Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах InGaAs/InAlAs на подложках GaAs и InP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

9 15-1/153

На правах рукописи

Клочков Алексей Николаевич

Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах 1пСаА8ЛпА1А8 на подложках СаАв и 1пР

01.04.10 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва-2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)

Научный руководитель: Галисв Галиб Барисвич

Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией ИСВЧПЭ РАН

Официальные оппоненты: Капаев Владимир Васильевич

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Отделения физики твердого тела Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Кытин Владимир Геннадьевич

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики низких температур и сверхпроводимости Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники»

Защита диссертации состоится 9 октября 2015 года в 10-00 на заседании Диссертационного совета Д 002.231.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и на сайте ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН http://www.cplire.ru/rus/dissertations.htrnl

Автореферат разослан « /У» _ 2015 года

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук, доцент Кузнецова Ирен Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Модулированно-легированные гетероструктуры (МЛГ) с квантовой ямой (КЯ) 1пОаА5/1пА1А5 широко применяются в микроэлектронике в качестве базового материала для создания сверхвысокочастотных полевых транзисторов (50 - 1000 ГТц). Их использование обусловлено высокими достижимыми концентрацией и подвижностью электронов за счет пространственного разделения двумерного электронного газа (ДЭГ), локализованного в КЯ 1пСаА5/1пА!Аз, и ионов легирующей примеси.

Благодаря прогрессу технологии эпитаксиального роста стремительно появляются новые типы полупроводниковых гетероструктур и проводятся модификации существующих конструкций. Так, широко исследуется возможность увеличения транспортных свойств ДЭГ путем зонной инженерии электронных состояний в составных КЯ (СКЯ) с использованием тонких функциональных слоев-вставок, например, 1пАб или ОаАв. Такие слои создают потенциальные ямы или потенциальные барьеры для движения носителей заряда в СКЯ и могут быть использованы для управления областью их локализации, конструирования энергетического спектра и изменения эффективной массы. Например, за счет локализации ДЭГ внутри нанометровых слоев 1пАв в КЯ 1по5зОао47А8/1по52А1о<вА8 добиваются повышения подвижности и дрейфовой скорости электронов. Несмотря на разнообразие работ по оптимизации электронного транспорта в СКЯ 1пА1Аз/[пОаАз, данные о модификации спектра электронных и дырочных состояний в СКЯ при введении дополнительных напряженных слоев довольно скудны. Практически отсутствуют исследования энергетического спектра и оптических свойств МЛГ с КЯ 1пОаАз/1пА1А5, содержащих тонкие слои 1пАб и ОаАв, а также влияния упругих напряжений в этих слоях на состояния электронов и дырок.

Механические деформации ограничивают возможный диапазон состава КЯ [п^а^Ав в псевдоморфных МЛГ: х ~ 0 - 0.25 для структур на подложках ваАв, и х = 0.53 - 0.75 для структур на 1пР. Необходимость преодоления этого ограничения привела к разработке метаморфных гетероструктур 1пОаАз/1пА1Аз на подложках ваЛв. В таких структурах между подложкой и КЯ выращивается толстый буферный

3

слой )пА)Аз с постепенно изменяющимся составом. Метаморфный буфер (МБ) обеспечивает согласование параметров решетки подложки и активной области и позволяет получать ненапряженную КЯ In.rGai.jAs с произвольным наперед заданным составом. Наиболее интересными являются два диапазона составов х. При х ~ 0.35-0.4 на гетерогранице 1п10а|.,Аз/1пхА1|.,Аз разрыв зоны проводимости максимален (0.7 эВ), что позволяет повысить плотность ДЭГ в КЯ. Исследование гетероструктур с содержанием индия х > 0.7 обусловлено стремлением повышения электронной подвижности и дрейфовой скорости. Оптические свойства метаморфных структур 1пОаАз/1пА1Аз исследованы недостаточно подробно, в частности, не определено влияние профиля химического состава в МБ на форму спектров фотолюминесценции (ФЛ).

Вместе с расширением класса полупроводниковых гетероструктур возникают задачи по изучению их физических свойств во взаимосвязи с технологическими условиями получения. Транспортные свойства ДЭГ в КЯ определяются формой волновых функций (ВФ) и заполнением электронных состояний. Поэтому исследование электронного спектра МЛГ как путем расчета зонной структуры, так и измерения оптических спектров, является актуальной задачей. Анализ спектров ФЛ позволяет получить сведения о фундаментальных свойствах материалов - зонной структуре, энергиях электронных состояний и их заполнении. Также метод ФЛ может использоваться в технологии гетероструктур для контроля состава и толщин слоев. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача исследования спектров ФЛ новых типов МЛГ 1пОаА8/1пА1Аз на подложках ваАв и 1пР одновременно с контролем их структурных и электрофизических параметров.

