Электронные транспортные и оптические свойства варизонных наногетероструктур с квантовой ямой AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ВИНИЧЕНКО АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВАРИЗОННЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВОЙ ЯМОЙ

А^Са ,_ХА 5/1 п,Са ^Ав/АГсС а ^ Ав

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: ЛХ^М 005558087

Москва, 2015

005558087

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель: Васильевский Иван Сергеевич

кандидат физико-математических наук, доцент НИЯУ МИФИ Официальные оппоненты; Ковалев Алексей Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор НИТУ МИСиС Кытии Владимир Геннадьевич кандидат физико-математических наук, доцеит МГУ им. М.В. Ломоносова Ведущая организация: Физико-технологический институт

Российской академии наук, г. Москва

Защита диссертации состоится «25» февраля 2015 года в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.130.04 при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д.31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ и на сайте: http://ods.mephi.ru

Автореферат разослан «20» января 2015 года.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.ф.-м.н., профессор , Л---Чернов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Квантоворазмерные гетероетруктуры АЗВ5 на подложках GaAs в настоящее время являются наиболее широко используемым материалом для изготовления современных приборов сверхвысокочастотной электроники. Несмотря на то, что гетеросистема AIGalnAs используется уже более 30 лет, развитие подходов к инженерии конструкций гетероструктур и технологии их создания актуально и сегодня. Важнейшие тенденции в эволюции СВЧ транзисторов - повышение граничной частоты усиления, снижение шумов, увеличение к.п.д., на-номиниатюризация длины затвора, остро ставят необходимость дальнейшей оптимизации гетероструктур, используемых в СВЧ электронике. На этом пути не только выбор состава и толщины слоев, но и применение неоднородных слоев, вариации состава по толщине или использование нановставок и сверхрешеток создает дополнительные степени свободы для инженерии гетероструктур.

Наиболее широко используемой в промышленном производстве приборов СВЧ электроники для создания транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) в диапазонах частот от -10 ГГц и вплоть до -60 ГГц является РНЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor) гетероструктура с квантовой ямой (КЯ) AIGaAs/InGaAs/(Al)GaAs на подложке GaAs. Исследованиям таких структур посвящено большое количество зарубежных и отечественных работ, и наиболее типичные конструкции РНЕМТ структуры уже достаточно хорошо проработаны. Из актуальных проблем, ограничивающих применение РНЕМТ, можно отметить невысокое пробивное напряжение и ограниченную концентрацию электронов в КЯ. Заметную роль в ухудшении параметров при росте концентрации электронов играют эффекты, вызывающие падение подвижности электронов, в том числе за счет ограниченной глубины квантовой ямы.

В качестве одного из дальнейших подходов по совершенствованию РНЕМТ гетероструктур возможно использование варизонного слоя канала -квантовой ямы InGaAs с изменяющимся профилем состава. Известно, что легирование и заполнение квантовой ямы электронами приводит к появлению изги-

3

ба дна зоны проводимости в структуре. Сложный профиль потенциала является неотъемлемым свойством легированных гетероструктур, изгиб и наклон дна в квантовой яме являются причиной изменений уровней энергии и формы волновых функций электронов и дырок. Этот фактор влияет на рассеяние электронов в квантовой яме и их подвижность. Использование варизонной КЯ позволяет скомпенсировать изгиб дна квантовой ямы, возникающий в легированной структуре.

Цель и задачи работы

Цель работы: разработка подхода по использованию полупроводниковых слоев перемешюго состава при формировании квантовой ямы в РНЕМТ гетеро-структурах А1С}аА5/1пОаАх/(Л1)ОаАз для улучшения электронных транспортных свойств.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1. Разработана технология МЛЭ роста для создания варизонных слоев Гп/ЗаиАэ с высоким градиентом состава.

2. Проведено численное моделирование зонной структуры КЯ с варизон-пым каналом в РНЕМТ гетероструктурах с односторонним и двусторонним 6-легированием для анализа влияния неоднородного профиля КЯ на энергию электронных подзон и профили волновых функций.

3. Проанализированы структурные свойства экспериментальных образцов при помощи рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии.

4. Исследовано влияние неоднородного профиля КЯ на электронные транспортные свойства и спектры фотолюминесценции (ФЛ) в экспериментальных образцах с односторонним и двусторонним 5-легированием.

5. Проведен анализ и обобщение полученных экспериментальных данных.

Научная новизна работы

1. Разработан метод создания РНЕМТ гетероструктур с переменным профилем состава КЯ, позволяющий получать перепад состава до 1,2 %/нм.

2. Впервые теоретически и экспериментально выявлен механизм влияния профиля дна ЮТ на электронные транспортные свойства в 25-РНЕМТ гетероструктурах с варизонным каналом.

