Электронный спектр в модулированно-легированных гетероструктурах InGaAs/InAlAs на подложках GaAs и InP

• Автор: Клочков, Алексей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор работ в области электронных свойств модулированно-легированных гетероструктур ІпАІАзЛпСаАв/ІпАІАв
1.1 Двумерный электронный газ в полупроводниковых модулированно-легированных гетероструктурах

1.2 Полупроводниковые НЕМТ-гетероструктуры на подложках GaAs и InP

1.3 Фотолюминесцентная спектроскопия гетероструктур с квантовыми ямами

InGaAs/InAlAs

Выводы

Глава 2. Экспериментальные и теоретические методы исследования

2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия

2.1.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия твердых растворов AlGalnAs
2.1.2 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии «ЦНА-24»
2.2 Методика определения концентрации и подвижности электронов
2.3 Спектроскопия фотолюминесценции
2.4 Просвечивающая электронная микроскопия
2.5 Моделирование зонной структуры полупроводниковых гетероструктур
2.5.1 Моделирование зонной структуры полупроводниковых гетероструктур в приближении огибающей волной функции
2.5.2 Зонная структура тройных твердых растворов InGaAs и InAlAs и гетероструктур на их основе
Глава 3. Расчет электронного спектра модулированно-легированных гетероструктур InALWInGaAs
3.1 Влияние концентрации легирования на электронный спектр в квантовых ямах
Ino 53Üao 47As/Ino 52AI0 48As
3.2 Влияние толщины квантовой ямы Ino 53Gao47As/Ino 52AI048AS на спектр двумерного электронного газа
3.3 Влияние состава квантовой ямы In^Gai.,tAs/Ino52AI048AS на электронный спектр
3.4 Влияние толщины спейсера на зонную структуру Ino 5зОао47As/Ino 52AI048AS
3.5 Влияние толщины барьера на зонную структуру Ino 53Gao 47As/Ino 52AI0 4sAs..
3.6 Влияние содержания In в барьере на зонные диаграммы Ino53Ga<)47As/In;,AliyVs
Выводы
Глава 4. Спектроскопия фотолюминесценции модулированно-легированных наногетероструктур InGaAs/InAlAs с напряженными вставками InAs и GaAs

4.1 Наногетероструктуры 1пОаАз/1пА1Аз на подложках 1пР со вставками 1пАз различной толщины в квантовой яме
4.1.1 Структура и условия получения экспериментальных образцов
4.1.2 Электронная микроскопия
4.1.3 Спектроскопия фотолюминесценции наногетероструктур 1пОаАз/1пА1Аз со вставками 1пАз различной толщины
4.1.4 Моделирование зонной структуры квантовых ям 1пОаАБ/1пА1Аз со вставками 1пАэ различной толщины
4.2 Наногетероструктуры 1пОаА5/'1пЛ1Аз на подложках 1пР с парными вставками
ЫАб и/или ваАв в квантовой яме
4.2.1 Структура и условия получения экспериментальных образцов
4.2.2 Электронная микроскопия
4.2.3 Спектроскопия фотолюминесценции наногетероструктур 1пСаАз/1пА1А8 на подложках 1пР с парными вставками 1пАз и/или СаАэ
4.2.4 Моделирование зонной структуры квантовых ям ЫОаАэЛщМАз с парными вставками 1пАз и/или ОаАэ
4.2.5 Обсуждение результатов
Выводы
Глава 5. Спектроскопия фотолюминесценции метаморфных модулированно-легированных гетероструктур 1п*Са1_хА8/1пуА11.уАз
5.1 Метаморфные НЕМТ-гетероструктуры 1пхОа|.хА8ЛпхА1|.хАз на подложках ОаАэ
с содержанием индия х ~ 0.7 в квантовой яме
5.1.1 Структура и условия получения образцов
5.1.2 Спектроскопия фотолюминесценции метаморфные гетероструктур 1пхОа1.хАз/ 1пхА11-хА8 с содержанием индия х = 0.7 в квантовой яме
5.2 Метаморфные НЕМТ-гетероструктуры 1 пхОа| _х АяЛ пх А11 _ХА.$ на подложках Ста А б
с содержанием индия х ~ 0.4 в квантовой яме
5.2.1 Структура и условия получения образцов
5.2.2 Спектроскопия фотолюминесценции метаморфных НЕМТ-гетероструктур 1пхОа|.хАз/1пхА11-хА8 на подложках ваАБ с содержанием индия х ~ 0.
Выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы

Введение
Актуальность темы исследования. Модулированно-легированные гетероструктуры (МЛГ) с квантовой ямой (КЯ) InGaAs/InAlAs широко применяются в микроэлектронике в качестве базового материала для сверхвысокочастотных полевых транзисторов для приема и передачи электромагнитных волн (50 - 1000 ГГц) [1,2] в приложениях широкополосной беспроводной связи (спутниковой, мобильной, специальной), радиолокации, а также в вычислительных логических схемах [3]. В последнее время широко исследуются возможность испускания и детектирования терагерцового излучения в МЛГ при помощи возбуждения плазменных волн в ДЭГ [4, 5]. Использование МЛГ InGaAs/InAlAs обусловлено высокими достижимыми концентрацией и подвижностью электронов за счет пространственного разделения двумерного электронного газа (ДЭГ), локализованного в КЯ InGaAs/InAlAs, и ионов легирующей примеси.
Благодаря прогрессу технологии эпитаксиального роста стремительно появляются новые типы полупроводниковых гетероструктур и проводятся модификации существующих конструкций. Необходимость оптимизации электрофизических параметров гетероструктур обусловлена задачами повышения частотных характеристик полевых транзисторов. Такая оптимизация затрагивает решение ряда фундаментальных задач, связанных с исследованием энергетического спектра и явлений переноса электронов в сложных квантовых наносистемах, состоящих из различных полупроводниковых материалов. Так, широко исследуется возможность увеличения транспортных свойств ДЭГ путем зонной инженерии электронных состояний в составных КЯ (СКЯ) с использованием тонких функциональных слоев-вставок, например, InAs или GaAs. Такие слои создают потенциальные ямы или потенциальные барьеры для движения носителей заряда в СКЯ и могут быть использованы для управления областью их локализации, конструирования энергетического спектра и изменения эффективной массы. Например, за счет локализации ДЭГ внутри нанометровых слоев InAs в КЯ Ino 53Gao 47As/Ino 52AI04BAS добиваются повышения подвижности и дрейфовой скорости электронов. Несмотря на разнообразие работ по оптимизации электронного транспорта в СКЯ InAlAs/InGaAs, данные о модификации спектра электронных и дырочных состояний в СКЯ при введении дополнительных напряженных слоев довольно скудны. Практически отсутствуют исследования энергетического спектра и оптических свойств МЛГ с КЯ InGaAs/InAlAs, содержащих тонкие слои InAs и GaAs, а также влияния упругих напряжений в этих слоях на состояния электронов и дырок.
Механические деформации ограничивают возможный диапазон состава КЯ In^Ga^As в псевдоморфных МЛГ: х « 0 - 0.25 для структур на подложках GaAs, и х = 0.53 - 0.75 для

отжиге на подложку направляется пучок молекул элементов V группы, в результате чего устанавливается баланс процессов десорбции-адсорбции [124]. При отжиге подложки 1пР в потоке мышьяка на поверхности может происходить замещение атомов Р атомами Аз и образование слоя арсенида индия ТпАв [125]. Толщина напряженного слоя 1пАз для температур порядка 470-520 °С и времени выдержки 10 мин составляет 2-4 монослоя [126].
При МЛЭ выращивании твердых растворов АКЫпАз обычно выбираются такие технологические условия, при которых коэффициенты прилипания элементов III группы равны единице и состав твердого раствора определяется отношением молекулярных потоков. В зависимости от состава АЮаТпАз оптимальная температура роста может меняться в диапазоне 450 - 650 °С [127]. Для компенсации десорбции атомов Аз падающий поток молекул Аб4 должен превышать поток элементов III группы. Отношение давления мышьяка в молекулярном потоке к суммарному давлению атомов элементов III группы у (избыточное давление мышьяка) является важным технологическим параметром. Как правило, при оптимальных режимах МЛЭ независимо от величины у в кристаллическую решетку встраивается такое количество атомов Аз, которое необходимо для обеспечения стехиометрического роста, а избыток атомов Аэ десорбируется с поверхности, не участвуя в росте, т.е. стехиометрия эпитаксиального слоя соблюдается автоматически (это неверно для низкотемпературного режима роста, Т< 350 °С).
Энергия связи атомов 1п существенно ниже по сравнению с А1 и Ста при МЛЭ выращивании АЮа1пАз. Это приводит к тому, что при температурах роста более 525 °С коэффициент прилипания атомов 1п становится меньше единицы [128, 129], т.е. часть атомов 1п, адсорбированных на ростовую поверхность из молекулярного пучка, могут покинуть поверхность подложки путем десорбции. Также атомы 1п при эпитаксии 1п-содержащих твердых растворов имеют тенденцию к сегрегации (обогащению ростовой поверхности слоя атомами 1п), которая наиболее отчетливо проявляется на гетерограницах при скачкообразном изменении содержания 1п в эпитаксиальных слоях [130].
Оптимальные условия роста слоя Ino.52Alo.48As на подложке 1пР по сообщениям различных авторов лежат в диапазоне Т& = 500-530 °С и у = 25-150 [131-133]. Из-за существенной разницы энергии Ьт-Аб и А1-Аз связей при МЛЭ росте твердых растворов 1пА1Аз может происходить кластерообразование [134, 135]. При низкой температуре подложки ТЕ < 500 °С эффект кластерообразования приводит к снижению структурных (морфология поверхности и однородность) и оптических (интенсивность фотолюминесценции и ширина экситонного пика) свойств пленок Ino.52Alo.48As [ 136, 137 ] из-за развития флуктуаций химического состава твердого раствора 1пА1Аз. При повышении температуры роста выше 530 °С коэффициент прилипания 1п и состав пленки 1пА1Аз начинает зависеть от Т&.