Введение к работе
Актуальность темы В последние два-три десятилетия в физике полупроводников и твердотельной микроэлектронике резко возрос интерес к структурам с пониженной размерностью. Это обусловлено как возникновением и изучением новых физических эффектов и созданием новых поколений приборов, так и возможностью улучшения свойств существующих полупроводниковых приборов.
.Когда движение свободных носителей ограничено областями с характерными размерами порядка де-бройлевской длины волны, происходит изменение характеристик энергетического спектра. Это приводит к тому, что все основные характеристики структуры начинают зависеть от её размеров. В таких структурах существенно меняется большинство электронных свойств из-за возникновения большого числа новых размерных эффектов вдоль координаты, по которой ограничено движение. В этом состоит проявление квантово-размерного эффекта, а структуры и их свойства, которые определяются этим эффектом, называются низкоразмерными.
Возможность создания низкоразмерных структур в полупроводниках появилась после получения совершенных гетероструктур и сверхрешёток на их основе и в связи с бурным развитием современных технологий, а именно: молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), газофазной эпитаксии и нанолитографии [1-4].
В настоящее время одномерные и нульмерные системы получают
методами субмикронной литографии на базе двумерных. Кроме того, в
последнее время для создания одномерных систем всё чаще используются
подложки с вицинальными (слабо разориентированными в определённом
направлении) поверхностями. В этом случае возможно создание структуры с
т.н. квантовыми нитями как при росте гетероструктур на подложках с
ориентациями (1П)А и (111)В [5-7], так и за счёт сегрегации легирующей
примеси (олова) при использовании 5-легирования на вицинальные грани
подложек GaAs [8]. Описанные выше структуры представляют собой
квантовые ямы (КЯ), полученные 8-легированием. Возможно также создание
КЯ из двух гетеропереходов. В этом случае можно получить существенно
большую подвижность электронов, например, за счёт специального
легирования или введения туннельно-прозрачного барьера [9]. Однако
количество работ, посвященных синтезу такшигтпуігтур и исаладвианию их
электрофизических и транспортых свойств
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 фал» вдеяотеКА I
Также недостаточно экспериментальных работ, посвященных детальному исследованию структур AlGaAs/GaAs/AlGaAs, содержащих внутри КЯ тонкий барьер AlAs. Как известно, в КЯ гетероструктур с модулированным легированием AlGaAs/GaAs/AlGaAs при температурах выше 77 К рассеяние электронов происходит в основном на полярных оптических (ПО) фононах. Рассеяние электронов на ПО фононах является неупругим и зависит от заполнения электронных состояний Расчеты, выполненные в работе [9], показали, что рассеяние электронов на ПО фононах в КЯ можно регулировать, управляя спектром и заполнением состояний в КЯ. Такое регулирование позволяет как повысить, так и понизить подвижность электронов (цД что изменяет и позволяет улучшать параметры быстродействия транзисторов, изготовленных на таких структурах.
Целью работы является поиск и разработка технологии получения полупроводниковых структур, содержащих квазиодномерные каналы без применения нанолитографических методов их формирования и исследование электрофизических свойств полученных структур, а также синтез структур со связанными КЯ (структуры типа AlGaAs/GaAs/AlGaAs с тонким AlAs барьером толщиной -0,5-^2 нм внутри КЯ) и исследование электронных свойств и электронного транспорта при двустороннем легировании таких структур.
Работа посвящена решению следующих конкретных задач:
Изучение влияния условий роста (температуры роста Тр, соотношения потоков As и Ga y=^AsfPoa, где Pas и Pgs - парциальные давления паров As и Ga в зоне роста установки МЛЭ) при использовании в качестве подложек пластин GaAs с ориентациями (100), (111)А, (Ш)В на структурные и электрофизические свойства эпитаксиальных плёнок (ЭП).
Исследование распределения и перераспределения кремния в ЭП GaAs, выращенных методом МЛЭ на подложках с разными ориентациями.
Выяснение возможности использования свойства амфотерности атомов Si для получения планарных р-п-переходов на подложках GaAs с ориентацией (111)А, при использовании лишь одной легирующей примеси.
Синтез с помощью МЛЭ ЭП с 8-легированными слоями Si на слабо разориентированных в направлении [211] подложках GaAs с ориентацией
(111)А. '"„^«
- Исследование'аннаїщщ^лііи проводимое і и и спектров фотолюминесценции
(ФЛ) в заиисим'осИ,^*''угла разориентлшш а в б-Бі-леіированньїх с^оях
GaAs, выращенных на разориентированных в направлении [21І] подложках (lll)AGaAs.