3. Методом спектроскопии фотолюминесценции выявлены закономерности влияния плавного изменения профиля состава КЯ на сдвиг энергии оптических переходов в КЯ РНЕМТ гетероструктур.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость работы связана с возможностью реализовать подходы наноинженерии при создании структур с заданными параметрами и исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в РНЕМТ гетероструктур с переменным профилем состава КЯ А10 2з Оао,77 Ач/Тп^Оа|, Ая/ОаА б. В работе применен комплексный подход к разработке и реализации структур такого типа, исследованию их структурных, электронных транспортных и оптических свойств.

Практическая ценность работы связана с тем, что исследованные РНЕМТ гетероструктуры с КЯ /Мо.ззОао^АзЛподОао^Ах/ОаАз применяются в качестве базового материала для создания малошумящих и мощных транзисторов СВЧ диапазона. Таким образом, результаты данной диссертационной работы позволяют не только увеличить частотный диапазон работы СВЧ устройств на основе такого типа гетероструктур, но также увеличить их удельную мощность.

В работе разработаны и экспериментально созданы гетероструктуры с переменным профилем состава КЯ, которые могут успешно использоваться в качестве основы для создания СВЧ транзисторов и схем на их основе миллиметрового диапазона длин волн.

Неоднородный профиль состава КЯ позволяет управлять как расстоянием между подзонами размерного квантования, так и разрывом между подзонами электронов и дырок. Эта дополнительная степень свободы может быть полезна для инженерии гетероструктур с управляемой энергией и интенсивностью оптических переходов, что важно для оптоэлектронных приложений.

Основные положения. выносимые на защиту

1. Разработанный метод создания НЕМТ гетероструктур с псевдоморфной КЯ А 1хСа 1 _ХЛ5./] п,,(,|Са,-к.-Ая/ОаЛя при пониженной скорости роста: 1'оаА5 ~ 6 нм/мин, позволяющий получать перепад состава до 1,2 %/нм.

2. Обоснованный механизм увеличения электронной подвижности при достижении оптимального профиля состава 1пАэ в КЯ РНЕМТ гетеро-структуры с односторонним §-легированием вследствие уменьшения рассеяния электронов на удаленных ионизированных донорах и шероховатостях гетерограниц за счет увеличения амплитуды волновой функции электронов в центральной области КЯ.

3. Установленную зависимость подвижности и концентрации электронов от профиля состава у^ в неоднородных КЯ Гп/^а^Аз РНЕМТ гетеро-структур с двусторонним 5-легированием.

4. Обоснованный механизм увеличения концентрации электронов в подзонах КЯ с оптимальным профилем состава 1пАз в двусторонне-легированных РНЕМТ гетероструктурах за счет увеличения эффективной глубины КЯ.

5. Обнаруженный эффект смещения положения оптических переходов в варизонных КЯ РНЕМТ гетероструктур, обусловленный управляемым изменением профиля дна КЯ электронов и дырок.

Достоверность научных положений, результатов и выводов Достоверность научных результатов обусловлена применением общепризнанных современных экспериментальных методов: молекулярно-лучевой эпи-таксии (МЛЭ), рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ), метода Ван дер Пау. Полученные результаты работы неоднократно апробированы на международных и Российских конференциях и не противоречат ранее известным физическим принципам.

Личный вклад соискателя

Соискателем был выполнен анализ литературных данных по тематике диссертации, моделирование зонных диаграмм, расчет параметров эпитаксиально-го роста, комплекс работ но экспериментальному получению гетероструктур методом МЛЭ, измерение электронных транспортных свойств методом Ван дер Пау, анализ измеренных кривых дифракционного отражения, спектров фотолюминесценции к ПЭМ-исследований, а также определение скоростей роста и составов гетероэпитаксиальных слоев выращенных гетероструктур.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 2-ой, 3-ей и 5-ой Научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2012, 2013 и 2014 гг.); XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2013 г.); 19 International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (St. Petersburg, 2013); Научной сессии МИФИ (Москва, 2008 г.); Научной сессии НИЯУ МИФИ (Москва, 2012, 2013 и 2014 гг.); школе молодых ученых «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологии и микросистем» (Москва, 2013 г.); XI Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2013 г.).

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликованы 28 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе 5 работ в реферируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 130 страниц, включая 52 рисунка, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 107 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования электронного транспорта, структурных и оптических свойств гетеросг-

7

руктур с переменным профилем состава КЯ, сформулирована цель работы и решаемые задачи, указана научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации содержит обзор научно-технической литературы по современному состоянию теоретических и экспериментальных исследований, посвященных конструкции, технологии изготовления, изучению электронных транспортных свойств, а также оптических и структурных характеристик гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs с псевдоморфной КЯ. Проанализированы основные результаты исследований направленного изменения энергетического профиля дна КЯ путем использования цифровых сплавов в канале, а также легирования области КЯ или барьерного слоя. Однако во всех случаях наблюдается снижение электронной подвижности за счет введения в активные слои гетероструктуры дополнительных рассеивающих донорных примесей. Рассмотрена взаимосвязь электронно-транспортных свойств РНЕМТ гетероструктур и частотных, шумовых и мощностных характеристик СВЧ транзисторов на их основе.

