WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 Определение профиля распределения концентрации носителей заряда в слабосвязанных сверхрешетках GaAs / AlGaAs ¶ © П.Н. Брунков, С.О. Усов, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, † Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов, С.Г. Конников, Г.К. Расулова‡ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия † Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 190103 Санкт-Петербург, Россия ‡ Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 17 сентября 2003 г. Принята к печати 18 сентября 2003 г.) С помощью метода электрохимического вольт-фарадного профилирования проведены исследования влияния уровня легирования на вольт-амперные характеристики полупроводниковых гетероструктур со сверхрешетками GaAs / AlGaAs. Показано, что высокая концентрация свободных электронов в сверхрешетке GaAs / AlGaAs экранирует внешнее электрическое поле и препятствует образованию домена с высоким электрическим полем, ответственного за процесс резонансного туннелирования в слабосвязанных решетках.

В настоящее время широко исследуется транспорт ний профиля концентрации с использованием барьеносителей заряда в полупроводниковых сверхрешетках ра Шоттки, где максимальная толщина исследуемых с целью создания высокочастотных (до частот поряд- слоев ограничена шириной области пространственного ка нескольких ГГц) генераторов на основе эффек- заряда при напряжении пробоя исследуемого образца.

та отрицательного дифференциального сопротивления Для преодоления этого ограничения нами был выбран (ОДС) [1–4]. В данной работе представлены результаты метод электрохимического вольт-фарадного профилироисследований структур на основе полупроводниковых вания (ECV) [7–9], который заключается в последослабосвязанных сверхрешеток GaAs / AlGaAs с широки- вательном чередовании процессов электролитического ми ямами и барьерами, в которых ширина минизоны травления материала и вольт-фарадных измерений на уровней размерного квантования из-за слабого перекры- барьере Шоттки электролит–полупроводник. Для полутия электронных волновых функций между соседними чения высокого пространственного разрешения (порядка квантовыми ямами не превышает 1 мэВ. Как следует из нескольких нм) была проведена оптимизация методики теоретических расчетов [5,6], в таких структурах благо- электрохимического травления.

даря формированию домена с высоким электрическим В данной работе были проведены исследования двух полем реализуется туннелирование из основного состотипов образцов F237 и 4-995 на основе соединений яния квантовой ямы (КЯ) в возбужденные состояния GaAs / AlGaAs. Исследуемые структуры были выращены соседней КЯ. В структурах с широкими ямами имеется на разных установках методом молекулярно-пучковой несколько уровней размерного квантования, ширина миэпитаксии на подложке n+-GaAs и представляют собой низоны которых увеличивается с ростом энергии уровня.

сверхрешетки, состоящие из 30 периодов слабосвязанВремя туннелирования определяет скорость движения ных квантовых ям (30 нм) GaAs, разделенных барьедомена и, следовательно, частоту генерации, которая рами Al0.3Ga0.7As толщиной 10 нм. Область сверхреувеличивается с ростом номера подзоны КЯ, в котошетки была однородно легирована кремнием на уровне рую идет туннелирование. В зависимости от величины 5 · 1016 см-3 и ограничена с двух сторон барьерами постоянного напряжения, приложенного к структуре, (5нм) Al0.3Ga0.7As. Сверху и снизу сверхрешетки быразличные уровни минизон участвуют в процессе рели выращены сильно легированные контактные слои зонансного туннелирования, что позволяет управлять n+-GaAs (уровень легирования 2 · 1018 см-3, толщичастотой генерации [3,4].

ной 0.5 и 1 мкм соответственно).

В работах [5,6] было показано, что условие форДля проведения измерений по методу ECV испольмирования устойчивого домена зависит от уровня лезовалась установка фирмы „Polaron Equipment Limited“ гирования сверхрешетки. В связи с этим появилась PN4200. Установка обеспечивает одновременное измеренеобходимость в разработке метода для контроля уровние емкости C и производной емкости по напряжению ня легирования сверхрешетки. Сильно легированные dC/dV. В качестве электролита использовался 10% расконтактные слои (порядка 5 · 1018 см-3) исследуемых твор тайрона (tiron) в деионизованной воде. Электролит структур делают невозможным применение традициониспользуется для двух целей: в качестве травителя и как ного метода контроля путем вольт-фарадных измереэлектрический контакт при измерении вольт-амперных и ¶ E-mail: brunkov@mail.ioffe.ru вольт-фарадных (C-V ) характеристик C(V ).

470 П.Н. Брунков, С.О. Усов, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов, С.Г. Конников...

При контакте эпитаксиального слоя n-GaAs с электролитом происходит перераспределение зарядов в системе.

В данной системе работа выхода в полупроводниковом материале меньше, чем в электролите, поэтому электроны из полупроводника будут переходить в электролит.

В используемом электролите концентрация носителей заряда выше, чем 1022 см-3. Поэтому проникновение поля в электролит незначительно по глубине, и граница раздела электролит–полупроводник ведет себя как барьер Шоттки.

