Электронные свойства дельта-легированных GaAs/AlGa As структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

/У•

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 537.311.322

ЛУНИН РОМАН АНАТОЛЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕЛЬТА-ЛЕГИРОВАННЫХ GaAsM.lxGai.xAs СТРУКТУР

специальность 01.04.09 Физика низких температур и криогенная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Кульбачинский В.А., кандидат физико-математических наук Кытин В.Г.

МОСКВА 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................4

Глава 1. Электронная структура и транспортные свойства дельта-легированного арсенида галлия........................................................ 18

1.1 Энергетический спектр электронов в 8-слое.............................. 18

1.2 Распределение донорной примеси при 5-легировании...............27

1.3 Подвижности электронов в подзонах размерного квантования....................................................................................40

1.4 Методы получения квазиодномерных систем и физические процессы в них..............................................................................55

Глава 2. Образцы и методика измерений........................................64

2.1 Исследованные образцы................................................................64

2.2 Методика измерений.....................................................................68

2.3 Ошибки измерений ........................................................................74

Глава 3. Электронные транспортные свойства комбинированно легированных СаА8/А1хОа1-хА8 гетероструктур..............................75

3.1 Проводимость и магнитосопротивление комбинированно легированных структур ОаА8/А1хСа1_хА8...........................................75

3.2 Определение концентраций и подвижностей электронов из эффекта Шубникова - де Гааза...........................................................77

3.3 Определение концентраций и подвижностей электронов методом спектра подвижности...........................................................................82

3.4 Расчет электронной структуры комбинированно легированных гетеропереходов....................................................................................87

3.5 Расчет подвижности электронов при рассеянии на ионизированных примесях с учетом межподзонного рассеяния .... 101

3.6 Оптимизация транспортных параметров комбинированно легированных гетероструктур............................................................ 103

Глава 4. Транспортные и оптические свойства 5-слоев олова на сингулярной грани GaAs................................................................. 105

4.1 Проводимость и магнитосопротивление структур GaAs(5-Sn).. 105

4.2 Расчет энергетического спектра и подвижности электронов в структурах GaAs(S-Sn)....................................................................... 113

4.3 Фотолюминесценция 5-легированного оловом GaAs................ 118

4.4 Осцилляции сопротивления в параллельном к 5-слою магнитном поле..................................................................................................... 122

Глава 5. Анизотропия низкотемпературных транспортных свойств структур с дельта-легированием оловом вицинальных граней

GaAs.................................................................................................... 127

5.1 Анизотропия сопротивления и магнитосопротивления структур .............................................................................................................. 127

5.2 Энергетический спектр структур............................................... 135

5.3 Вольт-амперные характеристики............................................... 138

5.4 Замороженная фотопроводимость в структурах GaAs(S-Sn) ... 141

Основные результаты и выводы..................................................... 152

Заключение........................................................................................ 155

Список литературы........................................................................... 156

Введение

Актуальность работы. В настоящее время дельта-легированные полупроводники, в которых атомы примеси расположены в слое толщиной в один или несколько атомных монослоев, являются объектом интенсивного экспериментального и теоретического исследования. Размерное квантование движения электронов в таких структурах существенно меняет большинство их электронных свойств и является причиной новых интересных эффектов, в том числе квантового эффекта Холла.

В дельта-легированных структурах с высокой концентрацией примеси электронами заполнено несколько подзон размерного квантования. Поведение двумерных электронов в таких системах значительно более сложно по сравнению со структурами с одной заполненной подзоной. Существенным является межподзонное рассеяние электронов, их подвижности в каждой подзоне различаются. Исследование зависимости транспортной подвижности электронов от номера подзоны и ширины дельта-слоя является важной научной задачей.

Интерес к изучению дельта-легированных полупроводников оправдан не только с научной точки зрения, но и возможностью их практического применения. Продолжающееся уменьшение размеров полупроводниковых приборов, например полевых транзисторов, мотивировано потребностями увеличения их быстродействия и снижения энергопотребления. Уменьшение размеров таких структур связано с проблемой контролируемого распределения примесей. Дельта-легирование является примером экстремально узкого профиля

легирования, обеспечивающего высокие концентрации носителей тока. Несмотря на важность использования высоких легирующих концентраций в наноэлектронике, механизмы, ограничивающие максимально достижимую концентрацию свободных электронов, и эффекты частичного перераспределения примесей при высоких уровнях легирования остаются до сих пор не до конца выясненными.

