автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние дизайна метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства эпитаксиальных метаморфных НЕМТ наногетероструктур In0.7Al0.3As/In0.7Ga0.3As/In0.7Al0.3As на подложках GaAs и InP

На правах рукописи

005060523

ПУШКАРЁВ СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ДИЗАЙНА МЕТАМОРФНОГО БУФЕРА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МЕТАМОРФНЫХ НЕМТ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР ^олАЬАвЛполСаозАв/ГполАЬлАз НА ПОДЛОЖКАХ СаАя И 1пР

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектроинные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

3 О МАЙ 2013

Москва 2013

005060523

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

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

зав. лаб. ИСВЧПЭ РАН Галиев Галиб Бариевич

Официальные Доктор физико-математических наук,

оппоненты: зав. лаб. Физического института

им. П.Н. Лебедева РАН Казаков Игорь Петрович

Кандидат физико-математических наук, зав. каф. МГТУ МИРЭА Зайцев Александр Александрович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Защита диссертации состоится «18» июня 2013;Года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА) по адресу: 119454, Москва, проспект Вернадского, д. 78. > ;

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

Автореферат разослан «~/Л> 2013 года. Просим принять

участие в работе совета или прислать отзыв, заверенный печатью организации, по адресу МГТУ МИРЭА.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для обработки сверхвысокочастотных и терагерцевых электромагнитных сигналов применяются так называемые транзисторы с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor - HEMT), изготовленные на базе полупроводниковых гетероструктур. Такие многослойные гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений из группы AmBv с резкими интерфейсами и с наноразмерными слоями успешнее всего реализуются с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Активной областью таких гетероструктур (в дальнейшем - НЕМТ нано гетероструктур) является наноразмерная квантовая яма (КЯ) с двумерным электронным газом.

В настоящее время на базе наногетероструктур на подложках InP получены транзисторы с самыми высокими частотными характеристиками. Так, в работе [1] сообщается о НЕМТ транзисторе с составной квантовой

ямой Ino.52Alo48As/Ino.53Gao47As/InAs/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложке InP с длиной затвора 30 нм, на котором получены значения граничных частот усиления по току fT = 644 ГГц и по мощности/шах = 681 ГГц. Такие высокие значения рабочих частот по сравнению с традиционными псевдоморфными НЕМТ (РНЕМТ) транзисторами с КЯ Al0 2Ga<) sAs/InozGaogAs/Alo^Gao sAs на подложках GaAs обусловлены двумя факторами. Во-первых, уменьшением эффективной массы электрона при увеличении содержания In в активной области и соответствующим увеличением подвижности электронов и дрейфовой скорости насыщения электронов в таких структурах. Во-вторых, возможностью большего легирования барьерного слоя In^Ali^As с большим х благодаря меньшей концентрации образующихся DX-центров. Но относительно высокая стоимость подложек InP по сравнению с GaAs, их меньшая технологичность, в основном вызванная хрупкостью и меньшим

размером подложек, стимулировали работы по замене подложек 1пР на подложки ваЛв. '

Альтернативой использования подложек 1пР оказалась метаморфная технология, которая позволяет выращивать эпитаксиальные слои (эпислои) в случаях, когда параметры решётки эпислоёв и подложки сильно различаются. Суть метаморфной технологии заключается в выращивании между подложкой и активной областью наногетероструктуры толстого слоя с изменяющимся в зависимости от толщины составом — метаморфного буфера (МБ). Благодаря постепенному изменению состава МБ релаксирует через образование прямоугольной сетки дислокаций несоответствия, обеспечивая двумерный рост вышележащей активной области. В работе [2] сообщается о метаморфном НЕМТ (МНЕМГ) транзисторе с КЯ Ino.52AIo.48As/Ino.7oGao.3oAs/Ino.52Alo.48As на подложке ОаАв с длиной затвора 40 нм, на котором получены значения /т- = 688 ГГц и/тж = 800 ГГц.

Однако образование дислокаций несоответствия при релаксации метаморфного буфера сопровождается образованием прорастающих дислокаций, которые проникают в активную область наногетероструктуры. Прорастающие дислокации вызывают дополнительное рассеяние электронов, что приводит к уменьшению подвижности электронов и, в свою очередь, к уменьшению рабочих частот транзисторов. Кроме того, МНЕМТ наногетероструктуры обладают характерным . поперечно-полосатым рельефом поверхности и большей шероховатостью поверхности, чем НЕМТ и РНЕМТ наногетероструктуры. Гладкость поверхности влияет на свойства и характеристики гетероструктурных электронных приборов, особенно при использовании наноразмерных технологий, поскольку топологические размеры элементов на поверхности на сегодняшний день составляют ~ 30-50 нм.

Характеристики МНЕМТ наногетероструктур, такие как подвижность и

концентрация электронов, шероховатость поверхности, а также частотные

характеристики изготовленных на МНЕМТ наногетероструктурах

4

транзисторов и монолитных интегральных схем зависят от дизайна метаморфного буфера и от технологических режимов выращивания МНЕМТ наногетероструктур. Поэтому актуальной задачей является выращивание МНЕМТ наногетероструктур с высокими электрофизическими параметрами и кристаллическим совершенством, подавление проникновения прорастающих дислокаций в активную область метаморфных наногетероструктур, минимизация шероховатости их поверхности.

Цели и задачи работы

Целью работы являлось установление влияния профиля химического состава метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства эпитаксиальных МНЕМТ наногетероструктур с КЯ

Ino.7Alo.3As/Ino 7Gao.3As/Ino.7Alo.3As на подложках GaAs и InP.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

• Методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращена серия МНЕМТ наногетероструктур с КЯ Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As/Ino.7Alo.3As на подложках (1 0 0) GaAs и InP с различным профилем химического состава (дизайном) метаморфного буфера, включая ступенчатый профиль и линейный профиль с внутренними сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками и инверсными ступенями.

• Проведено систематизированное исследование электрофизических параметров выращенных МНЕМТ наногетероструктур: подвижности электронов fjc и их двумерной концентрации при температурах Т = 300 и 77 К.

• Исследовано совершенство кристаллической структуры выращенных МНЕМТ наногетероструктур с использованием методов атомно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии.

• Методом рентгеновской дифрактометрии определены латеральный и нормальный параметры кристаллической решётки достаточно толстых

100 нм) слоев с однородным составом в выращенных МНЕМТ наногетероструктурах. На основании этого определена величина упругой деформации указанных слоев.

• По модели частично реласкированного метаморфного буфера произведён расчёт остаточной упругой деформации метаморфного буфера для выращенных наногетероструктур. Произведено сравнение измеренной величины остаточной упругой деформации метаморфного буфера с промоделированной для выращенных наногетероструктур.

• Изучена возможность использования спектроскопии фотолюминесценции для качественной оценки подвижности электронов в МНЕМТ наногетероструктурах.

