WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 6 Подвижность электронов в квантовой яме AlGaAs / GaAs / AlGaAs © В.Г. Мокеров, Г.Б. Галиев, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия Институт физики полупроводников, 2600 Вильнюс, Литва (Получена 19 ноября 2001 г. Принята к печати 21 ноября 2001 г.) Экспериментально установлено осциллирующее изменение подвижности электронов с изменением толщины квантовой ямы гетероструктуры AlGaAs / GaAs / AlGaAs с модулированным двухсторонним легированием.

Установлено резкое падение подвижности с ростом концентрации электронов в квантовой яме. Определены условия увеличения подвижности при введении в квантовую яму тонкого барьера. Впервые экспериментально наблюдалось увеличение подвижности в 1.3 раза в квантовой яме толщиной L = 26 нм при введении тонкого (1-1.5нм) барьера AlAs.

1. Введение 2. Структуры AlGaAs / GaAs / AlGaAs, выращенные методом В квантовых ямах (КЯ) гетероструктур с модулиромолекулярно-лучевой эпитаксии ванным легированием AlGaAs / GaAs / AlGaAs при температурах выше 77 K рассеяние электронов определяетОбразцы выращивались на установке молекулярнося полярными оптическими (ПО) фононами. Подавление лучевой эпитаксии (МЛЭ) ЦНА-24 (г. Рязань). Темпеэтого рассеяния в каналах полевых транзисторов ведет ратура роста слоев GaAs составляла 600C, а слоев к дальнейшему увеличению подвижности электронов и AlGaAs — 640C. Исследуемые образцы имели двухросту быстродействия транзисторов с модулированным легированием. Рассеяние электронов на ПО фононах стороннее легирование слоев AlGaAs, так что форма является неупругим и зависит от заполнения электронКЯ в GaAs была близкой к прямоугольной. Структуры ных состояний. Расчеты, выполненные в работах [1,2], исследуемых образцов показаны на рис. 1, a, b.

показали, что ПО рассеяние электронов в КЯ можно Для определения зависимости подвижности от толщирегулировать, управляя спектром и заполнением состояны и легирования КЯ были изготовлены две серии обний в КЯ. Такое регулирование позволяет как повысить, разцов: с относительно низким и высоким легированием так и понизить подвижность электронов, что изменяет (ns 1016 м-2, ns > 1016 м-2) и с различной толщиной и позволяет улучшать параметры быстродействия транзисторов. Во многих работах рассматривалась КЯ. Серия образцов с низким легированием имела возможность регулирования величиной подвижности толщины КЯ GaAs L = 13, 18, 26, 30, 35 нм (рис. 1, a).

путем введения в КЯ тонкого барьера AlAs [3–5].

Серия образцов с высоким легированием (рис. 1, b) В настоящей работе исследованы возможности экспеимела толщины L = 13, 26, 35 нм. Образцы этой серии риментальной реализации такого регулирования в КЯ изготовлялись в двух вариантах: без введенного в центр AlGaAs / GaAs / AlGaAs. Для этого были исследованы КЯ тонкого барьера AlAs и с таким барьером (рис. 1, b).

изменения подвижности электронов от ширины и уровня Толщина барьера AlAs составляла 10. Подвижность и легирования КЯ, а также возможности увеличения поконцентрация электронов в КЯ определялась из измередвижности электронов путем введения тонкого барьера AlAs в центр КЯ. ний эффекта Холла.

Таблица 1. Подвижность и концентрация электронов в слабо легированной серии образцов (рис. 1, a) со структурой n-AlGaAs / GaAs / n-AlGaAs, где квантовая яма (КЯ) GaAs имеет разные толщины n2D, 1015 м-2, µ, м2/(В · с), Толщина n2D, 1015 м-2 µ, м2/(В · с) в темноте в темноте КЯ GaAs L, нм 300 K 77 K 300 K 77 K 300 K 77 K 300 K 77 K 13 1.9 2.2 0.4836 3.9479 2.6 1.6 0.2669 4.18 3.3 1.2 0.3069 3.8051 3.1 0.99 0.2577 3.26 8.6 4.4 0.2920 2.6565 9.6 3.2 0.2181 3.30 5.6 4.5 0.2661 1.3323 6.8 3.5 0.1907 1.35 6.1 1.7 0.2168 4.6476 6.7 1.3 0.1483 4.714 В.Г. Мокеров, Г.Б. Галиев, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене 3. Зависимость подвижности электронов от толщины квантовой ямы В табл. 1 представлены результаты измерений подвижности и концентрации в образцах различной толщины слабо легированной серии.

