Введение к работе
Актуальность темы
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) представляет широчайшие возможности для выращивания многослойных полупроводниковых гетероструктур с толщинами эпитаксиальных слоев до монослоя. Метод МЛЭ позволяет создавать системы с пониженной размерностью - двумерные (квантовые ямы), одномерные (квантовые нити) и нульмерные (квантовые точки), в которых проявляются новые эффекты, приводящие к качественному изменению свойств полупроводниковых материалов. Это открывает большие возможности для создания на базе данных систем приборов широкого профиля применения - лазеров, оптических модуляторов, фото детекторов, транзисторов и т.д. Одной из важнейших областей применения выращенных методом МЛЭ гетероструктур является современная твердотельная электроника. На сегодняшний день приборы гетероструктурной сверхвысокочастотной электроники активно применяются в приложениях радиолокации, спутниковом телевидении, многоканальных системах беспроводной связи, в том числе - спутниковой и специальной. При этом базовым материалом для многих приборов являются гетероструктуры на основе квантовой ямы (КЯ) AlxGai_xAs/InvGai_y\s/AlxGai_xAs.
На сегодняшний день существует необходимость постоянной оптимизации электрофизических параметров гетероструктур для улучшения характеристик приборов, созданных на базе КЯ Al^Gai^As/In^Gai^As/Al^Gai^As, несмотря на то, что фундаментальные свойства данной КЯ достаточно подробно изучены. В первую очередь, это задачи повышения частоты и получения достаточно высокой мощности полевых СВЧ транзисторов. Такая оптимизация затрагивает решение ряда фундаментальных задач, связанных с исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в сложных квантовых наносисте-мах, состоящих из различных полупроводниковых материалов и позволяющих реализовать подход наноинженерии для создания структур с желаемыми параметрами.
Исследование квантовых ям, близких к поверхности, в гетероструктурах Al^Gai^As/InyGai^As/Al^Gai^As является актуальной задачей для создания более совершенных транзисторных гетероструктур. С одной стороны, при приближении КЯ к поверхности гетероструктуры возрастает модуляция потенциала КЯ затворным напряжением, что приводит к увеличению частоты. С другой стороны, при уменьшении толщины барьерного слоя AlxGai_xAs возрастает влияние поверхностного потенциала, что приводит к изменению зонного профиля в гетероструктуре. При этом увеличивается напряженность встроенного электрического поля в верхних слоях гетероструктуры, что отражается на электрофизических и оптических свойствах. Поэтому исследование данных эффектов является крайне важным при проектировании современных транзисторных гетероструктур.
Актуальность исследования гетероструктур с использованием комбинированного легирования для получения высокой концентрации электронов в КЯ определяется необходимостью создания мощных и одновременно высокочастотных транзисторов. Одной из проблем при получении высоких концентраций электронов в КЯ является уменьшение подвижности электронов из-за интенсивного рассеяния на ионизированных донорах в структурах без модулированного легирования. Кроме того, в данных гетероструктурах необходим высокий энергетический барьер КЯ в широкозонном подзатворном слое, поскольку на затвор мощных транзисторов прикладывается достаточно большая амплитуда напряжения. Для решения данных задач идет поиск по усовершенствованию технологии роста и конструированию более сложных и продуманных гетероструктур на основе КЯ AlxGai.xAs/lnyGai.yAs/AlxGai.xAs. Например, идеи по созданию КЯ со ступенчатым профилем дна зоны проводимости, дельта-легирования в субслоях-колодцах, продуманного расположения легирующей примеси в КЯ, позволяют значительно улучшить как электрофизические свойства гетероструктуры, так и характеристики транзисторов, созданных на базе данных гетероструктур. Применение различных способов легирования, введение дополнительных функциональных слоев, направленный инжиниринг слоев гетерост-
руктуры - все это позволяет создать специфические квантовые системы с КЯ Al^Gai^As/InyGai^As/Al^Gai^As, исследование которых имеет важную фундаментальную и прикладную ценность. Цель и задачи работы
Целью работы явилось установление влияния на электронные свойства КЯ Al^Gai^As/InyGai^As/Al^Gai^As уменьшения глубины залегания КЯ и применения комбинированного объемного и дельта-легирования.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Теоретически изучено изменение встроенного электрического поля в гетеро-структурах на основе КЯ Alc^GaojvAs/Inc^GacsAs/GaAs при приближении КЯ к поверхности (уменьшении толщины барьерного слоя Ьь до 5 нм) и увеличении степени донорного легирования кремнием.
Проведены расчеты изолиний суммарной концентрации электронов в КЯ при изменении глубины залегания КЯ с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона.
Изготовлена серия гетероструктур методом МЛЭ на основе проведенного расчета изолиний суммарной концентрации электронов в КЯ.
Исследовано изменение напряженности встроенного электрического поля при приближении КЯ к поверхности гетероструктур методом спектроскопии фотоотражения.
Теоретически исследована зависимость подвижности электронов при рассеянии на ионизированных донорах от соотношения концентраций Ndeitc/No при переходе от объемного легирования (Nd) к двустороннему дельта-легированию {Ndeitc) в переходных слоях GaAs на границах составной КЯ Al0,38Gao,62As/GaAsAno45Gao,85As/GaAs/Al0,38Gao,62As в структурах с высокой электронной плотностью.
Изготовлены гетероструктуры с составной КЯ Al0,38Gao,62As/GaAsAno45Gao,85As/GaAs/Al0,38Gao,62As методом МЛЭ с различными способами легирования (Л^е/Га//Уо= 0-^1).
Исследованы электрофизические параметры выращенных гетероструктур при помощи эффектов Холла и Шубникова-де Гааза на мезаструктурах в форме холловских мостиков при температурах 300, 77 и 4,2 К.
Исследованы оптические переходы в КЯ выращенных гетероструктур методом спектроскопии ФЛ.
Научная новизна работы
-
Впервые теоретически и экспериментально установлена зависимость встроенного электрического поля в гетероструктуре с КЯ Alo3Gao,77As/InoGao,8As/GaAs от толщины барьерного слоя Ьъ с компенсирующим поверхностный потенциал легированием.
-
Разработан метод создания гетероструктур с постоянной концентрацией и высокой подвижностью электронов в КЯ Alc^Gao^As/In^Gao^As/GaAs при приближении КЯ к поверхности.
-
Впервые обнаружена и объяснена немонотонная зависимость холловской подвижности электронов от Ьь в гетероструктурах с КЯ Alc^Gao^As/In^Gao^As/GaAs с компенсирующим поверхностный потенциал легированием.
-
Впервые экспериментально установлено, что определяющую роль в изменении соотношения интенсивностей оптических переходов в спектрах ФЛ гетероструктур с разной Ьь в приближении постоянной концентрации электронов в КЯ играет встроенное поле и симметрия профиля КЯ.
-
Впервые теоретически рассчитана и объяснена зависимость подвижности электронов от соотношения концентраций Ndeitc/No при переходе от объемного легирования (ND) центральной области составной КЯ Alo,38Gao,62As/GaAsAno,i5Gao,85As/GaAs/Al0,38Gao,62As к двустороннему дельта-легированию {Ndeitc) в переходных слоях GaAs на границах составной КЯ.
6. Впервые разработан и исследован новый тип гетероструктуры с двусторонним дельта-легированием переходных слоев GaAs КЯ Al0,38Gao,62As/GaAsAno45Gao,85As/GaAs/Al0,38Gao,62As, одновременно сочетающий высокую концентрацию и приемлемую подвижность электронов. Научная и практическая значимость работы
Представленные результаты диссертационной работы расширяют известные ранее представления об электронном транспорте и оптических свойствах гете-роструктур с КЯ Al^Gai^As/In^Gai^As/Al^Gai^As различной конструкции при применении различных способов легирования. При этом фундаментальность поставленных в работе задач была прямым образом связана с исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в сложных квантовых наносистемах, состоящих из различных полупроводниковых материалов и позволяющих реализовать подход наноинженерии для создания структур с желаемыми параметрами.
Практическая ценность работы связана с тем, что исследуемые в работе ге-
тероструктуры с высокой концентрацией (более 110 см") и подвижностью (более 7000 см /В с при 300 К) электронов широко применяются в качестве базового материала малошумящих и мощных СВЧ транзисторов. Таким образом, проведенные в работе исследования позволят создавать СВЧ транзисторы с улучшенными частотными характеристиками.
В работе успешно разработаны и апробированы РНЕМТ (pseudomorphic high electron mobility transistor) гетероструктуры с необходимой концентрацией
электронов ns ~ 1,5-2,0-10 см" и сохранением высокой подвижности электронов с тонким барьерным слоем, которые могут успешно использоваться как наиболее технологичный материал для СВЧ транзисторов и схем, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн.
В работе разработан и исследован новый тип РНЕМТ гетероструктуры с неоднородным легированием составной КЯ, обеспечивающий высокую концен-трацию электронов ns ~ 10 см" и максимально уменьшающий нежелательное
рассеяние на примесях, который может успешно применяться как базовый материал для изготовления мощных СВЧ транзисторов.
Комплексные исследования электронного транспорта и оптических свойств гетероструктур на основе КЯ Al^Gai^As/In^Gai^As/Al^Gai^As с комбинированным и дельта-легированием, сопоставления проведенного в работе расчетного моделирования и экспериментальных данных свидетельствуют о высокой научной значимости работы. Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанный метод создания гетероструктур на основе КЯ Alc^GacwAs/In^Gao^As/GaAs с малой толщиной барьерного слоя Lb = 9-^16 нм, который обеспечивает высокую подвижность при сохранении требуемой концентрации электронов в КЯ за счет увеличения степени одностороннего дельта-легирования кремнием.
-
Установленная немонотонная зависимость холловской подвижности электронов от глубины залегания КЯ Alc^GaojvAs/In^Gao^As/GaAs в случае компенсации поверхностного потенциала и ее объяснение.
-
Обоснование механизма изменения соотношения интенсивности пиков на спектрах фотолюминесценции при увеличении встроенного электрического поля в гетероструктуре с малой глубиной залегания КЯ Alc^GaojvAs/In^Gao^As/GaAs с постоянной концентрацией электронов.
-
Разработанная методика создания гетероструктур, одновременно сочетающих в себе высокую концентрацию и приемлемую подвижность электронов на основе составной КЯ Alo^Gao^As/GaAsAn^isGao^As/GaAs/Alo^sGao^As с комбинированным объемным и дельта-легированием кремнием.
-
Обнаруженная зависимость подвижности электронов от номера подзоны размерного квантования в составной КЯ Al0,38Gao,62As/GaAsAno45Gao,85As/GaAs/Al0,38Gao,62As с комбинированным объемным и дельта-легированием кремнием.
Достоверность научных положений, результатов и выводов
Достоверность научных результатов обусловлена применением современных и общепризнанных экспериментальных методов: МЛЭ, спектроскопии фотолюминесценции и фотоотражения, измерений эффектов Холла и Шубникова-де Гааза. Полученные в работе результаты и выводы не противоречат ранее известным данным, неоднократно апробированы на Международных и российских конференциях и научных семинарах. Личный вклад соискателя
Соискатель принимал активное участие на всех стадиях исследования электронного транспорта и оптических свойств в гетероструктурах Al^Gai^As/InyGai^As/Al^Gai^As. Им была выполнена большая часть работ по сбору и анализу имеющихся литературных (отечественных и зарубежных) данных по теме, а также основная часть экспериментальных и расчетных работ. Расчет зонной структуры и подвижности электронов, рост образцов методом МЛЭ, измерения электрофизических параметров методом эффекта Холла, обработка данных эффекта Шубникова-де Гааза, и спектров ФЛ проводились лично соискателем. Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного содержания и выводов, содержит 195 страниц, включая 96 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 218 наименований. Апробаиия работы
Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по Нанотехнологиям "Форум Роснанотех" (Москва, 2011 г.) - Финалист IVМеждународного конкурса научных работ молодых ученых; 2-ой Международной научной конференции «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и на-носистемной технике» (Зеленоград, 2011 г.); 1-ой и 2-ой научно-практических конференциях по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2011, 2012 г.г.) - диплом стипендиата фонда имени чл.-корр. РАНМокерова ВТ.; 1-ой Всероссийской школе-
семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для энергетики» (Москва, 2011 г.); Национальной конференции по росту кристаллов IV Международной конференции "Кристаллофизика XXI века", посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2010 г.); VI, VII и IX Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2008, 2009, 2011 г.г.); Научных сессиях НИЯУ МИФИ (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 г.г.); 11-ой и 15-ой Международной телекоммуникационной конференции молодых ученых и студентов «Молодежь и наука» (Москва, 2008 и 2011 г.г.). Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликованы 31 работа в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций и семинаров, в том числе 5 работ в реферируемых журналах из перечня ВАК, 4 работы в трудах конференций и 1 патент РФ.
