автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электрофизические свойства и оптимизация параметров эпитаксиальных псевдоморфных НЕМТ структур с односторонним и двухсторонним дельта - легированием

Климов Евгений Александрович

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПСЕВДОМОРФНЫХ НЕМТ СТРУКТУР С ОДНОСТОРОННИМ И ДВУХСТОРОННИМ ДЕЛЬТА - ЛЕГИРОВАНИЕМ

Специальность 05.27.01. - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

12 ид? гт

Москва-2012

005012610

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Галиев Галиб Бариевич

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Васильевский Иван Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент, профессор МГТУ МИРЭА Мельников Александр Александрович кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией ФИАН им. П.Н. Лебедева Казаков Игорь Петрович

Ведущая организация:

ФГУП НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина

Защита состоится « » 2012г. в часов на

заседании диссертационного совета Д.212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454 г. Москва, пр. Вернадского, д.78

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики

Автореферат разослан 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент ^ Вальднер В.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) открыл широкие возможности в создании искусственных полупроводниковых структур с заданными свойствами на основе большого разнообразия материалов. Процесс эпитаксиального роста при МЛЭ позволяет реализовывать контролируемый рост слоев толщиной до атомных размеров различных химических элементов и/или соединений. Эпитаксиальные слои при этом обладают очень высоким структурным совершенством. Это позволило наблюдать качественно новые физические явления в двумерном электронном газе, обладающим высокой подвижностью. Многие привычные электронные и оп-тоэлектронные устройства используют сложные гетероструктуры как базовый материал.

Основой элементной базы почти всех СВЧ устройств является полевой транзистор на основе гетероструктур. Особенностью современного этапа развития СВЧ электроники является все более широкое внедрение наногетероструктур и усложнение их конструкции для создания качественно новых систем связи с улучшенными характеристиками.

Первые полевые транзисторы с высокой подвижностью двумерного электронного газа были изготовлены на основе гетероструктур АЮаАБ/ОаАз и нашли широкое применение на этапе становления твердотельной СВЧ электроники. Однако, в настоящее время такие структуры уже не удовлетворяют современным потребностям и прежде всего в мощных СВЧ цепях. Для получения высокой частоты и мощности СВЧ приборов наиболее широко применяются псевдоморфные А^Сла^АкЛпуОа^уАя/Сау^ (РНЕМТ) структуры. В таких структурах гонкий напряженный эпитаксиальный слой 1пуСа1.уА8, с содержанием 1п < 22 % выращивается между СаЛя и АЮаАз барьерными слоями. В этом случае высота формирующего квантовую яму барьера увеличивается за счёт понижения дна зоны проводимости в напряжённом 1пуСа1_уА8 слое. С увеличением разрыва зоны проводимости ДЕС, возрастает плотность электронов в канале. Также возрастает их подвижность за счет меньшей эффективной массы электронов в ТПуСа^уЛя по сравнению с СаАв. Однако, из-за большого несоответствия параметров решетки 1пАя и ваАя (Да/а=7,2 %) выбор толщины и состава слоя Inj.Gai.yAs ограничены условиями упругой деформации.

Анализ основных характеристик электронного транспорта в РНЕМТ транзисторных структурах, таких как подвижность 20 электронов це и концентрация п5 показывает, что идет постоянный поиск и усовершенствование технологических приемов создания транзисторных структур, а также

оптимизация базовой структуры. Электрофизические параметры зависят от многих факторов: способа и уровня легирования донорных слоев, толщины спейсерного слоя, а также и от технологических особенностей при выращивании слоев, такие как, например, введение дополнительных субслоев при использовании 5-легирования.

Таким образом, оптимизация параметров РНЕМТ структур и технологии их роста является актуальной задачей. С практической точки зрения, возрастание подвижности в РНЕМТ наногетероструктурах позволяет также улучшить параметры СВЧ транзисторов, в частности, снизить шумы и повысить частотный диапазон.

Основной целью диссертационной работы являлись: 1) разработка алгоритма выбора оптимальной конструкции РНЕМТ структуры для малошумяших и мощных усилителей СВЧ диапазона; 2) выбор оптимальных технологических режимов получения РНЕМТ структур с наилучшими электрофизическими параметрами; 3) исследование электрофизических и структурных характеристик выращенных наногетеро-структур.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Проведение расчета профиля зоны проводимости, положения уровней размерного квантования, распределения электронной плотности с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шредингера-Пуассона в РНЕМТ структурах с односторонним и двухсторонним легированием.

• Анализ данных расчета и выбор близких к оптимальным параметров РНЕМТ структур: а) для мало шумящих усилителей (односторонне легированные РНЕМТ структуры), и б) для мощных СВЧ транзисторов (двухсторонне легированные РНЕМТ структуры).

Исследование электрофизических, структурных и оптических свойств РНЕМТ структур с односторонним легированием при изменении способа легирования (модулированное легирование и легирование), уровня легирования и толщины спейсерного слоя.

• Исследование электрофизических, структурных и оптических (фотолюминесценция) свойств РНЕМТ гетероструктур с двухсторонним 5-

легированием при разных значениях суммарной концентрации легирования при сохранении соотношения концентрации легирования верхнего и нижнего 5- слоев 1 и 3:1. Для этого был выращен набор образцов

с диапазоном изменения от 3.8Т012 до 8.3Т012 см"2.

• Исследование зависимости подвижности и распределения концентрации электронов в подзонах в РНЕМТ гетероструктурах с двухсторонним легированием с помощью эффекта Шубникова-де-Гааза в зависимости от уровня легирования.

Объекты исследования. В работе исследованы РНЕМТ наногетеро-структуры двух типов, выращенные методом МЛЭ на полуизолирующих подложках GaAs с ориентацией (100). 1-й тип - это РНЕМТ структуры AlxGai_xAs/InyGai_yAs/GaAs с односторонним легированием, и П-й тип -РНЕМТ структуры AlxGai.xAs/InyGai.yAs/AlxGai.xAs/GaAs с двухсторонним легированием. Для выяснения возможностей улучшения электрофизических характеристик в исследуемых структурах дополнительно вводились один или несколько монослоев GaAs перед и после нанесения б- легированного кремнием слоя. Также исследовались свойства РНЕМТ структур при различных способах легирования - модулированное (в образцах I типа) и б- легирования (в образцах I и II типа). В образцах изменялись концентрация легирования кремнием, соотношение концентраций доноров в нижнем и верхнем дельта-слоях (в образцах II типа), толщина спейсерного и барьерного слоев AlxGai.xAs, а также технологические условия их формирования.