Необходимо также отметить, что для создания дельта-слоев п-типа в арсениде галлия традиционно используется кремний, и важно исследование и сравнение электронных свойств дельта-слоев с иными легирующими примесями, например с оловом. Олово до настоящего времени не использовалось для дельта-легирования ваЛв, хотя оно, как донорная примесь, менее амфотерно по сравнению с кремнием и его использование должно дать возможность получения большей концентрации двумерных электронов в дельта-слое.

В настоящее время все активнее исследуются квазиодномерные и одномерные электронные системы, созданные на базе двумерных. В таких системах наблюдаются: квантование проводимости в зависимости от ширины проводящего канала, новый тип квантовых осцилляций в магнитном поле и другие фундаментальные эффекты. На основе квазиодномерных систем ожидается создание высокоэффективных оптоэлектронных приборов, поскольку безизлучательные процессы рекомбинации в них сильно подавлены за счет размерного квантования. Для ограничения латерального размера в двумерных системах обычно используются методы субмикронной электронной литографии.

Для получения систем с размерами квазиодномерных электронных каналов в несколько десятков и менее нанометров перспективным методом является выращивание структур на вицинальной поверхности арсенида галлия. Количество работ, посвященных исследованию транспортных свойств таких структур в настоящее время мало, размерное квантование электронов и анизотропия их проводимости практически не исследованы.

Цель работы. Основные цели работы:

1) Исследование транспортных и квантовых подвижностей электронов в подзонах размерного квантования комбинированно легированных СаАз(8-81)/А1хОа1.хАз гетероструктур в зависимости от расстояния дельта-слоя легирующей примеси кремния от гетероперехода. Расчет энергетической диаграммы таких структур.

2) Определение концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования в структурах с дельта-легированием оловом сингулярной (001) грани ОаАв в зависимости от концентрации олова, а также изучение механизмов, ограничивающих максимально достижимую концентрацию свободных электронов при высоких уровнях легирования оловом.

3) Исследование анизотропии и особенностей проводящих свойств структур с дельта-легированием оловом вицинальной грани арсенида галлия. Исследование фотопроводимости структур при низких температурах. Получение основных параметров носителей тока, изучение механизмов рассеяния электронов и зонной структуры.

Объекты исследования. В работе исследованы три типа структур.

1) Изучались транспортные и квантовые (одночастичные) времена рассеяния электронов в двумерных подзонах в гетероструктурах ОаА5(5-81)/А1хОа1_хА8, в которых однородно легирован А^Са^Ав и дельта-легирован кремнием ОаАэ, в зависимости от расстояния дельта-слоя до гетерограницы. Метод дельта-легирования кремнием арсенида галлия является эффективным способом получения больших концентраций двумерных электронов. При высоком уровне легирования в таких структурах заполнено более пяти подзон размерного квантования, и поэтому они являются модельными для исследования межподзонного и внутриподзонного рассеяния электронов на ионизированных примесях.

2) Исследованы структуры с дельта-слоями олова на сингулярной грани (001) ОаАз (ОаАз(5-8п)) в зависимости от концентрации олова. Олово до настоящего времени не использовалось для дельта-легирования СаАв из-за его высокой сегрегационной способности, хотя оно, как донорная примесь, менее амфотерно по сравнению с традиционно используемым кремнием. Изучение механизмов, ограничивающих максимально достижимую концентрацию электронов при высоких уровнях легирования оловом, является важной научной и практической задачей.

3) Исследовались структуры с дельта-легированием оловом вицинальной грани (001) арсенида галлия. Такие структуры представляют большой интерес для исследования анизотропии их свойств и являются перспективными для

реализации квазиодномерных электронных каналов. Одномерные и квазиодномерные структуры также представляют большой интерес в плане фундаментальных и прикладных исследований. До недавнего времени такие структуры получали главным образом из двумерных систем методами электронной или ионной литографии. В настоящее время, благодаря достижениям молекулярно-лучевой эпитаксии, дельта-легирование вицинальных граней или граней с высокими индексами некоторых полупроводников позволяет создавать модулированное распределение легирующей примеси.

