WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 3 Проблема селективного легирования в методе гидридной эпитаксии и электрофизические свойства квантово-размерных гетероструктур Ge / GeSi : B © Л.К. Орлов, Р.А. Рубцова, Н.Л. Орлова Научно-исследовательский физико-технический институт им. Н.И. Лобачевского, 603600 Нижний Новгород, Россия (Получена 6 июля 1998 г. Принята к печати 7 июля 1998 г.) В зависимости от параметров структуры изучены транспортные свойства различных групп носителей заряда в проводящих каналах периодической гетеросистемы Ge–Ge1-xSix, выращиваемой гидридным методом на германии. Полученные результаты использованы для обсуждения проблемы селективного легирования слоев нанометровой толщины при использовании этого метода.

Напряженные квантово-размерные гетерокомпозиции ридный метод эпитаксии при атмосферном давлении в на базе элементарных полупроводников Si, Ge и их твер- реакторе [10], не позволяющий в силу ряда объективных причин изготавливать структуры с резким профилем дых растворов вызывают повышенный интерес в связи с наметившейся перспективой их применения в устрой- состава (размытие гетерограниц в системе, согласно [11], достигает 3 4нм). Переход от МЛЭ к газофазным ствах современной кремниевой электроники. Особенно методам эпитаксии становится необходимым шагом на заметный прогресс наблюдается в микроэлектронике, где этапе промышленного изготовления структур. В связи сравнительно недавно на основе Ge–Si-гетероструктур, с этим выявление всех, в том числе и не особенно выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии привлекательных особенностей гетероструктур, выращи(МЛЭ), были реализованы быстродействующие гетеваемых газофазными методами, равно как и причин, их робиполярные транзисторы [1,2] c временами переклюпорождающих, является важным моментом развития и чения, близкими к соответствующим значениям для совершенствования технологии.

лучших GaAs-приборов. Привлекает внимание также Вработе [11], ориентируясь на опубликованные ранее возможность создания полевого транзистора с высокой исследования, в том числе электрофизическими метоподвижностью электронов и дырок на базе селективно дами, мы показали, к каким ограничениям при изучелегированных гетероструктур Si/Si1-xGex с двумерным нии электронно-дырочных состояний в слоях структуры газом носителей заряда в транспортных каналах. ДостигGe–Ge1-xSix, выращиваемой гидридным методом, может нутые на гетероструктурах Si/Si1-xGex n-типа проводиприводить расплывание профиля состава по периоду мости успехи в этом направлении обсуждаются в рабосверхрешетки (СР). Цель настоящей работы заключате [3]. В работе [4] на базе системы Ge / Si1-xGex была лась в исследовании зависимости подвижности дырок предпринята попытка получения предельно высокой для в слоях Ge гетероструктуры от уровня концентрации германий-кремниевых композиций дырочной подвижнопримеси в барьерных слоях и в оценке степени расплысти с перспективой создания полевого транзистора на вания селективно легирующего -слоя по периоду СР.

двумерных дырках.

Экспериментальные исследования проводились методом В последнее десятилетие значительные усилия были эффекта Холла на образцах селективно легированных затрачены на изучение в режиме квантового эффекта бором СР (Ge / Ge1-xSix : B), выращиваемых методом Холла [5,6] транспортных свойств двумерных дырок в гидридной эпитаксии при атмосферном давлении [5–10].

селективно легированной гетеросистеме Ge / Ge1-xSix, Максимальная концентрация атомов бора в слоях твервыращиваемой на германии. В настоящее время активдого раствора варьировалась в диапазоне 10171019 см-3.

но ведутся работы по исследованию в дальней инфраПараметры структур — содержание Si в слоях (x), красной области спектра микроволновых свойств этих период сверхрешетки dSL и число перодов (N), холструктур в условиях разогрева газа носителей заряда ловская подвижность (µH) и поверхностная концентраимпульсным электрическим полем [7–9]. Усилия, предция ps — приведены в табл. 1, 2. Результаты экспринимаемые в этой области и направленные на создание перимента сопоставляются с данными теоретического тонкопленочного лазера на горячих двумерных дырках, анализа.

