е и концентрацию электронов ne в КЯ при различных температурах (T = 4,2; 77 и 300 К).

Проведен расчет зонной структуры образцов c помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона и результаты сопоставлены с экспериментальными данными.

Исследован и проанализирован низкотемпературный магнетотранспорт (эффект Шубникова-де Гааза) в образцах с КЯ обоих типов; определено заполнение подзон размерного квантования электронами. В образцах с ОКЯ оценено соотношение подвижностей электронов в двух заполненных подзонах.

В образцах с ОКЯ различной глубины определены квантовое q и транспортное t времена рассеяния электронов в каждой подзоне размерного квантования методами Дингла и Фурье – спектров осцилляций Шубникова-де Гааза (ШдГ); из анализа t/q установлен доминирующий механизм рассеяния электронов.

Проведено комплексное исследование влияния введения одной наноразмерной вставки InAs различной толщины в центр КЯ In0,53Ga0,47As на электрофизические свойства и структурные особенности наногетероструктур In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As с двухсторонним дельта-легированием кремнием.

Теоретически рассчитаны и экспериментально измерены эффективные массы электронов в структурах с одиночной КЯ и СКЯ.





Научная новизна работы При выполнении работы получены следующие результаты.

1. Впервые показано влияние введения двух нановставок InAs и/или GaAs на электрофизические свойства в наногетероструктурах с СКЯ InyAl1-yAs/InxGa1-xAs/InyAl1-yAs/InP.

2. Предложена технология формирования методом МЛЭ наногетероструктур In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As с наноразмерными вставками InAs с резкими границами раздела, что подтверждено совместно методами рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии.

3. Впервые показано, что изменение эффективной массы электронов в составной КЯ связано не только с изменением среднего состава, но также с инженерией зонного профиля и волновых функций (ВФ) электронов.

4. Впервые предложена конструкция наногетероструктуры c двумя нановставками InAs, в которой достигнуто заметное уменьшение эффективной массы электронов по сравнению со структурой c одиночной решеточносогласованной КЯ In0,53Ga0,47As.

Научная и практическая значимость работы Полученные результаты диссертационной работы расширяют известные ранее представления об электронном транспорте и структурных особенностях наногетероструктур, а также описывают свойства новой предложенной конструкции гетероструктур на основе гетеросистемы In0,5Al0,5As/InxGa1-xAs/In0,5Al0,5As.

Результаты могут быть полезны в работах, ставящих своей целью оптимизацию активных слоев гетероструктур, уменьшение плотности дислокаций в растущих эпитаксиальных слоях, исследование механизмов рассеяния электронов в составных квантовых ямах. Практическая ценность работы связана с тем, что подобные гетероструктуры являются материалом для построения элементной базы современных СВЧ устройств миллиметрового диапазона. Впервые предложенная композиция гетероструктуры с несколькими вставками InAs может привести к созданию СВЧ приборов с высокими значениями частоты и крутизны, а также стимулирует новые исследования в направлении развития и изучения перспективных конструкций гетероструктур с функциональными слоями за счет инженерии зонной структуры и уменьшения эффективной массы носителей в КЯ. Таким образом, предложенная технология создания гетероструктур с составными КЯ позволяет создавать базовые наноматериалы для устройств современной твердотельной СВЧ электроники миллиметрового диапазона длин волн.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанная методика роста гетероструктур методом МЛЭ при пониженной температуре и уменьшенном давлении мышьяка c одной и двумя нановставками InAs с резкими гетероинтерфейсами In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As и In0,53Ga0,47As/InAs, позволяющая достичь высоких значений подвижности µе ~ 13 000 см2/В·с при Т = 300 К.

2. Установленное уменьшение эффективной ширины составной КЯ In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As c увеличением толщины центральной вставки InAs.

3. Установленная зависимость изменения отношения квантового к транспортному времен релаксации импульса в гетероструктурах с повышенным содержанием InAs в КЯ InxGa1-xAs.

4. Разработанный подход к уменьшению эффективной массы электронов за счет введения в КЯ симметрично расположенных нановставок InAs.

5. Экспериментально полученное подтверждение справедливости приближения локальной эффективной массы электронов в составной КЯ с наноразмерными гетеровставками InAs и/или GaAs, рассчитанной с учетом непараболичности энергетического спектра электронов.