Научная новизна работы

1. В работе впервые предложены и методом МЛЭ выращены МНЕМТ наногетероструктуры со сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками внутри линейного метаморфного буфера, фильтрующими прорастающие дислокации. Исследованы электрофизические и структурные свойства таких наногетероструктур.

2. Впервые показано, что увеличение числа периодов сбалансированно-рассогласованных сверхрешёток внутри линейного метаморфного буфера приводит к увеличению подвижности электронов в МНЕМТ наногетероструктурах.

3. Впервые предложена и методом МЛЭ выращена МНЕМТ наногетероструктура с дополнительными инверсными ступенями и следующими за ними заглаживающими слоями внутри линейного метаморфного буфера. Описанный дизайн метаморфного буфера позволяет методом рентгеновской дифрактометрии определить параметры кристаллической решётки, состав и величину упругой деформации в промежуточных точках метаморфного буфера, в которых расположены

достаточно толстые заглаживающие слои однородного состава.

6

4. Впервые показано, что введение дополнительных инверсных ступеней внутрь метаморфного буфера приводит к резкому уменьшению его остаточной упругой деформации.

Научная и практическая значимость работы

Исследуемые в работе метаморфные наногетероструктуры с высокими значениями концентрации и подвижности электронов в КЯ (около 1.5-1012 см-2 и 12000 см2/(Вс) при комнатной температуре) применяются для изготовления малошумящих сверхвысокочастотных транзисторов и монолитных интегральных микросхем. Таким образом, проведённые в диссертационной работе исследования позволят создавать приборы с улучшенными частотными характеристиками. Выбор оптимального дизайна метаморфного буфера позволяет, с одной стороны, добиться увеличения подвижности электронов в КЯ, с другой стороны - добиться уменьшения шероховатости поверхности наногетероструктуры, что играет важную роль при использовании наноразмерной (~ 30-50 нм) технологии. Результаты работы были использованы в научных разработках ИСВЧПЭ РАН при выполнении следующих научно-исследовательских работ:

• «Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур 1пА1Аз/1пСаАз/ОаАз для диапазона 60-80 ГГц», выполняемой по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы, государственный контракт от 12 октября 2011 г. № 16.513.11.3113;

• «Исследование возможностей создания наногетероструктур для терагерцового диапазона частот (свыше 300 ГТц) телекоммуникационных систем», выполняемой по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт от 29 апреля 2011 г. № 14.740.11.0869.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная методика МЛЭ роста МНЕМТ наногетероструктур Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As на подложке (10 0) ОаАв с различным дизайном метаморфного буфера, включая ступенчатый профиль состава метаморфного буфера и линейные профили с внедрёнными внутрь метаморфного буфера сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками либо инверсными ступенями.

2. Обнаруженный эффект уменьшения рассеяния электронов в активной области при увеличении числа периодов сбалансированно-рассогласованных сверхрешёток внутри метаморфного буфера.

3. Обнаруженный Эффект сильного уменьшения остаточной упругой деформации метаморфного буфера при введении внутрь него дополнительных инверсных ступеней, равномерно распределённых по толщине метаморфного буфера.

4. Предложенный дизайн метаморфного буфера, предусматривающий наличие внутри него однородных по составу слоёв и позволяющий с помощью рентгеновской дифрактометрии определять параметры решётки, состав и величину упругой деформации метаморфного буфера в местах внедрения этих слоёв.

5. Обоснованный выбор ступенчатого дизайна метаморфного буфера как наиболее оптимального с точки зрения подвижности электронов при комнатной температуре и шероховатости поверхности МНЕМТ наногетероструктуры.

6. Обнаруженный экспоненциальный вид корреляционной зависимости между интенсивностью пика фотолюминесценции КЯ и подвижностью электронов при Т= 77 К для выращенных наногетероструктур.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность научных результатов обусловлена применением

современных и общепризнанных экспериментальных методов: МЛЭ, метода

8

Ван дер Пау, атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопии, вторично-ионной масс-спектрометрии, рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии фотолюминесценции. Полученные в работе результаты и выводы не противоречат ранее известным данным, неоднократно апробированы на международных и российских конференциях и научных семинарах.

Личный вклад соискателя

Соискатель принимал активное участие на всех стадиях работы. Им был выполнен анализ имеющихся литературных данных по теме, часть экспериментальных работ по эпитаксиальному росту МНЕМТ наногетероструктур, измерение их электрофизических параметров методами Ван дер Пау и мостиков Холла, расчёт остаточной упругой деформации согласно модели частично релаксированного метаморфного буфера, а также обработка измеренных кривых дифракционного отражения и определение параметров решётки, состава и величины упругой деформации заглаживающих слоев выращенных наногетероструктур.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного содержания и заключения, содержит 125 страниц, включая 55 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 100 наименований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на XIV Национальной конференции по росту кристаллов, объединённой с IV Международной конференцией «Кристаллофизика XXI века», посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2010 г.); 1-ой и 2-ой научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ электроники «Мокеровские чтения» (Москва, 2011, 2012 гг.); VIII Национальной конференции «Рентгеновское синхротронное излучение,

нейтроны и электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-био-инфо-когнитивные технологии (РСНЭ-НБИК 2011)» (Москва, 2011 г.); Международной научной конференций «Актуальные проблемы физики твёрдого тела (ФТТ-2011)» (Минск, 2011 г.); XV и XVI Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011, 2012 гг.); XIX Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Екатеринбург/Новоуральск, 2012 г.); 20th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (Nizhny Novgorod, 2012); International Conference "Micro- and Nanoelectronics - 2012" (Moscow/Zvenigorod, 2012); 15th European Microscopy Congress (Manchester Central, United Kingdom, 2012).

Публикации no теме диссертации

По теме диссертации опубликованы 17 работ, в том числе 7 работ в реферируемых журналах из перечня ВАК, 6 работ в трудах конференций, 2 отчёта ПНИР. Получены 2 патента РФ на изобретение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования влияния дизайна метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства МНЕМТ наногетероструктур; сформулированы цель работы и решаемые задачи; указаны новизна и практическая значимость; изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы, посвящённой релаксации напряжённых эпитаксиальных слоёв, особенностям метаморфных наногетероструктур, технологии их выращивания и применению. По результатам анализа литературных данных сделаны следующие выводы.

• Релаксация метаморфного буфера (МБ) хорошо описывается

моделью частично релаксированного МБ. Согласно этой модели МБ состоит

из двух частей: нижней релаксированной и верхней упруго напряжённой. С

10

целью стабилизировать верхнюю часть МБ и лежащую выше активную область наногетероструктуры поверх МБ выращивается инверсная ступень -слой с меньшим параметром решётки. Правильно подобранная величина рассогласования инверсной ступени относительно вершины МБ позволяет уменьшить шероховатость поверхности и увеличить подвижность электронов в канале.

