WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Исследование свойств двумерного электронного газа в гетероструктурах p--3C-SiC/n+-6H-SiC при низких температурах ¶ © А.А. Лебедев, Д.К. Нельсон, Б.С. Разбирин, И.И. Сайдашев, А.Н. Кузнецов, А.Е. Черенков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 марта 2005 г. Принята к печати 14 марта 2005 г.) Проведено исследование спектров фотолюминесценции и магнитосопротивления эпитаксиальных структур p--3C-SiC/n+-6H-SiC при температурах 6-80 K. Проведенные исследования показали влияние гетероперехода как на спектр фотолюминесценции, так и на величину сопротивления. Однако недостаточное структурное совершенство эпитаксиальных структур не позволили пока получить эффекты, „классические“ для структур с двумерным газом. Следует ожидать, что усложнение техники эксперимента, а также оптимизация ростовых и послеростовых технологий SiC позволят это сделать в ближайшем будущем.

1. Введение Спектры фотолюминесценции регистрировались при температуре жидкого гелия (T = 6K) и жидкого азота В последние годы был опубликован ряд работ, по(T = 80 K). Для возбуждения фотолюминесценции иссвященных получению и исследованию гетероструктур пользовалось излучение импульсного азотного лазера между различными политипами SiC [1–7]. В работе [1] ЛГИ-505 (длина волны излучения 337.1 нм, длительбыли впервые исследованы электрические характеристиность импульса 10 нс, частота повторения 1 кГц, мощки гетероструктур p-3C-SiC/n-6H-SiC и на основе поность в импульсе 5 кВт). Излучение лазера фокусиролученных данных построена энергетическая диаграмма, валось на образец в пятно диаметром 1 мм. Плоткоторая оказалась близка к теоретически ожидаемой. Из ность возбуждения можно было изменять с помощью этой диаграммы, в частности, следовала принципиальпредварительно откалиброванных фильтров в диапазоне ная возможность получения двумерного электронного от 1 до 100 кВт/см2. Перед проведением исследований газа (2DEG) на гетерогранице этой пары полупроводбыла измерена спектральная кривая чувствительности ников. Для реализации 2DEG методом сублимации в ваустановки, и спектры были исправлены в соответствии с кууме были изготовлены структуры с „модулированным этой кривой.

легированием“, т. е. структуры, в которых широкозонный В спектре люминесценции исследованных гетерополупроводник n-типа проводимости (6H-SiC) имел выструктур доминировала хорошо известная полоса с сокий уровень легирования, а узкозонный (3C-SiC) — энергией максимума 2.64 эВ, связываемая с рекомбипроводимость, близкую к собственной [8]. В спектре нацией на донорно-акцепторных парах N-Al в 6H-SiC.

излучения диодов, изготовленных на основе данных Наряду с этой полосой в длинноволновой части спектра структур, наблюдалось смещение в коротковолновую (1.9-2.2эВ) наблюдалась полоса, в которой можно область полосы люминесценции, связанной с рекомбивыделить четыре особенности с энергиями 1.95, 2.02, нацией свободного экситона в 3C-SiC. Наблюдавшийся 2.06 и 2.13 эВ. Обращает на себя внимание тот факт, что экспериментально сдвиг находился в хорошем согласии с расчетным значением, полученным для смещения локализованного состояния в двумерной квантовой яме [8,9].

В настоящей работе проведено исследование спектров фотолюминесценции и гальваномагнитных эффектов (явлений переноса) в исходных эпитаксиальных структурах p--3C-SiC/n+-6H-SiC до формирования меза-структур гетеродиодов.

2. Фотолюминесценция Исследованные структуры получены методом сублимационной эпитаксии в вакууме. Аналогично [5,8] слабо легированный (Na - Nd 1 · 1016 см-3) слой p-3C-SiC выращивался непосредственно на сильно легированной Рис. 1. Спектры ФЛ исследованных образцов при (Nd - Na 3 · 1018 см-3) подложке 6H-SiC.