В процессе электрохимического травления происходит реакция разложения полупроводникового материала.

Результатом реакции разложения является возрастающее перераспределение заряда. Рановесие достигается за счет уменьшения свободной энергии в результате разложения и уравновешивается ростом электростатической энергии, связанной с перераспределением заряда (двойной электронный слой Гельмгольца) [7]. В равновесии анодный ток травления уравновешивается переносом заряда от электролита к полупроводнику. Глубина травления определяется по закону Фарадея [7]:

t M Xe = Ie dt, (1) zFDS где M — молекулярный вес, D — плотность полупроводника, F — постоянная Фарадея, z — число носителей Рис. 1. Профили распределения концентрации носителей заряда, переносимых одной молекулой растворенного заряда в образцах F237 (a) и 4-995 (b). На вставке к рис. 1, a материала, Ie — ток травления, t — время травления.

представлен профиль распределения концентрации носителей Общая глубина, на которой определяется концентразаряда в образце F237 в диапазоне от 0.55 до 0.80 мкм.

ция свободных носителей заряда, определяется следующим выражением:

X = Xe + Xd, (2) распределения концентрации свободных носителей N(X) в исследуемом образце на достаточно большую глубину, где Xd — толщина области пространственного заряда на которая ограничивается неоднородностью травления по барьере Шоттки электролит–полупроводник:

площади контакта полупроводник–электролит.

На рис. 1, a представлен ECV-профиль распределения S0r Xd =, (3) концентрации носителей заряда N(X), полученный на C(V ) структуре F237 с шагом травления Xe = 2 нм. Скорость травления полупроводниковых материалов n-типа прогде C — емкость, V — напряжение, S — площадь водимости определяется интенсивностью подсветки в контакта, r — диэлектрическая проницаемость полуобласти основного поглощения и напряжением обратпроводника и 0 — диэлектрическая проницаемость ного смещения [7]. Было установлено, что оптимальная вакуума.

планарность дна кратера травления получается при Используя приближение обедненного слоя, из C-V -хаплотности тока травления Ie = 1мА/ см2 с соответствурактеристики можно вычислить профиль распределения ющей скоростью травления 0.5 нм / с.

концентрации свободных носителей по толщине струкИзмерения по методу ECV показали, что верхний контуры [7]:

-1 тактный слой n+-GaAs в структуре F237 имеет толщину 2 d(C-2) около 0.4 мкм и легирован Si на уровне 2 · 1018 см-N(X) =, (4) qr0S2 dV (рис. 1, a). В области сверхрешетки ECV-профиль N(X) где q — заряд электрона. имеет 30 пиков, что обусловлено аккумуляцией носитеЧередуя процессы измерения C(V ) для определения лей заряда в квантовых ямах GaAs [10]. Среднее расстояконцентрации и травления с одновременным измере- ние между пиками равно 40 нм (см. вставку на рис. 1, a), нием тока травления Ie, можно определить профиль что совпадает с периодом сверхрешетки GaAs / AlGaAs.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Определение профиля распределения концентрации носителей заряда в слабосвязанных... более 2 · 1017 см-3. Отсутствие модуляции концентрации свободных носителей в слое сверхрешетки связано с тем, что ее уровень легирования значительно ниже уровня легирования контактных слоев n+-GaAs (рис. 1, b).

Поэтому при измерении C(V ) незначительное проникновение области пространственного заряда в боковые стенки кратера травления с высоким уровнем легирования дает больший вклад в емкость, чем слой сверхрешетки.

На рис. 3, a представлена вольт-амперная характеристика структуры 4-995, измеренная при температуре T = 4.2 K. На данной характеристике отчетливо видны участки, связанные с формированием домена с высоким электрическим полем, где реализуется туннелирование из основного состояния КЯ (E0) в возбужденные состояния соседней КЯ (E1, E2, E3 и т. д.) [1]. Характеристика I(V ) структуры 4-995 имеет большое количество участков с ОДС. На рис. 4 приведен пример осцилляций тока с частотой около 3.6 МГц в структуре 4-995 при температуре T = 4.2 K и напряжении смещения 4.42 В.

В отличие от структуры 4-995, вольт-амперная харакРис. 2. ПЭМ изображение поперечного сечения структуры F237, полученное в режиме темного поля в рефлексе (g = 200).

Полученные результаты хорошо согласуются с данными просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), представленными на рис. 2, где отчетливо видна сверхрешетка GaAs(12 нм) / AlGaAs(27 нм) с периодом 39 нм.

Толщина слоя сверхрешетки, определенная из ECVпрофиля N(X), составляет 1.4 мкм. Следует также отметить, что пики в зависимости N(X) хорошо разрешаются до глубины 1.85 мкм (рис. 1, a). С увеличением глубины травления наблюдается уменьшение амплитуды модуляции концентрации N(X), что связано с ростом неоднородности травления дна кратера по глубине [8,9].