Использованные методы исследования. По измерениям эффекта Холла в слабом магнитном поле при температурах 300 К и 77 К анализировались удельное сопротивление, холловская концентрация и подвижность электронов. Оптические свойства образцов исследовались методом низкотемпературной спектроскопии фотолюминесценции при температуре 77 К. Расширенные исследования электрофизических параметров проведены при помощи измерения температурных зависимостей сопротивления в интервале температур от 4.2 К до 300 К. В частности, измерено магнетосо-противление и эффект Холла в исследуемых образцах при низких температурах в квантующем магнитном поле до 6 Тл (физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова). Из эффекта осцилляции Шубникова-де-Гааза определена концентрация электронов в подзонах как с высокой подвижностью электронов, так и с низкой. Для структурной характеризации образцов применялся метод исследования кривых дифракционного отражения вблизи рефлекса (400) в геометрии 0/29 (Институт кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН). Из данных измерений определены толщины и состав слоев InyGai.yAs и AlxGai.xAs.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Определено оптимальное строение слоев псевдоморфной гете-роструктуры с квантовой ямой AlGaAs/InGaAs/GaAs с односторонним 5-легированием кремнием при помощи самосогласованного расчета зонной структуры, в условиях одновременно высокой концентрации электронов в квантовой яме и отсутствия параллельной проводимости по легированному слою.

Впервые обнаружено, что в оптимизированных РНЕМТ структурах повышение температуры роста спейсерного слоя от 590°С до 610°С

при неизменности остальных параметров и условий роста приводит к увеличению подвижности д> на 53% и 69% при Т=300 К и Т=77 К, соответственно. Показано, что обнаруженное увеличение подвижности /4 сохраняется в температурном диапазоне 1(М5°С выше, чем температура роста барьерного слоя.

• Показана эффективность введения субслоев ваАв до и после формирования слоя и канала ТпОаАз, которая выражается в улучшении электрофизических и структурных свойств РНЕМТ наногетерострук-тур.

• Впервые показано, что повышение мольной доли А1Аз в барьерном слое А1хОа].хА8 в тонком верхнем приповерхностном слое, толщиной 15-К>0А, до значений от х=0.23 до х=0.26, как в односторонне, так и в двухсторонне легированных РНЕМТ структур позволяет, не влияя на электрофизические параметры РНЕМТ структуры, облегчить подбор селективного травителя при формировании и подгонки затвора СВЧ транзисторов для улучшения и получения необходимых характеристик СВЧ приборов.

• Показано, что разработанный алгоритм оптимизации (расчет зонной диаграммы структур, выбор оптимальных технологических режимов роста каждого из слоев, введение монослоев ваАв на границах раздела) РНЕМТ гетероструктуры является эффективным для получения наилучших электрофизических параметров РНЕМТ структур для приборных применений в различных частотных и мощностных диапазонах.

Достоверность научных результатов и выводов обусловлена использованием современных и апробированных методов как создания нано-гетероструктур, так и исследования их структурных и электронных транспортных свойств. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетного моделирования. Выполненные исследования проведены на большом массиве образцов, а также с использованием аттестованного оборудования.

Практическая значимость работы

1. Проведен комплекс работ по оптимизации технологических режимов роста каждого из слоев составляющих РНЕМТ структуру (сверхрешетки АЮаАз/СаАз, буферного слоя (лаАэ, канала ГпуОа^.Аз, барьерного слоя А1хОа].хА8 и 6-81 монослоя).

2. Продемонстрирована возможность увеличения подвижности электронов в канале 1пОаАк РНЕМТ структуры на 50% за счет увеличения температуры роста спейсерного слоя по отношению к барьерному слою, что важно для приборных приложений.

3. Показана эффективность повышения содержания мольной доли

алюминия толщиной 15-^20 А в конце барьерного слоя А1хОа[.хЛ5 от х=0.23 до х=0.26. Последнее способствует более надежному срабатыванию селективного травителя при формировании подзатворного заглубления.

4. Проведенные исследования РНЕМТ наногетероструктур с односторонним и двухсторонним легированием методами эффекта Холла, спектроскопии фотолюминесценции, эффекта Шубникова-де-Гааза и рентгеновской дифрактометрии позволили детально изучить и описать наблюдаемые в образцах эффекты и особенности, а также предложить набор РНЕМТ структур для различных диапазонов СВЧ приборов в рамках проводимых в ИСВЧПЭ РАН научно-исследовательских работ.

5. Предложена и разработана последовательность оптимизации РНЕМТ структуры, позволяющая получать малошумящие усилители (МШУ) и монолитные интегральные схемы (МИС) с требуемыми параметрами.

6. Результаты работы использованы при проектировании и изготовлении мощных СВЧ транзисторов, МШУ и МИС на основе РНЕМТ структур, выращенных на подложках ОаАв при выполнении НИР «Исследование и разработка приборного ряда гетероструктурных псевдоморфных СВЧ транзисторов (мощных, средней мощности и малошумящих) для приемо-передающих модулей АФАР Х-диапазона» шифр: «0мега-2004-И», «Исследование и разработка технологии монолитных СВЧ-микросхем на Р-НЕМТ гетероструктурах для приемо-передающих модулей АФАР X-диапазона с выходной мощностью до 10-15Вт» шифр: «Локатор-2004-гетеро», и «Поисковые исследования по созданию СВЧ- приборов в диапазоне частот до ЮОГГц для систем связи и радиолокации военного назначения» шифр: «Декаметр», а также при выполнении проектов по Программам фундаментальных исследований Президиума РАН «Квантовые наноструктуры» шифр: «Яма» и «Основы фундаментальных исследований на-нотехнологий и наноматериалов» шифр: «Рассогласование».

Основные положения, выносимые на защиту

• Результаты теоретического анализа зависимости параметров зонной структуры (профиля зонной структуры, уровней размерного квантования £,, распределение электронной плотности) от толщины барьерного и спейсерного слоев, а также от уровня легирования в РНЕМТ структурах с одно- и двухсторонним 5-81 легированием.

Экспериментальные данные по исследованию электрофизических и структурных характеристик выращенных методом МЛЭ односторонне и двухсторонне легированных РНЕМТ структур.

• Результаты выбора и обоснования физических принципов формирования каждого из слоев РНЕМТ наногетероструктур, а также введе-

ния моносдоев GaAs в РНЕМТ гетероструктурах.