T = 6K. 1 — монокристалл 3C-SiC, 2 — гетероструктура ¶ E-mail: Shura.Lebe@mail.ioffe.ru p--3C-SiC/n+-6H-SiC.

Исследование свойств двумерного электронного газа в гетероструктурах... при измерениях и не позволили точно идентифицировать экспериментальные зависимости. Однако удалось установить, что проводимость гетероструктур ( 8.7 · 10-4 Ом-1· см-1 при T 80 K) имеет величину, приблизительно на 2 порядка большую, чем проводи мость подложки 6H-SiC с теми же геометрическими размерами и уровнем легирования, но без эпитаксиального слоя p--3C-SiC. Это дает основания предположить существование двумерного проводящего слоя на гетерогранице, но, возможно, не на всей площади гетероструктуры.

4. Обсуждение Рис. 2. Спектры ФЛ исследованных образцов при T = 80 K.

1 — гетероструктура n-3C-SiC/n+-6H-SiC (без модулированно- Отсутствие обнаруженного в образцах p--3C-SiC/ го легирования); 2 — монокристалл 3C-SiC, 3 — гетерострук- n+-6H-SiC спектра ФЛ в структурах без модулировантура p--3C-SiC/n+-6H-SiC.

ного легирования показывает, что данная ФЛ связана с наличием треугольной квантовой ямы на гетерогранице 3C-SiC/6H-SiC. При отсутствии квантовой ямы на гетерогранице излучательная рекомбинация идет в эта полоса расположена ниже по энергии, чем ширина соответствии с обычными механизмами, свойственнызапрещенной зоны 3C-SiC (2.39 эВ) — узкозонного мами гексагональному и кубическому политипам карбида териала в гетероструктуре, — и соответственно ниже, кремния. В то же время наблюдавшийся в настоящей чем характерная структура в спектре люминесценции работе спектр ФЛ находится в другой области энергий, объемного образца 3C-SiC (рис. 1).

чем спектр ЭЛ гетеродиодов, сформированных на основе Были также исследованы спектры фотолюминесценаналогичной гетероструктуры.

ции изотипной гетероструктуры n-3C-SiC/n+-6H-SiC, в Для объяснения природы наблюдавшегося спектра ФЛ которой не должно происходить образование потенцирассмотрим зонную схему гетероструктуры. Широкозональной ямы для электронов на гетерогранице. Спектр ный полупроводник n-типа имеет высокий уровень леданного образца заметным образом отличался от расгирования, а узкозонный является слабо легированным смотренного выше — в нем по-прежнему наблюдалась полупроводником p-типа. На гетерогранице образуется полоса с максимумом 2.64 эВ, однако в длинноволновой потенциальная яма для электронов, дно которой распочасти спектра наблюдалась другая структура, характер- лагается ниже уровня Ферми. Это приводит к переходу ная для объемных образцов 3C-SiC (рис. 2).

электронов из широкозонного полупроводника в потенциальную яму с образованием двумерного электронного газа (2DEG) (рис. 3). При возбуждении фотолюминес3. Проводимость в магнитном поле ценции в образце создаются электронно-дырочные пары.

При этом, вследствие имеющегося в области гетерограНа основе аналогичных гетероструктур были подгоницы изгиба зон, фотовозбужденные дырки отходят от товлены образцы для холловских измерений, имеющие границы в глубь узкозонного материала. Соответственно форму прямоугольников 20.50.5мм с шестью омическими контактами, расположенными в форме двойного холловского креста. Измерения проводились на постоянном токе в магнитном поле с индукцией до 1.2 Т.

Исследование двумерного характера движения носителей в исследованных структурах проводилось путем измерения анизотропии проводимости в магнитных полях, перпендикулярных (H) и параллельных (H ) интерфейсу. Для выяснения наличия анизотропии проводимости в магнитном поле в исследуемых структурах шток с закрепленным на нем образцом мог вращаться вокруг вертикальной оси, и таким образом изменялся угол между магнитным полем и плоскостью образца.