• Увеличение соотношения потоков элементов III (As) и V (AI, Ga, In) групп, также как и уменьшение температуры роста, замедляет релаксацию МБ InI(AlGa),_IAs. Существует оптимальный диапазон как для отношения потоков элементов III и V групп, так и для температуры роста (350-400 °С), в котором обеспечивается наилучшее качество кристаллической структуры МБ In^AlGa^As на подложке GaAs, а следовательно, и вышележащей активной области. Использование димеров мышьяка (As2) вместо тетрамеров (AS4) приводит к значительному улучшению кристаллического совершенства МБ.

• По сравнению с перечисленными в предыдущем пункте технологическими параметрами эпитаксиального роста, изменение профиля химического состава МБ слабее влияет на электрофизические и структурные свойства наногетероструктур. Линейный МБ по сравнению с нелинейными МБ обеспечивает немного меньшую шероховатость поверхности из-за того, что механические напряжения распределены равномерно по его толщине. В то же время нелинейный МБ с большим градиентом состава в начале и с меньшим в конце обеспечивает большую «замороженную» упругую деформацию в нижней части МБ, возникающую вследствие взаимодействия дислокаций. Это может усилить стабильность МБ.

• Для того чтобы воспрепятствовать прорастающим дислокациям,

образующимся при релаксации напряжённого эпислоя, проникнуть в

вышележащие активные слои, могут использоваться сверхрешётки.

Сверхрешётки могут быть как нерассогласованные, так и рассогласованные,

а также модулированно-легированные. Все найденные сведения относятся к

сверхрешёткам, выращенным до или после напряжённого эпислоя, который

11

по конструкции или составу зачастую даже не является МБ, а соответствует РНЕМТ структурам. Однако анализ литературных данных показал, что нет случаев применения сверхрешёток, внедрённых внутрь метаморфного буфера МНЕМТ наногетероструктур.

Во второй главе описан метод молекулярно-лучевой эпитаксии и установка ЦНА-24, на которой были выращены исследуемые образцы. Также описан метод Ван дер Пау, с помощью которого были определены электрофизические параметры, методы атомно-силовой микроскопии, электронной микроскопии (в частности, ПРЭМ - просвечивающая растровая электронная микроскопия), рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии фотолюминесценции, с помощью которых исследовались структурные и оптические свойства выращенных образцов, а так же метод вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), с помощью которого был исследован профиль химического состава МБ выращенных образцов.

В третьей главе в разделе 3.1 описана общая идеология выращенных МНЕМТ наногетероструктур с различным дизайном МБ. Их активная область состоит из 5-легированной кремнием квантовой ямы Ino.70Alo.30As/Ino.75Gao.2sAs/Ino70Alo.30As и сохраняется одинаковой для всех исследуемых наногетероструктур, как и концентрация атомов 81 в легирующем 5-слое (рис. 1). При этом обнаруженные изменения и

Рисунок 1 - Конструкция исследуемых образцов: составляющие их слои, толщина и температура роста каждого слоя (* -данный слой отсутствует в образце 29В)

Ino.75Gao.25As {защитный слой) 7 HM 470°C

Ino.7oAlo.3oAs (барьер) 22 нм 470°C

Si (S-слой) - 470°C

In0.70Al0.30As (спейсер) 6 HM 470°C

Ino.7sGao.2sAs (КЯ) 16 HM 470°C

Ino.7oAlo.3oAs (барьер) 46 HM 470°C

In0 70Alo.3oAs (заглаживающий слой) 115 HM 400° С

InxAli-*As, х = 0.75 —» 0.70 {инверсная ступень) 50 HM 400°C

In, Ali ,As (МБ) 400 ■<:

* SL1 {AlGaAs/GaAs}х5 18 hm 590 ('

Подложка - -

особенности электрофизических и структурных свойств выращенных образцов можно отнести к влиянию меняющегося дизайна МБ.

Исходный дизайн МБ предусматривал линейное увеличение содержания 1п (х) в МБ ТгъЛЬхАя по мере увеличения толщины МБ. Таким дизайном МБ обладает образец 29В на подложке 1пР. МБ других образцов на подложках йаАБ является модификацией линейного МБ путём внедрения внутрь него напряжённых сверхрешёток {1пА1Аз/1пОаАз} с различным числом периодов (образцы 830, 835 и 888) либо дополнительных инверсных ступеней (образец 842). Особняком стоит образец 889 со ступенчатым МБ. Концепция изменения дизайна МБ представлена на рис. 2, где для каждого МБ схематически показан профиль содержания 1п по толщине.

Рисунок 2 - Концепция изменения дизайна МБ (х - содержание индия в МБ 1пхА1]_гА8, г - координата)

В разделе 3.2 данной главы приведены результаты исследований электрофизических и структурных параметров образцов со сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками внутри МБ. Образец 830 содержит две 5-периодные сверхрешётки {1пА1А&/1пОаАз} внутри МБ. Образец 835 отличается от образца 830 тем, что толщина линейной части его МБ была

увеличена в ~ 1.2 раза. Образец 888 отличается от образца 830 тем, что число периодов обоих сверхрешёток было увеличено до 30-ти.

Показано, что наногетероструктуры со сбалансировано-рассогласованными сверхрешётками внутри МБ обеспечивают высокое кристаллическое совершенство активной области и большие значения подвижности электронов. Показано, что сбалансированно-рассогласованные сверхрешётки внутри МБ блокируют прорастающие дислокации (рис. 3).

Рисунок 3-я) ПРЭМ изображение поперечного сечения образца 830; б) увеличенное изображение заключённого в рамку участка (1 - отклонение прорастающей дислокации сверхрешёткой 8ЬЗ, 2 - образование новой прорастающей дислокации возле сверхрешётки, 3 - прорастающие дислокации, проникшие в активную область)

Этот эффект тем значительнее, чем больше число периодов сверхрешёток, что подтверждается увеличением подвижности электронов в образце 888 по сравнению с образцом 830. В то же время увеличение числа периодов сверхрешёток не приводит к значительному изменению шероховатости поверхности наногетероструктуры. Уменьшение градиента рассогласования решётки линейного МБ вследствие увеличения его толщины не приводит к улучшению электрофизических свойств и шероховатости поверхности наногетероструктуры (образцы 830 и 835).

В разделе 3.3 данной главы приведены результаты исследований электрофизических и структурных параметров образца 842 с дополнительными инверсными ступенями внутри линейного МБ. Для наглядности он сравнивался с образцом 830, описанным в предыдущем разделе. Профиль содержания 1п в МБ 1пгА11-*Аз был измерен методом ВИМС (рис. 4, а) и полученный результат совпал с технологически заданным.