• Результаты совершенствования электрофизических параметров РНЕМТ наногетероструктур при корректировании температуры роста спейсерного слоя. Обнаруженный эффект увеличения подвижности двумерного электронного газа це на 69% при температуре жидкого азота и це на 50% при комнатной температуре в оптимизированных РНЕМТ гетероструктурах при увеличении температуры роста только спейсерного слоя от 590 до 610°С.

Результаты исследования электронного магнетотранспорта в РНЕМТ наногетероструктурах с двухсторонним легированием в зависимости от уровня легирования кремнием.

Личный вклад автора

Автором выращены и подготовлены к исследованиям различными методами все описанные в работе образцы;

При непосредственном участии автора разработана и оптимизирована лабораторная технология изготовления РНЕМТ наногетероструктур для малошумящих и мощных СВЧ транзисторов;

Автором проведены измерения подвижности ре и концентрации ns двумерного электронного газа методом эффекта Холла;

Автором проведены расчеты профиля зоны проводимости, положения уровней размерного квантования, распределения электронной плотности с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шредингера-Пуассона в РНЕМТ структурах с односторонним и двухсторонним легированием.

Апробация результатов работы

Основные результаты данной работы докладывались на международных и Всероссийских научных конференциях:

International Conference on Micro- and Nanoelectronics, ICMNE-2005, (Звенигород), 2005; Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2005, (Минск), 2005; VIII Российской конференции по физике полупроводников, (Екатеринбург), 2007; Научной сессии МИФИ-2007, (Москва), 2007; 6-ой Курчатовской молодежной научной школы, (Москва), 2008; Научной сессии МИФИ-2009, (Москва), 2009; IX Российской конференции по физике полупроводников, (Новосибирск-Томск), 2009; 7-ой Курчатовской молодежной научной школы, (Москва), 2009; Научной сессии МИФИ-2010, (Москва), 2010, Научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (Москва), 2011.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано б статей в рецензируемых

отечественных и зарубежных научных журналах, входящих в перечень ВАК министерства образования и науки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, б статей в трудах конференций, а также 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 118 наименований. Диссертация содержит 152 страницы, включая 55 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, а также сформулированы цели и вытекающие из них практические задачи по выращиванию и исследованию электрофизических и структурных характеристик одно- и двухсторонне легированных РНЕМТ гетероструктур. Приведены сведения о состоянии проблемы на момент начала исследований и по настоящее время, сформулированы положения и результаты, выносимые на защиту, а также научная новизна и практическая значимость работы. Приводятся сведения об апробации и список публикаций по теме диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорно-аналитический характер. В ней приведены сведения о типах наногетероструктур с высокой подвижностью двумерного электронного газа и их свойств.

В разделе 1.2 представлены данные о структуре GaAs/AlxGai_xAs, где впервые была получена гетероструктура с двумерным электронным газом. Описаны механизмы, влияющие на подвижность электронов це в квантовых ямах, а также способы легирования барьерных слоев в НЕМТ структурах.

В разделе 1.3 рассмотрены механизмы роста напряженных эпигакси-альных слоев IiixGa^As/GaAs и проанализированы условия получения слоев InxGai.xAs в зависимости от состава а- и толщины.

В разделе 1.4 рассмотрена классификация транзисторных структур на подложках GaAs и InP. Классификация составлена от полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПШТ) до полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) на основе AlGaAs/GaAs и псевдоморф-ных транзисторных структур (РНЕМТ) на основе AlGaAs/InGaAs/GaAs и AlGaAs/GaAs/AlGaAs. Приведены электрофизические, фотолюминесцентные характеристики РНЕМТ структур, а также поведение краев энергетических зон Ес и Ev, распределение плотности электронов при различных толщинах спейсерных слоев полученных расчетным путем. В разделе 1.4.4

коротко описаны метаморфные НЕМТ (МНЕМТ) структуры на GaAs и на-ногетероструктуры на InP в которых содержание индия в канале может достигать 70% и более.

Во второй главе представлены методы выращивания наногетерост-руктур и их характеризация. Основное внимание уделено процессу моле-кулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), описаны принцип работы и блок-схема установки (ЦНА-24), на которой были выращены все исследуемые образцы. В разделах 2.3.4, 2.5.1, 2.5.2 описаны методы определения качества буферного слоя GaAs методом спектроскопии фотолюминесценции и методы определения концентрации ns и подвижности це двумерного электронного газа на основе эффекта Холла.

Третья глава посвящена моделированию зонной структуры РНЕМТ структур с односторонним и двухсторонним 8-Si легированием с помощью численного решения самосогласованной системы уравнений Шредингера

*JL[ 1 ±} + U(;)]

2dz{m(z)dz) W

и Пуассона

= (2)

В расчетах были использованы значения Qc=AEc/AEg -0.64, энергия зоны проводимости на поверхности U(0)=0.7 эВ. Уравнение Шредингера решалось методом матрицы переноса, уравнение Пуассона - методом прогонки. Для РНЕМТ структур AlxGai,хAs/InyGa]_yAs/GaAs и AlxGai_ xAs/InyGabyAs/ AlxGai_xAs/GaAs при расчете были использованы следующие значения: х=0.22, >=0.18, а значения эффективных масс в GaAs т*=0,0667т0, в In0,isGa0,82As т*=0,060то, в Alo^GaojgAs т*=0,087т0, разрывы зоны проводимости относительно GaAs были приняты равными ЛЕс=- 0,12эВ для IrijGa^jAs/GaAs и АЕС=+ 0,2эВ для A^GauAs/GaAs.a ^5=0,7 эВ.

На рис. 1а и б представлено схематическое изображение поперечного сечения слоев оптимизированных транзисторных РНЕМТ структур с односторонним (рис. 1а) и двухсторонним (рис. 16) 5-Si легированием, а на рис.2а, б представлены профили зоны проводимости, уровни размерного квантования и распределение электронной плотности n(z) для односторонне 5-Si легированных РНЕМТ структур с разным уровнем легирования.

Для данной геометрии 15-РНЕМТ структуры рассчитана зависимость концентрации электронов в канале tii и в области 5-Si слоя п2 от концентрации легирования Nj. Показано, что параллельная проводимость наступает при Л?/=3,2-1012см"2, соответствующем концентрации электронов в канале «;~2,5-Ю12см"2.

Также была рассчитана зависимость концентрации электронов пе в канале от толщины спейсера при фиксированном уровне легирования А^/^НО^см"2 и показано, что при выбранных параметрах РНЕМТ структуры, начиная с с15р>6 нм, проявляется параллельная проводимость, и концентрация электронов в подзоне квантовой ямы резко уменьшается за счёт перехода части электронов в область 8-слоя (рис.3). На рисунке стрелкой показана точка, соответствующая появлению параллельной проводимости.

