Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор - 10 -
Раздел 1. Полупроводниковая наноэлектроника на гетероструктурах с нанометровыми размерами слоев -10 -
Раздел 2. Методы получения нанометровых гетероструктур - 18 -
Раздел 3. Методы структурной диагностики низкоразмерных гетерокомпозиций -22-
ГЛАВА 2. Методы экспериментальных исследований - 30 -
Раздел 1. Высокоразрешающая рентгеновская диагностика в различных схемах дифракции - 30 -
Раздел 2. Рентгеновская рефлектометрия - 48 -
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение .-
Раздел 1. Наноразмерные гетероструктуры для создания мощных СВЧ-транзисторов - 59 -
Раздел 2. Сверхрешетки Si-SiGe и структуры с квантовыми точками ZnSe-CdSe в качестве активной области полупроводниковых лазеров - 74 -
Раздел 3. Разбавленные магнитные полупроводники GaAs/5-Mn/GaAs/(In,Ga)As/GaAs как основа для создания спинтронных устройств - 88-
Раздел 4. Развитие метода двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и анализа экспериментальных данных -114 -
Заключение -125-
Библиографический список
- Методы получения нанометровых гетероструктур
- Рентгеновская рефлектометрия
- Сверхрешетки Si-SiGe и структуры с квантовыми точками ZnSe-CdSe в качестве активной области полупроводниковых лазеров
- Развитие метода двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и анализа экспериментальных данных
Введение к работе
С середины XX века, когда появились способы манипулировать отдельными атомами и молекулами, развитие науки пошло по пути создания новых, специально сконструированных материалов с заданными характеристиками. Такие материалы легли в основу устройств и приборов квантовой электроники, микро-, опто- и наноэлектроники нового поколения, особенностью которых является использование гетероструктур с нанометровыми размерами отдельных слоев.
Основным методом получения многослойных структур со сверхтонкими слоями является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Этот метод позволяет слой за слоем, чередуя источники определенного сорта ионов или атомов, строить с атомарным разрешением различные структуры, в том числе, и несуществующие в природе. Как показали первые попытки исследования и практического использования структур с размерами менее 100 нм, поведение таких наноструктур качественно отличается от поведения систем с большими размерами. Уменьшение линейных размеров (хотя бы в одном измерении) кардинально меняет характер квантовых состояний электронов, ярко проявляя свойства, присущие системам пониженной размерности. Вследствие такого уменьшения размеров выращиваемых слоев граница раздела между двумя однородными составляющими имеет атомный масштаб. Эпитаксиальный рост на ориентированной атомно-гладкой поверхности подложки предполагает послойное наращивание полупроводникового соединения, как совпадающего с материалом подложки, так и существенно отличающегося своими характеристиками. Современные технологии роста позволяют создавать структуры с квантовыми точками, которые образуются в кристаллах на принципах самоорганизации, многослойные полупроводниковых гетерокомпозиции (в том числе сверхрешётки) с квантовыми ямами, проволоками и точками.
Однако, несмотря на уникальные возможности МЛЭ в создании структур с резкими границами между слоями, здесь ещё имеется много вопросов. Главная трудность заключается в существовании протяженных переходных областей переменного химического состава. Так, например, размытость гетерограниц
влияет на рассеяние носителей заряда в канале, низкое структурное качество - на подвижность носителей и т.д. Необходимо, чтобы размеры переходных областей были сравнимы с постоянной кристаллической решетки.
Дальнейшее углубление знаний о гетероструктурах со сверхтонкими слоями не может быть осуществлено без детального исследования их строения и знания структурных параметров с высоким разрешением по глубине вплоть до отдельных монослоев, другими словами, детальная информация о структуре отдельных слоев и интерфейсов становится одной из наиболее важных предпосылок для дальнейшего прогресса в этой области.
Развитие технологических методов формирования полупроводниковых гетерокомпозиций, и, прежде всего, молекулярно-лучевой эпитаксии, позволило создавать гетероструктуры с толщиной активной области до одного нанометра. Конструирование новых материалов, совершенствование их структуры и свойств, создание наноматериалов и наносистем на основе молекулярной архитектуры неразрывно связаны с использованием адекватных (атомного разрешения) диагностических средств.
В настоящее время вопрос получения нанокомпозиций с заданными параметрами и характеристиками в силу своей актуальности занимает ведущее положение в развитых странах Запада. По существу решение этой задачи является приоритетным в вопросах дальнейшей экономической безопасности страны. О необходимости создания новых материалов и приборов на их основе свидетельствует то, что в последнее десятилетие в мире наблюдается интенсивное развитие в области научных исследований и промышленного освоения новых материалов СВЧ приборов, лазеров, приборов спинтроники и др.
