WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Влияние температуры роста спейсерного слоя на подвижность двумерного электронного газа в PHEMT-структурах © Г.Б. Галиев¶, И.С. Васильевский,+, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин Институт СВЧ полупроводниковой электроники Российской академии наук, 117105 Москва Россия + Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992, ГСП-2 Москва, Россия (Получена 14 марта 2006 г. Принята к печати 21 марта 2006 г.) Экспериментально исследовано влияние температуры роста спейсерного слоя AlGaAs на подвижность двумерного электронного газа µe в односторонне -легированных псевдоморфных AlGaAs/InGaAs/GaAs транзисторных структурах с высокой подвижностью электронов. С помощью самосогласованного расчета проанализирована зонная диаграмма. Для исследования электронных транспортных свойств выбрана оптимальная структура, в которой отсутствует параллельная проводимость по легированному слою. Показано, что в оптимизированных структурах с увеличением температуры роста от 590 до 610C при неизменности остальных параметров и условий роста подвижность µe увеличивается на 53% при T = 300 K и на 69% при T = 77 K. Предполагается, что это связано с улучшением структурного совершенства спейсерного слоя AlGaAs и гетерограницы AlGaAs/InGaAs/GaAs.

PACS: 81.15.Hi, 72.80.Ey, 73.61. Ey 1. Введение ются друг от друга более чем на 100C. Если эпитаксиальные слои AlGaAs показывают лучшее струкAlGaAs/InGaAs/GaAs PHEMT (pseudomorphic high турное совершенство при Tg 600-630C, то слои electron mobility transistor) транзисторные структуры GaAs — при Tg 580-600C, а слои InGaAs — при демонстрируют лучшие электрофизические параметры Tg 490-520C. Используются также дополнительные по сравнению с гетероструктурами AlGaAs/GaAs и шитехнологические приемы, такие как введение субслоев роко применяются в устройствах СВЧ-техники [1–5].

в базовую PHEMT-структуру, прерывание роста и его В PHEMT-структурах тонкий напряженный эпитаксиальпродолжительность, скорость изменения температуры ный слой Iny Ga1-yAs с мольной долей In около 0.роста при выращивании разных слоев и т. д. [11–14].

и толщиной менее 20 нм выращивается между GaAs Однако в литературе отсутствуют сведения о влиянии и AlGaAs. Увеличение подвижности и концентрации температуры роста спейсерного слоя AlGaAs на подвиждвумерного электронного газа µe и ns достигается за ность двумерного электронного газа в PHEMT-струксчет большей высоты барьера, определяемой разрывом турах. Это влияние может проявляться в структурах, дна зоны проводимости EC, и за счет меньшей эффекгде изменяется только температура роста спейсерного тивности массы электронов в InyGa1-y As по сравнению слоя, а толщины всех слоев и уровень легирования не с GaAs. Из-за сильного несоответствия параметров реизменяются. Кроме того, в PHEMT-структуре должна шетки InAs и GaAs (11%) мольная доля In y и толщина отсутствовать параллельная проводимость по легирослоя Iny Ga1-yAs L должны быть меньше некоторых ванному слою. В противном случае величины µe и ns, критических значений, обычно y 0.2 и L 20 нм.

получаемые из измерений сопротивления и эффекта Основными характеристиками PHEMT-структуры, коХолла, некорректно отражали бы параметры электронторые в конечном счете при выбранном технологиного транспорта в канале.

ческом маршруте изготовления определяют параметры Цель данной работы — теоретический анализ и выбор СВЧ-транзисторов, являются подвижность µe и коноптимальной базовой структуры, а также исследование центрация ns двумерного электронного газа в канале влияния температуры роста спейсерного слоя AlGaAS InGaAs. А они в первую очередь зависят от конв PHEMT-структурах на подвижнось и концентрацию центрации легирования в донорном слое и толщины двумерного электронного газа.

спейсерного слоя [6–10].

Характерные значения µe и ns для односторонне и двусторонне легированных PHEMT-структур меня- 2. Профиль зоны проводимости ются в допольно широком диапазоне. Эти изменеи распределение электронной ния могут быть вызваны как выбором параметров плотности PHEMT-структуры, так и технологией роста. Так, оптимальные температуры роста Tg эпитаксиальных слоев Для исследования влияния температуры роста спейAlGaAs, GaAs, InGaAs в PHEMT-структурах отличасерного слоя AlGaAs на подвижность двумерно¶ E-mail: galiev_galib@mail.ru го электронного газа µe выбрана PHEMT-структура 1480 Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин AlGaAs/InGaAs/GaAs с -легированием, которая используется для изготовления СВЧ-транзисторов и малошумящих усилителей. Такая структура должна удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, она должна иметь необходимую концентрацию электронов в канале (ns 1.2 · 1012 см-2), во-вторых, в легированном широкозонном слое должна отсутствовать параллельная проводимость.

Основными параметрами, определяющими возникновение параллельной проводимости в PHEMT-структурах при фиксированной глубине квантовой ямы, т. е. определенных мольных долях алюминия x и индия y, являются толщина спейсерного слоя AlGaAs dsp и уровень легирования Nd.