Достоверность научных положений, результатов и выводов Достоверность научных результатов обусловлена применением современных и общепризнанных экспериментальных методов: МЛЭ, рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, а также измерениями эффектов Холла и Шубникова-де Гааза и т.д. 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 работы. Им был выполнен анализ имеющихся литературных (отечественных и зарубежных) данных по теме, а также основная часть экспериментальных и расчетных работ по исследованию электронного транспорта, измерения электрофизических параметров при помощи эффектов Холла в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs. Расчет зонной структуры, рост образцов методом МЛЭ, обработка данных измерений эффекта ШдГ проводились также с непосредственным участием соискателя.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав основного содержания и выводов, содержит 145 страниц, включая 72 рисунка, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 172 наименований.

Апробация работы Результаты работы докладывались на международной конференции 19th International Symposium “Nanostructures: Physics and Technology” (Екатеринбург, 2011 г.); 2-ой международной научно-технической конференции «Технология микро-и наноэлектроники в микро-и наносистемной технике» (Зеленоград, 2011 г.); 1-ой научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2011 г.) – диплом стипендиату фонда имени чл.-корр. РАН Мокерова В.Г.;

VI-ой, VII-ой, IX-ой, Курчатовской молодежной научной школе в РНЦ «Курчатовский Институт» (Москва, 2011, 2010, 2009 гг.) – 2 диплома за лучшие работы, представленные на научной школе (2009 и 2011 гг.); Национальной конференции по росту кристаллов IV-ой Международной конференции “Кристаллофизика XXI века”, посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2010 г.);

2-ом международном форуме по нанотехнологиям РОСНАНО (Москва, 20г.); 11 и 15-ой Международной телекоммуникационной конференции молодых ученых и студентов «Молодежь и наука» (2008, 2012 гг.); Научных сессиях НИЯУ МИФИ (2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.).

Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликованы 32 работы в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций и семинаров, в том числе 6 работ в реферируемых журналах из перечня ВАК, 4 в трудах конференций и 1 патент РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования электронного транспорта в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs с одиночными и составными КЯ; сформулированы цель работы и решаемые задачи, указана новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор и анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в РФ и за рубежом, отражающих основной спектр работ по изучению свойств двумерных систем на основе гетероструктур InAlAs/InGaAs/InAlAs с различным составом квантовой ямы. Дано обоснование использования выбранной в работе гетеросистемы путем сравнения ее свойств с параметрами альтернативных материалов полупроводников группы А3В5. Проанализированы данные о низкотемпературном магнетотранспорте, эффективной массе электронов в КЯ различного состава, а также рассмотрены электрофизические параметры гетероструктур.

Во второй главе приведено описание метода роста гетероструктур – МЛЭ, а также выбранных материалов и методик исследований электрофизических и структурных параметров образцов. Рассмотрены основные физические принципы этих методов с указанием преимуществ и недостатков и обосновано их применение в настоящем исследовании. Описана установка МЛЭ ЦНА-24 (Россия), измерительные комплексы для измерения магнетосопротивления при низких температурах, сопротивления и эффекта Холла, просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) TITAN 80-300 (США) с корректором сферической аберрации зонда, а также трехкристальный рентгеновский дифрактометр (ТРД) ТРС-(Россия).

В третьей главе приведены основные результаты численного моделирования зонной структуры и электронных волновых функций в образцах, а также расчеты эффективных масс электронов. В первой части главы отражены расчеты зонных профилей образцов гетероструктур c ОКЯ InxGa1-xAs различной глубины с различным способом -легирования кремнием (односторонним и двухсторонним). Рассчитаны энергии подзон размерного квантования и ВФ электронов в яме. Показано, что в случае двухстороннего легирования профиль КЯ оказывается более симметричным по сравнению с односторонним легированием. Расчет эффективных масс отражает монотонное уменьшение me* с увеличением содержания InAs в КЯ, при этом относительное изменение me* при переходе от решеточно-согласованного слоя КЯ In0,53Ga0,47As к напряженному In0,7Ga0,3As составляет 12%. Вторая часть главы посвящена моделированию зонной структуры образцов с одиночной центрированной вставкой InAs в СКЯ In0,53Ga0,47As (рис.1, а).

