автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электронные свойства структур с квантовой ямой InxGa1-xAs (0.2 ≤ x ≤ 0.6) на подложках GaAs и InP

На правах рукописи

Юзеева Наталия Александровна

Электронные свойства структур с квантовой ямой 1п1Са1.хА8 (0.2 2X5 0.6) на подложках ваАя и 1пР

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013

005058244

Москва, 2013

005058244

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор МГУ им. М.В. Ломоносова Кульбачинский Владимир Анатольевич

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией ИСВЧПЭ РАН Галиев Галиб Бариевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Защита диссертации состоится 28 мая 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454, Москва, Проспект Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ МИРЭА. Автореферат диссертации размещён на сайте МГТУ МИРЭА www.mirea.ru.

Автореферат разослан <<£.0~ » уу _2013 года.

профессор МГТУ МИРЭА Мишина Елена Дмитриевна

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИРЭ РАН Котельников Игорь Николаевич

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН (ИСАН)

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современную СВЧ электронику невозможно представить без НЕМТ (high electron mobility transistor - транзистор с высокой подвижностью электронов). НЕМТ представляет из себя полевой транзистор, проводящий канал которого создается гетеропереходом или квантовой ямой. Материалы слоев подбираются так, чтобы ширина запрещённой зоны материала барьерного слоя превосходила ширину запрещённой зоны канала. Например, широко используются гетеросистемы InAlAs (широкозонный материал, барьер) и InGaAs (узкозонный материал, квантовая яма) на подложках InP. Таким образом, формируется квантовая яма, а в ней - двумерные электроны. Впервые НЕМТ были продемонстрированы в 1980 году. Сейчас НЕМТ стал одним из главных полупроводниковых приборов, используемых в широкополосной спутниковой и мобильной связи, системах безопасности, радиолокации, радиоастрономии, метеорологии, в медицинском оборудовании, спутниковом и цифровом телевидении. К преимуществам НЕМТ относятся высокая предельная частота и низкий уровень шума.

Для роста НЕМТ-структур обычно используют подложки GaAs или InP. Транзисторы с высокой подвижностью электронов на НЕМТ-структурах с квантовой ямой InAlAs/InGaAs, выращенных на подложках InP, имеют преимущества по сравнению с НЕМТ на подложках GaAs: у них выше предельная частота генерации, низкий уровень шума, больший коэффициент усиления и большая предельно допустимая выходная мощность линейного усилителя. Но подложки GaAs дешевле и прочнее подложек InP.

Одним из показателей качества НЕМТ-структур является высокое

значение произведения подвижности Не и концентрации пе двумерных электронов. Само значение также должно быть высоким. Например, произведение МЛ и Ме входят в выражение для тока в канале:

где 1Л - сила тока в канале, № - ширина затвора, Ь - длина затвора, с - теплоёмкость единичной площади, Це — подвижность двумерного электронного газа, Ус$ - напряжение затвор-исток, Ут - пороговое напряжение, - напряжение сток-исток (напряжение смещения),

ОС - коэффициент пропорциональности, пе -концентрация двумерного электронного газа. А величина максимального тока канала 1Ви входит в выражение для выходной мощности линейного усилителя Рош:

= (2)

где - напряжение насыщения. Кроме того, произведение подвижности и концентрации носителей заряда определяет сопротивление Я канала:

где е -модуль заряда электрона.

Безусловно, для высокого значения произведения Цспе необходимы определённые технологические приёмы роста и легирования структур, обычно в качестве легирующей примеси и-типа используют кремний. Чем выше уровень легирования, тем выше значение «е, но существуют механизмы, ограничивающие рост концентрации, например, амфотерность кремния. Увеличение концентрации носителей заряда может сопровождаться при определенных концентрациях уменьшением их подвижности из-за увеличивающегося рассеяния на заряженных ионах примеси. Подвижность электронов в канале зависит и от многих характеристик НЕМТ-структуры: зонной структуры материалов, входящих в состав структуры, дополнительного

апУк

V1

у 1Х>

(1)

рассеяния носителей заряда на шероховатостях боковых стенок квантовой ямы и др.

Однако работ, где комплексно бы изучались зонная структура, электрофизические параметры НЕМТ-структур на подложках 1пР в зависимости от уровня легирования, ширины квантовой ямы, наличия вставок ¡пАв в квантовой ямс, не так много. В частности, в литературе мало работ, где с помощью эффекта Шубникова - де Гааза были бы детально исследованы электронные подвижности в подзонах размерного квантования в НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой

1по.52А1о48Аз/Гпо.5зОао47А5/1по.52/\.1о48А5 на подложках ШР в зависимости от ширины квантовой ямы, наличия вставок 1пАэ в яме, влияние освещения на подвижности электронов.

Цель работы

Изучение влияния на зонную структуру и подвижности двумерных электронов в НЕМТ-структурах с квантовой ямой 1пОаАз на подложках ОаАэ и 1пР различных параметров НЕМТ-структур, таких как: ширина квантовой ямы, уровень легирования, наличие вставок ¡пАб в квантовой яме и их толщины. Изучение влияния освещения на подвижности двумерных электронов и исследование замороженной фотопроводимости в НЕМТ-структурах с квантовой ямой ГпСаАБ.

Научные задачи

1. Изучение влияния освещения на электронные свойства 5-легированных НЕМТ-структур с квантовой ямой ОаАБЛпогОао.аАз/А^ 2зОао.77А5 на подложках СаАэ. Определение по эффектам Холла и Шубникова - де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур ОаА8ЯполОао.8А8/А1о.2зОао.77А8 па подложках ОаАэ.

2. Исследование замороженной фотопроводимости в НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой 1по52А1о.48Аз/1по.5зСао.47А5/1по.52А1о.48Аз на

подложках 1пР и влияние освещения на температурные зависимости сопротивления. Исследование кинетики релаксации замороженной фотопроводимости в таких НЕМТ-структурах. Определение по эффекту Шубникова — де Гааза концентраций, квантовых и транспортных подвижностей электронов в подзонах размерного квантования как в темноте, так и при освещении в односторонне 6-легированых кремнием НЕМТ-структурах Ino.52Alo.4sAs/Ino.53Gao.47As/Ino.s2Alo.4sAs на подложках 1пР, отличающихся шириной квантовой ямы.

3. Изучение влияния ширины квантовой ямы на подвижности односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур с квантовой ямой 1п0 52А1о.48А5/1п<, 53Сао.47Аз на подложках 1пР. Расчёт профиля дна зоны проводимости, уровней энергии и волновых функций электронов. Расчёт квантовых и транспортных подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах с учётом межподзонных переходов.

4. Определение по эффектам Холла и Шубникова — де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования двусторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур на подложках 1пР Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/InAs/Ino.53Gao.47As/Ino.s2Alo.4sAs и изучение влияния введения вставки 1пАв различной толщины в центр квантовой ямы на подвижность электронов.

Научная новизна

1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах ОаАБЛпогОао sAsM.lo.23Gao.77As на подложках ОаАв и в односторонне 8-легированных кремнием НЕМТ-структурах на подложках 1пР с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao47As/Ino.52Alo.48As.

2. Рассчитаны зонпые диаграммы односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As и их изменение при освещении структур, а также двусторонне 5-легированных кремнием

6

НЕМТ-структур с квантовой ямой 1п052А1о.48А5/1па 5зС;ао47А5/1по52А!о48Лз со вставкой 1пАб в центре квантовой ямы.

3. Проведены расчёты квантовой и транспортной подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах при учёте межподзонных переходов в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах Ino.s2Alo.4sAs/Ino53Gao47As/Ino.52Alo48As на подложках 1пР и в двусторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.4sAs на подложках 1пР со вставкой 1пАз в квантовой яме различной толщины. Показано, что расчётные значения подвижностей хорошо согласуются с экспериментальными значениями.

4. Исследованы подвижности электронов в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложках 1пР как в темноте, так и при освещении. Показано, что квантовые подвижности существенно меньше транспортных, что указывает на преобладающую роль малоуглового рассеяния электронов.

5. Исследованы подвижности электронов в НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino.52AlQ.4gAsAno.53Gao.47As/InQ.52Alo.48As на подложках 1пР со вставкой 1пАз различной толщины в центре квантовой ямы. Определена оптимальная толщина вставки 1пАэ для получения максимальной электронной подвижности.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость до Т и 200 К в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах СаА8/1п0.2Оаа8А8/А1о.2зОао.77А5 на подложках ОаАэ. Замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Из анализа эффекта Шубникова - де Гааза, который позволяет определить концентрации и подвижности

электронов в подзонах размерного квантования, определены оптимальные параметры структур для получения максимальной подвижности электронов.

2. Показано, что в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой 1помА1о.48А8/1по.5зОаа47А5Лпо.52А1о.48А8 на подложках 1пР подвижность двумерных электронов зависит от ширины квантовой ямы. Для определения квантовых и транспортных подвижностей электронов использован эффект Шубникова - де Гааза при 4.2 К. Подвижность электронов максимальна (53500 см2/(В-с)) при ширине квантовой ямы 160 А.

3. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость с порогом Т«Л70 К в односторонне 8-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой Ino.52Alo.4sAs/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложках 1пР. Показано, что замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Характерные времена релаксации фотопроводимости составляют десятки секунд. При увеличении концентрации электронов под действием освещения подвижности электронов во всех структурах увеличиваются и максимальная подвижность электронов (60200 см2/(В с) при 4.2 К) наблюдается в квантовой яме шириной 160 А.

4. Показано, что в НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложках 1пР подвижность двумерных электронов зависит от толщины вставки ЬгАв в центре квантовой ямы. Максимальная подвижность электронов зафиксирована при толщине вставки ГпАб 31.4 А.

Научная и практическая значимость

Результаты данной работы могут быть использованы для оптимизации параметров НЕМТ-структур с квантовой ямой 1пОаАз (ширина квантовой ямы, концентрация примеси кремния в 8-слоях, расположение 8-слоёв, присутствие пристеночных слоев ОаАз, присутствие вставок 1пАэ в квантовой яме и их толщины). Такие структуры являются материалом для построения элементной

8

базы современных СВЧ устройств. Полученные результаты исследований расширяют фундаментальные знания о НЕМТ-структурах с квантовой ямой InGaAs, 5-легированных кремнием, а значит, способствуют совершенствованию транзисторов с высокой подвижностью электронов, необходимых в СВЧ электронике. Результаты диссертации использованы при выполнении следующих НИР в ИСВЧПЭ РАН: «Исследования по созданию конструктивно-технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30 — 40 ГГц» и «Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур InAlAs/InGaAs/GaAs для диапазона 60 -80 ГГц».

Личный вклад соискателя

Основная часть работы по сбору и анализу литературных данных, а также расчёты зонной структуры, транспортных и квантовых подвижностей электронов по эффекту Шубникова - де Гааза и прямые теоретические расчёты подвижности электронов при рассеянии на ионизированных примесях с учётом межподзонных переходов выполнены лично соискателем. Все измерения гальваномагнитных свойств, эффекта Шубникова — де Гааза при низких температурах и их обработка, представленные в диссертации, выполнены соискателем самостоятельно.

Апробация работы

Основные результаты данной работы были представлены на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах и научных школах:

1. International conference for young scientists Low Temperature Physics — 1СYS—LTP—2010 (Kharkiv, 2010);

2. XVII и XVIII международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010», «Ломоносов-2011» (Москва, 2010, 2011);

3. Advanced Research Workshop "Fundamentals of electronic nanosystems" NANO-Питер 2010 (St. Petersburg, 2010);

4. Научно-практическая конференция по физике, технологии наногетероструктурной СВЧ-электронике «Мокеровские чтения» (Москва, 2011);

5. International conference on materials for advanced technologies -ICMAT'2011 (Singapore, 2011);

6. IX Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2011);

7. 2nd International advances applied physics & material science congress (APMAS 2012), (Antalya, Turkey, 2012);

8. XX International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology (Nizhny Novgorod, 2012);

9. XXXVI Совещание по Физике Низких Температур, ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург, 2012);

10.International Conference on Nanoscience + Technology (France, 2012);

11. Международная научная конференция «Современные наукоёмкие технологии» (Испания, 2012);

12.Научная сессия НИЯУ МИФИ-2013 (Москва, 2013).

Публикации по теме диссертации

Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, из них 9 статей опубликованы в журналах, включённых в перечень Высшей аттестационной комиссии (ВАК), и рецензируемых научных журналах.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка литературы. Текст работы представлен на 119 страницах, включая 48 рисунков, 14 таблиц. Список литературы содержит 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования электронных свойств структур с квантовой ямой 1пОаАз на подложках СаАз и 1пР, сформулированы цели и задачи, аргументирована практическая значимость, изложены выносимые на защиту положения.

В первой главе представлены обзор и анализ литературных данных. В пункте 1.1 описываются общие сведения о квантовых ямах, в пункте 1.2 -свойства структур с квантовой ямой 1пОаАз на подложках (ЗаАз и 1пР. Приведены сведения о значениях концентраций, подвижностей, эффективных масс, дрейфовых скоростей электронов в структурах с квантовой ямой ГпОаАБ на подложках ОаАз и 1пР, а также вольт-амперные характеристики транзисторов на основе этих структур. В пункте 1.3 содержится описание замороженной фотопроводимости в структурах с квантовой ямой. В пупкте 1.4 представлен метод самосогласованного численного решения уравнения Шрёдингера и уравнения Пуассона в однозонном приближении эффективной массы при учёте рассеяния на ионизированных примесях и межподзонных переходах для расчёта зонной структуры и волновых функций электронов в квантовой яме. В пункте 1.5 приведены выводы из обзора литературы.

Во второй главе в пункте 2.1 описаны методики произведённых в работе измерений, а именно измерений температурной зависимости сопротивления, эффектов Холла и Шубникова - де Гааза и релаксации фотопроводимости, а также описана созданная методика измерений эффективной массы, при которой измерения проводятся при 4.2 и 8.4 К. В пункте 2.2 приведены характеристики образцов, исследованных в работе, и перечислены произведённые измерения для каждой серии образцов. В пункте 2.3 представлены погрешности измерений. В пункте 2.4 приведено описание метода определения квантовой и транспортной подвижностей и концентраций электронов по осцилляциям Шубникова - де Гааза.

В третьей главе представлены результаты исследований гальваномагнитных свойств и эффекта Шубникова - де Гааза в

11

5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с квантовой ямой GaAs/In02Gao.gAs/Alo.23Gao.77As на подложках GaAs. Структуры отличались расстоянием от квантовой ямы до поверхности L (значения L: 180, 150, 110 и 55 À) и уровнем легирования. Уровень легирования менялся для получения близких концентраций электронов в квантовой яме.

В пункте 3.1 приведены температурные зависимости сопротивления образцов этой серии (от 4.2 до 300 К), по ним был определён преимущественный тип рассеяния носителей заряда при температурах от 77 до 300 К — рассеяние на акустических фононах. Было исследовано влияние освещения на сопротивление структур и обнаружена замороженная фотопроводимость с порогом около 200 К.

В пункте 3.2 представлены осцилляции Шубникова — де Гааза и квантового эффекта Холла, измеренные при температуре жидкого гелия в магнитных полях до 6 Тл. По обоим эффектам были определены концентрации и подвижности электронов, максимальная подвижность (36800 см^СВ'с)) зафиксирована у образца с L = 110 Â.

В пункте 3.3 приведены результаты расчётов квантовой и транспортной подвижностей электронов в квантовых ямах GaAs/Irio^GaosAs/Aloj^GaovvAs. Для всех образцов получено, что квантовая подвижность значительно меньше транспортной, что свидетельствует о преобладании рассеяния на малые углы, которое характерно для рассеяния на ионизированных примесях.

В пункте 3.4 представлены результаты и выводы главы 3.

В четвёртой главе приведены результаты исследований в зависимости от ширины квантовой ямы QW (значения QW: 260, 185, 160 и 145 Â) гальваномагнитных и осцилляционных свойств 5-легированных кремнием НЕМТ-структур с квантовой ямой Ino52Alo.4sAs/lno.53Gao.47As/Ino52Alo48As На подложках InP. Схема слоев образцов приведена на рис. 1.

В пункте 4.1 представлены температурные зависимости сопротивления образцов этой серии (от 4.2 до 300 К). По ним определено, что при

Itlo.53Gao.47AS 60 А

Ino.52Alo.48AS 135/290 А

5-SL

Ino.52Alo.4sAs 43/60 А

In0.53Ga0 47As QW

Ino.52Alo.4SAS 3900 А

InP (100)

Рис. 1. Схема структур с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.4sAs на подложках InP.

температурах от 77 до 300 К доминирует рассеяние носителей заряда на акустических фононах. Температурные зависимости приведены и при освещении светом с энергией фотонов 1.86 эВ. Эта энергия превышает ширину запрещённой зоны для всех исследованных в этой работе структур. Во всех образцах наблюдалась замороженная фотопроводимость, исчезающая приТ> 150- 190 К.

В пункте 4.2 представлены результаты измерения при 4.2 К эффекта Холла и эффекта Шубникова - де Гааза как в темноте, так и при освещении. В качестве примера на рис. 2 приведены осцилляции Шубникова - де Гааза и их Фурье-спектры для образца 783. Были подсчитаны концентрации и подвижности из эффекта Холла и концентрации в каждой подзоне размерного квантования из эффекта Шубникова — де Гааза с помощью Фурье-преобразований (рис. 2). Эти величины приведены в таблице 1, максимальное значение подвижности электронов (60200 см2/(В-с) при освещении) наблюдалось у образца с шириной квантовой ямы 160 А.

В пункте 4.3 проведено определение квантовой и транспортной подвижностей методом, описанном в пункте 2.4 (рис. 3). В таблице 2

представлены полученные значения и величина ц = ^"//i^i i z (индекс

NsdiaMti + NsjHiHti

обозначает номер подзоны), которая в небольших магнитных полях должна быть равна холловской подвижности. В первой подзоне размерного квантования отношение транспортной подвижности к квантовой составляет

13

около десяти, для малоуглового рассеяния оно может достигать ста, что свидетельствует о присутствии других механизмов рассеяния.

Рис. 2. Зависимости р=(в),р„(в) и Фурье-спектры для образца 783 как в темноте, так и при освещении.

Таблица 1. Ширина квантовой ямы QW, концентрации, полученные из эффекта Шубникова - де Гааза, NsdH, концентрация NHaii и подвижность цНаИ, полученные из эффекта Холла, и произведение ря,пМн„н при 4.2 К дли образцов 773, 783, 786 и 802 как в темноте, так и при освещении.

№ QW, А NsdH, Юи см" Nha Ю'2 см"" HHaii, см7(В-с) МмНад. 10|6/(Вс)

в темноте при освещении В темноте при освещении в темноте при освещении В темноте при освещении

773 260 2.5; 0.71 - 3.25 - 40600 - 13.2 -

783 185 2.0; 0.59 2.2; 0.74 2.60 3.00 45800 46900 11.9 14.7

786 160 1.67; 0.26 1.87; 0.53 1.95 2.38 53500 60200 10.4 14.3

802 145 1.55 2.08 1.56 2.08 45200 52400 8.2 10.9

773 в темноте

VVwv

эксперимент • • • • аппроксимация

16

12

п

ч 8

4

0

е. 773 в темноте

if С эксперимент j

at " агтрокншцмг с

JM Lv

10 20 30 40 50 60 70 1/В, 1/Тл рТл

Рис. 3. Осцилляции Шубникова - де Гааза (сплошная линия - эксперимент, штриховая лииия - аппроксимация) и Фурье-преобразования осцилляций (точки - эксперимент, сплошная линия - аппроксимация) для образца 773.

Таблица 2. Квантовая щ и транспортная д, подвижности, полученные из эффекта Шубникова - де Гааза, дня первой и второй подзон размерного квантования, величина ц для образцов 773, 783,786 и 802 при 4.2 К в темноте и при освещении.

№ № подзоны Мч> cmz/(B'C) см7(В с) (I, см"У(В'с)

в темноте при освещении в темноте при освещении в темноте при освещении

773 2 8300 - 21000 - 22600 -

1 4300 23000

783 2 4400 5000 25000 32000 27400 34400

1 2200 3500 28000 35000

786 2 3200 5200 30000 36000 34400 43100

1 3200 5100 35000 44000

802 1 2100 2700 22000 40000 22000 40000

В пункте 4.4 приведены результаты и анализ результатов расчётов зонной структуры и волновых функций электронов как в темноте, так и при освещении по методу, описанному в пункте 1.4 (рис. 4).

В пункте 4.5 представлен метод расчёта квантовой и транспортной подвижности по рассчитанным до этого зонным структурам. Результаты приведены в таблице 3. Величина ц превышает значение холловской подвижности электронов, так как в расчётах учтено только рассеяние на ионизированных примесях с учётом межподзонных переходов, на самом деле присутствует и рассеяние на фононах.

0,4

X 802 освещенный

0,2 в pi И 0.0 S '\>i EF

j Г

-0,2 K\J

20 40

I, ни

60

20 40 60 80 0

Z, им

Рис. 4. Профиль дна зоны проводимости, волновые функция и уровни энергии для образца 802 как в темноте, так и при освещении.

Таблица 3. Квантовая pq, и транспортная ^ подвижности для первой и второй подзон размерного квантования, и подвижность цнаи, полученная из эффекта Холла, при 4.2 К для образцов 773,783, 786 и 802 в темноте и при освещении.

№ подзоны щ, см^В'с) см*У(В'с) цыь cmV(B C)

в темноте при освещении в темноте при освещении в темноте при освещении

пъ 2 4900 - 97700 - 40600 -

1 900 54000

783 2 3300 5500 62900 119000 45800 46900

1 1100 1600 43300 75100

786 2 3900 6700 72000 183000 53500 60200

1 2100 2700 86900 138000.

802 2 1200 4100 5400 128000 45200 52400

1 2700 1900 109000 126000

В пункте 4.6 приведены результаты исследования релаксации фотопроводимости. Определены времена релаксации фотопроводимости, которые составили десятки секунд.

В пункте 4.7 представлены результаты и выводы главы 4.

В пятой главе представлены результаты исследований гальваномагнитных и осцилляционных свойств 5-легированных кремнием НЕМТ-структур 1п<,52А1о.48А5Лпо.5зОао.47А5/1по.52А1о48Аз на подложках 1пР с одиночной вставкой ¡пАв в квантовой яме. Образцы отличались толщиной с! вставки ¡пАв (значения с1: 0,18 и 31.4 А).

В пункте 5.1 приведён обзор литературы по влиянию туннельно-прозрачных барьеров и тонких вставок на подвижность электронов в квантовой яме.

В пункте 5.2 представлены температурные зависимости сопротивления образцов этой серии (от 4.2 до 300 К). В интервале температур от 77 до 300 К они близки к линейным, что соответствует рассеянию на акустических фоноиах. Сопротивление увеличивается примерно в два раза как при введении в квантовую яму вставок ¡пАв, так и при добавлении пристеночных слоев СаАв.

В пункте 5.3 приведены результаты измерений эффектов Холла и Шубникова - де Гааза при температуре жидкого гелия (рис. 5). Из эффекта Холла были получены концентрации и подвижности, из эффекта Шубникова — де Гааза - концентрации в каждой из подзон размерного квантования (таблица 4). Максимальная подвижность электронов (29500 см2/(В с) при 4.2 К) зафиксирована у образца со вставкой ТпАэ наибольшей толщины ((1 = 31.4 А) в квантовой яме ТпОаАв.

Рис. 5. Зависимости р„(В), р„(В) и Фурье-спектр для образца 794.

В пункте 5.4 представлены результаты расчётов зонной структуры, волновых функций, квантовой и транспортной подвижностей электронов. Из расчётов в частности следует, что самая высокая подвижность электронов наблюдается в структуре со вставкой наибольшей толщины в квантовой яме.

В пункте 5.5 представлены результаты и выводы главы 5.

Таблица 4. Толщина вставки InAs d, концентрации NsdH, полученные из эффекта Шубникова - де Гааза, концентрация Nh¡,ii и подвижность цнаи, полученные из эффекта Холла, и произведение ЦнЛьп при 4.2 К для образцов 794, 795, 796 и 808 (у образца 808 ширина квантовой ямы InAs составила 97 А).

№ d,Á NsdH, 10" см"' NHall, 10" CM"1 ЦНаП, См"/(В'С ) №IINM, Ю'7(В-С)

794 0 2.76; 1.29 4.03 27600 11.1

795 18 2.3; 0.75 2.99 21600 6.5

796 31.4 2.44; 0.6 3.03 29500 8.9

808 - 1.29 1.30 28400 3.6

В пункте 5.6 приведён пример НЕМТ, изготовленного в ИСВЧПЭ РАН на гетероетруктуре InAlAs/InGaAs/InAlAs на подложке InP (соответствует серии образцов, исследованной в главе 4). При длине затвора Lg = 180 нм получено значение предельной частоты усиления по току fT = 97 ГГц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе были исследованы электронные свойства НЕМТ-структур различного типа: с квантовой ямой Alo.23Gao.77As/Ino.2Gao.8As на подложках GaAs односторонне 5-легированные кремнием, с изоморфной квантовой ямой Ino.52Alo.4sAs/Ino53Gao.47As/Ino.52Alo48As на подложках InP односторонне 5-легированные кремнием, с изоморфной квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino53Gao.47As/Ino.52Alo 48As со вставкой InAs на подложках InP двусторонне 5-легированные кремнием. Исследованы температурные зависимости сопротивления, гальваномагнитные свойства в интервале температур 4.2 < Т < 300 К, эффект Шубникова - де Гааза и эффект Холла в магнитных полях до 6 Тл при температуре 4.2 К. Была исследована фотопроводимость при освещении структур светом с длиной волны 668 нм,

релаксация замороженной фотопроводимости при температуре 4.2 К в отсутствии магнитного поля.

2. В изоморфных квантовых ямах на подложках 1пР Ino.s2Alo.48As/Ino.53Gao47As/Ino.52Alo.48As подвижность электронов зависит от ширины квантовой ямы. Максимальная подвижность электронов наблюдается в квантовых ямах шириной 160 А как в темноте, так и при освещении. Из данных по эффекту Шубникова - де Гааза получены квантовые и транспортные подвижности электронов в подзонах размерного квантования.

3. Проведены расчёты квантовой и транспортной подвижности электронов. Установлено, что в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой Ino.s2Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino52Alo 48 Ая на подложках 1пР квантовые подвижности существенно меньше транспортных, что указывает на преобладающую роль малоуглового рассеяния электронов. Проведён расчёт квантовых и транспортных подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах при учёте межподзонных переходов. Расчётные значения подвижностей для случая рассеяния двумерных электронов на ионизированных примесях хорошо согласуются с экспериментальными значениями.

4. В НЕМТ-структурах на подложках 1пР с квантовой ямой lno.52Alo.48As/Ino.53Gao 47As при низких температурах обнаружена положительная замороженная фотопроводимость, сохраняющаяся до температур Т и 150^-200 К. Исследована кинетика релаксации замороженной фотопроводимости, характерные времена релаксации фотопроводимости составляют десятки секунд. Показано, что замороженная проводимость связана с пространственных разделением фотовозбужденных носителей заряда.

5. В односторонне 6-легированных кремнием НЕМТ-структурах ОаАз/1п0.20ао.8А5/А1о 2зОао 77Лз на подложках ОаАв с шириной квантовой ямы 110 А обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость, исчезающая при Т > 200 К. Замороженная фотопроводимость связана с

пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. По эффекту Шубникова - де Гааза определены концентрации и подвижности электронов в подзонах размерного квантования. Определён преимущественный характер рассеяния электронов в структурах.

6. Исследованы подвижности электронов в НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino53Gao.47As на подложках 1пР со вставкой 1пАй различной толщины в центр квантовой ямы. Максимальная подвижность электронов наблюдается у образца с толщиной вставки 31.4 А.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, включённых в перечень ВАК, и рецензируемых научных журналах

1. H.A. Юзеева. Подвижность электронов в структурах с квантовой ямой In0.52Alo.4sAs/Ino.53Gao.47As // Нано- и микросистемная техника, №5, 19 - 22 (2013);

2. В .А. Кульбачинский, P.A. Лунин, H.A. Юзеева, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов. Электронные подвижности в изоморфных квантовых ямах Ino.53Gao.47As на InP // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 143, №5, 872 — 876 (2013);

3. В .А. Кульбачинский, P.A. Лунин, H.A. Юзеева, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, ЕЛ. Климов. Замороженная фотопроводимость и подвижности электронов в структурах с квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.4sAs/InP // Физика и техника полупроводников, 47, №7,927 - 934 (2013);

4. В.А. Кульбачинский, H.A. Юзеева, Л.Н. Овешников. Влияние вставок

арсенида индия на подвижности двумерных электронов в квантовых ямах

20

индий-галлий-мышьяк, выращенных на подложках фосфида индия // Фундаментальные исследования, №4 (часть 4), 853 - 857 (2013);

5. Р.А. Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Д.С.Пономарев, В.П.Гладков, В. А. Кульбачинский, А.Н. Клочков, Н.А. Юзеева. Влияние встроешюго электрического поля на оптические и электрофизические свойства Р-НЕМТ паногетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs И Физика и техника полупроводников, 45, №5, 666 -671(2011);

6. Д.С. Пономарев, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, Р.А. Хабибуллин, В.А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева. Подвижность и эффективная масса электронов в составных квантовых ямах InGaAs с нановставками InAs и GaAs // Физика и техника полупроводников, 46, №4, 500-506(2012);

7. V.A. Kulbachinskii, N.A. Yuzeeva, G.B. Galiev, Е.А. Klimov, I.S. Vasil'evskii, R.A. Khabibullin and D.S. Ponomarev. Electron effective masses in an InGaAs quantum well with InAs and GaAs inserts II Semiconductor Science Technology, 27, №3,035021 (2012);

8. Д.С. Пономарев, P.A Хабибуллин, И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, В .П. Гладков, В.А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева, Н.И. Каргин, М.Н. Стриханов Квантовое и транспортное времена рассеяния электронов в наногетероструктурах InosjAlo^As/InxGai-jcAs/Irio^AlcMgAs с повышенным содержанием индия // Ядерная физика и инжиниринг, 3, №2,1—6 (2012);

9. V.A. Kulbachinskii, R.A. Lunin, N.A. Yuzeeva, G.B. Galiev, I.S. Vasilievskii and E.A. Klimov. Enhancement of Electron Mobility and Photoconductivity in Quantum Well Ino.52Alo.48As/Ino53Gao.47Asfino.52Alo.48As on InP Substrate // Acta Physica Polonica A, 123, №2,345 - 348 (2013).

Другие публикации

1. В.А. Кульбачинский, Н.А. Юзеева, JI.H. Овешников, Влияние вставок арсенида индия на подвижности двумерных электронов в квантовых ямах индий-галлий-мышьяк, выращенных на подложках фосфида индия // журнал «Современные наукоемкие технологии» (ISSN 1812-7320), №12, стр. 52 (2012);

2. Исследования по созданию конструктивно-технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30 — 40 ГГц : отчет о НИР : гос. контракт №14.740.11.0136 / ИСВЧПЭ РАН ; рук. П.П.Мальцев ; исполн.: Н.А. Юзеева [и др.]. - М., 2010 - № гос. регистрации 01201063284;

3. Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур InALAs/InGaAs/GaAs для диапазона 60 - 80 ГГц : отчет о НИР : гос. контракт №16.513.11.3113/ИСВЧПЭ РАН; рук. А.С. Бугаев; исполн.: Н.А. Юзеева [и др.] - М., 2012-№ гос. регистрации 01201177613;

4. V.A.Kulbachinskii, N.A. Yuzeeva, R.A.Lunin, A.N.Klochkov, G.B. Galiev, I.S. Vasilievskii, E.A. Klimov, Influence of surface and doping on electron transport in PHEMT structures on GaAs substrate with quantum well AlGaAs/InGaAs/GaAs, Advanced Research Workshop "Fundamentals of electronic nanosystems" NANO-Piter 2010", StPetersburg, June 26-July 2, 53 -55 (2010);

5. V.A. Kulbachinskii, R.A. Lunin, N.A. Yuzeeva, G.B. Galiev, I.S. Vasilievskii, E.A. Klimov. The electron mobility in isomorphic InGaAs heterostructures on InP substrate // XX International Symposium NANOSTRUCTURES: Physics and Technology, Nizny Novgorod Russia, June 24-30, Proceedings, pp. 199 -200 (2012).

Подписано в печать:

22.04.2013

Заказ № 8399 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук

На правах рукописи

04201357140

Юзеева Наталия Александровна

Электронные свойства структур с квантовой ямой 1пхСа1.хА8 (0.2 < х < 0.6) на подложках СаАэ и 1пР

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: Научный руководитель:

д.ф.-м.н. Кульбачинский В.А. Научный консультант: д.ф.-м.н. Галиев Г.Б.

Москва, 2013

Содержание

Введение.......................................................................................................5

Актуальность темы...............................................................................5

Цель работы.......................................................................................7

Научные задачи..................................................................................7

Научная новизна................................................................................8

Основные положения, выносимые на защиту.............................................10

Научная и практическая значимость.......................................................11

Личный вклад соискателя.....................................................................11

Объём и структура работы...................................................................12

Апробация работы..............................................................................12

Публикации по теме диссертации..........................................................13

Глава 1. Электронные свойства структур с квантовыми ямами

1.1 Общие сведения о квантовых ямах...................................................18

1.2 Свойства НЕМТ-структур с квантовой ямой ІпОаАБ на подложках ОаАБ и 1пР.....................................................................23

1.3 Замороженная фотопроводимость в структурах с квантовой ямой............30

1.4 Расчёт зонной структуры и волновых функций электронов в квантовой яме.................................................................................35

1.5 Выводы из обзора литературы...........................................................39

Глава 2. Методики измерений, образцы

2.1 Методики измерений.....................................................................42

2.1.1 Методика измерения температурной зависимости сопротивления.....................................................................43

2.1.2 Методика измерения эффекта Холла........................................44

2.1.3 Методика измерения эффекта Шубникова - де Гааза....................45

2.1.4 Методика измерения релаксации фотопроводимости....................46

2.2 Образцы.....................................................................................46

2.2.1 НЕМТ-структуры с различным расстоянием от квантовой ямы до поверхности на подложке ваАБ...............................................46

2.2.2 НЕМТ-структуры с различной шириной квантовой ямы на подложке 1пР..................................................................50

2.2.3 НЕМТ-структуры с различной шириной вставки в квантовой яме на подложке 1пР..................................................................53

2.2.4 НЕМТ-структуры со вставками и пристеночными слоями в квантовой яме на подложке 1пР.............................................................55

2.3 Погрешности измерений................................................................58

2.4 Определение квантовой и транспортной подвижностей и концентраций электронов из эффекта Шубникова - де Гааза...........................................59

Глава 3. Гальваномагнитные и осцилляционные свойства структур с квантовыми ямами ОаАз/Іпо гОао бАб/Аіо гзЄао на подложке СаАэ

3.1 Температурные зависимости сопротивления и замороженная фотопроводимость.............................................................................64

3.2 Эффект Шубникова - де Гааза и гальваномагнитные свойства.................67

3.3 Расчёт квантовой и транспортной подвижностей электронов...................69

3.4 Результаты и выводы главы 3..........................................................70

Глава 4. Гальваномагнитные и осцилляционные свойства структур с квантовыми ямами ІПо 52АІ0 48Аз/1по 5зОао 47Аз/1По 52АІ0 48 Аэ на подложке 1пР

4.1 Температурные зависимости сопротивления и замороженная фотопроводимость..............................................................................71

4.2 Эффект Шубникова - де Гааза и гальваномагнитные свойства в темноте и при освещении...................................................................................73

4.3 Определение подвижностей электронов из эффекта Шубникова - де Гааза...........................................................................76

4.4 Расчёт зонной структуры и волновых функций электронов.....................78

4.5 Расчёт квантовой и транспортной подвижностей электронов..................81

4.6 Релаксация фотопроводимости........................................................84

4.7 Результаты и выводы главы 4..........................................................86

Глава 5. Гальваномагнитные и осцилляционные свойства структур с квантовыми ямами 1п0 52А1о 48А5/1п0 бзбао 47А8/1пАз/1По 5зСа0 47Аз/1п0 52А1о 48Аб на подложке 1пР

5.1 Квантовые ямы с барьерами и вставками...........................................87

5.2 Температурные зависимости сопротивления........................................95

5.3 Эффект Шубникова - де Гааза и гальваномагнитные свойства................97

5.4 Расчёт зонной структуры, волновых функций, квантовой и транспортной подвижностей электронов...................................................................99

5.5 Результаты и выводы главы 5.........................................................101

5.6 Применение исследованных структур..............................................101

Основные результаты и выводы........................................................................104

Заключение.................................................................................................106

Литература...................................................................................................107

Введение

Актуальность темы

Современную СВЧ электронику невозможно представить без НЕМТ (high electron mobility transistor - транзистор с высокой подвижностью электронов). НЕМТ представляет из себя полевой транзистор, проводящий канал которого создается гетеропереходом или квантовой ямой. Материалы слоев подбираются так, чтобы ширина запрещённой зоны материала барьерного слоя превосходила ширину запрещённой зоны канала. Например, широко используются гетеросистемы InAlAs (широкозонный материал, барьер) и InGaAs (узкозонный материал, квантовая яма) на подложках InP. Таким образом, формируется квантовая яма, а в ней - двумерные электроны. Впервые НЕМТ были продемонстрированы в 1980 году [1]. Сейчас НЕМТ стал одним из главных полупроводниковых приборов, используемых в широкополосной спутниковой и мобильной связи, системах безопасности, радиолокации, радиоастрономии, метеорологии, в медицинском оборудовании, спутниковом и цифровом телевидении. К преимуществам НЕМТ относятся высокая предельная частота и низкий уровень шума.

Для роста НЕМТ-структур обычно используют подложки GaAs или InP. Транзисторы с высокой подвижностью электронов на НЕМТ-структурах с квантовой ямой InAlAs/InGaAs, выращенных на подложках InP, имеют преимущества по сравнению с НЕМТ на подложках GaAs: у них выше предельная частота генерации, низкий уровень шума, больший коэффициент усиления и большая предельно допустимая выходная мощность линейного усилителя. Но подложки GaAs дешевле и прочнее подложек InP.

Одним из показателей качества НЕМТ-структур является высокое значение произведения подвижности /ие и концентрации пе двумерных электронов. Само значение подвижности также должно быть высоким. Произведение /иепе и /и^, например, входят в выражение для тока в канале:

У2т Л = Шсуе

где 1 в - сила тока в канале, IV - ширина затвора, Ь - длина затвора, с - теплоёмкость единичной площади, /ие - подвижность двумерного электронного газа, УС5 - напряжение затвор-исток, Ут - пороговое напряжение, Уп5 - напряжение сток-исток (напряжение смещения), а - коэффициент пропорциональности, пе - концентрация двумерного электронного газа. А величина максимального тока канала 10 входит в выражение для выходной мощности линейного усилителя РоШ :

где Укпее - напряжение насыщения. Кроме того, произведение подвижности и концентрации носителей заряда определяет сопротивление Л канала:

где е - модуль заряда электрона.

Безусловно, для высокого значения произведения /иепе необходимы определённые технологические приёмы роста и легирования структур, обычно в качестве легирующей примеси п-типа используют кремний. Чем выше уровень легирования, тем выше значение пе, но существуют механизмы, ограничивающие рост концентрации, например,

амфотерность кремния. Увеличение концентрации носителей заряда может сопровождаться при определённых концентрациях уменьшением их подвижности из-за увеличивающегося рассеяния на заряженных ионах примеси. Подвижность электронов в канале зависит и от многих характеристик НЕМТ-структуры: зонной структуры материалов, входящих в состав структуры, дополнительного рассеяния носителей заряда на шероховатостях боковых стенок квантовой ямы и др.

4

(2)

Однако работ, где комплексно бы изучались зонная структура, электрофизические параметры НЕМТ-структур на подложках 1пР в зависимости от уровня легирования, ширины квантовой ямы, наличия вставок ¡пАб в квантовой яме не так много. В частности, в литературе мало работ, где с помощью эффекта Шубникова - де Гааза были бы детально исследованы электронные подвижности в подзонах размерного квантования в НЕМТ структурах С изоморфной квантовой ямой 1По 52А1о48Аэ/1По 5зОао47А8/1П()52А1о48А8 на подложках 1пР в зависимости от ширины квантовой ямы, наличия вставок 1пАз в яме, влияние освещения на подвижности электронов.

Цель работы

Изучение влияния на зонную структуру и подвижности двумерных электронов в НЕМТ-структурах с квантовой ямой ГпОаАз на подложках СаАэ и 1пР различных параметров НЕМТ-структур, таких как: ширина квантовой ямы, уровень легирования, наличие вставок ГпАэ в квантовой яме и их толщины. Изучение влияния освещения на подвижности двумерных электронов и исследование замороженной фотопроводимости в НЕМТ-структурах с квантовой ямой 1пОаАз.

Научные задачи

1. Изучение влияния освещения на электронные свойства 5-легированных НЕМТ-структур с квантовой ямой СаА5/1по20ао8А5/А1о2зОао77А5 на подложках ОаАэ. Определение по эффектам Холла и Шубникова - де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования односторонне 8-легированных кремнием НЕМТ-структур ОаАзЛпогОао.вАз/АЬгзОао 77Аз на подложках ваАз.

2. Исследование замороженной фотопроводимости в НЕМТ-структурах с изоморфной

квантовой ямой 1п0 5гА1о 48Аз/1по 5зОао47А5/1по52А1о48Аз на подложках 1пР и влияние

освещения на температурные зависимости сопротивления. Исследование кинетики релаксации замороженной фотопроводимости в таких НЕМТ-структурах. Определение по эффекту Шубникова - де Гааза концентраций, квантовых и транспортных подвижностей электронов в подзонах размерного квантования как в темноте, так и при освещении в односторонне 5-легированых кремнием НЕМТ-структурах 1по 52А1о48Аз/1по 5зОао47Аз/1по 5гА1о48Аз на подложках 1пР, отличающихся шириной квантовой ямы.

3. Изучение влияния ширины квантовой ямы на подвижности односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур с квантовой ямой 1по 52А1о48А5/1по5зОао47А8 на подложках 1пР. Расчёт профиля дна зоны проводимости, уровней энергии и волновых функций электронов. Расчёт квантовых и транспортных подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах с учётом межподзонных переходов.

4. Определение по эффектам Холла и Шубникова - де Гааза концентраций и подвижностей электронов в подзонах размерного квантования двусторонне 6-легированных кремнием НЕМТ-структур на подложках 1пР 1По52А1о48Аз/1По5зСао47А8/1пА8/1По5зСао47А5/1по52А1о48А5 и изучение влияния введения вставки ГпАэ различной толщины в центр квантовой ямы на подвижность электронов.

Научная новизна

1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах СаАзЛпо гОао 8Аз/А10 гзОао цАя на подложках ваАз и в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах на подложках 1пР с квантовой ямой 1по52А1о48А8/1по5зОао47А8/1по52А1о48А8.

2. Рассчитаны зонные диаграммы односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур Ino 52AI0 4sAs/Ino 53Gao 47As/Ino 52AI0 4sAs и их изменение при освещении структур, а также двусторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структур с квантовой ямой Ino52Alo48As/Ino53Gao47As/Ino52Alo48As со вставкой InAs в центре квантовой ямы.

3. Проведены расчёты квантовой и транспортной подвижностей электронов в случае рассеяния на ионизированных примесях при нескольких заполненных подзонах в этих структурах при учете межподзонных переходов в односторонне 6-легированных кремнием НЕМТ-структурах 1п0 52Alo 4sAs/ln0 53Gao 47As/Ino 52AI0 4sAs на подложках InP и в двусторонне 8-легированных кремнием НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino 52AI0 48As/Ino 53Gao 47As/Ino 52AI0 48As на подложках InP со вставкой InAs в квантовой яме различной толщины. Показано, что расчётные значения подвижностей хорошо согласуются с экспериментальными значениями.

4. Исследованы подвижности электронов в односторонне 8-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой Ino 52AI0 48As/Ino 53Gao 47As/Ino 52AI048AS на подложках InP как в темноте, так и при освещении. Показано, что квантовые подвижности существенно меньше транспортных, что указывает на преобладающую роль малоуглового рассеяния электронов.

5. Исследованы подвижности электронов в НЕМТ-структурах с квантовой ямой Ino 52Alo 48As/Ino 53Gao 47As/Ino 52Alo 48As на подложках InP со вставкой InAs различной толщины в центре квантовой ямы. Определена оптимальная толщина вставки InAs для получения максимальной электронной подвижности.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость до Т«200 К в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах ОаАвЛпо гбао 8Аз/А1о гзйао 77Аб на подложках ОаАэ. Замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Из анализа эффекта Шубникова - де Гааза, который позволяет определить концентрации и подвижности электронов в подзонах размерного квантования, определены оптимальные параметры структур для получения максимальной подвижности электронов.

2. Показано, что в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой ¡По 5гА1о 48Аз/1По 5зОао 47Аз/1По 52А1о 48А8 на подложках 1пР подвижность двумерных электронов зависит от ширины квантовой ямы. Для определения квантовых и транспортных подвижностей электронов использован эффект Шубникова - де Гааза при 4.2 К. Подвижность электронов максимальна (53500 см2/(В-с)) при ширине квантовой ямы 160 А.

3. Обнаружена и исследована замороженная фотопроводимость с порогом Т ® 170 К в односторонне 5-легированных кремнием НЕМТ-структурах с изоморфной квантовой ямой 1по 5гА1о 48 АзЛпо 5зОао47Аз/1по 52А1о48Аз на подложках 1пР. Показано, что замороженная фотопроводимость связана с пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда. Характерные времена релаксации фотопроводимости составляют десятки секунд. При увеличении концентрации электронов под действием освещения подвижности электронов во всех структурах увеличиваются и максимальная подвижность электронов (60200 см2/(В-с) при 4.2 К) наблюдается в квантовой яме шириной 160 А.

4. Показано, что в НЕМТ-структурах с квантовой ямой 1п0 52А1о48А5/1по5зОао47А5/1по52А1о48А5 на подложках 1пР подвижность двумерных электронов зависит от толщины вставки 1пАз в центре квантовой ямы. Максимальная подвижность электронов зафиксирована при толщине вставки 1пАз 31.4 А.

Научная и практическая значимость

Результаты данной работы могут быть использованы для оптимизации параметров НЕМТ-структур с квантовой ямой МлаАэ (ширина квантовой ямы, концентрация примеси кремния в 5-слоях, расположение 8-слоёв, присутствие пристеночных слоев СаАэ, присутствие вставок ¡пАэ в квантовой яме и их толщины). Такие структуры являются материалом для построения элементной базы современных СВЧ устройств. Полученные результаты исследований расширяют фундаментальные знания о НЕМТ-структурах с квантовой ямой 1пСаАз, 8-легированных кремнием, а значит, способствуют совершенствованию транзисторов с высокой подвижностью электронов, необходимых в СВЧ электронике. Результаты диссертации использованы при выполнении следующих НИР в ИСВЧПЭ РАН: «Исследования по созданию конструктивно-технологического базиса монолитных интегральных схем крайне высоких частот в диапазоне 30 -40 ГГц» и «Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур 1пА1А8/1пСаАз/ОаА5 для диапазона 60 - 80 ГГц».

Личный вклад соискателя

Основная часть работы по сбору и анализу литературных данных, а также расчёты зонной структуры, транспортных и квантовых подвижностей электронов по эффекту Шубникова - де Гааза и прямые теоретические расчёты подвижности электронов при рассеянии на ионизированных примесях с учётом межподзонных переходов выполнены лично соискателем. Все измерения гальваномагнитных свойств, эффекта Шубникова - де

Гааза при низких температурах и их обработка, представленные в диссертации,

выполнены соискателем самостоятельно.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка

литературы. Текст работы представлен на 119 страницах, включая 48 рисунков, 14 таблиц.

Список литературы содержит 114 наименований.

Апробация работы

Осно