Инверсна» ступень

|гпажи1зающий спой

<иваюиц«м спой

ступень

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Толщина н а ногете ростру -¡туры. мкм

а

Толщина наногетероструктуры, мкм б

Рисунок 4 - Профиль содержания 1п в образцах 842 (а) и 889 (б), измеренный

методом ВИМС

Сравнение морфологии поверхности образцов 830 и 842, выполненное на основании результатов растровой электронной микроскопии, позволяет сделать следующие выводы. На поверхности образца 830 наблюдаются тёмные пятна (ямки) со средней плотностью 5-Ю5 см-2, которые идентифицируются как выходы прорастающих дислокаций. Поверхность образца 842 менее гладкая, и на ней характерный для МНЕМТ гетероструктур поперечно-полосатый рельеф осложнён выходами на поверхность дефектов упаковки. Прорастающие дислокации здесь распределены неравномерно: некоторые участки поверхности размером 10x10 мкм2 свободны от прорастающих дислокаций, в то время как на других плотность прорастающих дислокаций достигает 5107 см-2. Дефекты упаковки

15

распределены по поверхности образца 842 более равномерно со средней плотностью 2107 см"2. Они пересекают поверхность по прямым отрезкам вдоль <0 1 1>. Часто четыре дефекта упаковки, связанные общим происхождением, группируются с образованием тетраэдрического дефекта.

В разделе 3.4 данной главы приведены результаты исследований электрофизических и структурных параметров образца со ступенчатым МБ. Для наглядности он сравнивался с образцом 888, описанным в разделе 3.2. Как и в предыдущем случае, профиль содержания 1п в МБ 1пхА11_*Аз был измерен методом ВИМС (рис. 4, б) и полученный результат совпал с технологически заданным.

Показано, что наногетероструктура со ступенчатым МБ обеспечивает хорошее кристаллическое качество активной области. Использование ступенчатого МБ обеспечивает подвижность электронов (а значит, плотность прорастающих дислокаций), лишь немного уступающую подвижности элекронов в образце с рассогласованными 30-периодными сверхрешётками в линейном МБ. С другой стороны, он обеспечивает наименьшую шероховатость поверхности среди всех образцов на подложке ОаАв. (Заметим, что образец 29В на подложке 1пР вследствие меньшего рассогласования параметров решётки подложки и активной области, которое аккомодируется МБ с х = 0.57 —> 0.75, обладает ещё меньшей шероховатостью поверхности, а также наилучшими электрофизическими характеристиками.) Из этого следует, что ступенчатый дизайн МБ должен быть признан оптимальным или же конкурирующим с дизайном линейного МБ с вставленными внутрь него многопериодными сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками (в том случае, когда эпитаксиальный рост ступенчатого МБ затруднён и более желательно выращивание линейного МБ).

Для выявления наличия анизотропии электрофизических характеристик МНЕМТ наногетероструктур 888 и 889 были проведены измерения эффекта Холла на взаимно перпендикулярных холловских

16

мостиках, ориентированных вдоль направлений <0 1 1>. Средняя анизотропия подвижности электронов, определяемая как 1 -i^Mio 11], усреднённая по восьми точкам пластины, для образцов 889 и 888 оказалась равной 1.08 и 1.07 соответственно при Т= 300 К, 1.19 и 1.18 соответственно при Г =77 К. Отметим, что при охлаждении образца анизотропия ftc несколько увеличивается. Поскольку при Т= 77 К главную роль в рассеянии электронов играют дефекты и примеси, причина анизотропии вероятно, заключается в неодинаковом распределении дефектов вдоль направлений <01 1>. Тем не менее нельзя говорить о существовании какой-либо значительной анизотропии подвижности электронов в данных наногетероструктурах. Возможное объяснение заключается в том, что МБ, в котором происходила релаксация упругой деформации, был толстым (более 1 мкм), а анизотропная релаксация характерна для тонких эпитаксиальных слоёв и с увеличением толщины слоя исчезает.

В таблице 1 представлены электрофизические параметры (ре и ns) и среднеквадратичная шероховатость поверхности Rq всех выращенных и исследованных в диссертационной работе МНЕМТ наногетероструктур.

Таблица 1. Электрофизические параметры и среднеквадратичная шероховатость поверхности исследованных МНЕМТ наногетероструктур

№ fie, см2/(В-с) 77Л 10'2 см'2 Rq, нм

300 К 77 К 300 К 77 К

29В 12500 51000 1.48 1.44 3.0

830 10480 33320 1.45 1.38 7.2

835 10610 34300 1.32 1.26 7.9

888 11900 47100 1.56 1.47 8.2

842 8700 22800 1.84 1.76 13.8

889 11600 , 44200 1.53 1.45 6.0

С помощью энергодисперсионного рентгеновского микроанализа, ВИМС и рентгеновской дифрактометрии показано, что реальный химический состав наногетероструктур довольно хорошо совпадает с технологически заданным, систематически отличаясь от него всего на Ах ~ 0.06 в меньшую сторону.

В четвёртой главе приведены результаты исследований выращенных МНЕМТ наногетероструктур методом рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии фотолюминесценции.

В разделе 4.1 данной главы приведены измеренные для каждого образца кривые дифракционного отражения в режиме 0-20 сканирования для отражений (4 0 0) и (4 2 2). После анализа измеренных кривых были определены латеральный и нормальный параметры решётки толстых (~ 100 нм) заглаживающих слоёв, входящих в состав наногетероструктур и расположенных после МБ (образцы 29В, 830, 835, 888, 889) и внутри него (образец 842). Также была вычислена упругая деформация кристаллической структуры этих заглаживающих слоёв.

Описана модель частично релаксированного МБ, разработанная в ряде

работ [3], в применении к линейному МБ. На основании литературных

данных показано, что феноменологическая константа К2, которая

используется в модели частично релаксированного МБ, сильно зависит от

технологических режимов эпитакисального роста (температуры подложки и

давления мышьяка) и вследствие этого варьируется в широких пределах.

Поэтому для моделирования исследуемых в данной работе образцов,

выращенных при определённых технологических режимах, одинаковых для

всех образцов, было использовано значение К2 = 0.0027 нм. Оно получено

следующим образом. Из ряда исследуемых образцов выбран образец 29В,

выращенный на подложке 1пР, имеющий линейный МБ Ь^ДЬ^Аз

(х = 0.52 —► 0.75), хорошо описывающийся моделью. Для образца 29В

согласие модели с экспериментом происходит при К2 = 0.0027 нм.

Сопоставлены экспериментально определённые значения остаточной

18

упругой деформации гт в образцах со сложным дизайном МБ и значения, предсказанные моделью для линейных МБ с таким же средним градиентом. Показано, что с помощью нелинейного дизайна МБ можно в большой степени влиять на величину остаточной деформации МБ (рис. 5).

Егеэ . 0.003

0.002

0.001

о

-0.001 -0.002 -0.003 -0.004 -0.005

842

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4

^ 29В

888

▲Моделирование О Эксперимент

835 <

<д>, 10"5 нм*1

Рисунок 5 - Диаграмма «Средний градиент МБ - остаточная деформация»

Впервые предложенная в ходе выполнения диссертационной работы конструкция МБ с дополнительными заглаживающими слоями позволяет с помощью рентгеновской дифрактометрии определить параметры кристаллической решётки в нескольких промежуточных точках МБ.