Прогресс в получении высококачественных гетероструктур может быть достигнут путем оптимизации технологии их выращивания, что невозможно без детального изучения структурных характеристик получаемых гетеросистем.
В ряду методов исследования сложных гетерокомпозиций с нанометровыми размерами слоев рентгеновские методы диагностики занимают одно из ведущих мест. В силу информативности и высокой чувствительности к структурным
нарушениям рентгеновские методы наиболее пригодны для исследования нарушенных приповерхностных слоев монокристаллов после различных технологических процессов обработки (имплантация, эпитаксия, различного рода травления поверхности и др.). Во-первых, в случае наноструктур и наноматериалов всегда имеется в виду либо системы с малым числом атомов, рассеивающих рентгеновское излучение, либо поверхность, рентгеновский сигнал от которой трудно выделить на фоне сильного рассеяния объемом исследуемого объекта. Во-вторых, выделив это слабое рентгеновское рассеяние от поверхности или наносистемы, необходимо измерить его с достаточной точностью. В то же время применение рентгеновского излучения для анализа наноматериалов и наноструктур связано с решением ряда сложных задач в области физики рассеяния рентгеновских лучей.
В представленной работе методы рентгеновской диагностики (рентгеновской дифрактометрии в различных схемах дифракции и рентгеновской рефлектометрии) применяются для изучения структурного совершенства полупроводниковых материалов и гетерокомпозиций. Достоинствами этих методов являются как их неразрушающий характер, так и высокое пространственное разрешение, а также возможность изучения особенностей структуры с масштабами порядка длины волны рентгеновского излучения. При этом комбинирование различных экспериментальных методик позволяет получать более детальную информацию об исследуемой структуре.
В настоящей работе для изучения структурного совершенства полупроводниковых материалов и гетерокомпозиций были применены методы рентгеновской дифрактометрии в различных схемах дифракции и рентгеновской рефлектометрии. Достоинствами этих методов являются как их неразрушающий характер, так и высокое пространственное разрешение, а также возможность изучения особенностей структуры с масштабами порядка длины волны рентгеновского излучения. При этом комбинирование различных экспериментальных методик позволяет получать более детальную информацию об исследуемой структуре.
Основной целью работы являлось изучение особенностей формирования полупроводниковых низкоразмерных гетероструктур и определение их структурных параметров методами рентгеновской диагностики для установления связи условий роста гетероструктур на электрофизические характеристики и параметры создаваемых на их основе приборов, разработка новых методик обсчета экспериментальных кривых дифракционного отражения и рентгеновской рефлектометрии.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Методами прецизионной рентгеновской дифрактометрии и высокоразрешающей рентгеновской рефлектометрии определены структурные параметры сверхрешеток Si/SiGe и CdSe/ZnSe, используемых в качестве активной области полупроводниковых лазеров. Показано, что проведение комплексного анализа позволяет получать достоверные результаты, служащие основой для улучшения структурных и электрофизических характеристик этих материалов. В частности, эти исследования позволили определить эллипсоидальную форму выращенных квантовых точек CdSe в матрице ZnSe.
Проведение рентгенодиагностических исследований на всех этапах роста позволило установить оптимальные технологические параметры для получения высококачественных гетероструктур InGaAsflnAlAs на подложках InP, предназначенных для изготовления СВЧ приборов.
Проведены комплексные исследования структурных, магнитных и электрофизических свойств квантовых ям GaAs/Gai.xInxAs/GaAs со слоем Мп толщиной 0.5-1.8 Ml, отделенным от квантовой ямы спейсером толщиной 3 нм. Впервые результаты магнитных и электрофизических свойств таких систем проанализированы на основе тщательного исследования их реальной структуры методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии. Восстановлены реальные профили распределения структурных параметров не только квантовых ям, но и очень тонких слоев Мп. Установлено, что распределение атомов Мп неоднородно как в плоскости
структуры, так и в направлении ее роста, что позволило проанализировать особенности магнитных и транспортных свойств исследованных структур в рамках модели, основанной на представлении о разбиении объема образца на области ферромагнитного упорядочения и парамагнитные области. Методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии изучено строение псевдоморфной гетероструктуры AlxGai.xAs#nyGai.yAs/GaAs. Использование методики одновременного анализа кривых дифракционного отражения от кристаллографических плоскостей (004) и (113) позволило установить размытие гетерограниц квантовой ямы InGaAs и спейсерного слоя AlGaAs. Показано, что электрофизические характеристики этих материалов непосредственно связаны со структурным качеством наноразмерных эпитаксиальных слоев и состояния интерфейсов в этих структурах.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждена их соответствием общепринятым теоретическим и экспериментальным фактам, согласием эксперимента с теорией, обеспечена публикациями и обсуждениями на российских и международных научных конференциях.