На рис. 2 экспериментально измеренные подвижности электронов в зависимости от толщины КЯ приведены в сравнении с расчетными значениями подвижности при предположении доминирующего рассеяния электронов на ПО фононах.

Рассеяние электронов на ПО фононах в GaAs является неупругим [1], поэтому подвижность электронов µ будем полагать пропорциональной обратной частоте рассеяния электронов на ПО фононах, W :

µ. (1) W Это приближение позволяет оценивать изменение подвижности по относительному изменению частоты рассеяния.

Рассеяние электронов на ПО фононах, согласно модели диэлектрического континуума, описывается следующим образом. Частота переходов электронов, захваченных в КЯ, из начального состояния с моментом ki в Esi-подзоне в любое финальное состояние с моментом kf в Es f -подзоне на -моде ПО фонона определяется как 4meWi± (ki, Esi) = |G(z )|2Fq f kf 1 Nq + ± (k2 - k2 + ±), (2) f i 2 G(z ) = e1(z )e2(z )q(z )dz. (3) L Здесь z есть направление, перпендикулярное стенкам КЯ; L — ширина КЯ; ei(z ) и q(z ) — z -комопненты волновых функций электронов и фононов соответственно; Nq — число фононов в -моде, и 2m ± = (Es f - Esi ± ). (4) Знак плюс соответствует эмиссии фонона, а минус — поглощению фонона. Fq — нормализованный коэффиРис. 1. Структура образцов: a — слабо легированные струкциент электрон-фононной связи.

туры (ns < 1016 м-2); b — сильно легированные структуры Подвижность электронов в КЯ определяется как (ns > 1016 м-2).

e ni µ, (5) m Wins i подвижности в зависимости от ширины КЯ при разгде ni и Wi — концентрация и частота рассеяния личных уровнях легирования структуры. Рассчитанная электронов в i-подзоне, ns — полная концентрация элек- подвижность приведена к ее экспериментальному значетронов в КЯ. На рис. 2 приведены расчетные изменения нию µ = 4.9м2/(В·с) при L = 35 нм и ns = 1.5·1015 м-2.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Подвижность электронов в квантовой яме AlGaAs / GaAs / AlGaAs Экспериментально наблюдаемый спад подвижности при L = 30 нм заметно превышает рассчитанный, что свидетельствует о наличии дополнительного к рассеянию на ПО фононах механизма рассеяния электронов в этой структуре.

При 300 K, как показывают расчеты, должен наблюдаться один спад подвижности при L 18 нм, обусловленный резонансным рассеянием на ПО фононах между первой и второй подзонами [9]. Эксперимент подтверждает эту особенность в зависимости подвижности от толщины КЯ (рис. 2).

Таким образом, осцилляции подвижности электронов в зависимости от толщины КЯ, обусловленные неупругим резонансным рассеянием электронов на ПО фононах, в КЯ GaAs впервые подтверждены экспериментально. Наименьшие значения подвижностей электронов имеют место при толщинах КЯ в области 15–20 нм. Это следует иметь в виду при конструировании быстродейРис. 2. Зависимости подвижности от ширины квантовой ямы.

ствующих транзисторов MODFET.

Сплошные линии — расчет. Экспериментальные значения — квадраты. Приведенные к ns = 1.5 · 1015 м-2 значения µ при L = 26 и 30 нм показаны стрелками с обозначением 4. Подвижность электронов Reduced.

в квантовых ямах AlGaAs / GaAs / AlGaAs при вырождении электронного газа Подвижность в КЯ при L = 35 нм близка по своей величине к подвижности в объемном образце [6].