Во второй главе приведено описание методов создания современных гетероструктур и исследования их оптических, структурных и электрофизических характеристик. Основное внимание уделено процессу молекулярно-лучевой эпитаксии: описана физика поверхностных процессов, принцип работы и блок-схема используемой в работе установки Riber Compact 21-Т, приведен расчет основных технологических параметров для роста образцов (зависимость парциальных давлений от температуры для каждого источника, расчет скорости роста двойных и тройных соединений, определение степени легирования слоев гетероструктуры).

Исследуемые образцы РНЕМТ гетероструктур с односторонним и двусторонним 5-легированием были изготовлены в НИЯУ МИФИ на установке Riber Compact 21-Т методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложках нелегированного GaAs диаметром 2 дюйма с ориентацией (100). Толщина КЯ InGaAs во всех образцах РНЕМТ составляла 11 им, отличие образцов друг от

8

друга заключается лишь з профиле состава >'[„а5(-) КЯ. Образцы имели одинаковую концентрацию доноров кремния 5-Ю12 ем"2, а при двустороннем легировании соотношение кремния в верхнем и нижнем дельта-слоях равнялось четырем. Температура роста слоев АЮаАэ составляла 590 °С, слоев ОаАх - 600 "С, а слоев 1пОаЛл - 470 °С, содержание А1Ая в барьерах А^Оа 1_хАч равнялось х = 0,24 для всех выращенных образцов. Сверхрешетка АЮаЛз/ОаАя введена с целью подавления возможной сегрегации примесей с подложки в буферный слой ваАБ, а также для уменьшения количества дефектов.

Кратко списаны использованные в работе методы исследования свойств полученных гетероструктур. Для исследования электронных транспортных свойств использовался метод Ван дер Пау: при температурах 300 К и 77 К определялись подвижность и концентрация электронов, а также удельное электрическое сопротивление. Для структурной характеризации гетероструктур применялись методы просвечивающей электронной микроскопии (РНЦ «Курчатовский институт») и рентгеновской дифрактометрии вблизи рефлекса (004) в геометрии 9/20 (НИЯУ МИФИ). Из данных измерений определены составы тройных соединений АЦЗа^Аз и ¡ПрОамАз, а также толщины слоев. Оптические измерения проводились методом низкотемпературной спектроскопии люминесценции (ИСВЧПЭ РАН) при 'Г = 77 К.

Описаны методики получения спектров фотолюминесценции (ФЛ) и снимков просвечивающей электронной микроскопии, приведены блок-схемы экспериментальных установок.

Третья глава посвящена расчетному моделированию зонного профиля и

электронных волновых функций в РНЕМТ гетероструктурах с однородной и

варизонной КЯ как для одностороннего, так и для двустороннего 5-легирования

кремнием. Для этого была решена самосогласованная система уравнений

Шредингера и Пуассона. Рассчитаны и проанализированы пространственный

профиль зоны проводимости и{2), уровни размерного квантования электронов

Е„ огибающие волновых функций электронов у,(г), концентрации электронов в

подзонах и, и распределение электронной плотности //(г) при различном профи-

9

ле состава InAs >'(") в слое In^Gai^As и способе легирования (одностороннее или двустороннее).

В базовой РНЕМТ гетероструктуре с односторонним легированием и однородным составом InyGai_yAs (у = 0,2, ширина 11 нм) при концентрации электронов ~ 1,5-1012 см"2 показано, что возникает асимметрия зонного профиля и кривизна дна КЯ составляет -0,085 эВ. Эффект связан с несимметричным расположением ионизированных доноров относительно КЯ. Профиль дна КЯ можно с хорошей точностью описать как суперпозицию линейной (5Е ~ 0,06 эВ на 11 нм) и параболической компонент. В односторонне-легированных структурах кривизна не столь велика, поэтому скомпенсировать данную асимметрию в первом (линейном) приближении можно путем добавления индия в точке высокого потенциала и снижая его содержание в точке с низким потенциалом. Для этого использовалась зависимость глубины дна зоны проводимости в КЯ от содержания InAs, используя взаимосвязь: АЕс = (0,2668+0,4119х+0,309х2) эВ. При этом для корректного сравнения со свойствами однородной КЯ необходимо сохранить средний состав InAs в КЯ.