- Синтез структур с симметричными связанными КЯ AlGaAs/GaAs/AlGaAs,
разделенными тонким AlAs барьером, и исследование их оптических
свойств.
- Разработка структур со связанными КЯ (на основе структур п-
AlGaAs/GaAs/n-AJGaAs с AlAs барьером и без него) с двусторонним
легированием и исследование электронного транспорта
Объекты и методы исследования Исследования выполнены на образцах, выращенных методом МЛЭ на установке ЦНА-24 (Россия, г. Рязань). В качестве исходных материалов в установке МЛЭ использовались As марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10'5 % (7N), Ga марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10"*% (8N) и А1 марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10"4 % (6N). В качестве легирующей примеси использовался Si. Для каждой исследуемой структуры оптимизировались условия роста (Тр, у, время и температура предварительного отжига подложки перед ростом и т.д.) с целью получения ЭП наиболее высокого качества. Исследования свойств изучаемых структур проводились с помощью широкого круга экспериментальных методик, обеспечивающих максимально полную и достоверную информацию: измерения эффекта Холла, ФЛ, вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС), рентгено-дифракционные исследования, атомио-силовая микроскопия и др.
Практическая значимость работы.
1. Предложена и разработана технология изготовления
квазиодномерных квантовых структур без применения нанолитографии, а на
основе использования разориентированных в направлении [2її] подложек
GaAs с ориентацией (111)А и 5-легирования Si.
-
Выполнен большой комплекс работ по росту ЭП на подложках GaAs с ориентациями (100), (И1)А, (111)В в едином технологическом процессе при широком диапазоне изменения у (от -10 до ~77), по исследованию электрофизических свойств выращенных ЭП и изучению амфотерного поведения St как легирующей примеси при использовании в качестве подложек пластин GaAs с указанными ориентациями.
-
Продемонстрирована возможность получения планарных диодов при использовании подложек (Ш)А GaAs, а в качестве легирующей примеси юлько одчоїі примеси Si
6 4. Проведено систематизированное исследование изменения энергетического спектра и транспорта носителей в структурах AlGaAs/GaAs/AlGaAs при: 1) введении тонкого AlAs барьера в центр КЯ и
изменении его толщины: 2) изменении ширины КЯ от 75Адо 350А; 3) применении двустороннего легирования и изменении степени легирования.
Научная новизна работы, В работе впервые предложены и методом МЛЭ выращены структуры с квазиодномерными каналами при использовании в качестве подложек разориентированные в направлении [211] пластины GaAs с ориентацией (111)А и 6-легирования Si. Выполнены процессы эпитаксиального роста для широкого диапазона изменения у (от -10 до ~70) и для разных углов разориентации от 0 до 5.
- Обнаружен сдвиг полосы ФЛ при Йи~1,36 эВ в сторону больших
энергий с ростом угла разориентации для образцов с одиночными 5-Si-
легированными слоями, выращенными при у&\8. Наблюдаемый сдвиг
полосы ФЛ объяснен возникновением на террасах и ступеньках вицинальной
поверхности донорно-акцепторных (Д-А) пар, в которых среднее расстояние
между донорами и акцепторами изменяется в зависимости от угла
разориентации.
- Выявлены вариации формы спектра ФЛ, величины и типа
проводимости эпитаксиальных слоев в зависимости от величины у и
ориентации подложек GaAs, используемых для МЛЭ роста [(100), (Ш)А,
(111)В]. Эти вариации интерпретированы, исходя из изменений
концентрации акцепторов Si, их энергетического спектра, а также изменения
соотношения концентрации донорных и акцепторных состояний Si.
- Впервые обнаружена анизотропия проводимости в 5-8і-легированньіх
структурах, выращенных на разориентированных подложках (111)А.
Проведены измерения эффекта Холла и температурных зависимостей
сопротивления в диапазоне температур 4,2-300 К вдоль и поперёк ступеней
вицинальной поверхности, возникающей при разориентации (111)А GaAs
подложек в направлении [2ЇІ]. Выявленная анизотропия проводимости
объяснена либо различным влиянием непрерывного распределения примеси
на подвижности носителей для различного направления тока, либо
появлением компенсированных областей.
- Впервые созданы планарные структуры с p-n-переходами и
изготовлены диоды на подложках (lll)A GaAs с использованием только
одной легирующей примеси Si используя его амфотериосп.. Показано, что в
зависимости от структуры слоев вольт-амперная характеристика (ВАХ) приборов имеет вид как у обычного или обращенного диода.