Практическая значимость.
Примененный метод одновременного анализа кривых дифракционного отражения от нескольких кристаллографических плоскостей и данных рентгеновской рефлектометрии позволил не только уточнить структурные характеристики исследуемых гетерокомпозиций, но и получить дополнительную информацию об анизотропии распределения хаотических смещений атомов в плоскости слоев и перпендикулярно им. Этот подход может быть использован в дальнейшем путем одновременного анализа данных рентгеновской дифрактометрии в различных схемах дифракции и рентгеновской рефлектометрии.
Оптимизирована технология получения высококачественных гетероструктур на базе InGaAsflnAlAs на подложках InP, предназначенных для изготовления СВЧ приборов. Параметры двумерного электронного газа, измеренные при температурах 77К и ЗООК, в таких гетероструктурах не уступают мировому уровню и являются
пригодными для изготовления транзисторов и интегральных усилителей, работающих на частотах 40 ГГц и более.
Результаты определения параметров слоев и гетерограниц в структурах с квантовыми ямами, квантовыми точками и сверхрешетками позволили оптимизировать технологические процессы роста сложных многослойных гетерокомпозиций, пригодных для создания на их основе приборов с заданными характеристиками или же скорректировать характеристики уже готовых приборов.
Впервые результаты магнитных и электрофизических свойств разбавленных магнитных полупроводников проанализированы на основе тщательного исследования их реальной структуры методами высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии, что позволило проанализировать особенности магнитных и транспортных свойств исследованных структур в рамках модели, основанной на представлении о разбиении объема образца на области ферромагнитного упорядочения и парамагнитные области..
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на XI и XII национальных конференциях по росту кристаллов (НКРК), Москва 2004, 2006; II Украинской научной конференции по физике полупроводников, Черновцы, Украина 2004; Международной научной конференции «Тонкие плёнки и наноструктуры», Москва 2004; V Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ), Москва 2005; International Conference «Micro- and nanoelectronics» ICMNE'05, Звенигород 2005; International Symposium on Compound Semiconductors, Фрайбург, Германия, 2005; 12th International conference on H-VI compounds, Варшава, Польша, 2005; International Conference «Crystal Materials 2005», Харьков, Украина, 2005; International Workshop on Semiconductor Nanocrystals, Будапешт, Венгрия, 2005; International Workshop on Nanostractured Materials, Анталия, Турция, 2006, 8th International Conference on Expert Evaluation and Control of Compound Semiconductor Materials and Technologies, Кадис, Испания, 2006; Конференции «Нанофизика и наноэлектроника-2007», Нижний Новгород, 2007.
По материалам диссертации опубликовано 7 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, 5 статей в трудах конференций, а также 14 тезисов докладов.
Положения, выносимые на защиту.
Усовершенствованная методика одновременного анализа кривых дифракционного отражения от различных кристаллографических плоскостей, позволяющая не только повысить достоверность информации о реальной структуре исследуемых образцов, но и получать дополнительную информацию об анизотропии распределения хаотических смещений атомов в плоскости слоев и перпендикулярно им.
Оптимизированная технология роста структур ІпОаАБЯпАІАз на подложках InP, дающая возможность получать высококачественные гетеросистемы, предназначенные для создания СВЧ-приборов.
Модель структур разбавленных магнитных полупроводников, основанная на представлении о разбиении 2D канала на ферромагнитные и парамагнитные области вследствие неоднородного распределения магнитных ионов для объяснения обнаруженных особенностей данных структурных и электрофизических исследований материалов спинтроники.
Методика совместного анализа данных рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии, позволяющая установить распределение Мп в структуре РМП, а также определить параметры ультра-тонких слоев марганца.
Методы получения нанометровых гетероструктур
Для получения высококачественных тонких пленок и многослойных структур используют чаще всего механизмы эпитаксиального роста материала пленки на соответствующей монокристаллической подложке. Наибольшее распространение получил метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющий формировать совершенные монокристаллические слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума. Этот метод успешно применяется для выращивания тонких пленок полупроводников, металлов, диэлектриков, магнитных материалов, высокотемпературных сверхпроводников и многих других веществ. К настоящему времени накоплен достаточно большой объем как теоретических исследований, так и практических работ в этой области, поэтому технология МЛЭ является самым распространенным методом получения полупроводниковых сверхрешеток и многослойных магнитных структур.
