Введение к работе
Актуальность темы исследования
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) открыл широкие возможности в создании искусственных полупроводниковых структур с заданными свойствами на основе большого разнообразия материалов. Процесс эпитаксиального роста при МЛЭ позволяет реализовывать контролируемый рост слоев толщиной до атомных размеров различных химических элементов и/или соединений. Эпитаксиальные слои при этом обладают очень высоким структурным совершенством. Это позволило наблюдать качественно новые физические явления в двумерном электронном газе, обладающим высокой подвижностью. Многие привычные электронные и оптоэлектронные устройства используют сложные гетероструктуры как базовый материал.
Основой элементной базы почти всех СВЧ устройств является полевой транзистор на основе гетероструктур. Особенностью современного этапа развития СВЧ электроники является все более широкое внедрение наногетероструктур и усложнение их конструкции для создания качественно новых систем связи с улучшенными характеристиками.
Первые полевые транзисторы с высокой подвижностью двумерного электронного газа были изготовлены на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs и нашли широкое применение на этапе становления твердотельной СВЧ электроники. Однако, в настоящее время такие структуры уже не удовлетворяют современным потребностям и прежде всего в мощных СВЧ цепях. Для получения высокой частоты и мощности СВЧ приборов наиболее широко применяются псевдоморфные AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs (PHEMT) структуры. В таких структурах тонкий напряженный эпитаксиальный слой InyGai.yAs, с содержанием In < 22 % выращивается между GaAs и AlGaAs барьерными слоями. В этом случае высота формирующего квантовую яму барьера увеличивается за счёт понижения дна зоны проводимости в напряжённом InyGai.yAs слое. С увеличением разрыва зоны проводимости АЕС, возрастает плотность электронов в канале. Также возрастает их подвижность за счет меньшей эффективной массы электронов в InyGai.yAs по сравнению с GaAs. Однако, из-за большого несоответствия параметров решетки InAs и GaAs (Аа/а=7,2 %) выбор толщины и состава слоя InyGai_yAs ограничены условиями упругой деформации.
Анализ основных характеристик электронного транспорта в РНЕМТ транзисторных структурах, таких как подвижность 2D электронов (хе и концентрация ns показывает, что идет постоянный поиск и усовершенствование технологических приемов создания транзисторных
структур, а также оптимизация базовой структуры. Электрофизические параметры зависят от многих факторов: способа и уровня легирования донорных слоев, толщины спеисерного слоя, а также и от технологических особенностей при выращивании слоев, такие как, например, введение дополнительных субслоев при использовании 8-легирования.
Таким образом, оптимизация параметров РНЕМТ структур и технологии их роста является актуальной задачей. С практической точки зрения, возрастание подвижности в РНЕМТ наногетероструктурах позволяет также улучшить параметры СВЧ транзисторов, в частности, снизить шумы и повысить частотный диапазон.
Основной целью диссертационной работы являлись: 1) разработка алгоритма выбора оптимальной конструкции РНЕМТ структуры для малошумящих и мощных усилителей СВЧ диапазона; 2) выбор оптимальных технологических режимов получения РНЕМТ структур с наилучшими электрофизическими параметрами; 3) исследование электрофизических и структурных характеристик выращенных наногетероструктур.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Проведение расчета профиля зоны проводимости, положения уровней размерного квантования, распределения электронной плотности с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шредингера-Пуассона в РНЕМТ структурах с односторонним и двухсторонним легированием.
Анализ данных расчета и выбор близких к оптимальным параметров РНЕМТ структур: а) для малошумящих усилителей (односторонне легированные РНЕМТ структуры), и б) для мощных СВЧ транзисторов (двухсторонне легированные РНЕМТ структуры).
Исследование электрофизических, структурных и оптических свойств РНЕМТ структур с односторонним легированием при изменении способа легирования (модулированное легирование и S-Si легирование), уровня легирования и толщины спеисерного слоя.
Исследование электрофизических, структурных и оптических (фотолюминесценция) свойств РНЕМТ гетероструктур с двухсторонним 8-Si легированием при разных значениях суммарной концентрации легирования при сохранении соотношения концентрации легирования верхнего и нижнего 8- слоев N52/N5i=4:l и 3:1. Для этого был выращен набор образцов с диапазоном изменения N52+N51 от 3.8-1012 до 8.3 Ю12 см"2.
Исследование зависимости подвижности и распределения концентрации электронов в подзонах в РНЕМТ гетероструктурах с двухсторонним легированием с помощью эффекта Шубникова-де-Гааза в зависимости от уровня легирования.
