WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Метаморфные модулированно-легированные гетероструктуры InAlAs / InGaAs / InAlAs с высокой подвижностью электронов на подложках GaAs ¶ © Е.С. Семенова, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, С.С. Михрин, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Ю.Г. Мусихин, С.А. Блохин, А.Г. Гладышев, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 февраля 2003 г. Принята к печати 4 февраля 2003 г.) Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках GaAs созданы метаморфные модулированно-легированные гетероструктуры в системе материалов InGaAs / InAlAs. Проведена оптимизация условий выращивания градиентного буферного слоя при низкой температуре осаждения, позволяющая резко снизить количество структурных дефектов в рабочих слоях структуры. Подвижность электронов в двумерном канале метаморфных структур, выращенных в оптимизированных условиях, (8100 см2/В · с при 300 K) значительно превосходит значения, достижимые в напряженных гетероструктурах InGaAs / AlGaAs на подложках GaAs.

Модулированно-легированные гетероструктуры ленная на снижение количества дефектов и получения (МЛГС) InGaAs / InAlAs, эпитаксиально выращиваемые высоких значений подвижности носителей заряда.

на подложках InP, широко применяются в микроэлектро- Структуры были выращены на установке молекулярно-пучковой эпитаксии Riber 32P. Наблюдение карнике для создания низкошумящих, быстродействующих транзисторов [1]. Преимуществами данной системы ма- тин дифракции быстрых электронов (ДБЭ) позволяло контролировать характер роста непосредственно во вретериалов по сравнению с InGaAs / AlGaAs на подложках мя процесса осаждения слоев. Состав и структурное GaAs является возможность использовать слои с более качество слоев исследовались методом высокоразрешавысоким содержанием индия (типично 50% в случае ющей рентгеновской дифракции. Концентрация и поподложки InP против 20% в случае подложки GaAs) движность носителей заряда измерялись методом Вани, как следствие, больший разрыв зоны проводимости дер-Пау на установке BioRad при температурах на гетерогранице канал–барьер, а также меньшая и 300 K. Также полученные структуры исследовались меэффективная масса электронов. В МЛГС это позволяет тодами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) получать более высокую плотность (> 2 · 1012 против и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) 1 · 1012 см-2) и большую подвижность (> 10 000 про для определения морфологии поверхности и степени тив 6000 см2/В · с) электронов в двумерном газе, релаксации слоев структуры.

образующемся вблизи гетерограницы. Однако подложки Значительное различие постоянных решетки InP InP по сравнению с GaAs обладают существенными и GaAs ( 3.5%) приводит к невозможности прямонедостатками, такими как меньший размер коммерчески го эпитаксиального выращивания на подложках GaAs доступных пластин, высокая хрупкость и высокая цена, сравнительно толстых структурно совершенных слоев, что затрудняет производство приборов на их основе.

постоянная решетки которых совпадала бы с постоянВ связи с этим возрос интерес к так называемым ной решетки InP, так как в этом случае релаксация метаморфным структурам на подложках GaAs, в коупругих напряжений сопровождается формированием торых использование специфических технологических дислокаций, прорастающих на всю толщину эпитаксирежимов выращивания буферного слоя In(Ga)AlAs ального слоя. В качестве примера на рис. 1, a приведено позволяет перейти от постоянной решетки GaAs к поПЭМ-изображение скола слоя InGaAs (с содержанием стоянной решетки InP таким образом, что большинство In 30%) на GaAs. В данной работе в качестве переходдислокаций не будет распространяться в направлении ного слоя используется InAlAs, содержание индия в короста, но будет содержаться лишь внутри переходного тором линейно изменяется от 10 до 58%. Исследуемые слоя [2–6]. В то же время реализация метаморфных структуры представляют собой следующий набор слоев:

структур на GaAs, транспортные и структурные харакна полуизолирующей подложке GaAs осаждается перетеристики которых не уступали бы характеристикам ходный слой InAlAs толщиной 0.9 мкм; далее осаждается МЛГС на InP, затруднена не полным подавлением слой In0.52Al0.48As толщиной 0.4 мкм, на котором форпрорастания дислокаций в активные слои структуры мируется структура с двумерным электронным газом, и возникновением микрорельефа поверхности [5].

