Оглавление
Введение.................................................................5
Список условных обозначений.............................................J3
1. Л итературный обзор..................................................15
1.1. Гетероструктуры и квантовые ямы..................................15
1.2. Спектроскопия адмиттанса.........................................19
1.2.1. Область обеднения р-п перехода. Зонные диаграммы р-п перехода и барьера Шоттки.......................................21
1.2.2. Емкость области объемного заряда р-п перехода и барьера Шопки...........................................................25
1.2.3. Приближение полного обеднения. Малосигнальное приближение.....................................................30
1.3. Особенности емкостного профилирования распределения носителей
заряда................................................................33
1.4. Эквивалентные схемы измерений. Учет последовательного
сопротивления при анализе вольт-фарадных характеристик................34
1.5. Барьерная емкость при наличии глубоких уровней...................37
1.6. Основные свойства и параметры GaAs, InAs, InxGai.xAs.............39
1.7. Влияние упругих напряжений на энергетический спектр
гетероструктур........................................................42
Выводы по главе 1.......................................................47
2. Исследование гетероструктур с одиночными напряженными квантовыми ямами InGaAs/GaAs методами адмиттанса...................................48
2.1. Описание исследуемых образцов. Гетероструктуры с одиночными
напряженными квантовыми ямами InxGai_xAs/GaAs.........................48
2.2. Экспериментальные ВФХ гетероструктур с КЯ InxGai.xAs/GaAs........51
2.3. Оценка величины заряда, накопленного в квантовых ямах
InGaAs/GaAs...........................................................57
2.4. Экспериментальные спектры проводимости гетероструктур с
квантовыми ямами InGaAs/GaAs..........................................59
Выводы по главе 2.......................................................65
3. Моделирование энергет ического спектра гетероструктур с КЯ. Подгонка к экспериментальным ВФХ.................................................66
3.1. Расчет ВФХ изотипного гетероперехода с КЯ InxGai_xAs/GaAs с
помощью самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингера........................................................68
3
3.1.1. Решение уравнения Пуассона...................................68
3.1.2. Решение уравнения Шредингера.................................69
3.1.3. Построение ВФХ. Результаты моделирования.....................70
3.2. Упругие напряжения в системе InGaAs/GaAs.........................70
3.3. Расчет энергии связанных состояний и волновых функций в зоне проводимости и валентной зоне для одиночных напряженных КЯ InGaAs/GaAs в самосогласованном потенциале Хартри...................74
3.3.1. Выбор алгоритма решения......................................80
3.3.2. Программное обеспечение для расчета энергетического спектра
гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs в среде LabVIEW.....................81
3.3.3. Внешний вид программного обеспечения и блок-диаграмма........82
3.3.4. Выбор шага и оценка точности вычислений......................83
3.4. Изучение влияния геометрических и технологических факторов на изменение параметров энергетического спектра гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs.........................................................87
3.4.1. Влияние ширины и глубины КЯ на параметры энергетического
спектра гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs.............................90
3.4.2. Влияние концентрации легирующей примеси в барьерах на параметры энергетического спектра гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs 94
3.4.3. Влияние внешнего поля на энергетический спектр
гетероструктур с КЯ InGaAs/GaAs.....................................95
3.5. Исследования температурной зависимости разрыва зоны проводимости в гетероструктурах с КЯ InxGai.xAs/GaAs (х = 0.225)....97
3.6. Оценка заряда, накапливаемого одиночной квантовой ямой в условиях неполной ионизации примеси................................101
Выводы по главе 3......................................................106
4. Исследование гетероструктур с ультратонкими кван товыми ямами смачивающих слоев InAs/GaAs............................................107
4.1. Описание образцов с тремя ультратонкими КЯ смачивающих слоев InAs/GaAs..........................................................108
4.2. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента.......................................................110
4.3. Экспериментальные вольт-фарадные характеристики гетероструктуры с тремя ультратонкими квантовыми ямами смачивающих слоев InAs/GaAs....................................................111
4.4. Заряд, накопленный в ультратонких квантовых ямах смачивающих слоев InAs/GaAs....................................................117
4
4.5. Анализ экспериментальных спектров проводимости гетероструктур с ультратонкими квантовыми ямами смачивающих слоев InAs/GaAs..........118
4.5.1. Схема энергетических уровней ультратонких смачивающих слоев InAs/GaAs...................................................123
Выводы по главе 4.....................................................125
Заключение............................................................126
Список литературы.....................................................128
5
Введение
Важную группу материалов микро- и наноэлектроники составляют полупроводниковые гетероструктуры, представляющие собой последовательность из различных полупроводников с отличающимися значениями ширины запрещенной зоны [1]. Широкий спектр подобных структур открывает практически неограниченные перспективы в плане управления важнейшими оптическими и электронными свойствами приборов. Основное внимание исследователей сконцентрировано на структурах, созданных на основе соединений AllIBv и их твердых растворах. Это во многом обусловлено их широким использованием в качестве материалов дня приборов высокочастотной электроники и оптоэлектроники. Наличие размерного квантования в гетероструктурах является причиной возникновения уникальных явлений и свойств, которые позволяют создавать повое поколение электронных приборов. Среди основных преимуществ применения указанных материалов в микро- и наноэлектронике можно выделить следующие:
- использование новых материалов позволяет поддерживать существующую в последние десятилетия тенденцию дальнейшей миниатюризации приборов и микросхем;
- за счет комбинаций различных полупроводников (с целью создания гетеропереходов, например) можно с достаточной степенью точности регулировать свойства материалов под определенные цели применения;
- используя твердые растворы полупроводников, можно регулировать электронные и оптические свойства материала выбором состава раствора.