Целью работы является установление влияния на электронный спектр и фотолюминесцентные свойства МЛГ ^Оа^АаЛПуА^Аз на подложках ваАв и 1пР вариации геометрии и состава слоев, в том числе влияния введения в КЯ нанометровых слоев 1пАз и ваАв и изменения профиля химического состава в МБ. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: Проведение расчета спектра электронов и дырок, энергий межзонных оптических переходов, зонной структуры, распределения электронной плотности в

4

МЛГ 1гЮаА8/1пА1А8 в зависимости от толщины и состава слоев КЯ, легирования, а также при введении в КЯ слоев 1пАв и ОаАв;

Выращивание и исследование электронных свойств МЛГ lno.53Gao.47As/Ino.52А 1о.48Аз на подложках 1пР, содержащих в КЯ центральную вставку 1пАв различной толщины;

Выращивание и исследование электронных свойств МЛГ Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo4eAs на подложках 1пР, содержащих в КЯ парные вставки 1пАз и/или ОаАв;

Выращивание и исследование спектров ФЛ метаморфных МЛГ I п а] А пх А11 А б (х = 0.38 и х = 0.7) с различным профилем химического состава в МБ.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

экспериментально и теоретически установлено влияние введения в КЯ lno.5jGao.47As/Ino.52Alo.48As слоев-вставок 1пАз и йаАв на положение и форму спектров ФЛ;

обнаружен монотонный сдвиг максимума ФЛ от КЯ Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.4eAs при увеличении толщины центральной вставки 1пАв;

теоретически предсказано инверсное расположение подзон легких и тяжелых дырок в МЛГ 1п0 5зОа0 47А5/1п0 52А1о4вА5, содержащих вставки ОаАв;

экспериментально обнаружено и объяснено сильное увеличение интенсивности и смещение в сторону меньших энергий полосы ФЛ от гетерограницы 1п0л2А104вАз/1пР при увеличении длительности и температуры отжига подложки 1пР в потоке молекул Ав4;

обнаружена линейная зависимость полуширины пика ФЛ КЯ 1по70аозАз/1по7А1о3Аз от слоевой концентрации электронов;

экспериментально установлено влияние профиля химического состава в МБ (ступенчатого, линейного, содержащего сверхрешетки и инверсные ступени) на форму спектров ФЛ МЛГ 1пОаАз/1пА1Аз на подложках ваАз.

Научная и практическая значимость. Полученные результаты расширяют

знания об электронном спектре и оптических свойствах МЛГ с КЯ 1пСаАз/1пА1А5 и

5

зависимость этих свойств от конструкции и технологических условий получения. Данные гетероструктуры широко применяются в качестве базового материала для быстродействующих полевых транзисторов. Представленные в работе результаты важны для решения технологических задач по разработке новых, а также оптимизации и улучшению существующих приборов на основе структур 1пОаА5/1пА1Аз.

Проведен систематический расчет зависимости электронного спектра и энергий межзонных оптических переходов в МЛГ 1пОаАз/1пА1А8 от вариации геометрии и состава слоев гетероструктуры, а также способа легирования. Построены номограммы зависимости энергий межзонных переходов от концентрации ДЭГ я.у в КЯ ГпозэОао^АвЛпозгА^вАв различной толщины.

Предложен способ управления спектром и областью локализации дырок в наногетероструктурах с КЯ [пояСао^АзЛпо^гА^^вАэ при помощи слоев-вставок СаАв и ¡пАв. Он может быть использован при разработке активной области гетероструктур для светодиодов, лазерных диодов, фотодетекторов, квантово-каскадных лазеров, резонансно-теннельных приборов на основе КЯ 1пОаА8/1пА1А5.

Результаты работы были использованы при выполнении прикладных научных исследований "Разработка наногетероструктур на подложках фосфида индия для приборов СВЧ наноэлектроники (диапазон 100 - 300 ГГц)" (соглашение с Минобрнауки России №14.604.21.0003 от 17 июня 2014 г.), а также научно-исследовательской работы "Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур 1пА1Аз/1пОаАз/ОаАз для диапазона частот 60-80 ГГц" (государственный контракт с Минобрнауки России №16.513.11.3113 от 12 октября 2011 г.).

Положения, выносимые на защиту.

1. В случае отсутствия параллельной проводимости по легирующему слою энергии межзонных оптических переходов в односторонне-легированных КЯ 1п10а|_хА5/1^А1|_>,А5 (х = 0.53 - 0.7, у = 0.4 - 0.52) полностью определяются плотностью ДЭГ п.ч, толщиной КЯ и содержанием индия в КЯ.

2. Положение пика ФЛ от КЯ 1па 5зОао47А$/1по 52А1о48Аз, содержащей в центре вставку [пАв, смещается в сторону меньших энергий при увеличении толщины слоя 1пАз в диапазоне от 1.7 до 3.0 нм. Интенсивность соответствующего оптического перехода и подвижность электронов в КЯ немонотонно зависят от ¿1пА5 и максимальны при ¿|пА, = 2.1 нм.

3. Изменение оптических свойств (формы, количества и положения пиков в спектрах ФЛ) КЯ 1по5зСао47Аз/1по52А1о48А8 при введении слоев СаАв и 1пАб обусловлено влиянием вставок 1пАэ и ОаАэ на энергию и пространственную конфигурацию ВФ легких и тяжелых дырок.

4. Интенсивность полосы ФЛ от гетерограницы 1по 52А1о4аАз/1пР возрастает, а положение смещается в сторону меньших энергий при увеличении длительности и температуры предростового отжига подложки 1пР в потоке молекул Аэ^.