Практическая значимость работы.

1) Исследование зависимостей проводимости и холловской подвижности в структурах ОаА5(8-81)/А1хСа1_хА8 от расстояния Ьз от дельта-слоя легирующей примеси до гетерограницы показало, что при « 60н-75 нм наблюдаются максимальная холловская подвижность и проводимость двумерных электронов, что существенно для создания мощных транзисторов на основе исследованных структур с оптимальными параметрами.

2) Исследованы транспортные свойства, подвижности электронов, зонные диаграммы дельта-слоев олова в СаАв. Показано, что применение олова в качестве донорной примеси в дельта-слоях позволяет получать двумерные концентрации электронов, превышающие предельные значения для традиционных дельта-легированных кремнием ОаАэ структур, при относительно небольшой толщине дельта-слоя олова, что открывает новые технологические возможности.

3) В работе установлено, что структуры, полученные методом дельта-легирования оловом вицинальных граней ваАэ, обладают анизотропией проводимости и являются перспективными для получения одномерных электронных каналов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В работе впервые исследованы электронные транспортные свойства СаА8(8-81)/А1хОа1.хА5 гетероструктур, в которых дельта-легирован кремнием ваАв и однородно легирован кремнием А^СаьхАв, определены концентрации, транспортные и квантовые подвижности электронов в подзонах, а также рассчитаны зонные диаграммы и вычислены подвижности электронов при рассеянии на ионизированных примесях с учетом межподзонного рассеяния, в зависимости от расстояния дельта-слоя примеси до гетерограницы.

Впервые исследованы транспортные свойства дельта-слоев олова на сингулярной (001) грани ОаАз в зависимости от концентрации олова, рассчитаны зонные диаграммы структур, определены концентрации и подвижности электронов в подзонах размерного квантования.

В работе исследована анизотропия проводимости и ее температурная зависимость в дельта-слоях олова, выращенных на вицинальной грани (001) ваЛв. Впервые наблюден эффект отрицательной задержанной фотопроводимости в дельта-легированных ваАв структурах при высоких концентрациях олова.

На защиту выносятся следующие положения: 1) В комбинированно легированных гетероструктурах ОаА8(8-81)/А1хОа] _хАз при расстоянии дельта-слоя от гетерограницы « 60^-75 нм наблюдаются

максимальная холловская подвижность и проводимость двумерных электронов. Зависимости транспортных и квантовых подвижностей от номера подзоны в исследованных комбинированно легированных GaAs(8-Si)/AlxGai-xAs структурах при низких температурах объясняются в основном межподзонным и внутриподзонным рассеянием на ионизированных примесях.

2) Применение олова в качестве дельта-примеси в GaAs позволяет достичь высоких концентраций двумерных электронов, вплоть до 8,3* 1013 см"2, при этом исследованные GaAs(8-Sn) структуры являются двумерными вплоть до максимальных исследованных электронных концентраций.

3) Основным механизмом, ограничивающим максимально достижимую концентрацию свободных электронов в зоне проводимости в точке Г в GaAs(5-Sn) структурах при высоких уровнях легирования оловом является заполнение электронами зоны проводимости в точке L.

4) В структурах с дельта-легированием оловом вицинальных граней GaAs проводимость вдоль краев ступеней существенно превышает проводимость поперек них, при этом анизотропия проводимости связана в основном с разным влиянием неоднородного распределения олова на рассеяние двумерных электронов в этих двух направлениях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях, симпозиумах:

1. 3, 4 и 6 Международные симпозиумы "NANOSTRUCTURES: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, Россия 1995, 1996, 1998).

2. 2 Международная конференция "Физика низкоразмерных структур - 2", (Дубна, Россия 1995).

3. Международные конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-96", "Ломоносов-97" (Москва 1996, 1997).

4. XXI International Conference on Low Temperature Physics - LT-21 (Prague, Czech Republic, 1996).

5. 23rd International Conference on Physics of Semiconductors (Berlin., Germany,

1996).

6. Twenty-Third International Symposium on Compound Semiconductors (St. Petersburg, Russia, 1996).

7. XII и XIII Международные зимние школы по физике полупроводников "Электронные свойства низкоразмерных полу- и сверхпроводниковых структур", (Екатеринбург, Россия 1997, 1999).

