Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию свободных и связанных носителей заряда в напряжённых гетероструктурах Ge/GeSi с квантовыми ямами методами миллиметровой и субмиллиметровой спектроскопии.
Актуальность темы
В последние 20 лет гетероструктуры с квантовыми ямами являются одним из основных объектов как фундаментальных, так и прикладных исследований в физике полупроводников и полупроводниковой электронике. Локализация носителей заряда в тонком слое полупроводника, а также изменение энергетических спектров и плотности состояний носителей заряда в гетероструктурах позволяют исследовать новые эффекты, характерные лишь для двумерных систем. Возможности управления свойствами носителей заряда в гетероструктурах ("зонная инженерия") используются для создания новых электронных и оптических приборов. В этой связи гетеросистема кремний-германий вызывает особый интерес, поскольку приборы на основе гетероструктур Si-Ge могут быть легко внедрены в развитую кремниевую технологию изготовления интегральных микросхем (см., например, обзоры [1-2]). Особенностью таких гетероструктур является упругая деформация слоев, возникающая из-за несоответствия постоянных решётки Si и Ge. Показано [1-3], что двуосная деформация приводит к изменению зонной диаграммы и энергетических спектров носителей заряда в напряжённых гетероструктурах и может рассматриваться как дополнительный инструмент "зонной инженерии", позволяющий модифицировать спектр носителей в нужном направлении. Большая часть работ, выполненных за последние 15 лет, посвящена исследованию структурных, электрофизических, оптических свойств гетероструктур Si/SiGe. Гетероструктуры "со стороны германия" Ge/ GeSi к настоящему времени являются менее востребованными и менее изученными; однако, как показали исследования, такие структуры могут представлять интерес как с фундаментальной, так с прикладной точки зрения.
Теоретически и экспериментально установлено, что потенциаль-
ные ямы для дырок в гетерссистемах на основе Ge и Si реализуются б слоях с большим содержанием германия, т.е. для гетероструктур Si/SiGe - в слоях SiGe, где подвижность дырок ограничена рассеянием на флук-туациях состава сплава SiGe. В гетероструктурах Ge/GeSi дырки локализованы в слоях чистого Ge, где "сплавное" рассеяние отсутствует. Если слои Ge напряжены, эффективная масса дырок существенно уменьшается из-за расщепления подзон легких и тяжелых дырок, приводя к дополнительному росту подвижности. Это делает напряжённые гетерост-руктуры Ge/GcSi привлекательным материалом для изготовления МДП транзисторов с каналом р-типа. Расщепление подзон тяжёлых и лёгких дырок и уменьшение эффективной массы дырок приводит также к уменьшению энергии связи мелких акцепторов в напряжённых гетероструктурах Ge/GeSi по сравнению с объёмным Ge. В этой связи интерес представляет изготовление на основе напряжённых гетероструктур Ge/GeSi фотоэлектрического приёмника дальнего инфракрасного (ИК) диапазона, принцип действия которого основан на фотовозбуждении мелких примесных центров. Как показано в диссертации, такой приёмник действительно имеет полосу чувствительности, смещённую относительно полосы приёмника на объёмном Ge в длинноволновую сторону дальнего ИК диапазона, где имеется "дефицит" твёрдотельных фотоэлектрических детекторов, причём спектр чувствительности приёмника может контролироваться методами "зонной инженерии".
Как уже отмечалось, исследования гетероструктур Ge/GeSi представляют значительный интерес и с фундаментальной точки зрения. Известно, что спектр дырок в таких полупроводниках, как Ge, Si, GaAs имеет сложный вид и чрезвычайно чувствителен к эффектам негидростатической деформации [5] и размерного квантования [6]. Однако возможность наблюдения и исследования влияния этих эффектов в напряжённых гетероструктурах Si/SiGe (и InGaAs/GaAs) ограничена низкой подвижностью дырок. В этом смысле гетероструктуры Ge/GeSi с высокой подвижностью дырок представляют уникальные возможности для исследования спектров дырок в напряжённых гетероструктурах и изучения достаточно тонких эффектов, которые не могут наблюдаться в других гетероструктурах.
Основной целью работы являлось экспериментальное исследование методами субмиллиметровой спектроскопии носителей заряда в напряжённых гетероструктурах Ge/GeSi(ll 1) (поглощение на
циклотронном резонансе, спонтанное излучение горячих носителей, фотоэлектрическая спектроскопия мелких примесей).