пЧЗаАв (3-6-10,2см^)

ьАЮаАй барьер

5-51 донорный слой

i-Alo.2Gao.8As спейсер

i-Ino.1sGao.82As канал

1-СтаА5 буферный слой

Полуизолирующая подложка ОаАа (100)_

200-500А

260 А

35А

120А

0.5мкм

¿-ОаАй_(сар-слой)

1- А1хОа1.хАз__

82-^1 донорный слой 1-А1^0а|_,Аз спейсер ¡-1|1у('та|.уАк канал ¿-А^ОаьхАз спейсер 8Г81 донорный слой

1- А1уОа1^А5_

СР2 А1хОа1.хА5/ОаАз

ьОаАБ_(буфер 2)

СР1 Л1,Оа<.гА*/СаА$

ьОаАз_(буфер 1)

Полуизолирующая подложка ОаА8(ЮО)_

7нм ЗЗнм

5нм 11нм

5нм

40нм

120нм

0.45мкм

25нм

50нм

а б

Рис.1 Схематическое изображение транзисторной РНЕМТ структуры с односторонним (а) и холловской структуры с двухсторонним (б) 6-81 легированием.

0,6

> 0,4 и

0,2 0,0

' \Г\ а V 4-«(У

Е

к"

0.6 \ А ь

0,4 \ \

> - 0,2 \ в-в! 4—ф)

0,0 £

1 ^

-0,2 V Е>

Рис. 2 Профиль зоны проводимости Р-НЕМТ-15 структуры, уровни размерного квантования Е, и распределение электронной плотности п(г): а)

умеренное легирование, N¿=2-1012 см'", б) сильное легирование, N¿1=4-10'2 см'2.

На основе этих данных как базовая структура для малошумящих СВЧ транзисторов была выбрана РНЕМТ структура с 5-81 легированием. Аналогичные расчеты были проведены для РНЕМТ наногетероструктур с двухсторонним 5-легированием (рис. 16). На рис.4 представлены рассчитанные зоны проводимости ис(г), уровни размерного квантования Е{ и волновые функции электронов г'-й подзоны для умеренно легированного (рис.4а) и сильнолегированного (рис.4б) образцов.

Исходя из представленных в главе 3 расчетов показано, что путем анализа можно выбрать диапазон толщин слоев РНЕМТ наногетерострук-туры (толщины барьерного и спейсерного слоев, толщину канала), а также уровень легирования.

с! , пп1

Рис. 3 Зависимость концентрации Рис. 4 Профиль зоны проводимости электронов в канале п; от толщины ис(г), уровни размерного квантова-спейсера с1хр. ния £, и волновые фунюцш электро-

нов в подзонах размерного квантования для умеренно легированного образца (328) и сильнолегированного образца (316).

В четвертой главе в разделах 4.1 и 4.2 представлены результаты исследования электрофизических параметров и структурных характеристик РНЕМТ гетероструктур с односторонним легированием кремнием. Были исследованы РНЕМТ структуры с модулировано легированным барьерным слоем и с 5-81 легированием. В случае использования в РНЕМТ структурах 5- легирования обнаружено повышение подвижности ре на ~50% при Т=300К при увеличении температуры спейсерного слоя на 20°С по сравнению с Тр барьерного слоя. Результаты исследования электронного транспорта приведены в таблице 1. Увеличение /ле объяснено улучшением структурного совершенства спейсерного слоя, что подтверждается

рентгенодифракционными и фотолюминесцентными исследованиями.

Таблица 1. Подвижность це и концентрация электронов п$ в образцах РНЕМТ-1д с различной температурой роста спейсериого АЮаА.ч слоя

№ об- 7V°C Т=300 К Т=77 К

разца и,, 10"'см"2 /je, см2/В-с п„ 1012-см"2 /ие, см^/В-с

1 590 1.4 4900 1,7 11350

2 600 1,3 6500 1,62 13380

3 610 1,3 7500 1,6 19200

На рис. 5 представлены измеренные при Т=77 К спектры ФЛ образцов № 1, 2 и 3.

Пики на спектрах в области энергий фотонов #«/«1.34 и йш:=г1.39 эВ соответствуют переходам от первой Е, и второй Е2 электронных подзон к первой подзоне тяжёлых дырок (переходы Ец и E2i) в квантовой яме InGaAs. Положение пиков практически совпадает для всех образцов, что свидетельствует о том, что зонная структура исследуемых образцов, а, значит, fuc. 5 Спектры фотолюмгтесцетпш, из-

м енные и'Г~ 77 К ширина квантовой ямы

меренные при . InyGa^yAs и мольная доля In у

не изменялись в зависимости от температуры роста спейсера. Значения полной ширины на половине максимума интенсивности сигнала ФЛ А коррелируют с данными по подвижностям (табл. 1): чем больше подвижность /гс, тем меньше значение А.

В разделе 4.3 представлены результаты исследования влияния толщины барьерного слоя Ьъ на электрофизические свойства односторонне легированных РНЕМТ структур в специально продуманной конструкции, а именно: величина значения Ns,-Lb была постоянной, т.е. NSi'Lb~const. Такое исследование необходимо для расширения класса РНЕМТ структур используемых в разных целях: СВЧ транзисторы с большой крутизной, с разными пробивными напряжениями и для разного диапазона частот. По-

1,0 I -#1

1 ---#2

h il I

0,6 ■ Aj La

0,4 Vf ! р i

0.2 ] J W-Jw^K

Energy, eV

казано что в диапазоне уровня легирования кремнием от 4.3-1012 до 8.25-1012см"2 варьируя значение Ьь от 90А до 180А можно обеспечить концентрацию в канале п:: от 1.15-1012 до 1.32-1012 см"2 сохраняя высокую подвижность ие от ~8200 до 10600 см2/В-с (при Т=300К). в табл. 2 представлены значения ре и пв в РНЕМТ структурах с разным значением Ьь с подкорректированным уровнем легирования N5;.

Таблица 2. Технологические параметры и значения це и ns двумерного электронного газа в выращенных РНЕМТ структурах с разным расстоянием от поверхности Ьъ с односторонним 3- легированием.