На рис. 1 приведен пример расчета профилей зоны проводимости и волновых функций основного состояния в однородной и варизонной КЯ с односторонним легированием, в которой для компенсации выбран линейный профиль состава y(z)=0,15-г0,25.

\ 6'si j РНЕМТ-15 " / п = 1,5 1012см"2

/ El

Рис. 1. Зонный профиль и волновая функция основного состояния для однородной КЯ (пунктир) и варизонной КЯ с компенсацией линейного наклона КЯ (сплошная линия).

Варьирование таких параметров, как легирование и ширина КЯ показало, что в тех случаях, когда нижний уровень размерного квантования не пересекает дно КЯ, взаимное расположение уровней подзон практически не изменяется при линейной компенсации наклона. Это означает, что эффективная ширина КЯ остается неизменной. Однако в такой ситуации происходит смещение максимума волновой функции электронов в центр КЯ.

В широкой К Я при большой концентрации легирующей примеси изменяются уровни энергии подзон и их взаимное расположение. Таким образом, изменение профиля состава ведет к изменению эффективной ширины КЯ, а также к более сильному смещению волновых функций электронов.

Для КЯ с высокой концентрацией электронов в диапазоне пг ~ 2-КЗ,5-1012 см"2 принято использовать конструкцию гетероструктуры с двусторонним легированием. Зонный профиль КЯ в этом случае оказывается более симметричен, чем при одностороннем легировании. Однако в подобных структурах вследствие возросшей концентрации электронов в КЯ сильно увеличивается кривизна дна КЯ. При и, ~ 2-^3,5-1012 см"2 параболический барьер в центре КЯ достигает 20-^-30 мэВ относительно гетерограниц. На рис. 2, а показан профиль двусторонне-легированной РНЕМТ гетероструктуры с однородной КЯ. Как видно, в такой структуре существует как небольшая асимметрия профиля на границах КЯ, так и параболический барьер. Поднятие дна КЯ в центре вызывает снижение эффективной глубины КЯ, и уширение электронной волновой функции основного состояния. Скомпенсировать это явление можно, увеличив содержание 1пЛб в центре КЯ и уменьшив его вблизи гетерограниц. В качестве практически реализуемого приближения была применена кусочно-линейная аппроксимация из двух участков (шириной по 5,5 нм каждый). Исходя из того, что вариация ширины запрещенной зоны при увеличении содержания состава составляет ЛЕ/с1у ~6 мэВ/%, оптимальным для

компенсации изгиба и барьера оказывался профиль с содержанием у = 0,20 в начале КЯ, у = 0,25 в центре и у = 0,15 в конце КЯ, при сохранении среднего состава в КЯ_у = 0,2.

а

о 4.2

-М

РНЕМТ-25 а ; V 5-Э'[

Пт= 2,4 Ю':см"2

Г

АЮаАз АЮаАв"

г, нм

Рис. 2. Зонный профиль и волновая функция основного состояния (сплошная линия) для РНЕМТ гетеро-структуры с двусторонним Ъ-легированием: а - однородная КЯ; б - варизонной КЯ с компенсацией изгиба дна. На нижнем рисунке штриховой линией для сравнения показана волновая функция основного состояния 1//0 в однородной КЯ. Концентрация электронов в КЯ п!=2,4-Юисм~2.

2, НМ

На рис. 2, б приведен зонный профиль варизонной КЯ с компенсацией изгиба КЯ. Как видно, достигается более прямоугольный профиль КЯ, а волновая функция % смещается к центру КЯ. Также снижается энергия основного состояния ¿о относительно верхней границы КЯ, что означает увеличение эффективной глубины КЯ. Таким образом, использование варизонного профиля состава КЯ >'1лА!(г) позволяет устранить: в первом приближении - наклон, а во втором также и кривизну дна.

В четвертой главе представлены технологические аспекты создания РНЕМТ гетероструктур с однородным и с переменным профилем состава КЯ АЦгзОао^АБЛп^Оа^^Аз/СхаАя. Приведены результаты оптических, структурных и электронно-транспортных свойств образцов гетероструктур.

В первой части главы проведено исследование особенностей технологии

РНЕМТ гетероструктур с односторонним и двусторонним легированием с вари-

зонным каналом Тп^Оа^^Ай по конструкциям, рассчитанным в предыдущей

12

главе. Образцы первого типа имели одностороннее дельта-легирование кремнием, а второго типа — двустороннее. Структурные схемы слоев представлены на рис. 3, а и б, соответственно. При конструировании варизонной структуры изменение состава слоев достигается путем изменения соотношения парциальных давлений потоков компонент, для переменного состава КЯ выбрано изменение потока индия.