В последние годы все большее распространение для выращивания полупроводниковых сверхрешеток приобретает технология роста из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (РГФ МОС) [18]. В этом методе также используется процесс эпитаксиального роста материалов на нагретой подложке при термическом разложении металлорганических соединений. Механизмы роста в методе РГФ МОС изучены не так глубоко, как в МЛЭ, однако этим методом успешно выращивают большинство полупроводниковых соединений AniBv, AIIBIV и А В .
Из методов эпитаксиального роста для получения полупроводниковых сверхрешеток может быть использована и жидкофазная эпитаксия, в которой монокристаллические слои получают из контактирующих с подложкой пересыщенных растворов [40]. С понижением температуры избыточное количество полупроводника осаждается из раствора на подложку, что связано с уменьшением растворимости полупроводникового материала.
Тонкие магнитные пленки и многослойные магнитные структуры могут быть получены различными методами напыления, включая высокочастотное и магнетронное распыление. Эти методы позволяют получать слои практически любого состава. Некоторые исследователи [41] считают, что наилучшие возможности для технологии магнитных многослойных структур дают различные методы электролитического осаждения. Молекулярно-лучевая эпитаксия.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) по существу является развитием до совершенства технологии вакуумного напыления тонких пленок. В методе МЛЭ тонкие монокристаллические слои формируются на нагретой монокристаллической подложке за счет реакций между молекулярными или атомными пучками и поверхностью подложки. Высокая температура подложки способствует миграции атомов по поверхности, в результате которой атомы занимают строго определенные положения. Этим определяется ориентированный рост кристалла формируемой пленки на монокристаллической подложке. Успех процесса эпитаксии зависит от соотношения между параметрами решетки пленки и подложки, правильно выбранных соотношений между интенсивностями падающих пучков и температуры подложки. Когда монокристаллическая пленка растет на подложке, отличающейся от материала пленки, и не вступает с ним в химическое взаимодействие, то такой процесс называется гетероэпитаксией. Когда подложка и пленка по химическому составу не отличаются или незначительно отличаются друг от друга, то процесс называется гомоэпитаксией или автоэпитаксией. Ориентированное наращивание слоев пленки, которая вступает в химическое взаимодействие с веществом подложки, называют хемоэпитаксиеи. Граница раздела между пленкой и подложкой имеет ту же кристаллическую структуру, что и подложка, но отличается по составу, как от материала пленки, так и материала подложки.
По сравнению с другими технологиями, используемыми для выращивания тонких пленок и многослойных структур МЛЭ характеризуется, прежде всего, малой скоростью роста и относительно низкой температурой роста. К достоинствам этого метода следует отнести возможность резкого прерывания и последующего возобновления поступления на поверхность подложки молекулярных пучков различных материалов, что наиболее важно для формирования многослойных структур с резкими границами между слоями. Получению совершенных эпитаксиальных структур способствует и возможность анализа структуры, состава и морфологии растущих слоев в процессе их формирования методом дифракции отраженных быстрых электронов (ДОБЭ) и электронной оже-спектроскопии (ЭОС).
Модификацией МЛЭ является метод Atomic Layer МВЕ (ALMBE) [43]. Отличие этого метода от МЛЭ состоит в том, что исходные вещества подаются не одновременно, реагируя в приповерхностном слое и осаждаясь на подложку, а поочередно, образуя на подложке субатомные слои. Особенностью этого метода является то, что дополнительная подача анионов и катионов на подложку вызывает существенное увеличение миграции катионов по подложке. Это приводит к увеличению однородности квантовых точек по размерам, т.к. происходит расширение уже существующих островков вместо непрерывного образования новых маленьких островковых зародышей. Кроме того, усиленная миграция катионов позволяет производить рост при низких температурах, когда доступ вещества к фронту роста по большей части минимизирован; это должно уменьшать взаимодействие квантовых точек с верхними ограничивающими слоями, такое взаимодействие может понижать размеры точек и изменять их форму.