Для выбора структуры, удовлетворяющей этим требованиям, с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шрёдингера и Пуассона рассчитаны и проанализированы профили зоны проводимости и распределение электронной плотности в PHEMT-структурах.

Уравнение Шрёдингера для огибающих волновых функций i(z ) d 1 d - + U(z ) i(z ) =Eii(z ) (1) 2 dz m(z ) dz и уравнение Пуассона d dUH(z ) 0(z ) = e2 Nd(z ) - n(z ) (2) Рис. 1. Профиль зоны проводимости, уровни размерного dz dz квантования Ei и распределение электронной плотности n(z ):

решались совместно для потенциала вида U = UH + EC a — умеренное легирование, Nd = 2 · 1012 см-2, b —сильное легирование, Nd = 4 · 1012 см-2.

+ UXC, где i — номер подзоны, UH — одноэлектронный электростатический потенциал, EC — разрыв дна зоны проводимости на гетерограницах, UXC — обменнокорреляционный потенциал, который в приближении Расчет проводился для AlxGa1-xAs/Iny Ga1-yAs/GaAs локальной плотности определяется как PHEMT-структур с мольными долями Al x = 0.2 и In y = 0.18. Использованы следующие значения эффек11.4 UXC = - 1 + 0.0545rS ln 1 + Ry, (3) тивных масс: в GaAs m = 0.0667m0, в In0.18Ga0.82As rS rS m = 0.061m0, в Al0.2Ga0.8As m = 0.087m0. Разрывы зоны проводимости относительно GaAs принимагде лись равными EC = -0.09 эВ для InGaAs/GaAs и -1/4a3n(z ) 40 2 EC =+0.19 эВ для AlGaAs/GaAs. Значение потенциала B rS =, a =, B на поверхности принималось S = 0.7эВ.

3 meВ результате расчета определены пространственный 1/профиль потенциала зоны проводимости U(z ), квантовоe2 Ry =, =, размерные уровни энергии электронов Ei, огибающие 80a B волновых функций электронов i(z ), концентрации элекa — эффективный боровский радиус, Ry — эффективтронов в подзонах ni и общее распределение электронB ная константа Ридберга.

ной плотности n(z ). Расчет также позволяет моделироРаспределение электронной плотности для размерновать изменение профиля зоны при вариации толщины квантованных подзон квантовой ямы n(z ) определяется спейсерного слоя, концентрации легирования кремнием.

как На рис. 1 представлены профили зоны проводимости, уровни размерного квантования и распредеm EF - Ei ление электронной плотности для умеренно легироn(z ) = kBT ln 1 + exp i(z ). (4) 2 i kBT ванной PHEMT-структуры со слоевой концентрацией кремния Nd = 2 · 1012 см-2 (рис. 1, a) и для сильно Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние температуры роста спейсерного слоя на подвижность двумерного электронного газа... легированной с Nd = 4 · 1012 см-2 (рис. 1, b). Толщина InGaAs-квантовой ямы составляет L = 12 нм, а толщина спейсерного слоя dsp = 35. При легировании с Nd = 4 · 1012 см-2 возникает параллельная проводимость по -легированному слою в подзонах E2 и E3.

Уровень Ферми отсчитывается от нулевого значения.

Для данной геометрии PHEMT-структуры рассчитана зависимость концентрации электронов в канале n1 и в области -легирующего слоя n2 от концентрации легирования Nd. Результаты расчета представлены на рис. 2.

Как видно из этого рисунка, параллельная проводимость наступает при уровне легирования, соответствующем концентрации электронов в канале n1 2.5 · 1012 см-2.

Также рассчитана зависимость концентрации электронов в канале от толщины спейсера при фиксированном уровне легирования Nd = 2 · 1012 см-2, представленная на рис. 3. Из этой зависимости видно, что при выбранных параметрах PHEMT-структуры, начиная с Рис. 4. Схематическое изображение структуры исследуемых образцов.

dsp > 6 нм, проявляется параллельная проводимость.

На основе этих данных для исследований выбрана PHEMT-структура с -легированием, схематически изображенная на рис. 4.

3. Образцы и методы исследований Исследуемые образцы выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ЦНА-24. В качестве подложек использовались пластины полуизолирующего GaAs с ориентацией (100). Образцы отличаются друг от друга только температурой роста слоев AlGaAs, значения которой составили 590, 600 и 610C для образцов 1, 2 и 3 соответственно. Температуры роста Рис. 2. Зависимость концентрации электронов в канале n1 и остальных слоев указаны на рис. 4. Время формирования в области -легирующего слоя n2 от концентрации донорного легирования. -слоя для всех образцов составляло 150 с при температуре кремниевого источника 1100C, что соответствует Nd = 2.5 · 1012 см-2. Перед нанесением -слоя во всех структурах вводился субслой GaAs толщиной для уменьшения диффузии кремния в направлении канала, поскольку в AlGaAs происходит более сильное уширение -Si слоя [15], а также для предохранения реакционноспособной поверхности AlGaAs от накопления примесей при прерывании роста. Такой же субслой GaAs вводился после роста слоя InGaAs при той же температуре для предотвращения диффузии In в сторону поверхности при выращивании последующих слоев.