Объекты исследования. В работе исследованы РНЕМТ наногетероструктуры двух типов, выращенные методом МЛЭ на полуизолирующих подложках GaAs с ориентацией (100). 1-й тип - это РНЕМТ структуры AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs с односторонним легированием, и П-й тип - РНЕМТ структуры AlxGai_xAs/InyGai_yAs/AlxGai_ xAs/GaAs с двухсторонним легированием. Для выяснения возможностей улучшения электрофизических характеристик в исследуемых структурах дополнительно вводились один или несколько монослоев GaAs перед и после нанесения 8- легированного кремнием слоя. Также исследовались свойства РНЕМТ структур при различных способах легирования -модулированное (в образцах I типа) и 8- легирования (в образцах I и II типа). В образцах изменялись концентрация легирования кремнием, соотношение концентраций доноров в нижнем и верхнем дельта-слоях (в образцах II типа), толщина спейсерного и барьерного слоев AlxGai_xAs, а также технологические условия их формирования.
Использованные методы исследования. По измерениям эффекта Холла в слабом магнитном поле при температурах 300 К и 77 К анализировались удельное сопротивление, холловская концентрация и подвижность электронов. Оптические свойства образцов исследовались методом низкотемпературной спектроскопии фотолюминесценции при температуре 77 К. Расширенные исследования электрофизических параметров проведены при помощи измерения температурных зависимостей сопротивления в интервале температур от 4.2 К до 300 К. В частности, измерено магнетосопротивление и эффект Холла в исследуемых образцах при низких температурах в квантующем магнитном поле до 6 Тл (физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова). Из эффекта осцилляции Шубникова-де-Гааза определена концентрация электронов в подзонах как с высокой подвижностью электронов, так и с низкой. Для структурной характеризации образцов применялся метод исследования кривых дифракционного отражения вблизи рефлекса (400) в геометрии 0/20 (Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН). Из данных измерений определены толщины и состав слоев IiiyGai-yAs и AlxGai_xAs.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Определено оптимальное строение слоев псевдоморфной гетероструктуры с квантовой ямой AlGaAs/InGaAs/GaAs с односторонним 8-легированием кремнием при помощи самосогласованного расчета зонной структуры, в условиях одновременно высокой концентрации электронов в квантовой яме и отсутствия параллельной проводимости по легированному слою.
Впервые обнаружено, что в оптимизированных РНЕМТ структурах повышение температуры роста спейсерного слоя от 590С до
610С при неизменности остальных параметров и условий роста приводит к увеличению подвижности /ле на 53% и 69% при Т=300 К и Т=77 К, соответственно. Показано, что обнаруженное увеличение подвижности /ле сохраняется в температурном диапазоне 1(Н15С выше, чем температура роста барьерного слоя.
Показана эффективность введения субслоев GaAs до и после формирования 8-Si слоя и канала InGaAs, которая выражается в улучшении электрофизических и структурных свойств РНЕМТ наногетероструктур.
Впервые показано, что повышение мольной доли AlAs в барьерном слое AlxGai_xAs в тонком верхнем приповерхностном слое, толщиной 15-К20А, до значений от х=0.23 до х=0.26, как в односторонне, так и в двухсторонне легированных РНЕМТ структур позволяет, не влияя на электрофизические параметры РНЕМТ структуры, облегчить подбор селективного травителя при формировании и подгонки затвора СВЧ транзисторов для улучшения и получения необходимых характеристик СВЧ приборов.
Показано, что разработанный алгоритм оптимизации (расчет зонной диаграммы структур, выбор оптимальных технологических режимов роста каждого из слоев, введение монослоев GaAs на границах раздела) РНЕМТ гетероструктуры является эффективным для получения наилучших электрофизических параметров РНЕМТ структур для приборных применений в различных частотных и мощностных диапазонах.
Достоверность научных результатов и выводов обусловлена использованием современных и апробированных методов как создания наногетероструктур, так и исследования их структурных и электронных транспортных свойств. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетного моделирования. Выполненные исследования проведены на большом массиве образцов, а также с использованием аттестованного оборудования.
Практическая значимость работы
Проведен комплекс работ по оптимизации технологических режимов роста каждого из слоев составляющих РНЕМТ структуру (сверхрешетки AlGaAs/GaAs, буферного слоя GaAs, канала inyGai_yAs, барьерного слоя AlxGai_xAs и 8-Si монослоя).
Продемонстрирована возможность увеличения подвижности электронов в канале InGaAs РНЕМТ структуры на 50% за счет увеличения температуры роста спейсерного слоя по отношению к барьерному слою, что важно для приборных приложений.
Показана эффективность повышения содержания мольной доли
алюминия толщиной 15-К20А в конце барьерного слоя AlxGai_xAs от х=0.23 до х=0.26. Последнее способствует более надежному срабатыванию селективного травителя при формировании подзатворного заглубления.