заставляют обратить более пристальное внимание на Теоретический анализ включает в себя расчет с учетом транспортные характеристики системы в слабых полях с формы потенциала концентраций различных групп носицелью детализации каналов протекания тока и уточнения телей заряда в проводящих каналах СР и последующее механизмов рассеяния носителей заряда в них.

вычисление их подвижностей. Расчет формы потенциала С другой стороны, для выращивания структур (x) на периоде структуры проводился путем численноGe / Ge1-xSix до сих пор использовался в основном гид- го решения уравнения Пуассона для резких гетерограниц 312 Л.К. Орлов, Р.А. Рубцова, Н.Л. Орлова в системе d2 4e EF - Eg - e e-EF = NciF0.5 -NliF0.dz2 i kT kT e-EF - NhiF0.5 + Nai. (1) kT Здесь F0.5(e) — интеграл Ферми, EF — энергия Ферми, Nci — плотность состояний электронов i-го слоя в зоне проводимости, Nli, Nhi — плотность состояний легких (l) и тяжелых (h) дырок в валентной зоне i-го слоя, Nai — концентрация акцепторов в i-м слое. Расщепление дырочных подзон в слоях германия оценивалось по методике, предложенной в [12]. Характерная форма потенциала на периоде структуры в зависимости от концентрации легирующей примеси для образцов первой серии (табл. 1) и при двух температурах для образца 1125 из второй серии (табл. 2) представлена на рис. 1.

Концентрации дырок pi,h в отдельных слоях были l найдены путем интегрирования по толщине i-го слоя гетероструктуры di pi,h =(1/di) pl,h(z)dz. (2) l di Рассчитанные зависимости концентраций дырок различного сорта от уровня легирования слоев приведены на рис. 2, a; характерные температурные зависимости концентраций дырок для образца 1125 представлены на рис. 2, b. Предполагается ступенчатый профиль легирования слоев Ge и Ge1-xSix.

Таблица 1. Параметры структур первой серии Рис. 1. Форма потенциала на периоде СР. a —расчет для образцов из табл. 1 при T = 77 K и Na (GeSi), 1017 см-3:

Номер x, dSL, µH, см2/B · c ps, 1 —1, 2 —3, 3 —6; b — расчет для образца 1125 из табл. N образца ат% нм (T = 77 K) 1010 см-при T = 4 (2) и 200 K (1).

1256 6.0 72 45.5 15000 8.1261 7.4 72 53 20580 7.1263 7.0 72 70 14160 14.1264 10 81 39 10670 12.Подвижности j-группы дырок в слоях структуры вы1265 6.0 81 44.5 9560 5.числялись для простоты с использованием следующих 1266 6.6 64 50 11590 3.соотношений:

1274 8.0 81 59.5 10490 1275 6.5 81 57 8090 µj = 1/(1µ1 j + 1/µ2 j + 1/µ3 j + 1/µ4 j), (3) Таблица 2. Параметры структур второй серии где Номер x, dSL, µH, см2/B · c ps, N µ1 j = e/mj = 2000[mh(Ge)/mj](T/300)-2.3 (4) образца ат% нм (T = 77 K) 1011 см-1121 3.5 1 45 2330 30.— компонента подвижности, связанная с рассеянием на 1122 3.5 5 45 5360 4.1123 3.9 15 41.6 7480 2.акустических и оптических фононах [13], 1124 4.7 27 40.3 7840 2.1125 4.8 35 36.5 8830 2.3 0.

µ2 j =(5.166 · 1014)/ Naj64 (T/300)0.625 (5) Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Проблема селективного легирования в методе гидридной эпитаксии... глубины квантовых ям при увеличении процентного содержания кремния в слоях твердого раствора [11], так и с увеличением их концентрации в транспортных каналах, вследствие экранировки фоновых рассеивающих центров и уменьшения их эффективного сечения рассеяния.

