Введение к работе
В настоящее время электронные системы пониженной
размерности являются объектом интенсивного эксперименталь
ного и теоретического исследования. Размерное квантование
электронов в таких системах существенно изменяет их
электронные свойства, что позволяет наблюдать ряд новых
интересных эффектов и имеет большое значение для создания
быстродействующих электронных и оптоэлектронных
приборов.
Толчком к развитию физики двумерных систем послужило открытие в 1980 году нового квантового макроскопического эффекта - квантового эффекта Холла (КЭХ). Это открытие также способствовало созданию целого класса приборов основанных на двумерных (2D) системах. К их числу можно отнести быстродействующие и сверхбыстродействующие транзисторы, приборы с зарядовой связью, элементы памяти ЭВМ, высокоэффективные полупроводниковые лазеры и т.д.. На основе КЭХ создан эталон Ома.
Исследование квантового эффекта Холла позволяет получить концентрации, подвижности 2D электронов, очень точно диагностировать качество структур и связать эти характеристики с параметрами технологических процессов, что позволяет целенаправленно получать структуры с заданными свойствами.
Несмотря на большое количество публикаций посвященных исследованию двумерных систем многие вопросы остаются неисследованными. К ним относятся механизмы упругого и неупругого рассеяния носителей заряда в двумерных системах, проблемы локализации и делокализация, исследование характера и параметров случайного потенциала обуславливающего квантовый эффект Холла в 2D системах различного типа, например, в системах множественных квантовых ям в структурах, синтезированных на основе различных полупроводников. Так, например, важным является вопрос исследования влияния метода
2 легирования, систем множественных .квантовых ям ва подвижность 2D электронов.
Одним из методов получения квазидвумерных структур с высокой концентрацией электронов ^является. _ .ионная имплантация Для целого ряда примесей в кремнии; например, серы, транспортные свойства имплантированных структур не исследованы. В то же время, исследование низкотемпературного транспорта в ионно-имплантированных пленках особенно важно при изучении примесных состояний в таких структурах.
В настоящее время все активнее предпринимаются усилия по созданию квазводномерных и одномерных систем на базе двумерных. В таких системах наблюдаются такие явления, как квантование проводимости в зависимости от ширины проводящего канала и другие фундаментальные эффекты.
На основе квазиодномерных систем ожидается создание высокоэффективных оптоэлектронных приборов, поскольку безизлучательные процессы рекомбинации в них сильно подавлены за счет размерного квантования, возможны и. другие применения.
Для ограничения латерального размера в двумерных системах используются, обычно, методы субмикронной электронной или ионной литографии, что позволяет получать структуры с размерами в несколько десятых долей микрометра. Для получения систем с размерами в несколько десятков нанометров и менее перспективным методом является выращивание структур на фасетированной поверхности полупроводника. Количество работ посвященных таким структурам крайне ограниченно и размерное квантование электронов, проводимость и эффекты локализации в них практически не исследованы.
Для получения полной информации о транспортных свойствах систем пониженной размерности необходимы сильные магнитные поля, низкие и сверхнизкие температуры, измерения на постоянном и переменном токе на образцах полученных при различных технологических условиях.
Основная цель работы состояла в:
1) Исследовании особенностей рассеяния и локализации
электронов в системах множественных квантовых ям
GaAs/AlGaAs и InGaAs/GaAs с различным легированием.
Определении электронной структуры и исследовании
механизмов релаксации импульса электронов и фазы волновой
функции в таких системах и их зависимости от ширины
квантовой ямы, способа легирования, расстояния легирующего
8 слоя от квантовой ямы и других параметров системы.
2) Исследовании анизотропии транспортных свойств
структур, полученных методом 8-легирования оловом
вицинальных граней арсенида галлия (GaAs(S-Sn)),
определении механизмов проводимости и основных параметров
носителей заряда в таких структурах, изучении механизмов
рассеяния и особенностей локализации электронов в этих
системах.
3) Исследовании локализации электронов и особенностей
проводимости имплантированного серой кремния при низких
температурах, определение основных механизмов
проводимости в легированном серой кремнии при больших
дозах имплантированной серы и их зависимости от дозы
имплантации и параметров и типа отжига, изучении
особенностей локализации электронов вблизи перехода металл-
диэлектрик, определение эффективности лазерного отжига для
такой легирующей примеси как сера.
Одним из видов двумерных полупроводниковых структур являются легированные сверхрешеткн и системы квантовых ям. Квантовые ямы и сверхрешеткн являются исключительно удобными объектами для исследования механизмов релаксации двумерных электронов, особенностей их взаимодействия с различного рода возбуждениями и несовершенствами кристаллической решетки. В значительной степени совершенство структуры систем квантовых ям определяется выбором метода легирования. При однородном легировании квантовых ям возникает размытие границ раздела
подлегированием барьерных слоев и другие нежелательные явления. Этого в значительной степени удается избежать в методе 5-легирования, когда легирующая прнмесь отделена от квантовой ямы аналогом спейсера. В настоящей работе исследовались системы множественных квантовых ям GaAs/AlGaAs и IaGaAs/GaAs с различной шириной квантовых ям и с разным легированием.