Малая подвижность носителей заряда, а также доРис. 3. Энергетическая диаграмма и схема излучастаточно большое сопротивление контактов при низтельных переходов в исследованной гетероструктуре ких температурах приводили к большим трудностям p--3C-SiC/n+-6H-SiC.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1238 А.А. Лебедев, Д.К. Нельсон, Б.С. Разбирин, И.И. Сайдашев, А.Н. Кузнецов, А.Е. Черенков при излучательной рекомбинации переход оказывается [9] С.Ю. Давыдов, А.А. Лебедев, О.В. Посредник. ФТП, (2005).

непрямым в реальном пространстве, и энергия такого [10] J.P. Bergman, Q.X. Zhao, P.O. Holtz, B. Monemar, M. Sundaперехода может быть на величину изгиба зон меньram, J.P. Merz, A.C. Gossard. Phys. Rev. B, 43, 4771 (1991).

ше ширины запрещенной зоны узкозонного материала (плюс энергия размерного квантования в яме для элекРедактор Л.В. Беляков тронов). Подобный механизм рекомбинации был ранее предложен для гетероструктур GaAs/AlxGa1-x As [10].

Properties of 2-D electron gas То, что в спектре ЭЛ гетеродиодов, сформированных in p--3C-SiC/n+-6H-SiC heterostructures на основе аналогичной гетероструктуры, наблюдалось at low temperatures смещение линии свободного экситона в 3C-SiC коротковолновую область, по-видимому, связано с уменьшением A.A. Lebedev, D.K. Nel’son, B.S. Razbirin, изгиба зон приложенным напряжением, а также большей I.I. Saidashev, A.N. Kuznetsov, A.E. Cherenkov концентрацией носителей (инжекция) вблизи гетерограIoffe Physicotechnical Institute, ницы.

Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia 5. Заключение Проведенные исследования показали влияние гетероперехода как на спектр ФЛ, так и на величину сопротивления. Однако специфика материала SiC (сложность получения высокопроводящих контактов при низких температурах), а также недостаточное структурное совершенство эпитаксиальных структур (отсутствие сильно легированного спейсера, возможность образования гетероперехода не по всей площади структуры — как предполагалось в [8]) не позволили пока получить эффекты, „классические“ для структур с двумерным газом. Следует ожидать, что усложнение техники эксперимента (например, приложение внешнего поля при измерении спектров ФЛ), а также оптимизация ростовых и послеростовых технологий SiC позволят это сделать в ближайшем будущем.

Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ № 03-02-16054б и 04-02-01-6632а.

Список литературы [1] A.A. Lebedev, A.M. Strel’chuk, D.V. Davydov, N.S. Savkina, A.S. Tregubova, A.N. Kuznetsov, V.A. Soloviev, N.K. Poletaev.

Appl. Surf. Sci., 184, 419 (2001).

[2] A. Fissel, U. Kaiser, B. Schroter, W. Richter, F. Bechstedt.

Appl. Surf. Sci., 184, 37 (2001).

[3] R.S. Okojie, M. Xhang, P. Pirouz, S. Tumakha, G. Jessen, L. Brillson. Appl. Phys. Lett., 79, 3056 (2001).

[4] А.А. Лебедев, Г.Н. Мосина, И.П. Никитина, Н.С. Савкина, Л.М. Сорокин, А.С. Трегубова. Письма ЖТФ, 27, (2001).

[5] А.А. Лебедев, А.М. Стрельчук, Н.С. Савкина, Е.В. Богданова, А.С. Трегубова, А.Н. Кузнецов, Л.М. Сорокин.

Письма ЖТФ, 28, 78 (2002).

[6] A.A. Lebedev, A.M. Strel’chuk, N.S. Savkina, E.V. Bogdanova, A.S. Tregubova, A.N. Kuznetsov. Mater. Sci. Forum., 433–466, 169 (2003).

[7] S. Juillaquet, J. Camassel. Mater. Sci. Forum., 483–485, (2004).

[8] A.A. Lebedev, A.M. Strel’chuk, N.S. Savkina, A.N. Kuznetsov.

Mater. Sci. Forum., 457–460, 597 (2004).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, 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.