а)

8 нм 15км 5-Ю'2 4нм

11нм ЗОнм 7нм/1пм

0,14мкм 1нм/1нм 18нм

¡-ваА^

AI.tGai.jtAs

51 (Нл)

А^Оа^Аз (спейсср)

¡пд^Оаг.^Аз

Al.fGai.jAs

СР2

А1,Оа1-,А5/ОаЛ5

ОаАэ (буфер 2)

СР 1

Л[_.Оа1-хА5/ОаА5

ОаЛя (буфер 1)

(100) ОаЛ5 подложка

б)

8 НМ 15пм

4-Ю12 4нм

Ним 4нм

МО" ЗОнм 7нм/1нм

0,14мкм 1нм/1нм 18нм

¡-ОэАБ

А11Оа,_гЛз

й2 81 (Ил)

АиОа^Аэ (спейсер)

Тп^Оаь^Ая

А1хОп].,А5 (спейсср)

«1 81 (Ыд)

А1/}а[_1Ли

СР 2 А1гОаьгАз/ОаА5

ОаАя (буфер 2)

СР 1

А!1Оа1.,А5/СгаА5

ваАя (буфер 1)

(100) ваАБ подложка

Рис. 3. Схема Р-НЕМТ гетероструктуры с односторонним (а) и двусторонним (б) дельта легированием.

В данной работе перепад состава, требуемый для компенсации изгиба зон, в слое 1пОаА5 составлял до 13%, что эквивалентно gc - 1,2%1пА5/нм. Столь высокий градиент состава невозможно надежно реализовать по стандартной схеме МЛЭ, поскольку для характерной скорости роста 1'СаД5 ~ 13-Н4 нм/мин скорость изменения температуры источника 1п оказывалась слишком большой (~ 60 °С/мин). Поэтому было проведено масштабирование скорости роста и времени роста слоев при условии сохранения состава и толщины слоев структуры. Образцы были выращены при скорости роста 6 нм/мин (по ОзАб). Поскольку время роста КЯ толщиной 11 нм со скоростью роста 9,2 нм/мин по ОаАв составила всего 72 с, потоки 1п и Оа изменялись одновременно по линейному закону. Для этого были проведены тщательные градуировки зависимости давления потока от температуры источников Оа и 1п, написана программа регулирования температуры каждого источника во времени и опробована кинетика изменения потоков индия и галлия. Учитывался также эффект запаздывания молекулярных потоков по времени, вызванный инерцией источников.

Для каждого типа образцов была изготовлена опорная РНЕМТ структура с однородным составом КЯ. Основные изменяющиеся параметры выращенных структур - профиль состава КЯ и способ легирования - представлены в табл. 1. Толщина барьера АЮэАб между 5-81 и поверхностью для структур составила 15 нм, толщина канала 11 нм, толщины спенсеров 5 нм и общая концентрация доноров кремния для всех структур равнялась 5-1012 см"2. Состав квантовой ямы 1пд;)Оа1_^(,)Ак в исследуемых образцах представлен в табл. 1. Далее были выращены структуры с двусторонним дельта-легированием. Было выбрано три значения градиента состава, позволяющие скомпенсировать наклон дна КЯ по отношению к расчетному значению: частично, полностью и с избытком, при сохранении среднего состава у1пАз в КЯ. Для проверки точности воспроизведения слоев гетероструктуры при масштабировании скорости роста были выращены 2 образца с однородной КЯ при нормальной (13 нм/мин, № 47) и пониженной (6 нм/мин, № 183) скоростях.

Таблица 1. Параметры слоев выращенных гетероструктур.

№ Профиль состава КЯ 1п,(г)Оац<г)Аз

Состав в начале, % Состав в середине, % Состав в конце, %

15 РНЕМТ гетероструктуры

183 20 20 20

184 15 20 25

25 РНЕМТ гетероструктуры

74 20 20 20

75 20 25 15

89 20 22 15

90 20 28 15

Во второй части главы приведены результаты исследования образцов гетероструктур при помощи просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Характерное изображение активных слоев к образце № 75 в темном поле представлено на рис. 4.

1.5

3.6

- ±1,6

9,5

II" ±2/1

3,8

1,6

Рис.4. Темиопольное электронно-микроскопическое изображение поперечных срезов слоев РНЕМТ гешерострукшуры с оптимальным профилем состава (№ 75) варизонной КЯ. Толщины слоев приведены справа в нм.