Однако в обсуждаемых нами периодических гетероструктурах Ge / Ge1-xSix наблюдаемая на эксперименте зависимость холловской подвижности дырок µH от величины их поверхностной концентрации ps ведет себя иным образом. Чаще всего на зависимостях (рис. 3) Рис. 2. Концентрации тяжелых дырок в слоях Ge1-xSix (1) и Ge (2) и легких дырок в слоях германия (3), рассчитанные для образцов 1-й серии (табл. 1) в зависимости от уровня легирования слоев Ge1-xSix при T = 77 K (a) и для образца 1125 (табл. 2) в зависимости от температуры (b).

— компонента подвижности, связанная с рассеянием на ионизованной примеси (формула Брукса–Херинга) [14], µ3 j = e3mj/20jh3N0 (6) — компонента подвижности, связанная с рассеянием на нейтральных примесях с концентрацией N0 [13], µ4 j = T-0.5 x(1 - x)(7) — рассеяние на флуктуациях состава [15].

Достижение предельно высоких значений подвижности носителей заряда в системе является в значительной степени основой, обеспечивающей возможность использования ее в практических устройствах Рис. 3. Концентрационные зависимости подвижности дырок микроэлектроники.

µ в структурах Ge / Ge1-xSix. Экспериментальные данные В структуре Ge / Ge1-xSix с идеально резкими изме(точки): 1 — образцы 1-й серии (табл. 1), 2 — образцы нениями профиля состава и концентрации легирующей 2-й серии (табл. 2). Сплошные линии: a — экспериментальная примеси можно было ожидать значительного роста вели- зависимость от объемной концентрации дырок p для объемного чины подвижности двумерных дырок как с возрастанием Ge из работы [16]; b, c — расчет при 77 и 4 K соответственно.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 314 Л.К. Орлов, Р.А. Рубцова, Н.Л. Орлова наблюдается спад подвижности дырок в СР с ростом их концентрации в слоях германия, хотя значения их и превышают во всей области легирования значения подвижности дырок в объемном германии (сплошная линия на рис. 3, a [16]). Один и тот же закон уменьшения подвижности дырок в СР Ge / Ge1-xSix [17] и однородном германии [16] указывает на доминирующую роль в обоих случаях механизма рассеяния на примесных центрах.

На рис. 3, b, c приведены полученные нами экспериментальные данные, показывающие при T = 77 (4.2 K) характер зависимости подвижности дырок от их полной концентрации в проводящих каналах для образцов, представленных в табл. 1, 2. Структуры первой серии (табл. 1) были выращены приблизительно в одинаковых условиях, и при их изготовлении изменялся только поток диборана, обусловливая различный уровень селективного легирования Na. Структуры второй серии, представленные в табл. 2, отличались общим числом периодов СР. Концентрация дырок в СР ps в этом случае изменялась за счет приповерхностного изгиба зон. Особенно сильно она возрастала при уменьшении числа периодов СР до одного, одновременно сильно снижая при этом подвижность дырок в канале (рис. 3, c), возможно, за счет рассеяния на случайном поверхностном потенциале.

Исследования в сильных магнитных полях [5,6] транспортных свойств структур Ge / Ge1-xSix, выращенных гидридным методом, показывают, что дырки в этих системах, несмотря на расплывание профиля, являются двумерными. Поэтому наблюдаемое падение подвижности дырок в проводящих каналах германия многослойной гетероструктуры с ростом концентрации легирующей примеси можно связать как с ростом числа тяжелых дырок в каналах (рис. 2, a) (уровень Ферми в слое Ge поднимается, заполняя носителями верхнюю h-подзону), Рис. 4. Расчетные температурные зависимости подвижности так и с увеличением эффективности их рассеяния на µ (a) и проводимости (b). Расчет: 1 — тяжелые дырки в дефектах структуры. Сплошная линия на рис. 3, b расслоях Ge1-xSix, 2 — тяжелые дырки в слоях Ge, 3 — легкие считана для ситуации слабо легированных слоев гермадырки в слоях Ge, штриховая линия — суммарная кривая по ния. (Фоновый уровень легирования слоев германия не всем группам носителей, 4 — эксперимент.