Рентгеновская рефлектометрия
Следует отметить полезность предлагаемого способа достижения предельно асимметричной дифракции при использовании синхротронного излучения, поскольку отпадает необходимость изготовления набора асимметричных и симметричных кристаллических монохроматоров для широкого интервала длин волн. Достаточно изготовить один или два монохроматора с наиболее используемыми на практике отражениями, а затем по предложенной методике применять их в экспериментах для любых отражающих плоскостей с любыми значениями параметра асимметрии р\
Использование некомпланарной схемы дифракции открывает новые возможности для прецизионного определения параметров тончайших приповерхностных слоев монокристаллов толщиной от нескольких нм до сотен нм. Простота измерений и универсальность позволяют эффективно использовать такую схему для определения рассогласования решеток пленки и подложки, дефектов на границе раздела, напряжений в слоях и т.д., когда возникает необходимость проведения рентгенодифракционных измерений при отражении от плоскостей как параллельных поверхности, так и максимально приближенных по углам к нормали.
В методе рентгеновской рефлектометрии как падающий, так и отраженный пучки составляют малые углы с поверхностью, образца и в результате эффекта зеркального отражения резко уменьшается глубина проникновения излучения в кристаллический объем. Амплитуда рассеяния в таких условиях становится существенно более чувствительной к различного рода неоднородностям в приповерхностной области кристалла. Эффект зеркального отражения сказывается при углах скольжения 0, сравнимых по порядку величины с критическим углом полного внешнего отражения вс - л/Жо (2.2.1)
Метод рентгеновской рефлектометрии (РР) успешно применяется для исследования структуры поверхностей, тонких пленок и поверхностных многослойных структур. Этот метод чувствителен к толщине слоев, электронной плотности в отдельных слоях и к резкости границ между ними.
Метод рентгеновской рефлектометрии обладает высокой чувствительностью к периодичности сверхрешеток, а также Метод рентгеновской рефлектометрии успешно применяется в последнее время для исследования структуры поверхностей, тонких пленок и поверхностных многослойных структур. Этот метод чувствителен к толщине слоев, электронной плотности в отдельных слоях и к резкости границ между ними, а также к морфологии интерфейсов.
Основными требованиями, предъявляемыми к приборам используемым для исследования приповерхностных слоев методом рефлектометрии, является малая расходимость падающего на образец пучка а также возможность прецизионного перемещения образца и детектора с малым шагом.
Оптическая схема для измерений методом рентгеновской рефлектометрии представлена на рисунке 2.2.1. [96]. Основными требованиями, предъявляемыми к приборам используемым для исследования приповерхностных слоев методом рефлектометрии, является малая расходимость падающего на образец пучка а также возможность прецизионного перемещения образца и детектора с малым шагом. Сочетание линейного фокуса используемой в эксперименте рентгеновской трубки с двумя системами горизонтальных и вертикальных щелей (Sj и S2) обеспечивало горизонтальную расходимость не более 10" (для выходных щелей коллиматора 2мм и 0.05мм в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно).
Если граница раздела имеет случайные шероховатости, отражение носит несколько иной характер. Так в случае идеально резкой или плавной одномерной границы раздела пучок расщепляется на два: зеркально отраженный и преломленный. Если же на границе раздела есть случайные шероховатости, то помимо отраженной и преломленной волн возникает рассеянное излучение, которое распространяется от границы раздела как в сторону поверхности, так и в сторону подложки во всем телесном угле 4л. Сумма интенсивностей четырех компонент - зеркально отраженной, преломленной, рассеянной в сторону поверхности и в сторону подложки, в отсутствии поглощения, равна интенсивности падающей волны.
Таким образом, в френелевский коэффициент отражения (2.2.7) вводится множитель frn, учитывающий ослабление интенсивности зеркального отражения в области значений ft далеких от области полного внешнего отражения, за счет существования на интерфейсах переходных слоев толщиной о, которые могут быть связаны с присутствием шероховатостей гетерограниц либо с размытием интерфейсов (рис. 2.2.3). Для идеально гладких гетерограниц/ =1.
Сверхрешетки Si-SiGe и структуры с квантовыми точками ZnSe-CdSe в качестве активной области полупроводниковых лазеров
Исследования показали, что ситуация кардинальным образом меняется при анализе дифракционных кривых и фотолюминисценции образца Б (рис. 3.1.7).
Для этого кристалла рентгенодифракционные измерения проводились как при симметричном (400) и (200), так и кососимметричном (311) отражениях. Измерения от различных плоскостей отражения были проведены для уточнения структурных параметров и повышения достоверности полученных результатов. Для исключения эффекта неоднородности по поверхности образца все три К ДО (рис. 3.1.7) были получены практически для одной и той же площади засветки (ошибка не превышала 5%). Уже предварительный анализ этих кривых позволяет утверждать, что образец Б максимально отвечает технологическим параметрам роста. На КДО (400) - отражения отчетливо видны пики от буферного слоя Iny\li_yAs и канала In Ga As. Содержание In в буферном слое ЦАІІ-JAS оценивается как у = 0.54±0.02 (вместо 0.52 по технологии роста). В области положительных углов для (400) - отражения наблюдается пик от In/Ja As (он, как было указано выше, сильно ослабляется в случае (200)-отражения, но чётко виден и при (311) - отражении). Содержание In в In Gai. As по результатам всех трёх измерений оценивается как х = 0.516±0.025 (вместо 0.53 по технологии роста).