В частности, система твердых растворов InxGai.xAs/GaAs активно используется для создания лазеров на основе квантовых ям (КЯ) и квантовых точек (КТ). Такие приборы служат для генерации излучения в области ближнего инфракрасного диапазона и широко применяются в волоконно-оптических линиях связи [2]. Вместе с тем, несмотря ira широкое использование полупроводниковых структур на основе твердых растворов AmBv, не-
6
которые их важные параметры до сих пор являются изученными недостаточно. В частности, для большинства соединений данной системы нет достоверных сведений о величине разрыва зон на гстерогранице. Разрыв зон является основным параметром, определяющим работу приборов на полупроводниковых гетероструктурах, поскольку он формирует квантовую яму, а, следовательно, и определяет энергетический спектр в зоне проводимости и в валентной зоне, энергии разрешенных переходов, определяющие длину волны излучения прибора, величину накопленного структурой заряда. Таким образом, проведение точной диагностики основных параметров полупроводниковых гетеро структур на основе соединений А|ИВЧ, и, в частности, твердых растворов ТпхСа|.хАз/СаА5, на сегодняшний день является акту альной задачей.
Среди существующих в настоящее время экспериментальных методов исследования полупроводников метод спектроскопии адмиттанса зарекомендовал себя как эффективный неразрушающий метод исследования, позволяющий определять ряд основных электрофизических параметров полупроводника, содержащего объекты низкой размерности. В сочетании с моделированием и численными расчетами этот метод количественного анализа дает информацию об энергетическом спектре исследуемых структур. Однако, до сих пор с помощью вольт-фарадных измерений можно было получить информацию только об одной из подсистем: либо для электронной подсистемы, либо для дырочной, - в зависимости от типа проводимости исследуемого полупроводника. В настоящей работе предлагается метод характеризации гетероструктур с КЯ на основе спектроскопии адмиттанса и численного моделирования, позволяющий получать информацию об энергетических параметрах обеих подсистем. Это позволяет полностью определять энергетический спектр гетероструктур и далее характеризовать их параметры с точки зрения приборного применения.
Объектом исследования в работе являлись полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми ямами In.xGai.xAs/GaAs различной ширины и состава, в том числе ультратонкие квантовые ямы ТпАзЛЗаАь шириной
7
1.2 монослоя.
Целыо работы является развитие методов анализа энергетического спектра электронной и дырочной подсистем гетероструктур с квантовыми ямами 1пхСа|.чЛз/СаЛ5 на основе вольт-фарадного профилирования и измерения спектров проводимости с использованием численного моделирования и подгонки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. разработка способа определения параметров энергетического спектра электронной и дырочной подсистем для легированной полупроводниковой гетероструктуры с квантовыми ямами из вольт-фарадных характеристик (ВФХ);
2. определение влияния параметров активной области - ширины и глубины КЯ, концентрации легирующей примеси, - а также приложенного внешнего поля на вид самосогласованного потенциала Хартри и на энергетический спектр гетероструктур с квантовыми ямами на основе данных эксперимента;
3. получение на основе анализа экспериментальных данных адмит-танса количественной информации о величине заряда, накапливаемого в гетероструктурах с одиночными КЯ, и температурной зависимости разрыва зоны проводимости в этих гетероструктурах;
4. анализ экспериментальных температурных спектров проводимости и ВФХ для гетероструктур с ультратоикими КЯ ІпАз/ОаАБ.