5. В спектрах ФЛ метаморфных МЛГ 1пОаА8/1пА1Аз обнаружены две полосы, связанные с рекомбинацией носителей заряда в КЯ и в МБ. Полуширина пика ФЛ от КЯ 1п0 7Сао 3Аз/1по 7А1о зАэ линейно зависит от слоевой концентрации ДЭГ. Форма и положение полосы от МБ определяются профилем химического состава в нем.

Личный вклад соискателя. Соискатель выполнил теоретические расчеты электронного спектра гетероструктур, провел анализ и интерпретацию спектров фотолюминесценции исследованных гетероструктур. Он также принимал участие при планировании и проведении экспериментальных работ по эпитаксиальному росту гетероструктур в лаборатории исследования процессов формирования низкоразмерных электронных систем в наногетероструктурах соединений А3В5 ИСВЧПЭ РАН (зав. лаб. д.ф.-м.н. Г.Б. Галиев), измерению концентрации и подвижности электронов, измерению спектров ФЛ. Электронно-микроскопические исследования гетероструктур были проведены в НИЦ «Курчатовский институт» Васильевым А.Л.

Достоверность результатов работы обусловлена тем, что исследуемые гетероструктуры были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в известной лаборатории, в которой выращиваются МЛГ с электрофизическими параметрами, соответствующими мировому уровню. Для характеризации структур использовались общепризнанные прецизионные методы исследования - измерения

7

эффекта Холла и электропроводности, спектроскопия ФЛ, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Достоверность выводов следует из согласия экспериментальных результатов с теоретическими расчетами электронного спектра и с современными знаниями.

Апробация результатов. Результаты работы были представлены на следующих международных и российских конференциях: 21-st, 22-nd, 23-rd International symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, 2013, 2014); XI Российская конференция по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2013); XIX международный симпозиум "Нанофизика и наноэлекгроника" (Нижний Новгород, 2015); 3-я, 5-я и 6-я научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ электроники «Мокеровские чтения» (Москва, НИЯУ МИФИ, 2013, 2014, 2015); Научная сессия НИЯУ МИФИ (Москва, 2010); XVII международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 7 статей - в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 статья - в зарубежном рецензируемом журнале, реферируемом в базах данных Scopus и Web of Science, 5 работ - в сборниках трудов всероссийских и международных конференций. Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил приблизительно 70 мп. стр.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 153 страницах и состоит из введения, обзора литературы (глава 1), описания методов исследования (глава 2), глав теоретических и экспериментальных исследований (главы 3-5), заключения и списка литературы, включающего 244 публикации. Работа иллюстрирована 22 таблицами и 61 рисунком.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность исследования электронного спектра и оптических свойств МЛГ InKGa|.KAs/InxAl|.xAs (дг = 0.4 - 0.7) на подложках GaAs и InP, сформулированы цель и решаемые задачи, описаны научная новизна и практическая значимость работы, а также положения, выносимые на защиту.

8

В Главе 1 приведен обзор научной литературы в области электронных свойств МЛГ 1пА1Аз/1пОаА5/1пА1Аз. В разделе 1.1 представлены данные об электронном энергетическом спектре в КЯ, структуре двумерных подзон размерного квантования и их заполнении при модулированном легировании. В разделе 1.2 рассмотрены особенности строения (состава и толщин слоев) псевдоморфных, изоморфных и метаморфных МЛГ 1п1Са|.гА5ЛпхА1|.,А5 (х = 0.4 - 0.7) на подложках йаАв и 1пР, а также технологические ограничения, накладываемые на конструкцию гетероструктур механическими деформациями слоев. В разделе 1.3 рассмотрены основные физические процессы, происходящие в полупроводниках при ФЛ. Приведен обзор особенностей спектров ФЛ МЛГ 1пОаАз/1пА1А8, таких как снятие правил отбора по четности на межзонные оптические переходы из-за асимметричности потенциала КЯ в легированных структурах и уширение спектров ФЛ от КЯ, обусловленное вырождением электронного газа.

В Главе 2 приведено описание экспериментальных и теоретических методов исследования, применяемых в работе. Экспериментальные образцы изготавливались методом МЛЭ на установке ЦНА-24 (НИТИ, г. Рязань) с использованием твердотельных источников. В разделе 2.1 описаны физические принципы МЛЭ, приведен обзор работ по технологическим режимам и операциям, используемым при МЛЭ твердых растворов 1пОаАз, 1пА1Аз и гетероструктур на их основе, рассмотрена схема установки "ЦНА-24", описаны применявшиеся способы расчета параметров роста (соотношения парциальных давлений молекулярных пучков) и калибровки скоростей роста соединений ваЛв, А1 Ав, 1пАб и степени легирования 81.

В разделах 2.2 - 2.4 описаны использовавшиеся экспериментальные методы

исследования свойств гетероструктур. Подвижность д, и концентрация

электронов в КЯ гетероструктур определялись путем измерений удельного

сопротивления и коэффициента Холла при температурах 77 и 300 К. Оптические

свойства образцов были исследованы методом стационарной фотолюминесценции

при температурах 77 - 300 К в диапазоне энергий фотонов 0.6-1.9 эВ. Структурное

совершенство СКЯ ¡ПолОао^АзЛпозгА^вАз, содержащих слои 1пАв и ОаАэ, было

исследовано методом ПЭМ в режиме высокоуглового рассеяния, позволяющем

9

получать изображения с контрастом, зависящим от атомного номера г элементов в кристаллической решетке.