зависит от уровня легирования слоев твердого раствора и остается достаточно низким, 1 · 1016 см-3). Видно, что учет только механизма, связанного с перераспределением дырок между подзонами, не обеспечивает наблю- висимостями, наблюдаемыми в однородно легированных даемый на эксперименте спад подвижности. Вероятнее монокристаллах германия (рис. 3, a), указывает на то, всего, аналогично силану [11], импульс потока диборана что уровень фоновой концентрации примеси в слоях в непрерывном потоке германа расплывается, обусловли- Ge примерно на порядок ниже концентрации свободных вая не только конечную ширину -слоя, но и наличие дырок в них (концентрации легирующей примеси в дополнительного примесного фона в слоях германия СР. слое Ge1-xSix). Таким образом, характерная величина Увеличение потока диборана приводит к возрастанию расплывания примеси по периоду структуры (расстояуровня легирования слоев Ge1-xSix, соответственно и ние, на котором уровень легирования спадает в 3 раза) уровня примесного фона в слоях Ge, обусловливая в составляет по оценкам 3 4нм (толщина спейсера), что свою очередь довольно значительное падение подвижно- согласуется с величиной расплывания кремния, оцененсти двумерных дырок. ной ранее в [11].

Таким образом, в обычно используемом режиме не- Учет вышеуказанного фактора, наряду с проведенныпрерывного роста границы фронтов импульсного пото- ми расчетами концентраций различных групп дырок, пока диборана расплываются, обеспечивая подлегирование зволяет рассчитать в соответствии с экспериментальныкак спейсеров, так и проводящих каналов Ge. Сопо- ми данными температурную зависимость подвижности ставление полученных данных с соответствующими за- (рис. 4, a) и оценить вклад различных механизмов расФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Проблема селективного легирования в методе гидридной эпитаксии... сеяния во всем исследуемом температурном интервале. [10] M.G. Mil’vidskii, V.I. Vdovin, L.K. Orlov, O.A. Kuznetsov, V.M. Vorotynsev. Growth of Crystals, ed., by E.I. Givargizov Проведенное для большого числа образцов численное and A.M. Melnikova (Consultants Bureau, N. Y.–London, моделирование показало, что в области низких темпера1996) v. 20, p. 13.

тур именно механизм рассеяния дырок в слоях германия [11] Л.К. Орлов, Р.А. Рубцова, Н.Л. Орлова, В.И. Вдовин. Труды является главным фактором, ограничивающим величину совещания по системе Si–Ge (Нижний Новгород, ИФМ их подвижности.

РАН, 1998) с. 127.

В заключение обратим внимание на температурную [12] L.K. Orlov, V.Ya. Aleshkin, N.G. Kalugin, N.A. Bekin, зависимость проводимости в низкотемпературной облаO.A. Kuznetsov, B. Dietrich, G. Bacquet, J. Leotin, сти. Видно, что она имеет здесь хорошо выраженный M. Brousseau, F. Hassen. J. Appl. Phys., 80, 415 (1996).

максимум. Нарастание на начальном участке проводи- [13] В.И. Фистуль. Сильно легированные полупроводники.

(М., Наука, 1967) с. 116, 97.

мости (T ) связано с ростом подвижности легких ды[14] В.Л. Бонч-Бруевич. С.Г. Калашников. Физика полупроводрок вследствие уменьшения роли примесного рассеяния ников (М., Наука, 1990) с. 491, 671.

(рис. 4, a). Cпад при более высоких температурах об[15] Н.А. Агаев, Г.Х. Аждаров. Труды совещания ”Исследоусловлен перераспределением носителей заряда между вание и применение твердых растворов германий– подзонами в слое германия (возрастает концентрация кремний” (Баку–Элм, 1990) с. 56.

тяжелых дырок в верхней подзоне (рис. 2, b)). Так как [16] О.А. Голикова, Б.Я. Мойжес, М.С. Стильбанс. ФТТ, 3, в области температур ниже 50 K решеточное рассеяние (1961).

Pages:     || 2 |



© 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.