Большое число наблюдаемых на этих КДО осцилляции с различными периодами (32", 535", 700") позволяет не только надёжно определять толщины выращенных слоев, но и оценить резкость іраниц раздела между ними. Уже по угловым расстояниям между различного рода осцилляциями КДО (400), (200) и (311) - отражений можно оценить средние величины толщин отдельных слоев гетероструктуры Б. А более детальный анализ, проведённый согласно методике, описанной в разделе 2.1 и [86] показал, что общая толщина всей гетеросіруктурьі на подложке InP составляет 5500 ± 270А, толщина слоя канала In/ja As - 350 ± 17А, суммарная толщина спейсер и барьерного слоев InyMi.yAs - 265 ± 13А. Полученные параметры гетерослоёв находятся в хорошем согласии с величинами, заданными по технологии роста (рис. 3.1.1).
В свою очередь, спектры ФЛ образца Б, обладающего хорошими электрофизическими характеристиками, также значительно отличаются от спектров образца А повышенной интенсивностью пиков и наличием сигнала от канала Ino.53Gao.47As (рис. 3.1.8). Это свидетельствует о достаточно хорошем структурном качестве соответствующих слоев, что подтверждается результатами анализа кривых дифракционного отражения.
Расчеты, проведённые по положению пика буферного слоя InyMi.yAs на спектре ФЛ, показывают, что среднее значение у = 0.535 (по рентгенодифракционным данным - 0.54). Такое отклонение состава слоев InyAli. As по величине (от +3% до -1%) от заданного по технологии роста представляется вполне допустимым и не оказывает существенного влияния на изменения подвижности в ДЭГ. Для канала In Gai As на данном образце по спектрам ФЛ значение х = 0.515 (по рентгенодифракционным данным - 0.516) при допустимом отклонении содержания In без ухудшения свойств двумерного газа ±3%.
В результате оптимизации технологии роста поставленная задача отработки и оптимизации технологии роста гетеросистем Ino.53Gao.47Asflno.52Alo.48As на подложках InP была успешно завершена. В дополнение к электрофизическим измерениям проведенные рентгенодифракционные измерения подтвердили факт их теснейшей связи в плане получения искомых параметров полученных материалов для создания монолитных интегральных схем, модулей систем связи, интегральных усилителей и малошумящих мощных СВЧ-транзисторов и пр.. В частности, в высококачественных образцах (Б) состав и параметры слоев соответствуют заданным по технологии роста. Характеристики двумерного электронного газа в этих образцах не уступают мировому уровню и такие гетероструктуры можно использовать для изготовления высокоскоростных транзисторов и интегральных усилителей, работающих на частотах 40 ГГц и более. На подложках InP по отработанной технологии роста могут изготовлены п-р-п - p-n-р двухтактные усилители, которые имеют большую линейность и улучшенный КПД по сравнению с обычными усилителями. Технология п-р-п - р-п-р также может быть использована для проектирования СВЧ операционных усилителей, применяемых в различных модулях систем связи.
Таким образом:
Проведенные технологические эксперименты и результаты дифракционных и фотолюминесцентных измерений позволили оптимизировать технологию выращивания высококачественных гетероструктур Ino Gao Asflno Alo As на подложках InP.
По кривым дифракционного отражения рентгеновских лучей легко прослеживается влияние условий роста на качество многослойной структуры.
Использование кривых дифракционного отражения от различных кристаллографических плоскостей позволило не только достоверно определить параметры структур, но и идентифицировать все особенности на КДО.
Рассматриваемые ниже гетероструктуры представляют собой основу для создания новых приборов и устройств - квантово-каскадных лазеров и лазеров сине-зеленого диапазона, актуальных в последнее время.