В разделе 4.2 данной главы приведены результаты исследований выращенных МНЕМТ наногетероструктур методом спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ). Спектры ФЛ всех исследованных образцов в области энергий 0.6-0.8 эВ содержат интенсивный сложный пик, который относится к переходам электронов из двух подзон размерного квантования в КЯ (рис. 6).

Е, эВ Е, эВ

а б

Рисунок 6 - Спектры ФЛ выращенных МНЕМТ наногетероструктур

Наблюдается корреляция между интенсивностью пика I и подвижностью электронов //е: образец с большим значением даёт более интенсивный пик ФЛ. Объяснение заключается в том, что обе эти величины — подвижность электронов и интенсивность пика ФЛ от КЯ - отражают степень дефектности активной области наногетероструктуры. При Г =77 К зависимость /(це) близка к экспоненциальной (рис. 7, а), при Г =300 К экспериментальные точки лежат на графике с гораздо большим разбросом. Это можно объяснить тем, что подвижность электронов определяется рассеянием электронов как на дефектах кристаллической структуры, так и на фононах, которые при Т= 77 К в значительной степени подавлены. Также можно связать полуширину пика с подвижностью электронов при Т= 77 К. Полученная корреляция, изображённая на рис. 7, б, вполне объяснима, если принять во внимание, что дислокации в активной области не только уменьшают интенсивность ФЛ, но и приводят к уширению пика.

Следует пояснить, что на рис. 7 сопоставлены значения I, АЕ и //е для конкретных вырезанных из образца кусочков, а в главе 3 обсуждались усреднённые значения //„ по нескольким вырезанным кусочкам, поэтому имеется некоторое различие между значениями в главах 3 и 4.

г ш"

I Г= 77 К I

<0000 20000 30000 40000 50000

¿/е, СМ2/(В'С)

0 10000 20000 30000 40000 50000

//с, см2/(В с) а б

Рисунок 7-я) Диаграмма «подвижность электронов - интенсивность сигнала

ФЛ от КЯ»; б) диаграмма «Подвижность электронов - полуширина пика от КЯ»

В пятой главе продемонстрировано применение метаморфных наногетероструктур 1пА1Аз/1пСаАз/1пА!Аз со ступенчатым МБ при создании транзисторов и приведены частотные характеристики МНЕМТ транзисторов, изготовленных в ИСВЧПЭ РАН.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии МНЕМТ наногетероструктуры на подложках йзАэ с оптимизированным дизайном метаморфного буфера демонстрируют электрофизические параметры, сравнимые с электрофизическими параметрами МНЕМТ наногетероструктур на подложке 1пР. В то же время шероховатость поверхности МНЕМТ наногетероструктур на подложках ОаАв остаётся больше, чем для МНЕМТ наногетероструктур на подложке 1пР.

2. Показано, что сбалансированно-рассогласованные сверхрешётки внутри метаморфного буфера способствуют фильтрации прорастающих дислокаций. Их использование приводит к уменьшению плотности прорастающих дислокаций, проникших в активную область

наногетероструктуры, причём указанный эффект усиливается с увеличением числа периодов сверхрешётки от 5 до 30. Это приводит к уменьшению рассеяния электронов в квантовой яме и увеличению их подвижности от 10500 до 11900 см2/(В-с) при комнатной температуре и от 33300 до 47100 см2/(В-с) при 77 К. Данный эффект подтверждается увеличением интенсивности фотолюминесценции квантовой ямы.

3. Показано, что дизайн метаморфного буфера сильно влияет на его остаточную деформацию. Дополнительные инверсные ступени внутри метаморфного буфера сильно уменьшают остаточную деформацию метаморфного буфера, но, в отличие от сбалансировано-напряжённых сверхрешёток, неэффективны для фильтрации прорастающих дислокаций.

4. Один из предложенных дизайнов метаморфного буфера, предусматривающий наличие внутри него толстых заглаживающих слоёв, позволяет методом рентгеновской дифрактометрии- определить параметры кристаллической решётки, состав и величину упругой деформации в нескольких промежуточных слоях метаморфного буфера.

5. Обнаружена корреляция между характерной для метаморфных наногетероструктур неровностью поверхности и подвижностью электронов: структуры с большими значениями среднеквадратичной шероховатости поверхности обладают меньшими значениями подвижности электронов. Показано, что наиболее оптимальным дизайном метаморфного буфера является ступенчатый, поскольку наногетероструктура с таким метаморфным буфером обладает наименьшей шероховатостью поверхности в ряду проанализированных образцов на подложке ОаАэ (6 нм), а также достаточно большим значением подвижности электронов при комнатной температуре (11600 см2/(В с)).

6. Для МНЕМГ наногетероструктур с различным дизайном

метаморфного буфера при Т = 77 К экспериментально установлен

экспоненциальный характер корреляционной зависимости между

подвижностью электронов в квантовой яме и интенсивностью

22

фотолюминесценции квантовой ямы. С помощью спектроскопии фотолюминесценции можно качественно оценить подвижность электронов в них, имея ряд уже исследованных МНЕМТ наногетероструктур с такой же активной областью и опираясь на установленную экспоненциальную зависимость /(ur), где I - интенсивность фотолюминесценции от квантовой ямы при Т= 77 К, //е - подвижность электронов в квантовой яме при Г = 77 К. Предложенный метод представляет особенный интерес как метод неразрушающей диагностики наногетероструктур.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Список опубликованных работ по теме диссертации в журналах, вошедших в перечень ВАК

1. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, А.Л. Кванин, С.С. Пушкарев, М.А. Пушкин. Взаимосвязь конструкции метаморфных наногетероструктур InAlAs/InGaAs с содержанием InAs в активном слое 76-100% с морфологией их поверхности и электрофизическими свойствами // Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т. 45, вып. 9. - С. 1203-1208.

2. Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, P.M. Имамов, С.С. Пушкарев, И.А. Субботин. Структурные и электрофизические свойства метаморфных наногетероструктур с высоким содержанием InAs (37—100%), выращенных на подложках GaAs и InP // Кристаллография. - 2011. - Т. 56, №5.-С. 984-989.

3. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, С.С. Пушкарев, O.A. Рубан. Использование метаморфной технологии для получения МНЕМТ-наногетероструктур InAlAs/InGaAs на подложках GaAs и InP с различным содержанием InAs в активной области // Нано- и микросистемная техника. -2011. —№ 12.— С. 8-11.

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

P.M. Имамов, И.А. Субботин, Е.С. Павленко, А.Л. Кванин. Исследование

23

структурных и электрофизических параметров МЖМГ-наногетероструктур Ino.70Alo.30As/Ino.75Gao.25As с различным распределением деформаций в метаморфном буфере // Кристаллография. - 2012. - Т. 57, № 6. - С. 954-961.

5. G.B. Galiev, I.S. Vasil'evskii, S.S. Pushkarev, E.A. Klimov, R.M. Imamov, P.A. Buffat, B. Dwir, E.I. Suvorova. Metamorphic InAlAs/InGaAs/InAlAs/GaAs HEMT heterostructures containing strained superlattices and inverse steps in the metamorphic buffer // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 366. - P. 55-60.