- Экспериментально показано заметное влияние введения AJAs барьера
малой толщины (5 А и 10 А) в центр КЯ AlGaAs/GaAs/AlGaAs на энергетический спектр квантовых состояний.
Впервые экспериментально установлен эффект изменения подвижности электронов с изменением толщины КЯ гетероструктуры AlGaAs/GaAs/AlGaAs с модулированным двусторонним легированием. Определены условия увеличения подвижности при введении в КЯ тонкого
барьера AJAs (~15+20 А).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Предсказанная, экспериментально обнаруженная и исследованная
анизотропия проводимости при использовании в МЛЭ в качестве исходных
подложек слабо разориентированных в направлении [2 її] пластин GaAs с
ориентацией (111)А и 8-легировании Si.
2. Результаты исследований эффекта влияния соотношения потоков As и Ga
на электрофизические, фотолюминесцентные и структурные свойства
эпитаксиальных слоев, выращенных на подложках GaAs (100), (111)А,
(111)В.
3. Новые экспериментальные результаты фотолюминесцентных и
электрофизических исследований эпитаксиальных структур с одиночными 8-
легированными Si слоями, выращенными на подложках (111)А GaAs,
разориентированных в направлении [2 її ] на углы от 0 до 3, при широком
диапазоне изменения у от 18 до 77 и их интерпретация. Обнаруженный сдвиг
полосы ФЛ при пш=1,36эВ в сторону больших энергий для у=18 в
зависимости от угла разориентации.
-
Обнаруженные особенности распределения и перераспределения атомов кремния в квази S-Si-легированных эпитаксиальных структурах, выращенных на подложках GaAs с ориентациями (100), (111)А и (111)В.
-
Реализация свойства амфотерности Si, как лишь одной легирующей примеси, для создания пленарных p-n-переходов при использовании подложек GaAs с ориентацией (111)А.
-
Экспериментально подтверждённый эффект регулирования подвижности электронов в КЯ гетероструктуры AlGaAs/GaAs/AlGaAs с модулированным двусторонним легированием при использовании AlAs барьера в центре КЯ.
7. Новые проявления квантово-размерных эффектов в структурах AIGaAs/GaAs'AIGaAs при введении в центр КЯ AlAs барьера разной
толщины и изменении ширины КЯ от 75 А до 350 А.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и опубликованы в трудах следующих конференций, совещаний и симпозиумов: VI Всесоюзный семинар "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия" (г. Харьков, 1991 г.); 23 Международная конференция по составным полупроводникам (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), Всероссийский симпозиум по электронике (г. Рязань, 1996 г.); Пятая и шестая международные конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (г. Таганрог, 1998 и 1999 гг.); Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектро-ника" (г. Звенигород, 1998 и 2001 гг.); III и VI Всероссийские конференции по физике полупроводников "Полупроводники 97" и "Полупроводники 99" (г. Москва, 1997 г. и г. Новосибирск, 1999 г.); Международная конференция по сверхрешёткам, наноструктурам и наноприборам ICSNN 2002 (Франция, Тулуза, 2002 г.); Восьмая Российская конференция "Арсенид Галлия и Полупроводниковые соединения группы III-V" GaAs - 2002 (г. Томск, 2002 г.); Международная конференция "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (г. Ульяновск, 2002 г.); 1 Iм Международная конференция "Наноструктуры: физика и технология" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.).
Личный вклад автора состоит в развитии научной проблемы формирования и исследования свойств двумерных и одномерных структур, в формулировании конкретных задач, нахождении методов и путей их решения, постановке экспериментальных исследований и их непосредственном проведении, в выращивании образцов и подготовке их к измерениям, в анализе и интерпретации полученных результатов, в осуществлении научного руководства проектами по Межотраслевой научно-технической программе России "Физика твердотельных наноструктур" (№ 2-030/4, № 96-2009, 99-2044) и по программе Минпромнауки "Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники" по теме "Технология низкоразмерных объектов и систем" (Государственный контракт №40.072.1.1.1178) по разработке технологии получения низкоразмерных систем методом МЛЭ. В диссертацию вошли работы, выполненные совместно с соавторами-теоретиками. В этих работах личный вклад а»юра заключается в участии в постановке задачи, обсуждении и изложении резулып юн, ігодгоіовіх статей и докиадои
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы, а также списка работ, опубликованных по теме диссертации, изложена на 203 страницах, включает 54 рисунка, 13 таблиц и 162 ссылки на литературные источники.