15

В силу большой разницы в составах слоев наблюдается сильный Z-кoнтpacт. Отчетливо видны сформированные слои гетсроструктуры, размытие гетерограниц не превышает 2,1 нм. Слои, имеющие более высокое содержание тяжелых элементов, а это в рассматриваемых образцах - 1п, выглядят светлее. Точные измерения толщины были сделаны непосредственно по изображениям кристаллической решетки соответствующих слоев гетероструктур путем подсчета количества кристаллических плоскостей. Сравнительные результаты измерений толщин слоев для образца № 74 с однородной и варизон-ной КЯ № 75 представлены в табл. 2. Измеренные значения толщин слоев хорошо соглас)тотся с технологическими и отличаются от образца к образцу не более чем на 7 %. Дефектов и дислокаций на ПЭМ изображениях не наблюдалось, что свидетельствует о высоком структурном совершенстве изготовленных образцов, в т.ч. с высоким градиентом состава в канале 1пОаАз.

Таблица 2. Толщины слоев в образцах, определенные методом ПЭМ.

Наименование Технологические па- Толщина для образца № 74, Толщина для образца

слоя раметры, 10*' нм 10"' нм № 75, 10"' нм

ОаА* 80 75 ± 10 70 ± 10

АЮаА, 150

8-51 220 ±40 230 ±40

АЮаАя 40

1гЮаА5 110 П0±5 115 ±5

В третьей части главы проведено сравнение образцов методом двухкри-сталыюй рентгеновской дифрактометрии с высоким угловым разрешением, а также определение состава и толщины слоя Inj.Gai.vAs. Были измерены кривые дифракционного отражения (КДО) вблизи рефлекса (004) от образцов. Сравнение данных КДО образцов № 183 и № 47, приведенных на рис. 5, показало хорошее соответствие толщины и состава слоев структуры при снижении скоро-

сти роста, что подтверждает корректность проделанного масштабирования скорости МЛЭ роста.

СаАэ

10°

рнемт № 47 -рнемт № 1831

Рис. 5. Кривые дифракционного отражения (004) от образцов с обычной (№ 47) и пониженной (Лг° 183) скоростью роста.

62

64

66

68

26

Тонкая структура дифракционной кривой вблизи угла 26 ~ 64,4° отвечает отражению от слоя 1п;,Оа1.1А5. Хорошее соответствие кривых, а именно — совпадение угла дифракции в максимуме рассматриваемого пика и узлов слева и справа от пика означают совпадение состава слоя для образцов № 47 и № 183, а также толщины КЯ в данных образцах. Кроме того, наличие большого числа периодов толщинных осцилляций, отвечающих слою АЮаАБ, показывают высокое структурное совершенство и малое размытие гетерограниц в обоих образцах.

Данные КДО от варизонного образца № 75 и сравнение с опорным образцом № 74 с однородным составом ^гОа^Аз приведены на рис. 6. Видно, что структура дифракционных максимумов в области углов 20 = 62,7-^65,0°, соответствующая отражению от слоя ^Оа^уАэ, у данных образцов имеет небольшое отличие, однако, средний состав для обоих образцов совпадает. В структурах с неоднородным составом Inj.Gai.vAs изменение поперечного параметра решетки вдоль слоя псевдоморфно деформированного ГпОаАй не проявляется в качестве отдельной особенности на дифрактограмме, а возникает пик, соответ-

ствующий усредненному составу слоя, так как это наблюдается и для КДО образцов с короткопериодными сверхрешетками.

юЧ

1п Са, Аэ

у Н

СзАБ

рнемт № 75 рнемт № 74

Рис 6. Кривые дифракционного отражения (004) от образцов с однородным (N2 74) составом квантовой ямы и вари-зонной (№ 75) квантовой ямой.

62

64

29

66

68

Следует отметить, что в КДО образца с варизонной квантовой ямой сохраняются толщинные осцилляции, свидетельствующие о хорошей морфологии слоя и границ раздела. Результаты измерений толщин слоев хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при помощи ПЭМ.

В четвертой и пятой частях главы проводилось исследование параметров электронного транспорта в образцах. Измерения показали, что все варизонные образцы имеют достаточно высокие значения подвижности электронов, сравнимые с данными для опорных структур, имеющих однородную по составу КЯ. Результаты измерений для двух температур приведены в табл. 3.

В образце с односторонним легированием подвижность электронов в варизонной КЯ оказалась выше, чем в образце с однородной КЯ, причем это увеличение более заметно при низкой температуре ~ 77 К. Согласно моделированию зонного профиля для односторонне-легированных структур это может быть обусловлено как удалением волновой функции электронов от области ионизированной примеси и, как следствие, уменьшением рассеяния на ионах Б!, так и уменьшением рассеяния носителей на гетерограницах КЯ.

Для структур с односторонним 5-легированием, концентрация электронов практически не изменилась в варизонной КЯ (№ 184) по сравнению с однород-

ной КЯ (№ 183), что находится в хорошем соответствии с расчетными данными. Действительно, т.к. эффективная ширина КЯ не изменилась, и существенного сдвига энергии подзон при данных условиях не ожидается, концентрация электронов должна сохраниться.