Рис. 1. Зона проводимости Uc и профили ВФ электронов i в CКЯ, содержащей одну (а) и две нановставки InAs (б) с односторонним -легированием кремнием. Нуль энергии отчитывается от уровня Ферми Рассмотрено влияние введения в КЯ наноразмерного слоя InAs различной толщины на эффективную массу электронов. Расчет me* демонстрирует ее уменьшение на 17% по сравнению с ОКЯ при толщине вставки dInAs = 3 нм. Показано, что при введении достаточно широкой вставки InAs уровень энергии электронов нижней подзоны размерного квантования E0 понижается относительно дна КЯ и начинает выделяется в уровень, которому соответствует состояние, локализованное преимущественно в области вставки. При этом эффективная ширина КЯ Deff, определяемая как полуширина квадрата ВФ электронов в нижней подзоне размерного квантования Е0, заметно уменьшается в отличие от однородной ямы. На это указывает и увеличение энергетического зазора между уровнями энергии подзон E0 и E1. Таким образом, введение нановставки InAs приводит к увеличению подвижности электронов вследствие уменьшения эффективной массы. В третьей части главы описывается предложенный подход к уменьшению эффективной массы электронов в СКЯ различного состава за счет введения двух нанослоев InAs в КЯ In0,53Ga0,47As. Показано, что дизайн гетероструктуры нужно подбирать исходя из двух условий. Первое – необходимо увеличивать среднее содержание InAs в КЯ, а второе – избегать релаксации возникающего напряжения в слое СКЯ. Чтобы удовлетворить этим параметрам, была предложена составная КЯ (см. рис. 1, б), в которой имеется не одна, а две вставки InAs. В этом случае ВФ электронов не являются локализованными в области одной из вставок в отличие от случая одиночного слоя InAs, а по причине достаточно большого расстояния между вставками распространяются на область, сравнимую с полной шириной СКЯ, ограниченной барьерами In0,5Al0,5As. Кроме того, показано, что эффективная ширина зависит от взаимного расположения вставок и профиля потенциала СКЯ в целом. На рис. 2 показано, что расположение слоев InAs достаточно близко друг к другу приводит к сильной локализации электронов в области вставки.

Рис. 2. Энергии нижней (E0) и двух верхних Рис. 3. Эффективная ширина Deff в подзон размерного квантования (E1) и (E2) в случае введения одной и двух вставок зависимости от расстояния r между двумя InAs при различной толщине слоя вставками InAs InAs dInAs При использовании одиночного слоя InAs (это случай r = 0 нм) уровни энергий подзон размерного квантования разнесены по отношению друг к другу и эффективная ширина СКЯ мала. При больших значениях r разница между Eи E1 уменьшается до ~ 30 мэВ, что приводит к увеличению межподзонного рассеяния электронов. В случае промежуточного расположения вставок (r = 4 нм) ВФ электронов имеют достаточно большие амплитуды как в центральной области СКЯ, так и в области нановставок, что позволяет, во-первых, сохранить сравнимую с однородной ямой эффективную ширину КЯ, а во-вторых, уменьшить эффективную массу носителей в СКЯ. Кроме того, из рис. 3 видно насколько эффективная ширина ямы в случае введения двух слоев InAs превосходит Deff для одной вставки.

Для расчетной оценки эффективной массы электрона в СКЯ использовано приближение локальной эффективной массы, при котором mе* определяется по усреднению mе* в каждом из слоев СКЯ гетероструктуры:

е m *(z) / m0(z) *(z)dz mе */m0 , (1) (z) *(z)dz где mе*(z)/m0 – кусочная функция, отражающая значения mе* в разных слоях гетероструктуры, m0 – масса свободного электрона, а (z) и *(z) – ВФ и комплексно сопряженная ВФ электронов в первой подзоне размерного квантования, соответственно. Такое усреднение предложено исходя из соотношения вероятностей для электрона находиться в той или иной пространственной области СКЯ, где действует локальное приближение эффективной массы. Из выражения (1) видно, что изменение профиля зоны проводимости и, как следствие, сложная форма ВФ определяет эффективную массу носителей в СКЯ. Увеличение амплитуды ВФ электрона в области каждой из вставок дает более сильное уменьшение эффективной массы электрона в СКЯ.

В четвертой главе отражены основные экспериментальные результаты. В первой части главы приведены результаты электрофизических измерений и расчетов транспортного и квантового времени релаксации импульса электронов в гетероструктурах In0,5Al0,5As/InxGa1-xAs/In0,5Al0,5As c ОКЯ InxGa1-xAs различной глубины при изменении состава InAs x. Установлено, что по мере повышения содержания InAs в КЯ подвижность и концентрация двумерных электронов увеличиваются вплоть до критического значения х ~ 0,6, превышение которого приводит к уменьшению подвижности электронов вследствие частичной релаксации кристаллической решетки эпитаксиального слоя и появляющихся дислокаций несоответствия. Для исследования заполнения электронами подзон размерного квантования анализировался эффект ШдГ при Т = 4,2 К (рис. 4) в квантующем магнитном поле до 7 Тл. Установлено, что вторая подзона размерного квантования является наиболее восприимчивой к изменениям структуры КЯ.