Раздел 2.5 посвящен описанию применяемого метода моделирования зонной структуры МЛГ. Для расчета квантовых состояний электронов, тяжелых и легких дырок решалась самосогласованная система уравнений Шредингера - Пуассона со следующими приближениями: огибающей волновой функции, эффективной массы и независимых энергетических зон. Использовались вычислительные средства компьютерной программы №хтапо3. Во второй части раздела 2.5 приведены параметры зонной структуры твердых растворов ¡пОаАв и 1пА1Аз, используемые при расчетах, рассмотрено влияние упругих механических напряжений на зонную структуру полупроводников и, в частности, на положение зон в гетероструктурах 1пА8/1пОаА5 и ОаАзЛпОаАз на подложках 1пР.

Глава 3 посвящена моделированию зонной структуры КЯ I п ^-Оа | -х А п V, А11А б (х = 0.53 - 0.7, у = 0.4 - 0.52) с ДЭГ. Были рассчитаны энергии и волновые функции электронов и дырок, слоевая концентрация электронов и пространственное распределение электронной плотности, энергии межзонных оптических переходов и интегралы перекрытия ВФ при вариации конструкции односторонне-легированных гетероструктур 1плОа|.гАз/1п>,А11.1Аз: концентрации ионизированных доноров Ып и профиля легирования, толщины Ькя и состава х КЯ ^Оа^Ав, толщины спейсера, толщины барьера, состава барьера - с целью определения влияния этих параметров на электронный спектр.

Обнаружено, что основными параметрами, определяющими энергии межзонных переходов в КЯ, являются толщина КЯ и содержание 1п х в КЯ 1п,Са|.хА$, а также концентрация ДЭГ пх. Толщина ¿кя КЯ влияет на энергию состояний носителей заряда за счет размерного эффекта. Зависимость энергий межзонных переходов от х соответствует изменению ширины запрещенной зоны материала КЯ. При увеличении плотности ионизированных доноров /Ув линейным образом изменяется слоевая концентрация электронов в КЯ. Одновременно возрастает электрическое поле доноров и наклон энергетических зон в КЯ, приводящий к локализации электронов и дырок у противоположных границ КЯ

10

(рисунок 1 а). Происходит сближение уровней энергии электронов и дырок и, соответственно, уменьшение энергии межзонной рекомбинации (рисунок 1 б). Данный эффект напоминает квантоворазмерный эффект Штарка в прямоугольных КЯ при прикладывании поперечного электрического поля. Отличие от классического эффекта Штарка состоит в наличии ДЭГ, экранирующего поле доноров и приводящего к линейной зависимости положения линии ФЛ от напряженности поля ^ доноров, в отличие от нелегированных КЯ (квадратичный вид АЕФЛ ~ Наклон зависимости энергий оптических переходов от является функцией толщины КЯ.

Рисунок 1. а) профиль краев зон Ее и Еу, положение уровней электроноа el и тяжелых дырок hhl в КЯ Ino.s3Gao.47As/Ino hAIojsAs для различных N¡} = 1 ■ 10п см'' (1), 3 ■ 10'2 см'2 (2), 5 ■ 10й см'2 (3); б) зависимость энергии основного межзонного перехода el-hhl от ns в КЯ /п0¡¡Gau j7As/ln0¡¡AIo jkAs различной толщины

Путем моделирования было показано, что для широкого диапазона изменения параметров спейсера, барьера, профиля легирования в КЯ InjGai.jAs/IfyAli-^As одинаковой толщины и состава х, с одинаковой плотностью совпадают энергии состояний носителей заряда. Это объясняется высокой величиной разрыва зоны проводимости на гетерогранице InGaAs/InAlAs и тем, что все различия потенциала, связанные с перечисленными вариациями конструкции, находятся в областях вне

К Я [п^а^АБ, где ВФ электронов и дырок экспоненциально затухают. Универсальный характер зависимости энергий оптических переходов от плотности электронов при фиксированных толщине и составе КЯ позволяет построить соответствующую номограмму (рисунок 1 б) и использовать ее для анализа оптических свойств широкого класса модулированно-легированных гетероструктур с различной конструкцией. Описанная универсальность нарушается при высоких плотностях легирования, когда происходит образование параллельной проводимости ДЭГ по слою примесей (при 3.5 • 1012 см"2).

В Главе 4 представлены результаты экспериментального и теоретического исследования влияния тонких слоев-вставок 1пАв и ОаАв в КЯ на электронный спектр и структурные свойства МДГ Ina.s3Gao.47As/Ino.s2Alo.41As. В разделе 4.1 описано исследование серии гетероструктур с КЯ 1п05зОао.47Аз/1по52А1о4вА5 толщиной 16 нм, содержащей центральную вставку 1пАв в центре КЯ толщиной ¿(пА5 1.7, 2.1 или 3 нм. Гетероструктуры были выращены при температуре Т(; = 500 °С, для некоторых образцов Тг, понижалась до 470 °С при выращивании КЯ. Слоевая концентрация электронов пх в образцах составляла (3.5-3.8) ■ 1012 см'2. Наибольшая подвижность^,, наблюдалась в образцах с толщиной вставки 1пАв ¿|„Д5 = 2.1 нм.