В табл. 2 представлены результаты измерений поМожно видеть, что расчетные кривые имеют осцилдвижности и концентрации электронов в сильно легилирующий характер с двумя минимумами при L рованных образцах с введенным барьером AlAs и без и 30 нм. В прямоугольной КЯ GaAs при L 18 нм него. Повышение уровня модулированного легирования энергетический зазор между первой и второй подзо- КЯ значительно уменьшает подвижность электронов в нами, а при L = 30 нм — между первой и третьей КЯ. На рис. 3 приведены экспериментально измеренные при 77 K подвижности. Зависимости подвижности элекподзонами — оказываются близкими к энергии ПО фонона. При этих толщинах квантовой ямы имеет ме- тронов от концентрации ns для КЯ с толщинами L = 13, 26 и 35 нм приведены в сравнении с расчетными значесто резонансное возрастание межподзонного рассеяния ниями изменения подвижности относительно величины электронов с поглощением фононов [1,7,8], которое экспериментального значения измеренной подвижности ответственно за формирование осциллирующего изменепри L = 35 нм и ns = 1.5 · 1015 м-2, соответствующей ния подвижности электронов в КЯ. Как видно из рис. 2, ее значению в объемном образце. Как видим, рост экспериментальные измерения подвижности электронов рассеяния электронов на ПО фононах при вырождении в зависимости от ширины КЯ подтверждают наличие электронного газа в КЯ, вследствие роста рассеяния с спада подвижности электронов при изменении L от поглощением фонона [6], объясняет экспериментально до 18 нм, а также при L 30 нм.

наблюдаемый спад подвижности с ростом ns. Однако Экспериментально наблюдаемое дополнительное снинаблюдаемый экспериментально при ns > 1016 м-жение подвижности в структурах с толщиной КЯ значительный рост подвижности с ростом ширины КЯ и 30 нм обусловлено высокой концентрацией электрообусловлен не только снижением рассеяния электронов нов в этих КЯ. Приведение с помощью рассчитанной на ПО фононах, хотя вклад последнего весьма значитезависимости подвижности от концентрации (рис. 3) лен. При увеличении ширины КЯ естественным является экспериментальных значений подвижности к одинаковой снижение рассеяния на неоднородностях и дефектах концентрации (ns = 1.5 · 1015 м-2) позволяет оценить гетерограниц, которое и наблюдается в исследованных изменение подвижности в КЯ толщиной L = 26 и 30 нм структурах (рис. 3).

при этих концентрациях. С учетом этой оценки поВведение барьера AlAs в КЯ изменяет межподзонные лучаем осциллирующую с двумя минимумами зависиэнергетические зазоры, что приводит к снижению расмость подвижности электронов от толщины КЯ, хорошо сеяния электронов ПО фононами в нижней подзоне и согласующуюся с теоретической оценкой в предполо- соответственно к повышению подвижности электронов жении доминирующего рассеяния электронов на ПО в КЯ. Расчетные кривые изменения подвижности от фононах (рис. 2). концентрации в КЯ при введении тонкого (d 10 ) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 716 В.Г. Мокеров, Г.Б. Галиев, Ю. Пожела, К. Пожела, В. Юцене Таблица 2. Подвижность и концентрация электронов в сильно легированной серии образцов (рис. 1, b) со структурой n-AlGaAs / GaAs / n-AlGaAs, где квантовая яма (КЯ) GaAs — с барьером AlAs и без него n2D, 1016 м-2 µ, м2/(В · с) Толщина Барьер n2D, 1016 м-2 µ, м2/(В · с) в темноте в темноте КЯ GaAs AlAs L, нм в КЯ GaAs 300 K 77 K 300 K 77 K 300 K 77 K 300 K 77 K 13 Нет 1.88 1.6 0.4578 1.3775 1.89 1.55 0.4239 1.Да 1.85 1.6 0.4141 1.2519 1.9 1.6 0.3854 1.26 Нет 1.89 1.5 0.5173 2.3250 1.96 1.4 0.4738 2.Да 2.14 1.1 0.4486 3.0363 2.1 1.1 0.4423 2.35 Нет 2.1 1.4 0.5845 3.3740 2.13 1.4 0.5410 3.Да 2.04 1.1 0.4746 3.7212 2.1 1.1 0.4473 3.барьера AlAs показывают увеличение подвижности в КЯ ности следует связывать с уменьшением концентрации толщиной 13 нм при 8 · 1015 < ns < 2.1 · 1016 м-2 и в электронов при введении барьера.