№ образца Толщина барьерного слоя (Lb), А Уровень легирующей примеси (Na) при Т Si источника 1120°С Це, СМ2/(В'С) -2 ns, 10 см

300К 77К ЗООК 77К

1 180 4.3х 1012 см"2 8310 25570 1.23 1.30

2 150 5.0х 1012 см"2 10650 36090 1.15 1.35

3 130 5.7Х1012 см"2 8480 27900 1.28 1.29

4 110 б.бхЮ12 см-2 9820 37750 1.38 1.32

5 90 8.25хЮи см"2 8120 27880 1.33 1.33

Пятая глава посвящена исследованию электрофизических и структурных свойств РНЕМТ наногетероструктур с двухсторонним легированием. На основе анализа расчета таких структур, которые были выполнены в главе 3, были выращены структуры с тремя значениями концентрации легирования N¡1, соответствующие заполнению одной, двух и трех подзон размерного квантования в гетероструктуре. В таблице 3 представлены измеренные методом Холла значения ре и н5 при Т=300 и 77К, а также определены из измерений магнетосопротивления и осцилляции Шубникова -де-Гааза (ШдГ) при Т=4.2К щ, п&щ и /ие.

Таблица 3. Подвижность //е и концентрация н, электронов в образцах при различной концентрации кремния в ô-легированных слоях (N¿1 и N¿2; соотношение N<¡¡/N¿2 - 4:1)._

№ образца Ndl+Nd2 (Si), 1012 см"2 Т= 300 к Г=77К Т= 4.2 К

"s, ю'2 см"2 Me, см2/(В-с) 1012 см"2 Me, см2/(В-с) "s, nsdH, Me, (см2/В-с)

1012 см"2

316 8.3 3.4 5 870 З.б 12 700 4.2 2.66 12 900

320 6.5 3.0 6 860 3.1 16 800 3.9 2.62 18 400

328 3.8 2.2 7 500 2.4 21 000 2.4 2.34 23 600

На рис.6 приведены результаты измерения магнетосопротивления и осцилляции ШдГ при Т=4.2К для образцов №328 и №316. На вставке приведен Фурье-спектр осцилляций образца №316.

В образце 316 в полях В>3 Тл видны биения огибающей осцилляций, из-за появления более низкой частоты осцилляций - вклада в эффект ШдГ от верхней подзоны с меньшей концентрацией электронов. На вставке рисунка 6 приведен Фурье-спектр осцилляций образца 316, на котором виден отчетливый пик в области большой концентрации и слабо выраженный пик в области низкой концентрации. Сопоставление с моделированием показывает, что слабый пик на Фурье-спектре в области концентраций /г/с 1.01012 см"2 соответствует концентрации электронов в верхней заполненной подзоне, причем его низкая интенсивность позволяет судить о низкой подвижности ре в данной подзоне.

В образцах с двухсторонним 5-легированием были проведены измерения спектров фотолюминесценции при Т=77К, представленные на рис.7. Проведен анализ спектров ФЛ и идентифицированы переходы из первой подзоны тяжелых дырок в первую и вторую электронные подзоны (е1-ЬЫ, е2-Ыг1 переходы). Интенсивности и размытость линий переходов сопоставлены с поведением Ч^ в рассчитанной зонной диаграмме. Структурное совершенство РНЕМТ структур (№316 и 328), а также толщины слоев, исследовались с помощью рентгеновской дифрактометрии. Показано хорошее совпадение теоретических и экспериментальных кривых дифракционного отражения.

-316 ■..... ' 1,51 ev|

.....320

.......-328

1,31 ev

] 1,41 ev

.............. .....

/1 ,'30eV

■..... 'ч. J Г\

1.20 1.25 1.30 1.36 1.40 1.45 1.50 1.55 Energy, eV

Рис. б Осцилляции Шубникова- де Рис. 7 Спектры фотолюминесценции Гааза при температуре Т = 4.2 К образцов 316, 320 и 328 с различным для образцов с умеренным (образец уровнем легирования. 328) и сильным легированием (образец 316).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена оптимизация двухсторонне легированных РНЕМТ на-ногетероструктур типа АЮаАвЛпОаАз/АЮаАз/СаАв с помощью расчетного моделирования зонной структуры. С помощью самосогласованного расчёта проанализированы зонные диаграммы при различной толщине спей-серного слоя, распределении доноров и суммарной концентрации легирования кремнием. В результате анализа выбрана оптимизированная РНЕМТ структура, в которой отсутствует параллельная проводимость. При увеличении толщины спейсерного слоя более 6 нм возникает параллельная проводимость по дельта - легированному слою, что приводит к уменьшению подвижности электронов.

2. По результатам расчетов методом МЛЭ были выращены РНЕМТ структуры с различным уровнем легирования и на них исследован электронный транспорт, магнетотранспорт при низких температурах, фотолюминесценция и рентгеновская дифракция.

3. Исследовано влияние температуры роста спейсерного слоя на электронные транспортные свойства в РНЕМТ наногетероструктурах с односторонним легированием. Для этого были выращены РНЕМТ образцы с различной температурой роста спейсерных слоёв 590, 600 и 610°С. Обнаружено, что повышение температуры роста спейсерных слоёв (при прочих равных условиях) позволяет увеличить подвижность двумерного электронного газа более чем на 69% при Т=77К и на 50% при Т=300К при практически неизменных значениях концентрации электронов. Установлено, что увеличение подвижности электронов при повышении температуры роста спейсерных слоев коррелирует со степенью кристаллического совершенства этого слоя.

4. Анализ изменения подвижности и концентрации электронов в двухсторонне легированных РНЕМТ наногетероструктурах по исследованиям эффекта Холла и эффекта Шубникова-де-Гааза показал, что подвижность электронов при увеличении концентрации донорного легирования уменьшается. Наблюдается сублинейная зависимость концентрации электронов в основной подзоне квантовой ямы при увеличении уровня легирования. Это связано с заполнением верхних (2 и 3) подзон размерного квантования. С помощью спектроскопии фотолюминесценции показано, что переходы из первой подзоны тяжелых дырок на первый и второй электронные уровни в квантовой яме хорошо согласуются с расчетными данными.

5. В работе, с помощью использования комплексных методов исследования, таких как: эффект Холла, рентгенодифракционные, фотолюминесцентные и магнетотранспортные измерения установлена связь электро-

физических параметров РНЕМТ структур с технологическими условиями роста отдельных слоев. А сопоставление экспериментальных данных с расчетными показали их хорошее согласие, а также позволили более точно интерпретировать полученные результаты.

6. Показана эффективность введения монослоев GaAs перед и после нанесения 8-Si слоя в РНЕМТ наногетероструктурах.