состоящая из канала In0.53Ga0.47As толщиной 40 нм, В настоящей работе проводится оптимизация режиспейсерного слоя In0.52Al0.48As толщиной 5 нм, легимов выращивания МЛГС на основе метаморфных струкрованного барьерного слоя n-In0.52Al0.48As толщиной тур InAlAs / InGaAs / InAlAs на подложке GaAs, направ10 нм, подзатворного слоя In0.52Al0.48As толщиной 15 нм ¶ E-mail: esemenova@mail.ioffe.ru и контактного слоя n-In0.53Ga0.47As толщиной 7 нм.

1128 Е.С. Семенова, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, С.С. Михрин, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Ю.Г. Мусихин...

In0.52Al0.48As картина ДБЭ изменялась а именно — утолщения постепенно исчезали. Во время дальнейшего роста и после остановки роста для поднятия температуры подложки наблюдалась полосатая картина дифракции реконструкции поверхности (4 1).

Таким образом, использование оптимизированных условий роста позволяет как подавить прорастание дислокаций, так и получить атомно-гладкие интерфейсы, необходимые для снижения рассеяния на шероховатостях гетерограницы, что способствует повышению подвижности носителей заряда двумерного электронного газа. В то же время не до конца решенной остается проблема образования дефектов упаковки в процесс выращивания буферного слоя (рис. 2, a). Обусловленные наличием большого числа дислокаций на начальном этапе роста, такие дефекты, в отличие от самих дислокаций, не удерживаются внутри буферного слоя, а прорастают на всю толщину структуры, образуя на поверхности Рис. 1. ПЭМ-микрофотографии структур на подложках GaAs:

a —слой In0.3Ga0.7As; b — МЛГС InAlAs / InGaAs / InAlAs на подложке GaAs с метаморфным градиентным слоем.

Мы обнаружили, что использование достаточно низких температур осаждения буферного слоя ( 400C) позволяет „удержать“ большинство дислокаций в буферном слое и предотвратить их распространение в верхние слои, что хорошо можно видеть на фотографии скола, полученной с помощью ПЭМ (рис. 1, b). Необходимо отметить, что морфология растущей поверхности в значительной степени зависти от температуры подложки при осаждении переходного буфера. Мы обнаружили, что при слишком низких температурах, 350C, имеет место трехмерный характер роста, о чем свидетельствует точечная картина дифракции. Однако при повышении температуры до 400C картина значительно изменяется. Сразу после начала осаждения градиентного буферного слоя наблюдается реконструкция поверхноРис. 2. МЛГС InAlAs / InGaAs / InAlAs на подложке GaAs сти (1 1), однако тяжи имеют выраженные утолщения, с метаморфным градиентным слоем: a — ПЭМ-микрофоточто свидетельствует о проявлении трехмерного характе- графия скола структуры с дефектом упаковки; b — СЭМра роста. По мере низкотемпературного выращивания микрофотография поверхности структуры.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Метаморфные модулированно-легированные гетероструктуры InAlAs / InGaAs / InAlAs... Итак, в ходе работы проведена оптимизация конструкции метаморфного градиентного буфера МЛГС на подложках GaAs, позволившая предотвратить проникновение дислокаций в рабочие слои структуры. Проведена оптимизация режимов выращивания структуры, что дало возможность подавить образование дефектов упаковки в таких структурах. В результате удалось создать МЛГС InAlAs / InGaAs / InAlAs, решеточно согласованые с InP на подложках GaAs, с такими электрическими характеристиками (подвижность 8100 см2/В · с, концентрация электронов 1.2 · 1012 см-2 при 300 K), которые сопоставимы с характеристиками аналогичных структур на подложках InP и превосходят характеристики структур на основе InGaAs / AlGaAs / GaAs. Мы считаем, что дальнейшая оптимизация конструкции метаморфных модулированно-легированных гетероструктур InAlAs / InGaAs / InAlAs, решеточно согласованных с InP, позволит значительно улучшить транспортные Рис. 3. СЭМ-микрофотография поверхности МЛГС характеристики структур на подложках GaAs.