8. The Second International Conference on Low Dimensional Structures and Devices (Lisbon, Portugal, 1997).

9. 16th General Conference of the Condensed Matter Division (Leuven, Belgium,

1997).

10. 13th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor "SemiMag 13" (Nijmegen, The Netherlands, 1998).

11. На семинарах кафедры физики низких температур и сверхпроводимости МГУ им. М.В. Ломоносова.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Kulbachinskii V.A., Kadushkin V.I., Brandt N.B., Kytin V.G., Lunin R.A., Shangina E.L., de Yisser A. Transport properties of high-carrier-density GaAs/GaAlAs heterostructures. - International Symposium "Nanostructures: 95". St.Petersburg. Russia. 1995. Abstracts, p.45-48.

2. Kulbachinskii V.A., Kadushkin V.I., Brandt N.B., Kytin V.G., Lunin R.A., Shangina E.L., de Visser A. Optimization of transport parameters of selectively 5-doped GaAs/GaAlAs heterostructures with high-carrier-density for field-effect transistors. - 2nd International Conference "Physics of low-dimensional structures-2". Dubna. Russia. 1995. Abstracts, p.43.

3. Kulbachinskii V.A., Kadushkin V.I., Brandt N.B., Kytin V.G., Lunin R.A., Shangina E.L., de Visser A. Optimization of transport parameters of selectively 5-doped GaAs/GaAlAs heterostructures with high-carrier-density for field-effect transistors. - Physics of Low-Dimensional Structures. 1995. v. 10-11. p.347-352.

4. Лунин P.A. Подвижности электронов в одновременно селективно- и 5-легированных GaAs/AlxGai_xAs гетероструктурах. - Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-96". Физический факультет МГУ. 1996. Сборник тезисов, с.122-125.

5. Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А., Кытин В.Г., Лунин Р.А., Кадушкин В.И., Шангина Е.Л., де Виссер А. Особенности явлений переноса в комбинированно-легированных гетероструктурах GaAs/Gai_xAlxAs. - ФТП. 1996. т.30. вып.4. с.676-681.

6. Кульбачинский В.А., Лунин Р.А., Богданов Е.В., Кытин В.Г., Сеничкин А.П., Кадушкин В.И. Гашение фотопроводимости сильным электрическим полем в дельта-легированных оловом GaAs-структурах. - Письма в ЖЭТФ. 1996. т.63. вып.5. с.326-330.

7. Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Bogdanov E.V., Kytin V.G., Bugaev A.S., Senichkin A.P. Quenching of persistent photoconductivity by high electric fields in GaAs delta-doped by Sn on vicinal substrate structures. - International Symposium "Nanostructures, Physics and Technology: 96". St.Petersburg. Russia. 1996. Abstracts, p.37-40.

8. Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Kytin V.G., Bugaev A.S., Senichkin A.P. Subband 2D electron mobility in heavy delta- and modulation doped GaAs/AlGaAs heterostructures. - International Symposium "Nanostructures, Physics and Technology: 96". St.Petersburg. Russia. 1996. Abstracts, p. 16-19.

9. Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Kytin V.G., Bugaev A.S., Senichkin A.P., Kadushkin V.I., de Visser A. Low temperature subband 2D electron mobilities in heavy delta- and modulation-doped GaAs/GaAlAs heterostructures. - XXI International conference on Low Temperature Physics "LT-21". Prague. Czech Republic. 1996. Abstracts, p.56.

10. Kytin V.G., Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Bugaev A.S., Senichkin A.P. Low temperature negative magnetoresistance in the 8-doped by Sn and Si on vicinal and singular substrates GaAs structures. - XXI International conference on Low Temperature Physics "LT-21". Prague. Czech Republic. 1996. Abstracts, p.67.

11. Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Kytin V.G., Bugaev A.S., Senichkin A.P., Kadushkin V.l., de Visser A. Low temperature subband 2D electron mobilities in heavy delta- and modulation-doped GaAs/GaAlAs heterostructures. - Czechoslovak Journal of Physics. 1996. v.46. Suppl. S5. p.2457-2458.

12. Kytin V.G., Kulbachinskii V.A., Lunin R.A., Bugaev A.S., Senichkin A.P. Low temperature negative magnetoresistance in the 5-doped by Sn and Si on vicinal and singular substrates GaA