7. Предложен и опробован метод повышения мольной доли AlAs в барьерном слое AlxGai.xAs в тонком приповерхностном слое толщиной ~ 15-K20Á до значений х от 0.23 до х=0.26. Показано, что это позволяет, не влияя на электрофизические параметры РНЕМТ структуры, облегчить подбор селективного травителя для формирования подзатвор-ного заглубления ("recess") при изготовлении затворов в СВЧ транзисторах.

8. Продемонстрировано, что разработанный и предложенный алгоритм комплексной оптимизации РНЕМТ наногетероструктуры является эффективным для получения наногетероструктур с наилучшими электрофизическими параметрами.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров. Электрофизические свойства модулированно- и дельта-легнрованных Р-НЕМТ транзисторных структур на основе AlxGal-xAs/InyGal-yAs/GaAs // Микроэлектроника, 2005, Т. 34, №6, С. 403-409

2. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов. В.Г. Мокеров, A.A. Черечукин. Влияние температуры роста спейсерного слоя на подвижность двумерного электронного газа в РНЕМТ - структурах // Физика и техника полупроводников, 2006, Т. 40, В. 12, С. 1479-1483

3. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов. В.Г. Мокеров,

A.A. Черечукин, P.M. Имамов, И.А. Субботин, Э.М. Пашаев. Влияние температуры роста спейсерного слоя на электрофизические и структурные свойства РНЕМТ - структур // Журнал технической физики, 2007, Т. 77,

B. 4, с.50-55

4. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов. В.Г. Мокеров,

C.С. Широков, P.M. Имамов, И.А. Субботин. Электрофизические и структурные свойства двусторонне дельта - легированных РНЕМТ гетерострук-тур на основе AlGaAs/InGaAs/AlGaAs // Физика и техника полупроводников, 2008, Т. 42, В. 9, С. 1102-1109

5. P.A. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С. Пономарев, В.П. Гладков, В.А. Кульбачинский, А.Н. Клочков, H.A.

Юзеева. Влияние встроенного электрического поля на оптические и электрофизические свойства Р-НЕМТ наногетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs // Физика и техника полупроводников, 2011, Т. 45, В. 5, С. 666-671

6. Е.А. Климов. Псевдоморфные НЕМТ наногетероструктуры с односторонним 5-легированием: от оптимизации электрофизических параметров структур до изготовления малошумящих транзисторов X-диапазона. // Оборонная техника, 2012, В. 1, С. 23-26

7. Васильевский И.С., Галиев Г.Б., Климов Е.А.. Новожилов С.А., Черечукин A.A., Широков С.С. Электрофизические свойства модулиро-ванно- и дельта-легированных Р-НЕМТ транзисторных структур // Сборник трудов международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» ФТТ-2005, С. 459-461

8. P.A. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Е.А. Климов. Оптимизация электрофизических параметров Р-НЕМТ структур типа п-AlGaAs/InGaAs/n-AlGaAs для мощных СВЧ-транзисторов // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2007, Т. 15, С. 49-51

9. Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов. Электрофизические параметры Р-НЕМТ 1-5 структур п-AlGaAsßnGaAs/GaAs для малошумящих СВЧ-транзисторов // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2007, Т. 15, С. 51-53

10. P.A. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов. Транзисторные структуры с высокой электронной плотностью на основе AlGaAs/InGaAs/AlGaAs: моделирование и экспериментальное исследование // Сборник научных трудов научной сессии МИФИ-2008, Т. 2, С. 181183

11. P.A. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов. В.П. Гладков. Исследование электронного транспорта в квантовых наноге-тероструктурах AlGaAs/InGaAs/AlGaAs/GaAs с высокой электронной плотностью // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2009, Т. III, С. 64-67

12. P.A. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, В.П. Гладков, Е.А. Климов, А.Н. Клочков, H.A. Юзеева, В.А. Кульбачинский. Влияние встроенного электрического поля на спектры фотолюминесценции в нано-гетероструктурах AlGaAs/InGaAs/GaAs // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010, Т. III, С. 18-21

Подписано в печать 10.02.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 59

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

61 12-1/563

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ИНСТИТУТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПСЕВДОМОРФНЫХ НЕМТ СТРУКТУР С ОДНОСТОРОННИМ И ДВУХСТОРОННИМ ДЕЛЬТА -

ЛЕГИРОВАНИЕМ

05.27.01. - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

НАУКИ

ЭЛЕКТРОНИКИ РАН

На правах рукописи

Климов Евгений Александрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Галиев Г.Б.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Васильевский И.С.

Москва-2012

Содержание

Введение.....................................................................................................................................................................4

Глава 1. Типы наногетероструктур с высокой подвижностью

электронного газа и их свойства...........................................................................16

1.1. Двумерный электронный газ..............................................16

1.2. Выбор способа легирования................................................................................................20

1.3. Механизмы роста напряженных эпитаксиальных слоев........................21

1.4. Классификация транзисторных структур..............................................................26

1.4.1. Полевые транзисторы с барьером Шоттки..........................................27

1.4.2. Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов................................................................................................................................................................29

1.4.3. Псевдоморфные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов..................................................................................32

1.4.4. Метаморфные ваАБ МНЕМТ и наногетероструктуры на 1пР............................................................................................................................................................................................46

Глава 2. Методы выращивания наногетероструктур и их

характеризация..........................................................................................................................................................................................................50

2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия: принцип работы и блок-схема установки..............................................................................................................................................................50

2.2. Установка МЛЭ ЦНА-24, принцип ее работы и блок-схема............55

2.2.1. Устройство и работа установки........................................................................55

2.2.2. Устройство и работа составных частей установки......................59

2.3. Калибровка установки МЛЭ по скоростям роста слоев наногетероструктуры и концентрации легирующей примеси..........61

2.3.1. Калибровочные процессы роста..................................................................61

2.3.2. Определение скоростей роста соединений А3В5....................................65

2.3.3. Калибровка концентрации легирования донорными примесями........................................................................................................................66

2.3.4. Определение качества буферного слоя ваАв и электрофизических параметров эпитаксиальных пленок... 67

2.4. Методы измерений параметров эпитаксиальных структур......... 67

2.4.1. Метод эффекта Холла.............................................. 67

2.4.2. Метод спектроскопии фотолюминесценции.................. 70

Глава 3. Моделирование зонной структуры РНЕМТ структур с помощью численного решения самосогласованной системы уравнений Шредингера и Пуассона...................................................................................... 75

3.1. Расчет зонной структуры................................................... 75

3.2. Анализ особенностей зонной структуры в РНЕМТ наногетероструктурах с односторонним дельта легированием... 80

3.3. Анализ особенностей зонной структуры в РНЕМТ наногетероструктурах с двухсторонним дельта легированием.... 87

Глава 4. Исследование электрофизических параметров РНЕМТ структур с односторонним легированием кремнием........................... 94

4.1. Электрофизические свойства модулированно- и дельта-легированных РНЕМТ транзисторных структур на основе А^СаихАзЛПуОаьуАз/ОаАз................................................ 94

4.2. Влияние температуры роста спейсерного АЮаАэ слоя на электрофизические параметры и структурные свойства слоев РНЕМТ наногетероструктуры............................................ 105

4.3. Исследование влияния толщины барьерного слоя на электрофизические свойства односторонне легированных РНЕМТ наногетероструктур АЮаАзЛпСаАз/ОаАБ.................. 116

Глава 5. Исследование электрофизических и структурных свойств РНЕМТ наногетероструктур с двусторонним дельта - легированием

кремнием на основе АЮаАзАпСаАв/АЮаАз........................................ 120

Заключение............................................................................................ 135

Благодарности............................................................................... 137

Список литературы........................................................................ 138

Приложение................................................................................. 152

Введение

Актуальность темы исследования

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) открыл широкие возможности в создании искусственных полупроводниковых структур практически любого типа и с заданными свойствами. Процесс эпитаксиального роста при МЛЭ позволяет реализовывать контролируемый рост слоев толщиной до атомных размеров различных химических элементов и/или соединений. Эпитаксиальные слои при этом обладают очень высоким структурным совершенством [1-3]. В настоящее время без структур, выращенных с помощью МЛЭ, невозможно представить себе ни окружающую нас действительность и реальность, ни фундаментальную физику твердого тела и полупроводников, ни современную электронику с телекоммуникационными системами.

Особенностью современного этапа развития СВЧ электроники является все более широкое внедрение наногетероструктурных соединений для создания качественно новых систем связи с улучшенными характеристиками. А одним из основных элементов или элементной базой почти всех СВЧ устройств, является СВЧ транзистор.

Первые полевые транзисторы с высокой подвижностью двумерного электронного газа были изготовлены на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs и нашли широкое применение в СВЧ электронике. В частности они используются для создания СВЧ транзисторов, высокочастотных усилителей, генераторов, высокоскоростных переключателей в различных коммуникационных системах [4]. Однако, наряду с достигнутыми результатами и изготавливаемыми приборами, такие структуры не могут в полной мере удовлетворить современные потребности и прежде всего в мощных цепях. AlGaAs/GaAs НЕМТ (high electron mobility transistor) структуры обладают ограничениями по концентрации двумерного электронного газа, а значит и по мощности, а также по пробивным напряжениям. Для улучшения параметров НЕМТ структур, а

именно повышения быстродействия и мощности СВЧ приборов необходимо разрабатывать оптимальную конструкцию наногетероструктур и технологию их выращивания.

К таким структурам относятся псевдоморфные AlxGai.xAsZIiiyGai.yAs/GaAs (РНЕМТ) структуры. В таких структурах тонкий напряженный эпитаксиальный слой 1пуОа1.уАз, с содержанием 1п < 22 % выращивается между СаАэ и АЮаАв барьерными слоями [5]. В этом случае высота формирующего квантовую яму барьера увеличивается за счёт понижения дна зоны проводимости в напряжённом 1пуСа1.уА8 слое. С увеличением разрыва зоны проводимости ДЕС, возрастает плотность электронов в канале. Также возрастает их подвижность за счет меньшей эффективной массы электронов в ШуСа^уАв по сравнению с СаАв [5-8]. Из-за большого несоответствия параметров решетки 1пАз и ваАБ (Аа/а = 7,2 %) мольная доля 1п и толщина ¡ПуСа^уАв должны быть меньше некоторых критических величин [9, 10], например для х = 0,25 с! < 20 нм. Возрастание подвижности в РНЕМТ структурах позволяет повысить частотный диапазон СВЧ транзисторов.

Анализ основных характеристик электронного транспорта в РНЕМТ транзисторных структурах, таких как подвижность 20 электронов це и концентрация п8 показывает, что идет постоянный поиск и усовершенствование технологических приемов создания транзисторных структур, а также оптимизация базовой структуры [11-15]. Величины це и п8 в основном зависят от способа и уровня легирования донорных слоев, толщины спейсерного слоя, но при этом на значения этих параметров могут оказывать влияние и технологические приемы, такие как, например, введение дополнительных субслоев при использовании 8-легирования. Кроме этого, реально измеряемые значения р.е и п3 методом эффекта Холла получаются усреднением этих величин по всем проводящим слоям. Т.е. при определенных соотношениях параметров структур возможно появление параллельной проводимости, что будет искажать реальные значения це и п8 в канале 1пуСа1_уАз. Как известно,

наличие параллельного канала проводимости ухудшает управляемость и параметры транзистора [14].

Таким образом, работы по оптимизации параметров РНЕМТ структур, приводящих к улучшению электрофизических характеристик, является актуальной задачей.

Основной целью диссертационной работы являлись: 1) разработка алгоритма выбора оптимальной конструкции РНЕМТ структуры для малошумящих и мощных усилителей СВЧ диапазона; 2) выбор оптимальных технологических режимов получения РНЕМТ структур с наилучшими электрофизическими параметрами; 3) исследование электрофизических и структурных характеристик выращенных наногетероструктур.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Проведение расчета профиля зоны проводимости, положения уровней размерного квантования, распределения электронной плотности с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шредингера-Пуассона в РНЕМТ структурах с односторонним и двухсторонним легированием.

• Анализ данных расчета и выбор близких к оптимальным параметров РНЕМТ структур: а) для малошумящих усилителей (односторонне легированные РНЕМТ структуры), и б) для мощных СВЧ транзисторов (двухсторонне легированные РНЕМТ структуры).

• Исследование электрофизических, структурных и оптических свойств РНЕМТ структур с односторонним легированием при изменении способа легирования (модулированное легирование и 8-81 легирование), уровня легирования и толщины спейсерного слоя.

• Исследование электрофизических, структурных и оптических (фотолюминесценция) свойств РНЕМТ гетероструктур с двухсторонним 5-81 легированием при разных значениях суммарной концентрации легирования при сохранении соотношения концентрации легирования

верхнего и нижнего 8- слоев ]Ч82ЛЧ51=4:1 и 3:1. Для этого был выращен набор образцов с диапазоном изменения ]Ый2+М§1 от 3.8-1012 до 8.3-1012 см"2.

• Исследование зависимости подвижности и распределения концентрации электронов в подзонах в РНЕМТ гетероструктурах с двухсторонним легированием с помощью эффекта Шубникова-де-Гааза в зависимости от уровня легирования.

Объекты исследования. В работе исследованы РНЕМТ наногетероструктуры двух типов, выращенные методом МЛЭ на полуизолирующих подложках ваАз с ориентацией (100). 1-й тип - это РНЕМТ структуры AlxGai.xAsZInyGai.yAs/GaAs с односторонним легированием, и И-й тип - РНЕМТ структуры AlxGai.xAsZInyGai.yAs/AlxGai.xAs/GaAs с двухсторонним легированием. Для выяснения возможностей улучшения электрофизических характеристик в исследуемых структурах дополнительно вводились один или несколько монослоев СэАб перед и после нанесения 8-легированного кремнием слоя. Также исследовались свойства РНЕМТ структур при различных способах легирования - модулированное (в образцах I типа) и 8-легирования (в образцах I и II типа). В образцах изменялись концентрация легирования кремнием, соотношение концентраций доноров в нижнем и верхнем дельта-слоях (в образцах II типа), толщина спейсерного и барьерного слоев А1хСа1.хА8, а также технологические условия их формирования.

Исследуемые образцы были выращены в ИСВЧПЭ РАН методом МЛЭ на установке ЦНА-24 (производство НИТИ, Россия, г. Рязань). В качестве исходных материалов в установке МЛЭ использовались мышьяк марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10~5% (714), галлий марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10"6% (814), алюминий марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10"5% (6Ш), индий марки ОСЧ с содержанием остаточных примесей <10"5% (714). В качестве легирующей примеси использовался высокоомный сверхчистый кремний с удельным

сопротивлением более 5000 Омсм. Структуры выращивались на полуизолирующих подложках GaAs с ориентацией (100), как на отечественных (фирмы "Элма-Малахит"), так и на импортных (фирмы "Wafer technology").

Использованные методы исследования. По измерениям эффекта Холла в слабом магнитном поле при температурах 300 К и 77 К анализировались удельное сопротивление, холловская концентрация и подвижность электронов. Оптические свойства образцов исследовались методом низкотемпературной спектроскопии фотолюминесценции при температуре 77 К. Расширенные исследования электрофизических параметров проведены при помощи измерения температурных зависимостей сопротивления в интервале температур от 4.2 К до 300 К. В частности, измерено магнетосопротивление и эффект Холла в исследуемых образцах при низких температурах в квантующем магнитном поле до 6 Тл (физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова). Из эффекта осцилляций Шубникова-де-Гааза определена концентрация электронов в подзонах как с высокой подвижностью электронов, так и с низкой. Для структурной характеризации образцов применялся метод исследования кривых дифракционного отражения вблизи рефлекса (400) в геометрии 0/20 (Институт кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН). Из данных измерений определены толщины и состав слоев InyGai.yAs и AlxGai.xAs.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Определено оптимальное строение слоев псевдоморфной гетероструктуры с квантовой ямой AlGaAs/InGaAs/GaAs с односторонним 8-легированием кремнием при помощи самосогласованного расчета зонной структуры, в условиях одновременно высокой концентрации электронов в квантовой яме и отсутствия параллельной проводимости по легированному слою.

• Впервые обнаружено, что в оптимизированных РНЕМТ структурах повышение температуры роста спейсерного слоя от 590 до 610°С при неизменности остальных параметров и условий роста приводит к

увеличению подвижности /4 на 53% и 69% при Т=300 К и Т-11 К, соответственно. Показано, что обнаруженное увеличение подвижности /4 сохраняется в температурном диапазоне 1СН-15°С выше, чем температура роста барьерного слоя.

Показана эффективность введения субслоев ваАэ до и после формирования 5-81 слоя и канала ЫваАв, которая выражается в улучшении электрофизических и структурных свойств РНЕМТ наногетероструктур.

Впервые показано, что повышение мольной доли А1Аз в барьерном слое А1хОа1.хА8 в тонком верхнем приповерхностном слое, толщиной 15-К20 А, до значений от х = 0.23 до х = 0.26, как в односторонне, так и в двухсторонне легированных РНЕМТ структур позволяет, не влияя на электрофизические параметры РНЕМТ структуры, облегчить подбор селективного травителя при формировании и подгонки затвора СВЧ транзисторов для улучшения и получения необходимых характеристик СВЧ приборов.

Показано, что разработанный алгоритм оптимизации (расчет зонной диаграммы структур, выбор оптимальных технологических режимов роста каждого из слоев, введение монослоев ваАв на границах раздела) РНЕМТ гетероструктуры является эффективным для получения наилучших электрофизических параметров РНЕМТ структур для приборных применений в различных частотных и мощностных диапазонах. Практическая значимость работы

Проведен комплекс работ по оптимизации технологических режимов роста каждого из слоев составляющих РНЕМТ структуру (сверхрешетки АЮаАзАЗаАз, буферного слоя ваАв, канала 1пуСа1.уА8, барьерного слоя А1хОа1.хАз и 5-81 монослоя).

1

2. Продемонстрирована возможность увеличения подвижности электронов в канале ЬЮаАз РНЕМТ структуры на 50% за счет увеличения температуры роста спейсерного слоя по отношению к барьерному слою, что важно для приборных приложений.

3. Показана эффективность повышения содержания мольной доли алюминия толщиной 15^20А в конце барьерного слоя А1хОа].хА8 от х = 0.23 до х = 0.26. Последнее способствует более надежному срабатыванию селективного травителя при формировании подзатворного заглубления.

4. Проведенные исследования РНЕМТ наногетероструктур с односторонним и двухсторонним легированием методами эффекта Холла, спектроскопии фотолюминесценции, эффекта Шубникова-де-Гааза и рентгеновской дифрактометрии позволили детально изучить и описать наблюдаемые в образцах эффекты и особенности, а также предложить набор РНЕМТ структур для различных диапазонов СВЧ приборов в рамках проводимых в ИСВЧПЭ РАН научно-исследовательских работ.

5. Предложена и разработана последовательность оптимизации РНЕМТ структуры, позволяющая получать малошумящие усилители (МШУ) и монолитные интегральные схемы (МИС) с требуемыми параметрами.

6. Результаты работы использованы при проектировании и изготовлении мощных СВЧ транзисторов, МШУ и МИС на основе РНЕМТ структур, выращенных на подложках ваАБ при выполнении НИР «Исследование и разработка приборного ряда гетероструктур