6. A.C. Бугаев, Г.Б. Галиев, П.П. Мальцев, С.С. Пушкарёв, Ю.В. Фёдоров. Полупроводниковые гетероструктуры InAlAs/InGaAs с метаморфным буфером In^Al/jai-^i-rAs: конструкция, технология, применение // Нано- и микросистемная техника. - 2012. - № 10. - С. 14-24.

7. Г.Б. Галиев, С.С. Пушкарев, И.С. Васильевский, О.М. Жигалина, Е.А. Климов, В.Г. Жигалина, P.M. Имамов. Исследование влияния напряженных сверхрешеток, введенных в метаморфный буфер, на электрофизические свойства и атомное строение МНЕМТ наногетероструктур InAlAs/InGaAs // Физика и техника полупроводников. -2013.-Т. 47, вып. 4. - С. 510-515.

Список опубликованных работ по теме диссертации в других печатных

изданиях

8. Патент РФ на изобретение № 2474923. Полупроводниковая метаморфная наногетероструктура InAlAs/InGaAs / Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, С.С. Пушкарёв, O.A. Рубан ; патентообладатель ИСВЧПЭ РАН. -2011125641/28 ; заявл. 23.06.2011; опубл. 10.02.2013, бюл. № 4.

9. Патент РФ на изобретение № 2474924. Полупроводниковая наногетероструктура InAlAs/InGaAs с метаморфным буфером / Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, С.С. Пушкарёв, O.A. Рубан ; патентообладатель ИСВЧПЭ РАН. - 2011132972/28 ; заявл. 08.08.2011 ; опубл. 10.02.2013, бюл.№ 4.

10. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, Е.А. Климов, В.А. Кульбачинский, С.С. ПушкарЬв, Н.А. Юзеева. Электронный транспорт в модулировано-легированных квантовых ямах и слоях InAs на основе метаморфных наногетероструктур // Сборник трудов научной сессии НИЯУ МИФИ-2010 (Москва, 25-31 января 2010 г.). - Т. 3. - С. 26-29.

11. И.С. Васильевский, Г.Б. Галиев, P.M. Имамов, Е.А. Климов, С.С. Пушкарев, И.А. Субботин. Электрофизические и структурные свойства метаморфных наногетероструктур с высоким содержанием InAs (75-100%), выращенных на подложках GaAs и InP. // Труды XV международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 14-18 марта 2011 г.). - Т. 2. - С. 434-435.

12. С.С. Пушкарёв, Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, P.M. Имамов, A.JI. Кванин, Е.А. Климов, Е.С. Павленко, И.А. Субботин. Исследование влияния модификации метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства МНЕМТ наногетероструктур Ino.70Alo.30As/Ino.75Gao.25As // Сборник трудов XVI Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 12-16 марта 2012 г.). - Т. 2. - С. 359361.

13. G.B. Galiev, I.S. Vasil'evskii, S.S. Pushkaryov, Е.А. Klimov, A.L. Kvanin, R.M. Imamov, P.A. Buffat, E.I. Suvorova. Electrophysical and structural properties of novel metamorphic GaAs/InGaAs/InAlAs HEMTs containing strained superlattices and inverse steps in the metamorphic buffer // 20th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (Nizhny Novgorod, June 24-30, 201,2): proceedings. - P. 110-112.

14. S.S. Pushkarev, G.B. Galiev, E.A. Klimov, D.V. Lavrukhin, I.S. Vasil'evskii, R.M. Imamov, I.A. Subbotin, O.M. Zhigalina, P.A. Buffat, B. Dwir, E.I. Suvorova. Influence of metamorphic buffer design on electrophysical and structural properties of . MHEMT nanoheterostructures Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As/Ino.7Alo.3As/GaAs // International Conference "Micro- and

Nanoelectronics - 2012" (Moscow/Zvenigorod, October 1-5, 2012) : book of abstracts. - 03-13.

15. Г.Б. Галиев, C.C. Пушкарёв, И.С. Васильевский, E.A. Климов,

B.C. Лопотов. Оптимизация конструкции метаморфного буфера для выращивания МНЕМТ наногетероструктур Ino.68Alo.32As/Ino.72Gao.28As на подложке GaAs // Труды международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2012» (Таганрог, 25-29 июня 2012 г.). - С. 23-24.

16. Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур InAlAs/InGaAs/GaAs для диапазона частот 60-80 ГГц : отчёт о ПНИР (промежуточн., 2 этап); гос. контракт № 16.513.11.3113 /ИСВЧПЭ РАН ; рук. А.С. Бугаев ; исполн.: С.С. Пушкарёв [и др.]. - М., 2012. - 170 с. - № гос. регистрации 01201177613.

17. Исследование возможностей создания наногетероструктур для терагерцового диапазона частот (свыше 300 ГГц) телекоммуникационных систем : отчёт о ПНИР (промежуточн., 2 этап); гос. контракт № 14.740.11.0869 / ИСВЧПЭ РАН ; рук. Ю.К. Пожела ; исполн.: С.С. Пушкарёв [и др.]. - М., 2011. - 86 с. - № гос. регистрации 01201169427.

Список цитируемой литературы

1. D.-H. Kim, J.A. del Alamo. 30-nm InAs PHEMTs with fT = 644 GHz and /„ax = 681 GHz // IEEE Electron Device Letters. - 2010. - Vol. 31, No. 8. -P. 806-807.

2. D.-H. Kim, B. Brar, J.A. del Alamo. fT = 688 GHz and /max = 800 GHz in Lg = 40 nm Ino.7Gao.3As MHEMTs with gm,max > 2.7 mS/цш // IEEE International Electron Devices Meeting (Washington DC, 2011). - P. 13.6.1-13.6.4.

3. F. Romanato, E. Napolitani, A. Camera, A.V. Drigo, L. Lazzarini, G. Salviati,

C. Ferrari, A. Bosacchi, S. Franchi. Strain relaxation in graded composition I^Ga^As/GaAs buffer layers // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 86, No. 9. -p. 4748^4-755.