Одномерные и квазиодномервые структуры также представляют большой интерес в плане фундаментальных и прикладных исследований. До недавнего времени такие структуры получали главным образом из двумерных систем методами электронной и ионной литографии. В настоящее время, благодаря достижениям молекулярно-лучевой эпнтаксии, 5-легврование вицинальных граней или граней с высокими индексами некоторых полупроводников является перспекивным методом создания одномерных и нуль-мерных структур. В настоящей работе исследовались структуры с 8-легировавием оловом вицинальной грани (100) арсевида галлия. Такие структуры представляют большой интерес для исследования свойств квазиодномерных электронов и являются перспективными для реализации различных приборов на их основе.
Имплантированные .пленки кремния занимают промежуточное положение между трехмерными и двумерными системами. Их толщина обычно недостаточно мала для наблюдения размерного квантования, однако, в эффектах локализации эти объекты могут вести себя как. двумерные, в частности их проводимость может зависеть от толщины пленки. Ионная имплантация с последующим лазерным отжигом позволяет получать заданные величины и профили распределения концентрации легирующей примеси. При этом можно получать концентрации электрически активной примеси в десятки и сотни раз превышающие равновесный предел растворимости и легировать кремний нетрадиционными элементами. В настоящей работе изучались низкотемпературные транспортные свойства имплантированного серой кремния.
5
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЕ РАРОТЫ,
\ 1) Определены основные механизмы упругого и
неупругого рассеяния в исследованных системах множественных квантовых ям при низких температурах. Показана эффективность метода 8-легированпя с точки зрения совершенства получаемых структур, по сравнению с однородным легированием, что имеет важное значение при создании на их основе детекторов ИК-излучения.
2) Показано, что структуры, с 8-легированием оловом внцинальных граней GaAs, обладают высокой анизотропией проводимости. Показано существование двумерного электронного газа с достаточно высокой концентрацией и подвижностью двумерных электронов в исследованных структурах GaAs(S-Sn).
3)Определен основной механизм проводимости в имплатированньгх серой и отожженных лазером пленках кремния. Показано, что проводимость имплантированных серой пленок кремния резко увеличивается при увеличении дозы имплантированной серы при использовании лазерного отжига для восстановления кристаллической структуры после имплантации вплоть до дозы 5 10*5 см"2. Тем самым показана эффективность лазерного отжига по восстановлению электрической активности серы при высоких дозах имплантации.
В работе впервые исследованы особенности низкотемпературной проводимости и магнитосопротивления систем квантовых ям GaAs/AlGaAs и квантовых ям InGaAs/GaAs с однородным легированием квантовых ям, а также, модулированным и 8-легированием барьерных слоев, определены электронный спектр и основные механизмы рассеяния 2D электронов в таких системах и их зависимость от размеров квантовых ям, метода и параметров легирования.
Впервые исследована анизотропия проводимости и ее температурная зависимость в системах GaAs(S-Sn) выращенных на вицинальной грани GaAs. Определены
параметры 2D электронов в системе и исследована анизотропия проводимости.
Впервые исследована прыжковая проводимость в имплантированных серой пленках кремния, зависимость проводимости от дозы имплантированной серы, типа в параметров отжига.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Основным механизмом рассеяния электронов в
исследованных системах множественных квантовых ям
GaAs/AlGaAs и InGaAs/GaAs является рассеяние на
веоднородностях рельефа боковых поверхностей квантовых
ям, в случае узких квантовых ям, если ширина квантовой ямы
ограничена значением около 6 нм.
-
Применение метода S-легнрованвя при легировании квантовых ям GaAs/AlGaAs дает возможность получать структуры с большим структурным совершенством, с существенно более высокими концентрациями и нодввжвостями двумерных электронов по сравнению с методом однородного легирования.
-
Релаксация фазы волновой функции электронов в исследованных системах множественных квантовых ям GaAs/AlGaAs при низких температурах определяется электрон-электронным взаимодействием с малой передачей энергии независимо от типа легирования.
-
В структурах с 8-легированием оловом вицинальных граней GaAs (GaAs(S-Sn)) (при определенных режимах роста структуры) проводимость вдоль направления цепочек атомов олова существенно превышает проводимость поперек них, при этом анизотропия проводимости увеличивается при понижении температуры.
-
Дельто-легирование оловом арсенида галлия позволяет получать двумерный электронный газ с достаточно высокой концентрацией н подвижностью 2D электронов,
6) Основным механизмом релаксации фазы волновой
функции двумерных электронов в структурах GaAs(S-Sn)
является электрон-электронное взаимодействие с малой
передачей энергии.
7 7) В имплантированных серой пленках кремния лазерный отжиг приводит к эффективной электрической активации серы для доз имплантации до 5-10*5 См-2. В то же время, возникающие при имплантации и отжиге неоднородности приводят к большому разбросу уровней энергии, в результате чего основным механизмом проводимости в имплантированных пленках кремния является прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка в широком интервале температур. При больших дозах имплантированной серы имеется тенденция к увеличению радиуса локализации электронных состояний создаваемых атомами серы.
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях, симпозиумах:
1. Первая национальная конференция "Дефекты в
полупроводниках" (Санкт-Петербург 1992).
2. 29 совещание по Физике Низких Температур (Казань 1992).
3. XX Международная конференция по Физике Низких
температур (Oregon USA 1993).
4. 30 совещание по Физике Низких Температур (Дубна 1994).
5. Первая Международная конференция "Наноструктуры"
(Санкт-Петербург 1994).
6. 7-Международная конференция по сверхрешеткам,
микроструктурам и микроприборам (Canada 1994).
По результатам диссертации опубликовано 16 печатных работ. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 106 наименований. Диссертация содержит І43 странивдмапшнописного текста, 14 таблиц и 47 рисунков.