Введение к работе
Актуальность темы
Развитие полупроводниковой электроники привело, с одной стороны, к созданию сверхбольших интегральных схем (СБИС), основанных на кремниевой технологии, с другой стороны - к созданию твердотельной электроники сверхвысоких частот (СВЧ), вплоть до 1011 Гц. Системы с использованием СВЧ сейчас наиболее важны в приложениях радиолокации, спутниковом телевидении, многоканальных системах беспроводной связи, в том числе - космической и специальной. Увеличение частотного диапазона вплоть до ТГц области спектра на сегодняшний день необходимо вследствие перегруженности существующих диапазонов, а также нарастания плотности информации. Кроме того, благодаря специфике взаимодействия ТГц излучения с веществом созданы уникальные методы спектроскопии и теравидения для систем диагностики и безопасности. СВЧ твердотельная электроника имеет заметно меньший уровень интеграции схем и использует в качестве базовых функциональных материалов не кремний, а другие полупроводники или многослойные гетероструктуры на основе различных полупроводников, в основном - соединений III и V групп периодической системы элементов таблицы Д.И. Менделеева (АЗВ5). Этот выбор продиктован уникальными свойствами таких структур - обеспечением в несколько раз более высоких дрейфовых скоростей насыщения электронов, чем в кремнии, а также возможностью инженерии зонной структуры. Главное преимущество ге-тероструктур заключается в использовании двумерного электронного газа, который локализуется в потенциале квантовой ямы (КЯ) в поперечном направлении. Низкоразмерные системы проявляют уникальные новые свойства, связанные с размерным квантованием энергии и квазиимпульса электронов, а также с пространственным распределением зарядов (например, квантовый эффект Холла, сверхвысокие подвижности электронов).
В последние два десятилетия наблюдается интенсивное развитие промышленного освоения гетероструктурных СВЧ приборов, в том числе НЕМТ (high electron mobility transistor) на основе гетеросистем InGaAs/InAlAs/InAlAs на подложках фосфида индия (InP). Возрастает также число научных работ, посвященных исследованиям таких гетероструктур. Такая тенденция объясняется заметными преимуществами, которые дает использование InP НЕМТ структур в приложениях, требующих достаточно высоких частотных и низких шумовых параметров. В то время как псевдоморфные НЕМТ приборы на GaAs ограничены величиной мольной доли InAs в 20-К30%, в канале НЕМТ приборов на InP возможно повышение этой величины до 70% и более. Помимо этого, за счет введения дополнительного слоя InAs в активную область гетероструктуры возможно увеличить электронную подвижность за счет уменьшения эффективной массы электронов, однако при этом возникает механическое напряжение слоя и ограничение, связанное с релаксацией решетки. Поэтому, уменьшение накопления механической деформации в растущих слоях является и по сей день актуальной проблемой. Оптимизация конструкции и дизайна гетероструктуры становится ключевой задачей для достижения рекордных значений подвижности и, одновременно, концентрации двумерных электронов, что обеспечит большую проводимость канала транзистора и высокий к.п.д. Исследование влияния конструктивных особенностей наногетероструктуры, выбор состава и толщины активного слоя - КЯ, применение напряженных слоев, способа легирования (одностороннее или двухстороннее) и изучение структурных особенностей гетероструктур является комплексной и сложной задачей. При помощи эпитаксиальной технологии возможно создать сложную двумерную систему с КЯ, составленной из нескольких гетерослоев, для формирования зонного профиля с одновременным учетом ограничений, накладываемых механическими свойствами гетероматериалов. При этом для получения максимальной информации о такой системе необходимо привлекать не только традиционные измерения холловских параметров при комнатной температуре, но и подробно проанализировать взаимосвязь структурных и электрофизических параметров, с
использованием ряда методик, таких как температурные зависимости сопротивления, квантовые осцилляционные эффекты.
Необходимо решение вопросов и развитие существующих подходов, учитывающих изменение электрофизических свойств конкретной гетероструктуры за счет изменения состава квантовой ямы (например, увеличения мольной доли InAs в слое InGaAs). Кроме того, необходимо учитывать ухудшение кристаллического совершенства эпитаксиальных слоев за счет частичной релаксации напряжений в квантовой области гетероструктуры, образование протяженных дефектов, включение новой кристаллической фазы с параметром решетки, отличным от параметра решетки подложки InP. Таким образом, стоящая задача вовлекает исследование фундаментальных электронных свойств новых КЯ совместно с контролем их структурных параметров.
Цель и задачи работы
Целью работы явилось установление влияния введения одной и нескольких наноразмерных вставок нелегированного InAs в квантовую яму Ino^Gao^As на электрофизические и структурные свойства наногетероструктур In^Alo^As/Ino^Gao^yAs/Ino^Alo^As.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.
Исследован электронный транспорт в выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) образцах с одиночной (ОКЯ) и составной (СКЯ) ямой InGaAs, содержащих одну или две наноразмерные вставки InAs.
Изучено влияние состава, ширины однородной и составной КЯ, а также способа 8-легирования кремнием (одностороннего и двухстороннего) на электрофизические свойства гетероструктур: электронную подвижность це и концентрацию электронов пе в КЯ при различных температурах (Т= 4,2; 77 и 300 К).