При этом максимальная концентрация электронов сосредоточена в первой подзоне размерного квантования, в то время как вторая подзона существенно менее заполнена электронами. С помощью традиционного метода Фурьепреобразования осцилляций (рис. 5) получены спектры, по которым определены концентрации электронов ni (i – номер подзоны) в каждой из подзон размерного квантования.

Рис. 4. Осцилляции ШдГ xx образце с одно- Рис. 5. Фурье спектры осцилляций ШдГ для трех образцов с различным родной КЯ InxGa1-xAs (х = 0,53) составом КЯ Методами Дингла (рис. 6) и Фурье-спектров осцилляций ШдГ определено квантовое время рассеяния электронов. Рассчитаны транспортное t и квантовое q времена рассеяния электронов в первой и второй подзонах. Получено соотношение t/q 1,5, свидетельствующее о том, что основным механизмом рассеяния является рассеяние электронов на дислокациях несоответствия вследствие роста дефектности в сильно напряженном слое InxGa1-xAs (x>0,53).

Рис. 6. Расчет квантового времени рассеяния для трех образцов Вторая часть главы посвящена комплексному исследованию электрофизических свойств одновременно со структурными особенностями составных ям In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As с одной нановставкой InAs. Измерения в ПЭМ показывают, что выращенные образцы обладают высоким структурным совершенством, а размытие границ даже в случае наноразмерной вставки толщиной 1,8 нм составляет всего 1,5 монослоя. При этом в образцах наблюдается сильный z-контраст (рис. 7).

Слои, имеющие более высокое содержание тяжелых элементов, а это в рассматриваемых образцах – In, в области вставки выглядят светлее.

Рис. 7. ПЭМ изображения образцов c однородной КЯ (а) и СКЯ со вставкой InAs толщиной 1,8 нм (б) То же относится к контрасту в слоях In0,50Al0,50As/In0,53Ga0,47As, в которых слой In0,53Ga0,47As с более тяжелыми атомами Ga по сравнению с Al выглядит светлее. Точные измерения толщин слоев были осуществлены непосредственно по изображениям кристаллической решетки соответствующих слоев гетероструктур подсчетом количества кристаллических плоскостей. Толщинные осцилляции, представленные на рис. 8, также подтверждают высокое кристаллическое качество выращенных слоев и четкость гетерограниц. Оценка состава слоев In0,50Al0,50As по угловому положению дополнительного пика на кривых дифракционного отражения (КДО) свидетельствует о псевдоморфном росте данных слоев на InP с небольшим рассогласованием параметра решетки. КДО, полученная от тонкой вставки InAs (см. рис. 8, б), имеет свои особенности: помимо пиков от подложки InP (основного) и буфера In0,50Al0,50As, проявляется дополнительный широкий и слабоинтенсивный пик, связанный с образованием гексагональной фазы в слое In0,50Al0,50As вблизи границы раздела.

Рис. 8. КДО от трех измеренных образцов с ОКЯ (а); СКЯ со вставкой InAs толщиной 1,8 (б) и 3,2 нм (в) В третьей части главы описано исследование электрофизических свойств СКЯ In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As c двумя нановставками InAs. Экспериментально показано влияние изменения состава квантовой области на эффективную массу электронов в СКЯ. Проведено сравнение рассчитанных величин me* с учетом непараболичности (НП) энергетического спектра электронов (см. гл. 2) с экспериментально измеренными эффективными массами. Экспериментальные значения mе* были определены из эффекта ЩдГ (измерения проводились Н.А. Юзеевой на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова) при двух температурах 4,2 и 8,4 К (рис. 9). Амплитуда осцилляций магнетосопротивления возрастает при понижении температуры, что дает возможность определить циклотронную массу на экстремальных сечениях поверхности Ферми. При учете НП энергетического спектра электронов получено превосходное соответствие экспериментальных величин me* и расчетных данных. Для сравнительного анализа предложена также структура с двумя нанослоями InAs и GaAs в КЯ.