Анализ ECV-профиля N(X) структуры F237 на основе численного решения самосогласованных уравнений Шредингера и Пуассона [10] показал, что уровень легирования широкозонных слоев Al0.3Ga0.7As в сверхрешетке находится на уровне 1018 см-3. Это выше уровня, заложенного в технологических условиях роста, что может быть связано с наличием неконтролируемой примеси в источнике алюминия в установке молекулярно-пучковой эпитаксии.

Из ECV-профиля N(X) структуры 4-995 можно заключить, что концентрация свободных носителей заряда в слое сверхрешетки находится на уровне 2 · 1017 см-и не наблюдается модуляции, связанной с перераспределением носителей заряда между барьерами и квантовыми ямами (рис. 1, b), тогда как просвечивающая Рис. 3. Вольт-амперные характеристики структур 4-995 (a) и электронная микроскопия дает параметры, аналогичные F237 (b), измеренные при температуре T = 4.2K. На рис. 3, a структуре F237. Модельные расчеты профиля конценстрелками показаны напряжения формирования домена с вытрации носителей заряда показывают, что такая ситуасоким электрическим полем, связанного с туннелерированием ция имеет место в случае, если легирование барьеров из основного состояния квантовой ямы (E0) в возбужденные Al0.3Ga0.7As в сверхрешетке находится на уровне не состояния соседней квантовой ямы (E1, E2, E3 и т. д.).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 472 П.Н. Брунков, С.О. Усов, Ю.Г. Мусихин, А.Е. Жуков, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов, С.Г. Конников...

[4] X.R. Wang, J.N. Wang, B.Q. Sun, D.S. Jiang. Phys. Rev. B, 61, 7261 (2000).

[5] L.L. Bonilla, J. Galan, J.A. Cuesta, F.C. Martinez, J.M. Molera.

Phys. Rev. B, 50, 8644 (1994).

[6] A. Wacker, M. Moscoso, M. Kindelan, L.L. Bonilla. Phys. Rev.

B, 55, 2466 (1997).

[7] P. Blood. Semicond. Sci. Technol., 1, 7 (1986).

[8] И.В. Ирин, А.В. Мурель. ПТЭ, № 6, 151 (1993).

[9] В.И. Шашкин, Р.И. Каретникова, А.В. Мурель, И.М. Нефедов, И.А. Шерешевский. ФТП, 31, 926 (1997).

[10] P.N. Brounkov, T. Benyattou, G. Guillot. J. Appl. Phys., 80, 864 (1996).

Редактор Т.А. Полянская Investigation of the charge carrier Рис. 4. Осцилляции тока с частотой 3.6 МГц в структуре 4-distribution in weakly coupled при температуре T = 4.2 K и напряжении смещения 4.42 В.

GaAs / AlGaAs superlattices P.N. Brunkov, S.O. Usov, Yu.G. Musikhin, † A.E. Zhukov, G.E. Cirlin, V.M. Ustinov, S.G. Konnikov, ‡ теристика структуры F237 не имеет ярко выраженных G.K. Rasulova участков, связанных с формированием домена с высоким Ioffe Physicotechnical Institute, электрическим полем (рис. 3, b). Это может быть свяRussian Academy of Sciences, зано с тем, что высокая концентрация свободных элек194021 St. Petersburg, Russia тронов в КЯ структуры F237 экранирует электрическое St. Petersburg State Polytechnical University, поле внешнего напряжения смещения и препятствует 195251 St. Petersburg, Russia образованию домена с высоким электрическим полем.

† Institute for Analytical Instumentation, Таким образом, в работе представлены результаты исRussian Academy of Sciences, следований влияния уровня легирования на вольт-ампер190103 St. Petersburg, Russia ные характеристики полупроводниковых гетероструктур ‡ Lebedev Physical Institute, со сверхрешетками GaAs / AlGaAs с помощью метоRussian Academy of Sciences, да электрохимического вольт-фарадного профилирова119991 Moscow, Russia ния. Показано, что высокая концентрация свободных электронов в сверхрешетке GaAs / AlGaAs препятствует

Abstract

The influence of a doping level on the currentобразованию домена с высоким электрическим полем, voltage characteristics of semiconductor heterostructures with ответственного за процесс резонансного туннелироваGaAs / AlGaAs superlattices was carried out by the method ния в слабосвязанных сверхрешетках. Следует отметить, of electrochemical capacitance-voltage profiling. It has been что метод электрохимического профилирования обладаshown, that high concentration of free electrons in GaAs / AlGaAs ет достаточно высоким пространственным разрешением superlattice screens an external elecric field and interferes with (до 10 нм), позволяющим получать детальную информаformation of the high electric field domain responsible for resonant цию о распределении носителй заряда в полупроводниtunnelling processes in weakly coupled superlattices.

ковых гетероструктурах с квантово-размерными слоями, что особенно важно при разработке таких приборов, как светодиоды, лазеры и фотоприемники.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 01-02-17957).

Список литературы [1] H.T. Grahn, H. Schneider, K. von Klitzing. Phys. Rev. B, 41, 2890 (1990).

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.