Проведенные исследования РНЕМТ наногетероструктур с односторонним и двухсторонним легированием методами эффекта Холла, спектроскопии фотолюминесценции, эффекта Шубникова-де-Гааза и рентгеновской дифрактометрии позволили детально изучить и описать наблюдаемые в образцах эффекты и особенности, а также предложить набор РНЕМТ структур для различных диапазонов СВЧ приборов в рамках проводимых в ИСВЧПЭ РАН научно-исследовательских работ.
Предложена и разработана последовательность оптимизации РНЕМТ структуры, позволяющая получать малошумящие усилители (МШУ) и монолитные интегральные схемы (МИС) с требуемыми параметрами.
Результаты работы использованы при проектировании и изготовлении мощных СВЧ транзисторов, МШУ и МИС на основе РНЕМТ структур, выращенных на подложках GaAs при выполнении НИР «Исследование и разработка приборного ряда гетероструктурных псевдоморфных СВЧ транзисторов (мощных, средней мощности и малошумящих) для приемо-передающих модулей АФАР Х-диапазона» шифр: «Омега-2004-И», «Исследование и разработка технологии монолитных СВЧ-микросхем на Р-НЕМТ гетероструктурах для приемопередающих модулей АФАР Х-диапазона с выходной мощностью до 10-15Вт» шифр: «Локатор-2004-гетеро», и «Поисковые исследования по созданию СВЧ- приборов в диапазоне частот до ЮОГГц для систем связи и радиолокации военного назначения» шифр: «Декаметр», а также при выполнении проектов по Программам фундаментальных исследований Президиума РАН «Квантовые наноструктуры» шифр: «Яма» и «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов» шифр: «Рассогласование».
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты теоретического анализа зависимости параметров зонной структуры (профиля зонной структуры, уровней размерного квантования Еи распределение электронной плотности) от толщины барьерного и спейсерного слоев, а также от уровня легирования в РНЕМТ структурах с одно- и двухсторонним 8-Si легированием.
Экспериментальные данные по исследованию электрофизических и структурных характеристик выращенных методом МЛЭ односторонне и двухсторонне легированных РНЕМТ структур.
Результаты выбора и обоснования физических принципов формирования каждого из слоев РНЕМТ наногетероструктур, а также
введения монослоев GaAs в РНЕМТ гетероструктурах.
Результаты совершенствования электрофизических параметров РНЕМТ наногетероструктур при корректировании температуры роста спейсерного слоя. Обнаруженный эффект увеличения подвижности двумерного электронного газа (ie на 69% при температуре жидкого азота и fie на 50% при комнатной температуре в оптимизированных РНЕМТ гетероструктурах при увеличении температуры роста только спейсерного слоя от 590 до 610С.
Результаты исследования электронного магнетотранспорта в РНЕМТ наногетероструктурах с двухсторонним легированием в зависимости от уровня легирования кремнием.
Личный вклад автора
Автором выращены и подготовлены к исследованиям различными методами все описанные в работе образцы;
При непосредственном участии автора разработана и оптимизирована лабораторная технология изготовления РНЕМТ наногетероструктур для малошумящих и мощных СВЧ транзисторов;
Автором проведены измерения подвижности fie и концентрации ns двумерного электронного газа методом эффекта Холла;
Автором проведены расчеты профиля зоны проводимости, положения уровней размерного квантования, распределения электронной плотности с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шредингера-Пуассона в РНЕМТ структурах с односторонним и двухсторонним легированием.
Апробация результатов работы
Основные результаты данной работы докладывались на международных и Всероссийских научных конференциях: International Conference on Micro- and Nanoelectronics, ICMNE-2005, (Звенигород), 2005; Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2005, (Минск), 2005; VIII Российской конференции по физике полупроводников, (Екатеринбург), 2007; Научной сессии МИФИ-2007, (Москва), 2007; 6-ой Курчатовской молодежной научной школы, (Москва), 2008; Научной сессии МИФИ-
2009, (Москва), 2009; IX Российской конференции по физике
полупроводников, (Новосибирск-Томск), 2009; 7-ой Курчатовской
молодежной научной школы, (Москва), 2009; Научной сессии МИФИ-
2010, (Москва), 2010, Научно-практической конференции по физике и
технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские
чтения» (Москва), 2011.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых
отечественных и зарубежных научных журналах, входящих в перечень ВАК министерства образования и науки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 6 статей в трудах конференций, а также 8 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 118 наименований. Диссертация содержит 152 страницы, включая 55 рисунка и 7 таблиц.