Проведен расчет зонной структуры образцов с помощью самосогласованного решения уравнений Шредингера и Пуассона и результаты сопоставлены с экспериментальными данными.
Исследован и проанализирован низкотемпературный магнетотранспорт (эффект Шубникова-де Гааза) в образцах с КЯ обоих типов; определено заполнение подзон размерного квантования электронами. В образцах с ОКЯ оценено соотношение подвижностей электронов в двух заполненных подзонах.
В образцах с ОКЯ различной глубины определены квантовое xq и транспортное тг времена рассеяния электронов в каждой подзоне размерного квантования методами Дингла и Фурье - спектров осцилляции Шубникова-де Гааза (ШдГ); из анализа xtlxq установлен доминирующий механизм рассеяния электронов.
Проведено комплексное исследование влияния введения одной нанораз-мерной вставки InAs различной толщины в центр КЯ Ino^Gao^yAs на электрофизические свойства и структурные особенности наногетероструктур Ino^Alo^As/Ino^Gao^vAs/Ino^Alo^As с двухсторонним дельта-легированием кремнием.
Теоретически рассчитаны и экспериментально измерены эффективные массы электронов в структурах с одиночной КЯ и СКЯ.
Научная новизна работы
При выполнении работы получены следующие результаты.
-
Впервые показано влияние введения двух нановставок InAs и/или GaAs на электрофизические свойства в наногетероструктурах с СКЯ Іп^АІ і yWIn^Gai .xAs/lnyA\ г yWInP.
-
Предложена технология формирования методом МЛЭ наногетероструктур Ino^Alo^As/Ino^Gao^As/Ino^Alo^As с наноразмерными вставками InAs с
резкими границами раздела, что подтверждено совместно методами рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии.
-
Впервые показано, что изменение эффективной массы электронов в составной КЯ связано не только с изменением среднего состава, но также с инженерией зонного профиля и волновых функций (ВФ) электронов.
-
Впервые предложена конструкция наногетероструктуры с двумя нанов-ставками InAs, в которой достигнуто заметное уменьшение эффективной массы электронов по сравнению со структурой с одиночной решеточно-согласованной КЯ Ino^Gao^yAs.
Научная и практическая значимость работы
Полученные результаты диссертационной работы расширяют известные ранее представления об электронном транспорте и структурных особенностях на-ногетероструктур, а также описывают свойства новой предложенной конструкции гетероструктур на основе гетеросистемы Ino^Alo^As/In^Gai^As/Ino^Alo^As. Результаты могут быть полезны в работах, ставящих своей целью оптимизацию активных слоев гетероструктур, уменьшение плотности дислокаций в растущих эпитаксиальных слоях, исследование механизмов рассеяния электронов в составных квантовых ямах. Практическая ценность работы связана с тем, что подобные гетероструктуры являются материалом для построения элементной базы современных СВЧ устройств миллиметрового диапазона. Впервые предложенная композиция гетероструктуры с несколькими вставками InAs может привести к созданию СВЧ приборов с высокими значениями частоты и крутизны, а также стимулирует новые исследования в направлении развития и изучения перспективных конструкций гетероструктур с функциональными слоями за счет инженерии зонной структуры и уменьшения эффективной массы носителей в КЯ. Таким образом, предложенная технология создания гетероструктур с составными КЯ позволяет создавать базовые наноматериалы для устройств современной твердотельной СВЧ электроники миллиметрового диапазона длин
волн.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанная методика роста гетероструктур методом МЛЭ при понижен
ной температуре и уменьшенном давлении мышьяка с одной и двумя нанов-
ставками InAs с резкими гетероинтерфейсами Ino^Alo^As/ІПо^Gao^As и
Ino^Gao^yAs/InAs, позволяющая достичь высоких значений подвижности
де ~ 13 000 см2/Вс при Т= 300 К.
2. Установленное уменьшение эффективной ширины составной КЯ
Ino^Gao^vAs/InAs/Ino^Gao^yAs с увеличением толщины центральной вставки
InAs.
-
Установленная зависимость изменения отношения квантового к транспортному времен релаксации импульса в гетероструктурах с повышенным содержанием InAs в КЯ InxGai.xAs.
-
Разработанный подход к уменьшению эффективной массы электронов за счет введения в КЯ симметрично расположенных нановставок InAs.
-
Экспериментально полученное подтверждение справедливости приближения локальной эффективной массы электронов в составной КЯ с наноразмерными гетеровставками InAs и/или GaAs, рассчитанной с учетом непараболичности энергетического спектра электронов.
Достоверность научных положений, результатов и выводов
Достоверность научных результатов обусловлена применением современных и общепризнанных экспериментальных методов: МЛЭ, рентгеновской ди-фрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, а также измерениями эффектов Холла и Шубникова-де Гааза и т.д. 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 работы. Им был выполнен анализ имеющихся литературных (отечественных и зарубежных) данных по теме, а также основная часть экспериментальных и расчетных работ по исследованию электронного транспорта, измерения электрофизических параметров при помощи эффектов Холла в наногетероструктурах InAlAs/InGaAs/InAlAs. Расчет зонной структуры, рост образцов методом МЛЭ, обработка данных измерений эффекта ШдГ проводились также с непосредственным участием соискателя.
Объем и структура работы