Квантово-каскадные лазеры на основе квантоворазмерных полупроводниковых структур являются лазерами среднего и дальнего ИК диапазонов, которые отличаются простотой энергетической схемы и технологии выращивания лазерных структур, улучшенной функциональностью и возможностью работы в широком спектральном интервале. Квантово-каскадные лазеры - это принципиально новые источники когерентного излучения, работающие в среднем инфракрасном (терагерцовом) диапазоне частот. Спектральный интервал нового типа лазеров составляет 3-15 микрон, что охватывает исключительно важную область длин волн инфракрасного спектра, где расположены основные линии поглощения молекул многих газов (С02, NH3,03 и т.д.). Это позволяет проводить мониторинг окружающей среды, обнаруживать малые концентрации вредных и взрывоопасных веществ, осуществлять без потерь передачу данных на большие расстояния по атмосферным оптическим линиям связи и т. д. В основе таких лазеров лежат полупроводниковые сверхрешетки Si/Sii_xGex и сверхструктуры на основе полупроводников АШВУ.
Для создания промышленных зеленых и сине-зеленых лазеров, необходимых для систем проекционного лазерного телевидения используются гетероструктуры на основе широкозонных полупроводников AnBVI. Использование сине-зеленых лазеров позволяет увеличить вместимость оптических дисков до десятков и даже сотен гигабайт. Данная технология лежит в основе создания двух разных стандартов: Blu-ray (BD) и HD-DVD. Иными словами, объем диска увеличивается в десятки раз по сравнению с DVD благодаря тому, что пятно лазера, проецируемое на поверхность диска, меньше, чем при использовании красного лазера, применяемого в CD и DVD.
Развитие метода двухкристальной рентгеновской дифрактометрии и анализа экспериментальных данных
В то же время результаты кривых рефлектометрии позволяют утверждать, что атомы Мп не проникают в квантовые ямы обоих образцов А и В. Существенно более низкая точность определения параметров образца В обусловлена более резким спадом интенсивности зеркального отражения с увеличением угла падения, что связано, прежде всего, с более размытой верхней границей (поверхностью) гетероструктуры: Ьк = 3.5(2) нм и 7(1) нм для образцов А и В.
Представленные выше результаты анализа рентгеновских измерений свидетельствуют в пользу несовершенства кристаллической структуры исследуемых образцов, связанной в первую очередь с неоднородным распределением Мп как в плоскости структуры, так и в направлении ее роста. Такое неоднородное распределение ионов Мп приводит к неоднородности в распределении локального магнитного момента и локального электрического потенциала в плоскости образца. Дело в том, что Мп в GaAs является не только магнитной примесью, но и акцептором, т.е. заряженной примесью. Системы со случайно неоднородным распределением заряженных примесей принято описывать в рамках теории экранируемого носителями заряда флуктуационного кулоновского потенциала [134] (для двумерной ситуации [135]). При этом даже в отсутствии кулоновского флуктуационного потенциала неоднородное распределение магнитных моментов в магнитных полупроводниках может приводить к фазовому расслоению и образованию ферромагнитных кластеров [142]. Ниже приведен анализ этих механизмов применительно к полученным результатам измерений температурной зависимости намагниченности (рис. 3.3.3) и магнитополевой зависимости аномального вклада в холловское сопротивление (рис. 3.3.4) по отдельности.
При достаточно низких температурах в отсутствие внешнего поля магнитные моменты ферромагнитных кластеров заморожены в локальных минимумах энергии магнитной анизотропии этих кластеров, разделенных достаточно высоким энергетическим барьером порядка KaV (Ка - константа магнитной анизотропии, связанная в нашем случае, скорее всего, с анизотропией формы ферромагнитного кластера, а V - его объем). В этом случае средний магнитный момент ансамбля хаотически ориентированных кластеров равен нулю. Сразу после включения внешнего поля полная энергия каждого кластера определяется не только энергией анизотропии, но и магнитостатической энергией кластера в магнитном поле НМ,- (М,-- однородная намагниченность кластера), так что каждый кластер будет находиться в неравновесном состоянии. Если Н Hci (Нсі - некоторое критическое поле, зависящее от энергии анизотропии и взаимной ориентации векторов Н и М,- [131]), /-ый кластер мгновенно переходит в равновесное состояние, соответствующее единственному локальному минимуму энергии с направлением однородной намагниченности, близким к направлению внешнего поля. С ростом температуры такие кластеры продолжают находиться в равновесном состоянии, а их однородная намагниченность будет уменьшаться в соответствии с коллективным тепловым возбуждением (отклонением направлений М,- от наавления Н). В нулевом приближении такая ситуация, по-видимому, реализуется для образца В (рис. 3.3.3).