Исследования методом ПЭМ показали высокое структурное совершенство эпитаксиальных слоев и отсутствие протяженных структурных дефектов в КЯ. Измеренные ПЭМ толщины слоев находятся в хорошем согласии с технологически заданными, за исключением толщин вставок ТпАв, которые оказались больше заданных приблизительно на 1 нм. Данное отличие объясняется поверхностной сегрегацией атомов индия во время эпитаксиального роста, приводящего к уширению толщин вставок [пАв, которому способствовала высокая для таких структур температура роста.

В спектрах ФЛ образцов с одиночной вставкой 1пАб в диапазоне 0.6-1.9 эВ наблюдаются четыре полосы, соответствующие рекомбинации носителей заряда в определенных областях структур: КЯ 1пА1А5/1пОаА8/1пА1А8 (диапазон 0.6 - 0.8 эВ), гетерограница подложка 1пР - буфер 1пА1А8 (1.24 - 1.38 эВ), подложка 1пР (1.381.48 эВ), буферный слой 1пА1Аз (1.48 - 1.60 эВ).

12

Наблюдаемые пики люминесценции в диапазоне 0.6 - 0.8 эВ соответствуют рекомбинации ДЭГ и фотогенерированных дырок, захваченных в КЯ (рисунок 2 а). Они обладают полушириной Д ~ 70-80 мэВ, что объясняется заполнением двумерных состояний КЯ вырожденным ДЭГ. В сторону меньших энергий от пиков ФЛ наблюдается плечо, выходящее за границы чувствительности фотоприемника. Подобная несимметричность формы спектров ФЛ ДЭГ связана с заполнением электронами в КЯ двух подзон размерного квантования. Энергетическое положение максимума пиков ФЛ от КЯ для всех образцов различаются: при увеличении толщины вставки InAs наблюдается сдвиг пиков в сторону меньших энергий (с 0.7 эВ до 0.65 эВ).

Рисунок 2. а) нормированные спектры ФЛ от КЯ 1пА1А5/1пОаА.$ с нановставками /пАя различной толщины; б) профили зон Ес и квадраты ВФ уровни размерного квантования Е, в гетероструктурах ¡Пщ^Сащ7А¡/¡п0 5]А1о 4нАбез 1пАз и со вставкой /пАя толщиной 3 нм

Моделирование зонной структуры показало, что при введении вставки 1пАз в центре КЯ формируется дополнительная потенциальная яма для электронов и тяжелых дырок (рисунок 2 б). В слое 1пАз у ВФ электронов в подзонах и образуется локальный максимум. Из-за большой эффективной массы тяжелые дырки практически полностью локализуются в потенциальной яме слоя 1пАв, и положение края дырочной подзоны оказывается по энергии выше края валентной

0,65 0,70 0,75

Е, эВ

10 20 30 40 20 30 40 Z, НМ

зоны In0 5jGao 47AS. В зависимости от IInAs изменяется энергия размерного квантования уровня hhl тяжелых дырок и происходит смещение линий ФЛ.

В разделе 4.2 представлены результаты исследования серии гетероструктур [n053Gao47As/Ino52Alo4eAs с КЯ толщиной 16 нм, содержащей парные вставки InAs в слое Ino.53Gao.47As (образец №3), вставки GaAs на границах слоя Ino sjGao^As (№4), одновременно InAs и GaAs (№5). Образец №2 не содержал вставок. Образцы выращивались при температуре Та = 500 °С, для выращивания КЯ Та снижалась до 430 °С. Концентрация электронов ns в образцах составляла (1.1-1.4)- 10|2см'2, введение парных вставок GaAs и InAs для используемых конструкции КЯ и технологических режимов роста привело к уменьшению подвижности электронов, по сравнению с обр. №2.

Исследование структуры образцов 2-5 методом ПЭМ подтвердило хорошее согласие технологически заданных и измеренных толщин слоев КЯ. Уменьшению величины размытия вставок InAs и GaAs, по сравнению с серией образцов с одиночной вставкой InAs, способствовало снижение температуры роста КЯ до 430 °С. На рисунке 3 а приведено ПЭМ изображение области КЯ образца №5, на котором отчетливо проявляется светлый контраст в области вставок InAs и темный контраст в области слоев GaAs. Дислокации и другие протяженные дефекты на снимках ПЭМ обнаружены не были.

На спектрах ФЛ образцов № 2-5 проявляются полосы излучения от КЯ (0.6 -0.9 эВ) и гетерограницы буфер InAIAs - подложка 1пР (0.9 - 1.2 эВ), а также от подложки InP и буфера InAIAs. Вследствие перекрытия полос ФЛ от КЯ и гетерограницы InAlAs/InP для некоторых образцов (рисунок 3 б), была произведена точная идентификация происхождения этих линий при помощи послойного травления гетероструктур. Зависимость интенсивности полос ФЛ КЯ и гетерограницы от мощности возбуждения является линейной.

а)

Коингооия яма Гетерограпица

1пА1А]/1пР

2

3

4

5

О 100 0,6 I, отн. ед.

..^г-"ЧКУРЯ&ГГТ. .........