КЯ толщиной 26 нм при 2 · 1015 < ns < 1.7 · 1016 м-2 В КЯ толщиной 26 нм наблюдается значительное (рис. 3). В широкой (35 нм) КЯ введение барьера не (в 1.3 раза) увеличение подвижности при введении приводит к увеличению подвижности. Наоборот, при барьера (см. табл. 2). Расчетные оценки дают рост ns > 1016 м-2 в КЯ толщиной 35 нм введение барьера подвижности в 1.3 раза при ns < 1.1 · 1016 м-2 за уменьшает подвижность электронов. счет снижения рассеяния электронов ПО фононами при введении барьера AlAs в КЯ (см. рис. 3). Поэтому экспеЭкспериментально увеличение подвижности при ввериментально наблюдаемое повышение подвижности при дении в центр КЯ барьера AlAs наблюдается при 77 K введении барьера следует связывать с рассеянием в КЯ в КЯ толщиной 26 нм. В узкой КЯ толщиной 13 нм не электронов ПО фононами.

наблюдается предсказываемое увеличение подвижности при введении барьера. Это следует связать с тем, что в узкой КЯ доминирующим рассеянием оказывается 5. Заключение рассеяние на неоднородностях гетерограниц. В широкой (35 нм) КЯ небольшое наблюдаемое увеличение подвижТаким образом, экспериментальные данные по зависимости подвижности электронов от их концентрации, ширины КЯ GaAs, а также от введения в КЯ барьера подтверждают теоретические выводы о доминирующей роли неупругого рассеяния электронов на ПО фононах, которое существенно зависит от структуры энергетического спектра и степени вырождения электронного газа.

1. Получены экспериментальные доказательства возможностей регулирования подвижности в КЯ. Показано, что подвижность в КЯ снижается в пределах 30% по сравнению с подвижностью в объеме при толщинах КЯ L = 18 и 30 нм, при которых имеет место резонансное межподзонное рассеяние электронов на ПО фононах.

Некоторое повышение подвижности в КЯ в сравнении с объемной имеет место при толщине КЯ около и 25 нм. Пульсирующая зависимость подвижности от толщины КЯ и минимумы в области резонансного рассеяния электронов ПО фононами экспериментально наблюдались впервые.

2. Показано, что подвижность электронов в КЯ резРис. 3. Подвижность электронов при T = 77 K в квантовых ко падает при вырождении электронного газа в КЯ ямах GaAs в зависимоcти от концентрации электронов ns.

(ns > 5 · 1015 м-2). Определены условия, при которых Линии — расчет, точки 1–3, 1 –3 — эксперимент. Расчет для введение в КЯ тонкого барьера позволяет увеличить квантовых ям: с барьером AlAs (dAlAs 10 ) — сплошные подвижность электронов. Впервые экспериментально линии; без барьера — штриховые. 1–3 — экспериментальные установлен факт повышения подвижности в 1.3 раза при значения для квантовых ям без барьера, 1 –3 — с барьером.

введении в центр КЯ AlGaAs / GaAs / AlGaAs толщиной Толщины квантовых ям L, : 1, 1 — 130, 2, 2 — 260, 26 нм тонкого (1-1.5нм) барьера AlAs.

3, 3 — 350.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Подвижность электронов в квантовой яме AlGaAs / GaAs / AlGaAs Работа выполнена при финансовой поддержке по межотраслевой научно-технической программе России „Физика твердотельных наноструктур“, проект № 99-2044.

Список литературы [1] J. Pozela, V. Jucien, A. Namajnas, K. Pozela. Physica E, 5, 108 (1999).

[2] I. Lee, S.M. Goodnick, M. Gulia, E. Molinary, P. Lugli. Phys Rev. B, 51, 7046 (1995).

[3] C.R. Bennet, M.A. Amato, N.A. Zakhleniuk, B.K. Ridley, M. Babiker. J. Appl. Phys., 83, 1499 (1998).

[4] Q.X. Zhao, S. Wongmanerod, M. Willander, P.O. Holtz, E. Selvig, B.O. Fimland. Phys. Rev. B, 62, 10 984 (2000).

[5] K.W. Kim, A.R. Bhatt, M.A. Stroscio, P.J. Turley, S.W. Teitsworth. J. Appl. Phys., 72, 2282 (1992).

[6] J. Pozela, K. Pozela, V. Jucien. Semiconductors, 34, (2000).

[7] T. Tsuchiya, T. Ando. Phys. Rev. B, 47, 7240 (1993); Phys. Rev.

B, 48, 4599 (1993).

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.