В противном случае, Я Hci, после включения внешнего поля /-ый кластер будет оставаться в неравновесном состоянии в течение некоторого времени т„ которое определяется кинетическим уравнением для однородной намагниченности во внешнем поле при наличии магнитной анизотропии [133]. Если время сканирования по температуре в измерениях намагниченности меньше , однородная намагниченность /-го кластера хотя и будет расти с температурой, но будет оставаться неравновесной вплоть до некоторой критической температуры Тщ, которая определяется все тем же кинетическим уравнением. Естественно, что результирующая намагниченность образца (магнитного слоя) определяется суммарным магнитным моментом ансамбля ферромагнитных кластеров, и если в образце достаточно много кластеров, удовлетворяющих условию Н Hch кривая температурной зависимости намагниченности будет демонстрировать максимум (рис. 3.3.3, образец А). Для получения количественных оценок физических параметров кластеров {Ка и V) и их разброса по образцу обычно вводят некоторую температуру блокирования Тъ, которая соответствует максимуму на температурной зависимости намагниченности, но такого рода оценки являются довольно грубыми и искусственными, поскольку сама Тъ определяется не только свойствами исследуемого образца, но и внешними параметрами метода измерений (напряженностью внешнего поля и скоростью сканирования). Поэтому для извлечения реальных характеристик исследуемого образца необходимо проводить анализ кривых, типа показанных на рис. 3.3.3, только в рамках заранее заданной модели магнитной динамики ансамбля [130,131].
Таким образом, из (3.3.2) следует, что кулоновский флуктуационный потенциал должен проявляться в образце В (с большим содержанием Мп) сильнее, чем в образце А. В ямах этого флуктуационного потенциала локализуются носители заряда и их локальная концентрация максимальна, и именно в этом месте содержание Мп превышает среднее значение. Оба фактора способствуют тому, что именно в этих областях условия для установления магнитного упорядочения наиболее благоприятны или, иными словами, возможен локальный ферромагнитный переход. Хотя детальное понимание природы механизма обменного взаимодействия в разбавленных магнитных полупроводниках (тем более в двумерных структурах) отсутствует, считается доказанным, что ферромагнитное упорядочение в этих системах осуществляется через носители заряда (carrier mediated ferromagnetism) и потому повышенная концентрация носителей заряда в ямах кулоновского флуктуационного потенциала способствует магнитному упорядочению.
Величину Rc, а с ней и характерный геометрический размер этих флуктуации можно оценить для образцов типа В по температуре, при которой происходит переход от активации на уровень протекания к проводимости за счет туннелирования носителей между ямами кулоновского флуктуационного потенциала [135]. Этот переход проявляется на температурной зависимости проводимости как изменение энергии активации, и в нашем случае происходит при температуре порядка 25 К. Будем считать, что энергетический зазор между уровнем протекания и энергией Ферми порядка у. Тогда для оценки Rc сравним вероятность активации дырки на уровень протекания: wa ос ехр(-у/кТ) с вероятностью ее туннелирования между дырочными каплями: wt ос exp(-2RJd), где d = hl(2m у) - длина спада волновой функции под барьером, высота которого задается положением уровня протекания относительно уровня Ферми [135]. Откуда получаем Rc 20 нм.
Наиболее существенное влияние на магнитные и транспортные свойства структур оказывает неоднородность распределения Мп вдоль направления роста структуры, поскольку влияние изменения расстояния ионов Мп от канала двумерной проводимости на энергию обменного взаимодействия очевидно. Наличие неоднородности этого типа наглядно демонстрирует рис. 3.3.7, из которого следует, что параметр решетки спейсера, разделяющего квантовую яму и слой Мп, отличается от параметра решетки чистого GaAs. Последнее свидетельствует о том, что спейсеру свойственны деформации, связанные с проникновением в него атомов Мп или In.
Подобные неоднородности приводят к флуктуациям локальной величины обменного взаимодействия, ответственного за магнитные свойства РМП [119]. Поскольку принято, что обменное взаимодействие в разбавленных магнитных полупроводниках осуществляется через носители заряда [116-119], а эксперименты по зависимости ширины магнитного гистерезиса от напряжения на затворе в двумерных структурах [38,39] и предварительные результаты по исследованию АЭХ в зависимости от концентрации носителей заряда в канале проводимости для исследуемых образцов свидетельствуют о том, что именно дырки играют существенную роль в обменном взаимодействии, вариации толщины слоя Мп в направлении роста кристалла вызывают неоднородность распределения локального магнитного момента и величины обменного взаимодействия в плоскости структуры. При наличии подобных флуктуации система также может разбиваться на локальные (не связанные между собой) ферромагнитные области даже в отсутствие кулоновских флуктуации [142].
Похожие диссертации на Рентгеновская диагностика в изучении особенностей формирования полупроводниковых наноструктур