Для структур с двусторонним 5-легированием варизонный профиль КЯ приводит к неоднозначному изменению концентрации электронов и их подвижности в зависимости от градиента состава. В образце № 75 с точной компенсацией изгиба дна КЯ достигается увеличение как концентрации, так и подвижности электронов. Это можно связать с тем, что при оптимальной компенсации кривизны дна КЯ возникает смещение максимума распределения двумерного электронного газа к центру КЯ, что эквивалентно небольшому увеличению расстояния до ионизированных доноров и приводит к снижению рассеяния электронов на удаленных донорах кремния в дельта-слоях. На это указывает большое увеличение подвижности электронов при низкой температуре в этом образце, поскольку при температуре кипения жидкого азота электрон-фононное рассеяние значительно снижено, и подвижность электронов ограничена именно рассеянием на удаленных донорах.

Таблица 3. Электрофизические параметры гетероструктур с односторонним и двусторонним легированием.

Образец 1пА$ центре КЯ, % •V»!. средняя по ЬЮаА.?, % Г=300К Г= 77 К

-1 10 см 2 (1, см /В с и -1 п^ 10 см 2 и, см /В с

15 № 183 25 20 1,53 6840 1,57 22890

15 № 184 25 20 1,48 (-3%) 7060 (■¡3%) 1,54 1 -1 г-' 26160 (+14?'„5

25 №74 20 20 1,76 5360 1,80 11600

28 № 75 25 20 1,91 5940 Н ■!!%) 2,00 • • 1 ?••..• 14510 (+25%;

25 № 89 22 19 1,95 •: п%1 5540 2,00 :+1!%! 11900

25 №90 28 21 1,70 4920 {-х'Н? 1,77 9930 (■14%)

В образце № 89 с недостаточной амплитудой варизонности увеличение электронной подвижности менее заметно. Однако в образце № 90 с избыточной ьаризонностыо наблюдался обратный эффект - заметное снижение подвижности электронов и некоторое снижение их концентрации. К тому же снижается отношение подвижностей электронов, измеренных при низкой и высокой температурах. Объяснение данного негативного эффекта выходит за рамки зонной трактовки и может быть связано с тем, что при столь резком перепаде состава в псездоморфно-напряженной КЯ (до 28% 1пЛя в центре) возникает избыточная деформация и частичная неупругая релаксация в центральной области слоя 1пОаАз с образованием дислокаций. Этот дополнительный механизм рассеяния электронов со слабой температурной зависимостью влечет за собой небольшое ухудшение подвижности электронов.

Таким образом, в структуре с оптимальным профилем состава [пАб в КЯ удалось получить увеличение как подвижности, так и концентрации электронов по сравнению с базовой гетероструктурой, имеющей однородный состав 1пОаАз в квантовой яме. При выборе градиента состава в псевдоморфном слое Ы^Оа^^АБ необходимо учитывать ограничения, накладываемые критической упругой деформацией, чтобы избегать ухудшения кристаллической структуры слоя.

В пятой части главы для экспериментального подтверждения изменения зонной структуры КЯ при изменении профиля состава использовалась спектроскопия ФЛ. В спектрах ФЛ для всех образцов присутствует полоса люминесценции в области энергий ЬсО] ~ 1,30 эВ, которая соответствует переходам из первой электронной подзоны в первую подзону тяжелых дырок е1-Ь1.

Из рис. 7 видно, что при увеличении состава 1пАб в центре КЯ 1пуОа]тАз происходит последовательное смещение положения пиков в более длинноволновую область спектра, что подтверждает изменение профиля дна КЯ при изменении профиля состава. Таким образом возникает возможность управлять энергией оптических переходов в приборах на основе гетероструктур с переменным профилем состава КЯ.

/, отн. ед.

СаАэ

1,2

1,3

1,4 Е, эВ

Рис. 7. Спектры фотолюминесценции образцов с двусторонним легированием при Г= 77 К,

Кроме того, в образце № 75 с прямоугольным дном КЯ наблюдается максимальная интенсивность оптических переходов е]-Ь1, что связано с максимальным перекрытием волновых функций электронов и дырок.

1. Разработана технология МЛЭ создания РНЕМТ гетероструктур с высоким градиентом состава в КЯ при пониженной скорости роста, позволяющая получить перепад состава до 1,2 %/нм.

2. При структурных измерениях методами рентгеновской дифрактометрии и ПЭМ показано высокое структурное совершенство и точность изготовления гетероструктур по толщине и составу. Отклонение параметров от технологически заложенных составляет не более 3%.

3. Путем расчетного моделирования определен оптимальный профиль состава варизонных КЯ, обеспечивающийпрямоугольный профиль дна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

КЯ, при котором достигается максимальная глубина квантовой ямы с сохранением ее ширины.