0.7 0.8 0,9 1.0 и 1.2 Ьсо, эВ

Рисунок 3. а) ПЭМ изображение области КЯ образца №5 с парными вставками 1пЛ.ч и йаА.ч и интегральный профиль сигнала ПЭМ; б) Спектры ФЛ гетероструктур 1щ ¡зСа0 цА1о.4вАз с парными вставками 1пАэ и/или С а Ах

Спектры ФЛ от КЯ для образцов № 2-5 различаются интенсивностью, формой, и энергетическим положением, что обусловлено конструкционными особенностями СКЯ. Основная полоса в спектрах ФЛ от СКЯ образцов № 3 и № 5, содержащих парные вставки (пАв, сдвигается приблизительно на 100 мэВ в сторону меньших энергий по сравнению с образцами № 2 и № 4, соответственно. В образцах № 4 и 5, содержащих нанослои ваЛв, пик ФЛ от СКЯ также сдвигается в сторону меньших энергий по сравнению с образцами № 2 и №3, соответственно.

Моделирование зонной структуры показало, что на спектр электронов и дырок в СКЯ существенное влияние оказывают механические деформации слоев 1пАб и СаАя. Под действием упругих напряжений в ваЛв и 1пАз происходит изменение ширины запрещенной зоны и расщепление потолка валентной зоны, в результате чего потенциальный профиль для тяжелых и легких дырок в СКЯ различается (рисунок 4).

0,5

0,5

Ег

гх

0,0

40 45 50 55 60

г, нм

............*......

45 50 55 60 X, НМ

V.

№1

40

Рисунок 4. Зонные диаграммы составных КЯ 1пСаА.<,/1пА1А^\ содержащих парные вставки 1пАх (а) и СаАя (б)

Вставки [пАв в слое Ino.53Gao.47As создают потенциальные ямы для электронов и тяжелых дырок и практически не влияют на легкие дырки. Введение слоев ¡пАв в СКЯ приводит к увеличению амплитуды ВФ электронов и локализации тяжелых дырок в области вставок. При этом происходит снижение энергий межзонных переходов и усиление перекрытия электронной и дырочной ВФ. Слои ОаАв в [пс^зйао^Аэ являются барьерами для электронов и тяжелых дырок и создают яму для легких дырок. За счет этой потенциальной ямы при достаточной толщине слоев ОаАв (более 1.1 нм) в КЯ 1п0.5зОао47А8/1по52А1о48А8 со вставками ОаАв основной (самой высокой по энергии) является подзона легких дырок, т.е. происходит инверсия положения подзон тяжелых и легких дырок. За счет изменения толщины и положения вставок 1пАз и йаАв в КЯ 1п05зОао47А8/1по52А1о48А8 предложен способ раздельного управления энергиями и ВФ подзон тяжелых и легких дырок.

Имк'нсяниостк

Рисунок 5. ПЭМ изображения и интегральные профили интенсивности сигнала от области гетерограницы 1пР/1пА1Аз

Обнаружено, что положение и форма полосы ФЛ от гетерограницы 1пА1Аз/1пР зависит от условий предростовой подготовки подложки. При увеличении максимальной температуры и длительности отжига подложки от 9 мин при 525 °С (для серии образцов с одиночной вставкой 1пАз) до 15 мин при 530 °С (для образцов №2-5) эта полоса ФЛ смещается в сторону меньших энергий и происходит увеличение ее интенсивности и ширины. Это объясняется формированием потенциальной ямы для электронов и дырок на гетерогранице внутри переходного слоя 1пА1АвР со сложным профилем состава (рисунок 5). Слой образовался в результате замещения атомов Р в подложке 1пР атомами Аб при высокотемпературном отжиге в потоке мышьяка.

В Главе 5 представлены результаты исследования спектров ФЛ метаморфных гетероструктур I плСа | А э/1 п, А11 _х А з на подложках ОаАз. Образцы гетероструктур с содержанием индия в активной области х = 0.7 (раздел 5.1) различались профилем состава в МБ. Несмотря на то, что состав и толщина КЯ (17 нм), а также концентрация легирования в гетероструктурах были одинаковыми, концентрация и подвижность ДЭГ существенно различались: изменялась в интервале (1.32.1) • 1012 см'2.

В спектрах ФЛ образцов с КЯ Ino.7Gao.3As/Ino 7Л10 3Аз наблюдаются две полосы излучения, соответствующие рекомбинации электронов и дырок в КЯ (0.6 <Ь\ч< 0.78 эВ) и в МБ 1пхА1,^Аз (0.8 - 1.1 эВ) (рисунок 6 а). Полоса ФЛ от КЯ состоит из двух перекрывающихся пиков е!-ЬЫ и е2-ЬЫ, причем линия е2-ЬЫ гораздо более интенсивная. В зависимости от концентрации электронов наблюдается линейная корреляционная связь между полушириной (Д) линии ФЛ КЯ и концентрацией ДЭГ п.ч (рисунок 6 б).

Рисунок 6. а) спектры ФЛ образца 889 в зависимости от температуры; б) коррелляционная зависимость полуширины А линии ФЛ КЯ от концентрации электронного газа п.?

Полосы в спектрах ФЛ образцов в диапазоне 0.8-1.1 эВ состоят из нескольких компонент, соответствующих рекомбинации электронов и дырок в различных слоях МБ 1пхА1|-хА8 - инверсной ступени (х = 0.75 —> 0.7), заглаживающем слое 1п07А10зАз и барьере 1п07А1озАз. Форма спектров ФЛ от МБ изменялась от образца к образцу из-за особенностей профиля химического состава в МБ - линейного или ступенчатого, а также наличия внутри МБ напряженных сверхрешеток и инверсных ступеней.

В разделе 5.2 описаны результаты исследования оптических свойств метаморфных гетероструктур 1п0 лвОао бгАз/^озвА^бгАя с КЯ толщиной 22 нм. В спектрах ФЛ образцов (Т = 77 К) обнаружены четыре линии излучения,

соответствующие рекомбинации носителей заряда в КЯ (1.0 - 1.15 эВ), барьерной области InAIAs (1.8 - 1.9 эВ), подложке GaAs (1.51 эВ) и короткопериодной сверхрешетке GaAs/AlGaAs (1.69 эВ). Для всех образцов полоса ФЛ от КЯ состоит из двух линий el-hhl и e2-hhl, причем интенсивность перехода e2-hhl существенно выше. Пик ФЛ от буфера InAIAs, в отличие от метаморфных гетероструктур с дг = 0.7, не обладает многокомпонентной структурой. По разбросу положений пиков ФЛ от КЯ и буфера InAIAs была проведена оценка воспроизводимости состава твердых растворов InjAli-jAs и InjGai^As на установке ЦНА-24 при выращивании толстого МБ (более 1 мкм), которая равна Ах = ± 0.02.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен расчет электронного спектра и зонной структуры МЛГ lOrGai.jAs/InjAli.jAs (х = 0.53 - 0.7, у = 0.4 - 0.52) от геометрии гетероструктуры. Показано, что при отсутствии параллельной проводимости квантовые состояния электронов и дырок полностью определяются концентрацией ДЭГ ns, толщиной КЯ и содержанием In х в КЯ. Построена номограмма зависимости энергий переходов el-hhl и e2-hhl от концентрации ДЭГ пх в КЯ Ino53Gao.47As/Ino52Alo48As различной толщины.

2. Экспериментально исследованы структурные и электронные свойства МЛГ Ino53Gao47As/Ino.52Alo.48As с центральными вставками InAs. Впервые обнаружен монотонный сдвиг в сторону меньших энергий максимума ФЛ от СКЯ при увеличении толщины вставки InAs Z,|„as- Путем моделирования зонной структуры СКЯ показано, что смещение пика ФЛ при вариации ¿|nAs в основном происходит за счет изменения энергии подзоны hhl при локализации тяжелых дырок внутри слоя InAs.

3. Впервые исследовано влияние парных вставок GaAs и InAs на спектры ФЛ в

МЛГ In0 53Gao.47As/Ino52Alo.48As. С использованием расчетного моделирования

предсказан инверсный порядок подзон легких и тяжелых дырок в КЯ

Ino5jGao47As/Ino j2Alo4sAs, содержащих слои GaAs. Предложен способ независимого

управления состояниями (энергиями и ВФ) тяжелых и легких дырок в КЯ

In0 53Gao47As/Ino j2Alo4sAs за счет создания потенциальных ям в валентной зоне для

19

этих носителей напряженными вставками InAs (тяжелые дырки) и GaAs (легкие дырки).

4. В спектрах ФЛ гетероструктур InojjGa^As/Int^Alo^eAs на подложках InP обнаружена широкая и интенсивная полоса, связанная с рекомбинацией электронов и дырок вблизи гетерограницы. Положение и форма этой полосы ФЛ зависит от температуры и длительности отжига подложки. Эти изменения были объяснены формированием потенциальной ямы для носителей заряда в переходном слое InAlAsP, образовавшемся в результате замещения атомов Р в подложке InP атомами As при отжиге в потоке мышьяка.

5. Измерены спектры ФЛ метаморфных гетероструктур In,Gai.jAs/ In,AI|_xAs с содержанием индия в КЯ х = 0.38 и х = 0.7. Показано, что спектроскопия ФЛ позволяет отслеживать изменения содержания In в КЯ InjGai-jAs для широкого диапазона изменения х. Обнаружена линейная зависимость полуширины пика ФЛ КЯ In0 7Gao 3As/Ino 7Alo jAs от слоевой концентрации электронов. Форма и положение полосы ФЛ от метаморфного буфера определяются профилем химического состава в нем.

Публикации по результатам работы.

1. Г.Б. Галиев, А.Л. Васильев, И.С. Васильевский, P.M. Имамов, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, Д.В. Лаврухин, П.П. Мальцев, С.С. Пушкарев, И.Н. Трунькин. Структурные и электрофизические свойства НЕМТ-наногетероструктур Ino52Alo4eAs/Ino53Gao47As/Ino.52Alo48As/InP с различной комбинацией нановставок InAs и GaAs в квантовой яме // Кристаллография. - 2015. - Т. 60. - Вып. 3. - С. 459468.

2. Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, Д.В. Лаврухин, С.С. Пушкарев, П.П. Мальцев. Фотолюминесцентные исследования метаморфных наногетероструктур In0.7Alo3As/Ino75Gao25As/Ino7Alo.3As на подложках GaAs // Физика и техника полупроводников. - 2014. - Т. 48. - Вып. 5. - С. 658-666.

3. G.B. Galiev, I.S. Vasilevskii, Е.А. Klimov, S.S. Pushkarev, A.N. Klochkov, P.P.

Maltsev, M.Yu. Presniakov, I.N.Trunkin, A.L.Vasiliev. Effect of (1 0 0) GaAs substrate

misorientation on electrophysical parameters, structural properties and surface

20

morphology of metamorphic HEMT nanoheterostructures InGaAs/InAlAs // Journal of Crystal growth. -2014. -V. 392. - P. 11-19.

4. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, E.A. Климов, A.H. Клочков, Д.В. Лаврухин, С.С. Пушкарев, П.П. Мальцев. Особенности фотолюминесценции НЕМТ-наногетероструктур с составной квантовой ямой InAlAs/InGaAs/InAs/InGaAs/InAlAs // Физика и техника полупроводников. -2015. - Т. 49. - Вып. 2. - С. 241 - 248.

5. Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, П.П. Мальцев, С.С. Пушкарёв, О.М. Жигалина, P.M. Имамов, А.Н. Кускова, Д.Н. Хмеленин. Электрофизические и структурные характеристики метаморфных НЕМТ наногетероструктур In03eAlo62As/Ino j7Gao63As/ln0 jgAlo^As II Кристаллография. - 2013. - Т. 58. - Вып. 6. -С. 916-921.

6. Г.Б. Галиев, С.С. Пушкарёв, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, П.П. Мальцев. Влияние разориентации подложки (100) GaAs на электрофизические параметры и морфологию поверхности метаморфных НЕМТ наногетероструктур In07Alo3As/ Ino^GaosAs/InojAlo jAs // физика и техника полупроводников. - 2014. -Т. 48.-Вып. 1,-С. 67-72.

7. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, Д.В. Лаврухин, С.С. Пушкарев, П.П. Мальцев. Применение спектроскопии фотолюминесценции для исследования метаморфных наногетероструктур InojgAlo^As/InojeGao^As/GaAs // Физика и техника полупроводников. -2014. - Т. 48. - Вып. 7. - С. 909-916.

8. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев, В.П. Гладков, В.А. Кульбачинский, А.Н. Клочков, Н.А. Юзеева. Влияние встроенного электрического поля на оптические и электрофизические свойства Р-НЕМТ наногетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs // Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45. - Вып. 5. - С. 666 - 671.

9. G.B. Galiev, I.S. VasiPevskii, Е.А. Klimov, S.S. Pushkarev, A.N. Klochkov, M.Yu. Presniakov, I.N. Trunkin, A.L. Vasiliev. Effect of (1 0 0) GaAs substrate misorientation on electrophysical parameters, structural properties, and surface morphology of metamorphic HEMT nanoheterostructures Ino^AlosAs/IntnGaojAs/InojAlojAs // Proceedings of the

21st International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology». - St. Petersburg: Academic University Publishing, 2013. - P. 283-284.

10. Г.Б. Галиев, E.A. Климов, А.Н. Клочков, Д.В. Лаврухин, С. С. Пушкарев, П.П. Мальцев. Спектроскопия фотолюминесценции для исследования МНЕМТ наногетероструктур In^Alo зAs/IncnGaojAs с различным дизайном метаморфного буфера И Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников (XI РКФП). - СПб.: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 2013. - С. 225.

11. Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, С.С. Пушкарев, Д.В. Лаврухин, О.М. Жигалина, А.Н. Кускова, Д.Н. Хмеленин, П.П. Мальцев. Исследование влияния конструкции метаморфного буфера и давления мышьяка на электрофизические и структурные характеристики МНЕМТ гетероструктур InojTAIo^As/lnojeGao^As Н Тезисы докладов XI Российской конференции по физике полупроводников (XI РКФП). - СПб.: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, 2013. - С. 231.

12. G. В. Galiev, I. S. Vasil'evskii, Е. A. Klimov, S. S. Pushkarev, A.N. Klochkov, P.P. Maltsev, M.Yu. Presniakov, I.N.Trunkin, A.L.Vasiliev. Epitaxial technology of the composite quantum wells Ino52Alo48As/InyGai.yAs/Ino52Alo4eAs with ultrathin InAs insertions // Proceedings of the 22st International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology». - St. Petersburg: Academic University Publishing, 2014. - P. 263-264.

13. Г.Б. Галиев, С.С. Пушкарев, П.А. Просеков, P.M. Имамов, А.Е. Благов, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, Д.В. Лаврухин. Характеризация НЕМТ-наногетероструктур InAIAs/InGaAs/InAIAs на подложках InP с нановставками InAs в квантовой яме // Труды XIX международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника". В 2 т. Том И. - Нижний Новогород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2015. - С. 636-637.

Подписано в печать: 14.07.2015 Объем 0,9 усл.п.л. Тираж: 100 шт. Заказ №133 Отпечатано в типографии «Реглет» 107031. г. Москва Страстной бульвар, д. 4 тел. (495) 978-43-34. www.reglet.ru

15 -833t

2015675273

2015675273