Подписано в печать: 13.05.2013

Заказ № 8462 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 . 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 www.autoreferat.ru

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ВЛИЯНИЕ ДИЗАЙНА МЕТ АМОРФНОГО БУФЕРА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МЕТАМОРФНЫХ НЕМТ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As/Ino.7Alo.3As НА ПОДЛОЖКАХ СаАэ И 1пР

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектроннные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

04201357659

Пушкарёв Сергей Сергеевич

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Г. Б. Галиев

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и условных обозначений........................................................................................................5

Введение............................................................................................................................................................................................................................................6

Глава 1 Применение, электронные и релаксационные свойства, особенности конструкции и технологии эпитакисального роста метаморфных

НЕМТ наногетероструктур 1пА1Аз/1пОаА8ЯпА1Аз..................................................................17

1.1 Использование метаморфных наногетероструктур в сверхвысокочастотной полупроводниковой электронике..............................................................17

1.2 Двумерный электронный газ........................................................................................................................................24

1.3 Релаксация напряжённых эпитаксиальных слоёв........................................................................27

1.4 Конструкционные особенности метаморфного буфера......................................................37

1.4.1 Метаморфные буферы с разным профилем состава............................................37

1.4.2 Инверсная ступень, завершающая метаморфный буфер............................42

1.5 Технологические режимы роста метаморфного буфера....................................................45

1.6 Фильтрация дислокаций с помощью сверхрешёток................................................................49

1.7 Выводы по первой главе..........................................................................................................................................................51

Глава 2 Экспериментальные методы и оборудование....................................................................................54

2.1 Молекулярно-лучевая эпитаксия..............................................................................................................................54

2.2 Методы измерения и исследования электрофизических и структурных характеристик наногетероструктур........................................................................................58

2.2.1 Метод Ван дер Пау........................................................................................................................................................58

2.2.2 Измерения на холловских мостиках..............................................................................................60

2.2.3 Атомно-силовая микроскопия..................................................................................................................60

2.2.4 Рентгеновская дифрактометрия..............................................................................................................61

2.2.5 Электронная микроскопия..............................................................................................................................62

2.2.6 Спектроскопия фотолюминесценции..........................................................................................64

2.2.7 Вторично-ионная масс-спектрометрия......................................................................................65

2.3 Выводы по второй главе........................................................................................................................................................66

Глава 3 Исследование влияния различных конструкций метаморфного буфера на электрофизические и структурные параметры МНЕМТ наногетероструктур.................................................................................... 67

3.1 Общая идеология выращенных МНЕМТ наногетероструктур................ 67

3.2 Исследование влияния введения рассогласованных сверхрешёток внутрь линейного метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства МНЕМТ наногетероструктур....................................... 69

3.3 Исследование влияния введения инверсных ступеней внутрь линейного метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства МНЕМТ наногетероструктур.............................................................. 78

3.4 Исследование влияния использования ступенчатого метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства МНЕМТ наногетероструктуры........................................................................................... 83

3.5 Выводы по третьей главе............................................................................ 86

Глава 4 Исследования выращенных МНЕМТ наногетероструктур методом

рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии фотолюминесценции.................................................................................. 89

4.1 Исследование выращенных МНЕМТ наногетероструктур методом рентгеновской дифрактометрии......................................................................... 89

4.1.1 Вводная информация........................................................................ 89

4.1.2 Полученные результаты................................................................... 89

4.1.3 Моделирование релаксации метаморфного буфера...................... 95

4.1.4 Сравнение релаксационной модели метаморфного буфера с экспериментом..............................................................................................101

4.2 Взаимосвязь фотолюминесцентных и электрофизических свойств выращенных МНЕМТ наногетероструктур.......................................................105

4.3 Выводы по четвёртой главе........................................................................108

Глава 5 Применение оптимизированной метаморфной технологии при

разработке МНЕМТ транзисторов.............................................................110

Заключение.................................................................................................................115

Благодарности............................................................................................................117

Список литературы...................................................................................................118

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

EDX - energy-dispersive X-ray spectroscopy — энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

НЕМТ — high electron mobility transistor — транзистор с высокой подвижностью электронов

МНЕМТ— metamorphic НЕМТ- metamorphic high electron mobility transistor MOCVD — metal-organic chemical vapor deposition — химическое осаждение из газовой фазы металлоорганических соединений

РНЕМТ — pseudomorphic НЕМТ — pseudomorphic high electron mobility transistor

SL - superlattice - сверхрешётка

ACM - атомно-силовая микроскопия

ВИМС - вторично-ионная массовая спектроскопия

ЗШУ - загрузочно-шлюзовое устройство

КДО - кривая дифракционного отражения

КЯ - квантовая яма

МБ - метаморфный буфер

МИС - монолитная интегральная схема

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

НВГМ - насос вакуумный геттерный магниторазрядный

НМД - насос магниторазрядный диодный

ПНИР - поисковая научно-исследовательская работа

ПРЭМ - просвечивающая растровая электронная микроскопия

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РЭМ - растровая электронная спектроскопия

СВЧ - сверхвысокочастотный

ФЛ - фотолюминесценция

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Для обработки сверхвысокочастотных и терагерцевых электромагнитных сигналов применяются так называемые транзисторы с высокой подвижностью электронов {high electron mobility transistor — НЕМТ), изготовленные на базе полупроводниковых гетероструктур. Такие многослойные гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений из группы AmBw с резкими интерфейсами и с наноразмерными слоями успешнее всего реализуются с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Активной областью таких гетероструктур (в дальнейшем - НЕМТ наногетероструктур) является наноразмерная квантовая яма (КЯ) с двумерным электронным газом.

В настоящее время на базе наногетероструктур на подложках InP получены транзисторы с самыми высокими частотными характеристиками. Так, в работе [1] сообщается о НЕМТ транзисторе с составной квантовой ямой Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As/InAs/Ino.53Gao.47As/Ino.52Alo.48As на подложке InP с длиной затвора 30 нм, на котором получены значения граничных частот усиления по току fT = 644 ГГц и по мощности /Пах = 681 ГГц. Такие высокие значения рабочих частот по сравнению с традиционными псевдоморфными НЕМТ (РНЕМТ) транзисторами с КЯ Alo.2Gao.8As/Ino.2Gao.8As/Alo.2Gao.8As на подложках GaAs обусловлены двумя факторами. Во-первых, уменьшением эффективной массы электрона при увеличении содержания In в активной области и соответствующим увеличением подвижности электронов и дрейфовой скорости насыщения электронов в таких структурах. Во-вторых, возможностью большего легирования барьерного слоя InvAli__vAs с большим х благодаря меньшей концентрации образующихся /Ж-центров. Но относительно высокая стоимость подложек InP по сравнению с GaAs, их меньшая технологичность, в основном вызванная хрупкостью и меньшим размером подложек, стимулировали работы по замене подложек InP на подложки GaAs.

Альтернативой использования подложек 1пР оказалась метаморфная технология, которая позволяет выращивать эпитаксиальные слои (эпислои) в случаях, когда параметры решётки эпислоёв и подложки сильно различаются. Суть метаморфной технологии заключается в выращивании между подложкой и активной областью наногетероструктуры толстого слоя с изменяющимся в зависимости от толщины составом — метаморфного буфера (МБ). Благодаря постепенному изменению состава МБ релаксирует через образование прямоугольной сетки дислокаций несоответствия, обеспечивая двумерный рост вышележащей активной области. В работе [2] сообщается о метаморфном НЕМТ {МНЕМТ) транзисторе с КЯ In0.52Al0.48As/In0.70Ga0.30As/In0.52Al0.48As на подложке ваАз с длиной затвора 40 нм, на котором получены значения /т = 688 ГГц и /тах = 800 ГГц.