4. С использованием расчетного моделирования зонного профиля РНЕМТ гетероструктур с односторонним и двусторонним 5-легированием определен оптимальный профиль состава 1пЛй в КЯ: 15%+25% и 20°/<н-25°/сн-15% для 18-РНЕМТ и 25-РНЕМТ, соответственно.

5. Обнаружено, что в 15-РНЕМТ гетероструктурах изменение профиля дна КЯ приводит к возрастанию подвижности электронов при сохранении их концентрации.

6. Установлено, что увеличение содержания 1п в центральной части КЯ 25-РНЕМТ гетероструктур приводит к увеличению подвижности и концентрации носителей заряда за счет увеличения эффективной глубины КЯ и межподзонного энергетического зазора. Кроме того, электронная волновая функция основного состояния становится более локализованной в центральной области КЯ, и рассеяние на ионизированных примесях и шероховатостях гетерограниц снижается. Избыточное содержание ГпАб в КЯ приводит к снижению подвижности носителей заряда за счет частичной неупругой релаксации материала КЯ с возникновением дислокаций несоответствия.

7. Установлено, что оптимизация профиля дна КЯ в двусторонне-легированных РНЕМТ гетероструктурах приводит к увеличению эффективной глубины КЯ и, как следствие, концентрации электронов. В РНЕМТ гетероструктурах с односторонним 8-легированием эффективная глубина КЯ не меняется при изменении профиля состава, поэтому данный эффект не наблюдается.

8. Показано, что в РНЕМТ гетероструктурах с варизонной КЯ наблюдается смещение положения переходов в КЯ, обусловленное управляемым изменением профиля дна КЯ электронов и дырок. Таким образом, возни-

кает возможность управлять энергией оптических переходов в приборах на основе варизонных гетероструктур.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. М.Н. Стриханов, Н.И. Каргин, В.П. Гладков, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, М.М. Грехов. Технология и электронные свойства P-HEMT AIGaAs/In^Gai-x-jAs/GaAs квантовых ям с переменным профилем состава. - Физика и техника полупроводников, 2014, т. 48, вып. 9, с. 1258-1264.

2. М.Н. Стриханов, Н.И. Каргин, В.П. Гладков, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, М.М. Грехов. Влияние профиля состава квантовой ямы на электрофизические свойства Р-НЕМТ гетероструктур с двусторонним дельта-легированием. - Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013, т. 2, вып. 3, с. 261-266.

3. М.Н. Стриханов, Н.И. Каргин, Д.М. Жигунов, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, И.С. Еремин, Ю.Д. Сибирмовский. Особенности формирования ансамблей квантовых колец GaAs/AlGaAs и InGaAs/AIGaAs методом капельной эпитаксии. - Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013, т. 2, вып. 3, с. 267-272.

4. Ю.Д. Сибирмовский, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, И.С. Еремин, Н.И. Каргин, О.С. Колснцова, М.Н. Стриханов. Особенности диффузионных процессов при капельной эпитаксии квантовых колец. — Краткие сообщения по физике ФИАН, 2014, т. 41, вып. 9, с. 3-8.

5. А.Н. Виниченко, В.П. Гладков, Н.И. Каргин, М.Н. Стриханов, И.С. Васильевский. Увеличение подвижности электронов в НЕМТ гете-роструктурах с составным спейсером, содержащим нанослои AlAs. — Физика и техника полупроводников, 2014, т. 48, вып. 12, с. 1660-1665.

6. М.Н. Стриханов, H.И. Каргин, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, М.М. Грехов. Технология РНЕМТ гстероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs с варизонными квантовыми ямами. - В: сб.: Тезисы 2-ой Научно-практической конференции по физике и технологии наногстерострук-турной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения», Москва, НИЯУ МИФИ, 2012, с. 22-23.

7. М.Н. Стриханов, Н.И. Каргин, В.П. Гладков, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, М.М. Грехов, Д.В. Лаврухин. Влияние профиля состава квантовой ямы на оптические и электрофизические свойства Р-НЕМТ гстероструктур. - В. сб.: Аннотации докладов Научной сессии НИЯУ МИФИ- 2013, Москва, НИЯУ МИФИ, 2013, т. 2, с. 185.

8. М.Н. Стриханов, Н.И. Каргин, В.П. Гладков, Д.В. Лаврухин, И.С. Васильевский, А.Н. Виниченко, М.М. Грехов. Электрофизические и оптические свойства двусторонне-легированных гетероструктур с переменным профилем состава квантовой ямы AlGaAs/Irij^Gau^-jAs/GaAs. — В. сб.: Тезисы 5-ой Научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения», Москва, НИЯУ МИФИ, 2014, с. 17-18.

Подписано в печать:

12.01.2015

Заказ № 10466 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru