Электронные свойства структур с квантовой ямой InxGa1-xAs (0.2 x 0.6) на подложках GaAs и InP Юзеева, Наталия Александровна

Введение к работе

Актуальность темы

Современную СВЧ электронику невозможно представить без HEMT (high electron mobility transistor - транзистор с высокой подвижностью электронов). HEMT представляет из себя полевой транзистор, проводящий канал которого создается гетеропереходом или квантовой ямой. Материалы слоёв подбираются так, чтобы ширина запрещённой зоны материала барьерного слоя превосходила ширину запрещённой зоны канала. Например, широко используются гетеросистемы InAlAs (широкозонный материал, барьер) и InGaAs (узкозонный материал, квантовая яма) на подложках InP. Таким образом, формируется квантовая яма, а в ней - двумерные электроны. Впервые HEMT были продемонстрированы в 1980 году. Сейчас HEMT стал одним из главных полупроводниковых приборов, используемых в широкополосной спутниковой и мобильной связи, системах безопасности, радиолокации, радиоастрономии, метеорологии, в медицинском оборудовании, спутниковом и цифровом телевидении. К преимуществам HEMT относятся высокая предельная частота и низкий уровень шума.

Для роста HEMT-етруктур обычно используют подложки GaAs или InP. Транзисторы с высокой подвижностью электронов на HEMT-етруктурах с квантовой ямой InAlAs/InGaAs, выращенных на подложках InP, имеют преимущества по сравнению с HEMT на подложках GaAs: у них выше предельная частота генерации, низкий уровень шума, больший коэффициент усиления и большая предельно допустимая выходная мощность линейного усилителя. Но подложки GaAs дешевле и прочнее подложек InP.

Одним из показателей качества HEMT-етруктур является высокое

значение произведения подвижности H_e и концентрации n_e двумерных электронов. Само значение H_e также должно быть высоким. Например, произведение H_en_e и H_e входят в выражение для тока в канале:

2 Л

WcjU_e

Wcj e

Fgs - V_r )V_ds -

Id =

(1)

O_m V _- ^vDS. "e^VDS 2

где I_d - сила тока в канале, W - ширина затвора, L - длина затвора, c - теплоёмкость единичной площади, U_e - подвижность двумерного электронного газа, V_GS - напряжение затвор-исток, V_r - пороговое напряжение, V_ds - напряжение сток-исток (напряжение смещения), O - коэффициент пропорциональности, n_e - концентрация двумерного электронного газа. А величина максимального тока канала I_Dm^ входит в выражение для выходной мощности линейного усилителя P_ou

out

^Pout 1 ¹D_max (^VDS ^Vknee⁾,

где V_knee - напряжение насыщения. Кроме того, произведение подвижности и концентрации носителей заряда определяет сопротивление R канала:

(3)

R =

^eneUe

где e - модуль заряда электрона.

Безусловно, для высокого значения произведения ju_en_e необходимы определённые технологические приёмы роста и легирования структур, обычно в качестве легирующей примеси и-типа используют кремний. Чем выше

(2)

уровень легирования, тем выше значение ⁿ_e , но существуют механизмы, ограничивающие рост концентрации, например, амфотерность кремния. Увеличение концентрации носителей заряда может сопровождаться при определенных концентрациях уменьшением их подвижности из-за увеличивающегося рассеяния на заряженных ионах примеси. Подвижность электронов в канале зависит и от многих характеристик HEMT-структуры: зонной структуры материалов, входящих в состав структуры, дополнительного
рассеяния носителей заряда на шероховатостях боковых стенок квантовой ямы и др.

Однако работ, где комплексно бы изучались зонная структура, электрофизические параметры НЕМТ-структур на подложках InP в зависимости от уровня легирования, ширины квантовой ямы, наличия вставок InAs в квантовой яме, не так много. В частности, в литературе мало работ, где с помощью эффекта Шубникова - де Гааза были бы детально исследованы электронные подвижности в подзонах размерного квантования в НЕМТ- структурах с изоморфной квантовой ямой

In_{0 52}Al₀₄₈AsAn_{0 53}Gaa₄₇AsAn_{0 52}Al₀₄₈As на подложках InP в зависимости от ширины квантовой ямы, наличия вставок InAs в яме, влияние освещения на подвижности электронов.

Цель работы

Изучение влияния на зонную структуру и подвижности двумерных электронов в HEMT-структурах с квантовой ямой InGaAs на подложках GaAs и InP различных параметров HEMT-структур, таких как: ширина квантовой ямы, уровень легирования, наличие вставок InAs в квантовой яме и их толщины. Изучение влияния освещения на подвижности двумерных электронов и исследование замороженной фотопроводимости в HEMT-структурах с квантовой ямой InGaAs.

Научные задачи

1. Изучение влияния освещения на электронные свойства 5-легированных HEMT-структур с квантовой ямой GaAsAn₀₂Gaa₈AsMi₀₂₃Gaa₇₇As на подложках GaAs. Определение по эффектам Холла и Шубникова - де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структур GaAs/In₀.₂Ga₀.₈As/Al₀.23Ga₀.₇₇As на подложках GaAs.

2. Исследование замороженной фотопроводимости в HEMT-структурах с изоморфной квантовой ямой In_{0 52}Al₀.₄₈As/In₀.₅3Ga₀.₄₇As/In₀.₅₂Al₀₄₈As на подложках InP и влияние освещения на температурные зависимости сопротивления. Исследование кинетики релаксации замороженной фотопроводимости в таких HEMT-структурах. Определение по эффекту Шубникова - де Гааза концентраций, квантовых и транспортных подвижностей электронов в подзонах размерного квантования как в темноте, так и при освещении в односторонне 5-легированых кремнием HEMT-структурах Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложках InP, отличающихся шириной квантовой ямы.

3. Изучение влияния ширины квантовой ямы на подвижности односторонне 5- легированных кремнием HEMT-структур с квантовой ямой In_{0 52}Al₀₄₈As/In_o.₅₃Ga_o.₄₇As на подложках InP. Расчёт профиля дна зоны проводимости, уровней энергии и волновых функций электронов. Расчёт квантовых и транспортных подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах с учётом межподзонных переходов.

4. Определение по эффектам Холла и Шубникова - де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования двусторонне 5-легированных кремнием HEMT-структур на подложках InP Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/InAs/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As и изучение влияния введения вставки InAs различной толщины в центр квантовой ямы на подвижность электронов.

Научная новизна

4. 1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах GaAs/In₀₂Ga₀₈As/Al_o.₂₃Ga_o.₇₇As на подложках GaAs и в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах на подложках InP с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As.

   2. Рассчитаны зонные диаграммы односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структур In_{0 52}Al_o.₄₈As/In_o.₅₃Ga₀₄₇As/In_o.₅₂Al_o.₄₈As и их изменение при освещении структур, а также двусторонне 5-легированных кремнием

   HEMT-структур c квантовой ямой In0.₅₂Al₀₄₈As/In₀.₅₃Ga0.₄₇As/In₀.₅₂Al₀.₄₈As со вставкой InAs в центре квантовой ямы.

   4. 3. Проведены расчёты квантовой и транспортной подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах при учёте межподзонных переходов в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах In₀.₅₂Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga0.₄₇As/In₀.₅₂Al₀.₄₈As на подложках InP и в двусторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах c квантовой ямой In_{0 52}Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga₀.₄₇As/In₀.₅₂Al₀₄₈As на подложках InP со вставкой InAs в квантовой яме различной толщины. Показано, что расчётные значения подвижностей хорошо согласуются с экспериментальными значениями.

      4. Исследованы подвижности электронов в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах с изоморфной квантовой ямой In₀.₅₂Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga₀.₄₇As/In₀.₅₂Al₀.₄₈As на подложках InP как в темноте, так и при освещении. Показано, что квантовые подвижности существенно меньше транспортных, что указывает на преобладающую роль малоуглового рассеяния электронов.

      5. Исследованы подвижности электронов в HEMT-структурах c квантовой ямой In₀.₅₂Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga₀.₄₇As/In₀.₅₂Al₀.₄₈As на подложках InP со вставкой InAs различной толщины в центре квантовой ямы. Определена оптимальная толщина вставки InAs для получения максимальной электронной подвижности.

      Основные положения, выносимые на защиту

      1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость до T « 200 К в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах GaAs/Ino.₂Gao.₈As/Al₀₂₃Gao.₇₇As на подложках GaAs. Замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Из анализа эффекта Шубникова - де Гааза, который позволяет определить концентрации и подвижности

      электронов в подзонах размерного квантования, определены оптимальные параметры структур для получения максимальной подвижности электронов.

      4. 5. 1. Показано, что в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах с изоморфной квантовой ямой In_{0 52}Al₀₄₈AsAn_{0 53}Gaa₄₇AsAn_{0 52}Al₀₄₈As на подложках InP подвижность двумерных электронов зависит от ширины квантовой ямы. Для определения квантовых и транспортных подвижностей электронов использован эффект Шубникова - де Гааза при 4.2 К. Подвижность электронов максимальна (53500 см²/(Вс)) при ширине квантовой ямы 160 А.

            2. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость с порогом Т « 170 К в односторонне 5-легированных кремнием HEMT-структурах с изоморфной квантовой ямой In_{0 52}Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga₀.₄₇As/In₀.₅₂Al₀₄₈As на подложках InP. Показано, что замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Характерные времена релаксации фотопроводимости составляют десятки секунд. При увеличении концентрации электронов под действием освещения подвижности электронов во всех структурах увеличиваются и

            максимальная подвижность электронов (60200 см /(В с) при 4.2 К) наблюдается в квантовой яме шириной 160 А.

            4. 5. 3. Показано, что в HEMT-структурах c квантовой ямой In_{0 52}Al₀.₄₈As/In₀.₅₃Ga₀.₄₇As/In_{0 52}Al₀.₄₈As на подложках InP подвижность двумерных электронов зависит от толщины вставки InAs в центре квантовой ямы. Максимальная подвижность электронов зафиксирована при толщине вставки InAs 31.4 А.

                  Научная и практическая значимость

                  Результаты данной работы могут быть использованы для оптимизации параметров HEMT-структур с квантовой ямой InGaAs (ширина квантовой ямы, концентрация примеси кремния в 5-слоях, расположение 5-слоёв, присутствие пристеночных слоёв GaAs, присутствие вставок InAs в квантовой яме и их толщины). Такие структуры являются материалом для построения элементной

                  базы современных СВЧ устройств. Полученные результаты исследований расширяют фундаментальные знания о HEMT-структурах с квантовой ямой InGaAs, 5-легированных кремнием, а значит, способствуют совершенствованию транзисторов с высокой подвижностью электронов, необходимых в СВЧ электронике. Результаты диссертации использованы при выполнении следующих НИР в ИСВЧПЭ РАН: «Исследования по созданию конструктивно - технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30 - 40 ГГц» и «Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур InAlAs/InGaAs/GaAs для диапазона 60 - 80 ГГц».

                  Личный вклад соискателя

                  Основная часть работы по сбору и анализу литературных данных, а также расчёты зонной структуры, транспортных и квантовых подвижностей электронов по эффекту Шубникова - де Гааза и прямые теоретические расчёты подвижности электронов при рассеянии на ионизированных примесях с учётом межподзонных переходов выполнены лично соискателем. Все измерения гальваномагнитных свойств, эффекта Шубникова - де Гааза при низких температурах и их обработка, представленные в диссертации, выполнены соискателем самостоятельно.

                  Апробация работы

                  Основные результаты данной работы были представлены на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах и научных школах:

                  4. 5. 3. 1. International conference for young scientists Low Temperature Physics - ICYS-LTP-2010 (Kharkiv, 2010);

                           2. XVII и XVIII международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010», «Ломоносов-2011» (Москва, 2010, 2011);

                           3. Advanced Research Workshop "Fundamentals of electronic nanosystems" NANO-Питер 2010 (St. Petersburg, 2010);

                           4. Научно-практическая конференция по физике, технологии наногетероструктурной СВЧ-электронике «Мокеровские чтения» (Москва, 2011);

                           5. International conference on materials for advanced technologies - ICMAT'2011 (Singapore, 2011);

                           6. IX Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2011);

                           7. 2^nd International advances applied physics & material science congress (APMAS 2012), (Antalya, Turkey, 2012);

                           8. XX International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Nizhny Novgorod, 2012);

                           9. XXXVI Совещание по Физике Низких Температур, ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург, 2012);

                           10.International Conference on Nanoscience + Technology (France, 2012);

                           4. 5. 3. 9. 1. Международная научная конференция «Современные наукоёмкие технологии» (Испания, 2012);

                                       2. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2013 (Москва, 2013).

                                       Публикации по теме диссертации

                                       Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, из них 9 статей опубликованы в журналах, включённых в перечень Высшей аттестационной комиссии (ВАК), и рецензируемых научных журналах.

                                       Объём и структура работы

                                       Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка литературы. Текст работы представлен на 119 страницах, включая 48 рисунков, 14 таблиц. Список литературы содержит 114 наименований.

                                       Похожие диссертации на Электронные свойства структур с квантовой ямой InxGa1-xAs (0.2 x 0.6) на подложках GaAs и InP

                                       Влияние дизайна метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства эпитаксиальных метаморфных НЕМТ наногетероструктур In0.7Al0.3As/In0.7Ga0.3As/In0.7Al0.3As на подложках GaAs и InPПушкарев Сергей Сергеевич

                                       Получение и свойства омических контактов микронных размеров к полупроводникам А3 В5 (GaAs, InP)Лопатин, Вадим Владимирович

                                       

                                       Особенности спектрального преобразования при параметрическом взаимодействии волн пространственного заряда в полупроводниковых структурах на основе n-GaAs, n-InP, n-GaNСергеев Сергей Алексеевич

                                       

                                       Влияние дефектов на электрофизические свойства структур металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводникБогданов Сергей Александрович

                                       

                                       Люминесцентные свойства структур на основе кремния в области длин волн 1,5-1,6 мкм Крыжков Денис Игоревич

                                       Разработка методов акустической микроскопии для исследования структуры и свойств твердотельных материаловЧжан Сунгэнь

                                       Реальная структура, электродинамические свойства синтетического алмаза и создание на его основе детекторов ионизирующего излученияРоманко, Людмила Алексеевна

                                       Структура и свойства пленок металлов и полуметаллов, полученных методом частично ионизированного потока с высокой эффективностью ионизацииКононенко, Олег Викторович

                                       Электрические и фотоэлектрические свойства диодных структур на основе полупроводниковых соединений А3 В5Фетисова Валентина Михайловна

                                       

                                       Близкопольная сканирующая зондовая микроскопия для формирования и измерения свойств наноразмерных структур Душкин Игорь Валерьевич