Концентрация ns и подвижность µe двумерного электронного газа получены из измерений эффекта Холла при температурах 77 и 300 K. Определение спектров фотолюминесценции (ФЛ) проводилось при T = 77 K в диапазоне энергий фотонов 1.25-1.55 эВ с использоваРис. 3. Зависимость концентрации электронов в канале от нием лазера с длиной волны = 632.5 нм и плотностью толщины спейсера. Стрелкой показана точка, соответствующая появлению параллельной проводимости. излучения до 100 Вт/см2.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1482 Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин 4. Результаты и их обсуждение В таблице представлены значения µe и ns двумерного электронного газа в исследуемых образцах, полученные из измерений эффекта Холла при температурах T = и 77 K. Увеличение температуры роста слоя AlGaAs от 590 до 610C приводит к увеличению подвижности как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота. При этом концентрация ns практически не меняется. Так, µe в образце 3 по сравнению с образцом 1 увеличивается на 53% при T = 300 K и на 69% при T = 77 K, в то время как ns меняется только на и 6% соответственно. Такое поведение подвижности может быть связано с улучшением структурного совершенРис. 5. Спектры фотолюминесценции, измеренные при ства спейсерного слоя AlGaAs и качества гетерограницы T = 77 K.

AlGaAs/InGaAs. Следует также отметить, что при повышении температуры роста слоев AlGaAs не происходит существенного уширения профиля -слоя. В противном случае это привело бы к диффузии кремния (в том Следует отметить, что последнее качественное расчисле в сторону квантовой ямы) и к уменьшению µe из- суждение справедливо, поскольку энергетическая струкза роста рассеяния электронов на ионизированных до- тура подзон для всех исследуемых образцов была одинанорных примесях вследствие уменьшения эффективной ковой.

толщины спейсерного слоя.

В пользу вышесказанных предположений свидетель5. Заключение ствуют также и данные, полученные из спектров ФЛ. На рис. 5 представлены измеренные при T = 77 K спектИсследовано влияние температуры роста спейсерного ры ФЛ для образцов 1, 2 и 3. Пики на спектрах в слоя на электронные транспортные свойства в PHEMTобласти энергий фотонов 1 1.34 и 2 1.39 эВ структурах. С помощью самосогласованного расчета соответствуют переходам от первой E1 и второй E2 проанализированы зонные диаграммы и выбрана оптиэлектронных подзон к первой подзоне тяжелых дырок мизированная PHEMT-структура, в которой отсутствует (переходы E11 и E21) в квантовой яме InGaAs. Положепараллельная проводимость. Выращены PHEMT-образние пиков хорошо совпадает для всех образцов, что свицы с различной температурой роста спейсерных слодетельствует о том, что зонная структура исследуемых ев 590, 600 и 610C. Обнаружено, что повышение темобразцов не изменялась в зависимости от температуры пературы роста спейсерных слоев (при прочих равных роста спейсера. Кроме этих полос, наблюдается и поусловиях) позволяет увеличить подвижность двумерного лоса с 1.508 эВ, которая соответствует значению электронного газа более чем на 50% при практически фундаментального перехода в GaAs. Как известно, на неизменных значениях концентрации электронов. При ширину спектральных линий влияет ряд механизмов, в этом данные фотолюминесценции подтверждают, что том числе шероховатость границ квантовой ямы [16,17], зонная структура была одинаковой в исследованных характеризующая структурное совершенство слоев и образцах. Предполагается, что увеличение подвижности границ раздела. Значения полной ширины на полоэлектронов связано с улучшением структурного совервине максимума интенсивности сигнала ФЛ для пика шенства спейсерного слоя AlGaAs и гетерограницы E21 1.39 эВ (на рис. 5 обозначено ) составляют 21.7, AlGaAs/InGaAs.

18.1 и 16.2 мэВ для образцов 1, 2 и 3 соответственно.

Авторы выражают глубокую благодарность С.С. ШиИз сравнения этих данных с данными по подвижностям рокову за проведение измерений фотолюминесценции.

(см. таблицу) следует, что значения µe коррелируют со Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ значениями, т. е. чем больше подвижность, тем меньше (грант № 05-02-17029-a).

значение.

Подвижность и концентрация электронов в образцах Список литературы T = 300 K T = 77 K [1] Y. Chou, G.P. Li, Y.C. Chen, C.S. Wu, K.K. Yu, T.A. Midford.

№образца IEEE Electron. Dev. Lett., 17, 479 (1996).

µe, см2/В · с ns, см-2 µe, см2/В · с ns, см-[2] Y. Habbad, D. Deveaud, H.-J. Bhlmain, M. Ilegems. J. Appl.

1 4900 1.4 · 1012 11350 1.7 · Phys., 78, 2509 (1995).

2 6500 1.3 · 1012 13380 1.62 · [3] C.S. Wu, F. Ren, S.J. Pearton, M. Hu, C.K. Pao, R.F. Wang.

3 7500 1.3 · 1012 19200 1.6 · IEEE Trans. Electron. Dev., 42, 1419 (1995).

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.