Что касается слоев GaAs, то они вводились в качестве пристенков КЯ на гетерограницах In0,53Ga0,47As/In0,5Al0,5As для компенсации механической деформации, возникающей в напряженных вставках InAs. Кроме того, нанослои GaAs служат фононными барьерами и могут влиять на подвижность горячих электронов. Показано, что введение таких пристенков GaAs толщиной 1,1 нм на гетерогранице позволяет понизить me* на 12% по сравнению с однородной ямой Рис. 9. Осцилляции ШдГ при Т=4,2 и 8,4 K In0,53Ga0,47As (табл. 1).

Таблица 1. Рассчитанные с учетом непараболичности, и экспериментально измеренные из эффекта Шубникова-де Гааза значения me* Состав КЯ m*е/m0 (с учетом НП) m*c/m0 (ШдГ) Однородная КЯ 0,0692 0,0650,0КЯ + 2 InAs 0,0441 0,04360,00КЯ + 2 GaAs 0,0617 0,05880,00КЯ + 2 (InAs+GaAs) 0,0612 0,0590,0В свою очередь, использование СКЯ, состоящей только из двух симметрично расположенных нановставок InAs толщиной 1,2 нм, приводит к заметному уменьшению эффективной массы электронов на 26%, при этом сохраняя концентрацию электронов достаточно большой в КЯ. Отметим, что холловская подвижность как в образце с комбинацией слоев InAs и GaAs, так и в образце с двумя вставками InAs немного ниже по сравнению с µH = 45200 см2/В·с (при Т = 4,2 К) в ОКЯ In0,53Ga0,47As, что связано с незначительными локальными колебаниями толщины вставок InAs и рассеянием электронов на шероховатостях гетерограницы In0,53Ga0,47As/InAs. При этом в сильных электрических полях дрейфовая скорость насыщения определяется эффективной массой электронов и энергией оптического фонона и, поэтому, уменьшение me* играет значительно более существенную роль, нежели увеличение подвижности. Таким образом, впервые предложенная и апробированная конструкция гетероструктуры с двумя слоями InAs с наименьшей эффективной массой является наиболее перспективной в приложениях, требующих аномально высоких частот. При этом увеличение числа нановставок InAs не приводит к желаемому уменьшению mе*, так как в этом случае распределение ВФ электронов имеет вид, почти идентичный ВФ в одиночной яме. Кроме того, справедливость приближения локальной эффективной массы электронов в составной КЯ, даже при наличии тонких нановставок, напрямую подтверждается экспериментальными измерениями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что пониженная температура роста Т = 430С и давление мышьяка PAs = (0,790,84)·10-5 Торр при эпитаксиальном росте составных КЯ In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As, содержащих наноразмерные вставки InAs, позволяют формировать резкие гетероинтерфейсы In0,5Al0,5As/In0,53Ga0,47As и In0,53Ga0,47As/InAs и достичь высоких значений электронной подвижности µе ~ 13 000 см2/В·с при Т = 300 К.

2. Показано, что гетероструктура с одной центральной вставкой InAs толщиной 1,8 нм в КЯ In0,53Ga0,47As позволяет увеличить е при комнатной температуре в двухсторонне -легированных структурах более чем на 25% по сравнению с ОКЯ In0,53Ga0,47As.

3. Установлено, что увеличение толщины центральной вставки InAs позволяет уменьшить эффективную массу носителей в КЯ на 17% по сравнению с ОКЯ In0,53Ga0,47As, однако приводит к значительному уменьшению эффективной ширины СКЯ In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As вследствие более сильной локализации электронов в области расположения слоя InAs.

4. Предложен и апробирован подход к уменьшению эффективной массы электронов за счет инженерии волновых функций электронов в гетероструктуре cо сложной КЯ In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As при помощи двух симметрично расположенных нановставок InAs толщиной 1,2 нм с сохранением эффективной ширины составной КЯ. Показано, что эффективная ширина такой составной квантовой системы сильно зависит от расстояния между вставками.

5. Впервые разработана и реализована конструкция гетероструктуры с комбинацией двух наноразмерных вставок InAs в КЯ In0,53Ga0,47As, которая позволяет уменьшить эффективную массу электронов на 26% по сравнению c однородной КЯ In0,53Ga0,47As. Анализ экспериментальных зависимостей амплитуд осцилляций ШдГ подтверждает справедливость приближения локальной эффективной массы в составной КЯ с наноразмерными гетеровставками при учете непараболичности энергетического спектра электронов, при этом расхождение с теорией составляет не более 1,3%.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Р.А. Хабибуллин, В.А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева. Подвижность и эффективная масса электронов в составных квантовых ямах InGaAs с нановставками InAs и GaAs // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 46. Вып. 4.