InAlAs / InGaAs / InAlAs, выращенной на подложке GaAs Авторы статьи благодарят В.М. Бусова за измерения при оптимизированных условиях осаждения.

с помощью сканирующего электронного микроскопа и М.В. Байдакову за исследования методом высокоразрешающей рентгеновской дифракции.

характерные морфологические особенности (рис. 2, b).

Работа выполнена при поддержке програмы „ФизиОбразование подобного рода дефектов может значителька твердотельных наноструктур“, РФФИ и совместно влиять на транспортные свойства структуры, снижая ной научной программы ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН подвижность носителей заряда за счет дополнительного и Nanosemiconductors Gmbh, Германия.

рассеяния. Методы, позволяющие подавить образование подобных дефектов, продолжают оставаться не до конца Список литературы изученными. В качестве первого шага нами было исследовано влияние давления мышьяка на плотность дефек[1] L.D. Nguyen, L.E. Larson, U.K. Mishra. Proc. IEEE, 80, тов упаковки в структуре. Использование стандартных (1992).

условий осаждения, когда поток As в 2–4 раза превы[2] W.E. Hoke, P.J. Lemonias, J.J. Mosca. J. Vac. Sci. Technol. B, шает суммарный поток элементов III группы, приводит 17 (3), 1131 (1999).

к образованию гофрированной поверхности и возник[3] M. Zaknoune, B. Bonte, C. Gaquiere. IEEE Electron. Dev. Lett., новению большого количества дефектов упаковки, как 19 (9), 345 (1998).

было показано на рис. 2, b. Однако было обнаружено, [4] G. Wang, Y. Chen, W.J. Scha. IEEE Trans. Electron. Dev., что по мере снижения потока мышьяка поверхность ста- (7), 818 (1988).

[5] M. Behet, K. Van der Zanden, G. Borghs. Appl. Phys. Lett., новится все более планарной и наблюдается уменьшение 73, 2760 (1998).

плотности дефектов упаковки. Наилучший результат [6] T. Mishima, K. Higuchi, M. Mori. J. Cryst. Growth, 150, был достигнут при использовании режима осаждения, (1995).

когда поток мышьяка соответствовал суммарному потоРедактор Л.В. Шаронова ку металлов (рис. 3). В оптимизированной структуре подвижность электронов составила 8100 см2/В · с при концентрации электронов 1.2 · 1012 см-2 при 300 K. При 77 K подвижность составила 33 100 см2/В · с. В аналогичной структуре, выращенной на подложке InP, (переходный слой отсутствует) подвижность электронов составила 11 050 см2/В · с при концентрации электронов 1.9 · 1012 см-2 при 300 K, а при 77 K подвижность составила 51 670 см2/В · с. Очевидно, что повышенное количество дефектов в структуре с метаморфным буфером приводит к снижению подвижности носителей заряда, однако, несмотря на это, достигнутые параметры превосходят значения, получаемые в структуре на основе InGaAs / AlGaAs / GaAs.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1130 Е.С. Семенова, А.Е. Жуков, А.П. Васильев, С.С. Михрин, А.Р. Ковш, В.М. Устинов, Ю.Г. Мусихин...

Metamorphic modulation-doped InAlAs / InGaAs / InAlAs heterostructures with high electron mobility grown on GaAs substrates E.S. Semenova, A.P. Vasilev, A.E. Zhukov, S.S. Mikhrin, A.R. Kovsh, V.M. Ustinov, Yu.G. Musikhin, S.A. Blokhin, A.G. Gladyshev, N.N. Ledentsov Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Modulation-doped heterostructures have been grown by molecular beam epitaxy in InGaAs / InAlAs metamorphic material systems. Optimization of low-temperature compositionallygraded buffer layer makes it possible to improve structural perfection of the active layers. Electron mobility in 2D channel of metamorphic structure grown under optimum conditions (8100 cm2 / Vs at 300 K) noticeably exceeds typical values achieved in GaAs-based strained InGaAs / AlGaAs heterostructures.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.




© 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.