Однако образование дислокаций несоответствия при релаксации метаморфного буфера сопровождается образованием прорастающих дислокаций, которые проникают в активную область наногетероструктуры. Прорастающие дислокации вызывают дополнительное рассеяние электронов, что приводит к уменьшению подвижности электронов и, в свою очередь, к уменьшению рабочих частот транзисторов. Кроме того, МНЕМТ наногетероструктуры обладают характерным поперечно-полосатым рельефом поверхности и большей шероховатостью поверхности, чем НЕМТ и РНЕМТ наногетероструктуры. Гладкость поверхности влияет на свойства и характеристики гетероструктурных электронных приборов, особенно при использовании наноразмерных технологий, поскольку топологические размеры элементов на поверхности на сегодняшний день составляют ~ 30-50 нм.

Характеристики МНЕМТ наногетероструктур, такие как подвижность и концентрация электронов, шероховатость поверхности, а также частотные характеристики изготовленных на МНЕМТ наногетероструктурах транзисторов и монолитных интегральных схем зависят от дизайна метаморфного буфера и от технологических режимов выращивания МНЕМТ наногетероструктур. Поэтому актуальной задачей является выращивание МНЕМТ наногетероструктур с

высокими электрофизическими параметрами и кристаллическим совершенством, подавление проникновения прорастающих дислокаций в активную область метаморфных наногетероструктур, минимизация шероховатости их поверхности.

Цели и задачи работы

Целью работы являлось установление влияния профиля химического состава метаморфного буфера на электрофизические и структурные свойства эпитаксиальных МНЕМТ наногетероструктур с КЯ

Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As/Ino.7Alo.3As на подложках GaAs и InP.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

• Методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращена серия МНЕМТ наногетероструктур с КЯ Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As/Ino.7Alo.3As на подложках (10 0) GaAs и InP с различным профилем химического состава (дизайном) метаморфного буфера, включая ступенчатый профиль и линейный профиль с внутренними сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками и инверсными ступенями.

• Проведено систематизированное исследование электрофизических параметров выращенных МНЕМТ наногетероструктур: подвижности электронов ¡J.Q и их двумерной концентрации ns при температурах Т = 300 и 77 К.

• Исследовано совершенство кристаллической структуры выращенных МНЕМТ наногетероструктур с использованием методов атомно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии.

• Методом рентгеновской дифрактометрии определены латеральный и нормальный параметры кристаллической решётки достаточно толстых (~ 100 нм) слоёв с однородным составом в выращенных МНЕМТ наногетероструктурах. На основании этого определена величина упругой деформации указанных слоёв.

• По модели частично реласкированного метаморфного буфера произведён расчёт остаточной упругой деформации метаморфного буфера для выращенных наногетероструктур. Произведено сравнение измеренной величины

остаточной упругой деформации метаморфного буфера с промоделированной для выращенных наногетероструктур.

• Изучена возможность использования спектроскопии

фотолюминесценции для качественной оценки подвижности электронов в МНЕМТ наногетероструктурах.

Научная новизна работы

1. В работе впервые предложены и методом МЛЭ выращены МНЕМТ наногетероструктуры со сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками внутри линейного метаморфного буфера, фильтрующими прорастающие дислокации. Исследованы электрофизические и структурные свойства таких наногетероструктур.

2. Впервые показано, что увеличение числа периодов сбалансированно-рассогласованных сверхрешёток внутри линейного метаморфного буфера приводит к увеличению подвижности электронов в МНЕМТ наногетероструктурах.

3. Впервые предложена и методом МЛЭ выращена МНЕМТ наногетероструктура с дополнительными инверсными ступенями и следующими за ними заглаживающими слоями внутри линейного метаморфного буфера. Описанный дизайн метаморфного буфера позволяет методом рентгеновской дифрактометрии определить параметры кристаллической решётки, состав и величину упругой деформации в промежуточных точках метаморфного буфера, в которых расположены достаточно толстые заглаживающие слои однородного состава.

4. Впервые показано, что введение дополнительных инверсных ступеней внутрь метаморфного буфера приводит к резкому уменьшению его остаточной упругой деформации.

Научная и практическая значимость работы

Исследуемые в работе метаморфные наногетероструктуры с высокими значениями концентрации и подвижности электронов в КЯ (около 1.5-1012 см-2 и

•у

12000 см /(В-с) при комнатной температуре) применяются для изготовления малошумящих сверхвысокочастотных транзисторов и монолитных интегральных микросхем. Таким образом, проведённые в диссертационной работе исследования позволят создавать приборы с улучшенными частотными характеристиками. Выбор оптимального дизайна метаморфного буфера позволяет, с одной стороны, добиться увеличения подвижности электронов в КЯ, с другой стороны - добиться уменьшения шероховатости поверхности наногетероструктуры, что играет важную роль при использовании наноразмерной 30-50 нм) технологии. Результаты работы были использованы в научных разработках ИСВЧПЭ РАН при выполнении следующих научно-исследовательских работ:

• «Разработка технологии изготовления метаморфных наногетероструктур 1пА1А8/1пОаА8/ОаАз для диапазона 60-80 ГГц», выполняемой по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы, государственный контракт от 12 октября 2011 г. № 16.513.11.3113;

• «Исследование возможностей создания наногетероструктур для терагерцового диапазона частот (свыше 300 ГГц) телекоммуникационных систем», выполняемой по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт от 29 апреля 2011 г. № 14.740.11.0869.

Основные пололсения, выносимые на защиту

1. Разработанная методика МЛЭ роста МНЕМТ наногетероструктур Ino.7Alo.3As/Ino.7Gao.3As на подложке (1 0 0) СаАэ с различным дизайном метаморфного буфера, включая ступенчатый профиль состава метаморфного буфера и линейные профили с внедрёнными внутрь метаморфного буфера

сбалансированно-рассогласованными сверхрешётками либо инверсными ступенями.

2. Обнаруженный эффект уменьшения рассеяния электронов в активной области при увеличении числа периодов сбалансированно-рассогласованных сверхрешёток внутри метаморфного буфера.

3. Обнаруженный эффект сильного уменьшения остаточной упругой деформации метаморфного буфера при введении внутрь него дополнительных инверсных ступеней, равномерно распределённых по толщине метаморфного буфера.

4. Предложенный дизайн метаморфного буфера, предусматривающий наличие внутри него однородных по составу слоев и позволяющий с помощью рентгеновской дифрактометрии определять параметры решётки, состав и величину упругой деформации метаморфного буфера в местах внедрения этих слоев.

5. Обоснованный выбор ступенчатого дизайна метаморфного буфера как наиболее оптимального с точки зрения подвижности электронов при комнатной температуре и шероховатости поверхности МНЕМТ наногетероструктуры.

6. Обнаруженный экспоненциальный вид корреляционной зависимости между интенсивностью пика фотолюминесценции КЯ и подвижностью электронов при Т = 77 К для выращенных наногетероструктур.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достовернос