С. 500507.

2. V.A. Kulbachinskii, N.A. Yuzeeva, G. B. Galiev, E. A. Klimov, I. S. Vasil’evskiі, R. A. Khabibullin, D. S. Ponomarev. Electron effective masses in InGaAs quantum well with InAs and GaAs inserts // Semiconductor Science and Technology. 2012. V. 27. № 3. P. 035021.

3. А.Л. Васильев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Р.М. Имамов, Е.А. Климов, М.В. Ковальчук, Д.С. Пономарев, В.В. Роддатис, И.А. Субботин.

Структурные и электрофизические свойства квантовых ям c наноразмерными вставками InAs в гетероструктурах на основе InyAl1-yAs/InxGa1-xAs на подложках InP // Кристаллография. 2011. Т. 56. № 2. С. 324335.

4. Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Р.А. Хабибуллин, В.П. Гладков, В.А. Кульбачинский. Инженерия волновых функций в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs с композитной квантовой ямой, содержащей нановставки InAs // Ядерная физика и инжиниринг.

2011. Т. 2. № 1, с. 8993.

5. Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е. А. Климов, Р.А. Хабибуллин, В.А. Кульбачинский. Моделирование зонной диаграммы и расчет эффективной массы электронов в составных квантовых ямах InGaAs с нанослоями GaAs/InAs // Нано – и микросистемная техника. 2011. № 12.

С. 1619.

6. Д.С. Пономарев, Р.А. Хабибуллин, И. С. Васильевский, Г. Б. Галиев, В. А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева, В.П. Гладков, Н.И. Каргин, М.Н. Стриханов. Квантовое и транспортное времена рассеяния электронов в наногетероструктурах In0,5Al0,5As/InxGa1-xAs/In0,5Al0,5As с повышенным содержанием индия // Ядерная физика и инжиниринг. 2012. Т. 3. № 2. С. 16.

7. Полупроводниковая наногетероструктура In0,5Al0,5As/InхGa1-хAs с составной активной областью In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As/InAs/In0,53Ga0,47As c двумя вставками InAs // Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Р.А. Хабибуллин. Патент РФ № 113071 от 12.10.2011 г.

8. G.B.Galiev, I.S.Vasil’evskii, E.A.Klimov, D.S.Ponomarev, J.Pozela, K.Pozela, A.Suziedelis, V.Juciene, C.Paskevic, S.Kersulis, V.Stankevic. Electron mobility and high-field drift velocity enhancement in InAlAs/InGaAs/InAlAs quantum well heterostructures // In: Abstracts of the 19th Int. Symp. “Nanostructures: Physics and Technology”, 20-25 June, 2011, Ekaterinburg, Russian Federation, P. 57.

9. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев, Р.А. Хабибуллин. 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. C. 46.

10. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, В.А. Кульбачинский, Д.С.

Пономарев, Н.А. Юзеева. Эффективная масса электронов в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs/InP с тонкими нановставками InAs и/или GaAs в квантовой яме. // Материалы докладов IХ-ой Курчатовской молодежной научной школы, 2011, РНЦ «Курчатовский Институт», c. 124.

11. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев. // Подвижности электронов в составных квантовых ямах InAlAs/InGaAs/InAlAs/InP с наноразмерными вставками InAs. // Материалы докладов 1-ой Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для энергетики», 2011, c. 38.

12. И.С. Васильевский, Д.С. Пономарев, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, В.А.

Кульбачинский, Н.А. Юзеева. Подвижность и эффективная масса электронов в составных квантовых ямах InGaAs с нановставками InAs. // Материалы докладов научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения», 2011, c. 50.

13. Д.С. Пономарев, А. Л. Васильев, И. С. Васильевский, Г. Б. Галиев, Р. М. Имамов, Е. А. Климов, М. В. Ковальчук, В. В. Роддатис, А. Субботин.

Структурные и электрофизические свойства квантовых ям c наноразмерными вставками InAs в гетероструктурах на основе InyAl1-yAs/InxGa1-xAs на подложках InP. // Материалы докладов IV международной конференции “Кристаллофизика XXI века”, 2010, c. 108.

14. Д.С. Пономарев, И.С.Васильевский, Г.Б.Галиев, Е.А.Климов, В.А.Кульбачинский. Влияние композиции наногетероструктуры InAlAs/InGaAs/InAlAs/InP на электронный магнетотранспорт // Труды научной сессии МИФИ, 2009, т. 2, с. 86.






© 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.