Научная новизна работы
1 Впервые исследованы спектры циклотронного резонанса двумерных
дырок в нелегированных напряжённых гетероструктурах с малым уровнем остаточной примеси (1013-И0мсм3), что позволило непосредственно измерить эффективную массу дырок на дне первой подзоны размерного квантования в «классических» магнитных полях (й<йс s къТ) и наблюдать эффект увеличения массы (вплоть до 4 раз) при разогреве дырок электрическим полем.
-
Впервые исследовано спонтанное излучение горячих дырок в гетероструктурах Ge/GeSi в сильных электрических полях в широком спектральном диапазоне hco = 4-^25 мэВ.
-
Впервые при исследовании циклотронного резонанса дырок в кваїггующих магнитных полях (hcoc » kQT) для выявления переходов между различными парами неэквидистантных уровней Ландау использован метод разогрева носителей постоянным электрическим полем; это позволило провести классификацию переходов с нижнего и вышележащего уровней Ландау.
-
Впервые исследованы спектры длинноволновой ИК фотопроводимости в напряжённых гетероструктурах Ge/GeSi р-типа с остаточным уровнем примеси порядка 1014 см3; показано, что наблюдаемый фотоотклик связан с мелкими акцепторами, расположенными как в квантовых ямах (слоях Ge), так и в барьерах (слоях GeSi).
Практическая пенпость работы
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для расчёта транспортных характеристик приборов с германиевым каналом в на основе гетероструктур Ge-Si р-типа. В работе продемонстрирована возможность создания примесного фотоприёмника для длинноволновой части дальнего ИК диапазона.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Энергетический спектр двумерных дырок в напряжённых
величиной эффективной массы на дне первой подзоны размерного квантования /мс« 0.07то и сильной непараболичностыо закона дисперсии, приводящей к многократному возрастанию эффективной массы с ростом концентрации дырок или при разогреве их электрическим полем.
-
Спектр спонтанного длинноволнового ИК излучения горячих дырок в области межподзонных переходов является широким вследствие неэквидистантности подзон размерного квантования.
-
В квантующих магнитных полях (hcuc» кцТ) циклотронная масса дырок практически не зависит от напряжённости магнитного поля и энергии кванта излучения, что свидетельствует о слабом взаимодействии нижних уровней Ландау друг с другом.
-
Энергия связи мелких акцепторов в напряжённых гетероструктурах Ge/GeSi оказывается существенно меньше, чем в объёмном p-Ge, вследствие уменьшения эффективной массы дырок, обусловленного расщеплением подзон лёгких и тяжёлых дырок из-за эффектов встроенной деформации и размерного квантования. В спектрах длинноволновой ИК фотопроводимости структур с остаточными акцепторами помимо переходов, связанных с возбуждением примесей, расположенных вблизи центров квантовых ям (hco « 7 мэВ) наблюдается широкая полоса фоточувствительности (hco = 2+4 мэВ), обусловленная наличием ещё более мелких состояний, связанных с примесями, находящимися в барьерных слоях GeSi.
Публикации и апробация результатов работы
Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А43] и докладывались на 1-4 Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997; Новосибирск, 1999), 1-7 Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" (Репино, 1993-1999), Международных конференциях "Полупроводниковые структуры: приборы и материалы" (SSDM) (Япония, Чиба, 1993; Иокогама, 1994), 21 Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Берлин, Германия, 1996), 23 и 24 Международных конференциях по физике полупроводников (Берлин, Германия, 1996; Иерусалим, Израиль, 1998), 23 Международном симпозиуме по полупроводниковым
соединениям (С.Петербург, 1996), Международном симпозиуме но исследованию полупроводниковых приборов (Шарлоттесвилль, США, 1997), 8 Международной конференции по мелким примесным центрам в полупроводниках (Монпелье, Франция, 1998), Международной конференции по терагерцовой спектроскопии (Мюнхен, Германия, 1999), 9 Международной конференции по модулированным полупроводниковым гетероструктурам (Фукуока, Япония, 1999), 9 Международном симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках (Вильнюс, Литва, 1995), Всероссийских совещаниях "Наноструктуры на основе Ge и Si" (Нижний Новгород, 1998) и "Нанофотоника-99" (Нижний Новгород, 1999), а также на семинарах ИПФ РАН и ИФМ РАН и конференциях ННГУ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы, в том числе 8 статей в научных журналах и 35 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём диссертации составляет 165 страниц, включая 86 страниц основного текста, 65 рисунков, размещенных на 65 страницах, и список литературы, который содержит 184 наименования и размещён на 14 страницах.