Научная новизна работы:
1. определены энергии уровней квантования как в зоне проводимости, так и в валентной зоне для изотипных гетероструктур «-типа на основе легированных полупроводников с одиночной напряженной квантовой ямой ІпхОаі.хА8/ОаА8 с использованием реального профиля энергетических зон, полученного в результате самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингера;
8
2. в температурном диапазоне от 320 К до 100 К методом подгонки наблюдаемого в эксперименте концентрационного профиля установлено, что величина разрыва зоны проводимости для напряженных КЯ Ino.225Gao.775As/GaAs остается постоянной и равной 172 мэВ в пределах экспериментальной погрешности (±10 мэВ);
3. показано, что заряд, определяемый по наблюдаемому из ВФХ концентрационному профилю, соответствует истинной величине заряда в КЯ при условии полной ионизации примеси и превышает истинную величину при уменьшении степени ионизации;
4. проведен анализ влияния ширины активной области, глубины квантовой ямы, а также уровня легирования прилегающих к активной области слоев на энергии уровней квантования как в зоне проводимости, так и в валентной зоне для гетероструктур с напряженными КЯ InGaAs/GaAs;
5. на основе анализа экспериментальных спектров проводимости и ВФХ получены значения энергии активации и величины накопленного заряда для ультратонких квантовых ям смачивающих слоев InAs/GaAs.
Практическая ценность работы заключается в развитии метода характеризации наногетероструктур и определении энергий уровней квантования и соответствующих им волновых функций как в зоне проводимости, так и в валентной зоне, на основе экспериментальных данных спектроскопии ад-миттанса и самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингсра. Эти данные позволяют оценивать энергии разрешенных межзонных переходов и представляют собой важную информацию, необходимую для создания высококачественных приборов с заданными характеристиками.
Создано программное обеспечение, позволяющее моделировать энергетический спектр зоны проводимости и вален гной зоны гетероструктур, содержащих квантовые ямы.
Определены оптимальные параметры активной области легированной гетероструктуры с квантовой ямой InxGai_x As/Ga As необходимые для создания эффективных источников одномодового излучения.
9
Показана эффективность применения спектроскопии адмиттанса для характеризации ультратонких КЯ и получены точные количественные данные об энергии активации и величине накопленного заряда в смачивающих слоях ТпАя/ваАз.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Анализ экспериментальных данных, полученных методом спектроскопии адмиттанса, и численное моделирование позволяют получать количественную информацию об энергетическом спектре как электронной, так и дырочной подсистем для легированных полупроводниковых гетеро-структур, содержащих квантовые ямы.
2. В температурном диапазоне от 320 К до 100 К величина разрыва зоны проводимости для гетероструктур с одиночными напряженными квантовыми ямами 1пхСа|_хА8/СаА8 (д* = 0.225) остается постоянной и равной 172 мэВ в пределах экспериментальной погрешности (±10 мэВ).
3. Величина заряда, определяемого по наблюдаемому из ВФХ концентрационному профилю, соответствует* истинной величине заряда в КЯ при условии полной ионизации примеси. При понижении температуры заряд, определяемый из ВФХ, монотонно увеличивается по сравнению с истинным, что объясняется эффектом полной ионизации примеси в методе ВФХ при приложенном обратном смещении.
4. Анализ экспериментальных данных спектроскопии адмиттанса позволяет достоверно зарегистрировать наличие уровней квантования в структурах со смачивающими слоями и определить энергии активации этих уровней, а также заряд в ультратонких КЯ толщиной 1-К2 монослоя.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах:
• 57-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню Радио
(Санкт-Петербург, апрель 2002 г.);
• Десятая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и
Молодых Ученых ВНКСФ-10 (Екатеринбург-Красноярск, 2004 г.);
10
• 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2004» (Зеленоград, 21-23 апреля 2004 г.);
• VI международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 4-8 октября 2004 г.);
• 2-nd International Conference «Physics of electronic materials» (Kaluga, May 24-27, 2005);
• Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVlEW и технологии National Instruments» (Москва, 18-19 ноября 2005 г.);
• VI Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 17-22 сентября, 2006 г.);
• Девятая международная конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 3-5 октября, 2006 г.);
• XIV Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники)» (Москва, 11-13 сентября, 2008 г.);
• а также конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2005-2008 гг.;
• и региональные молодежные научные школы по твердотельной электронике «Микро- и нанотехнологии», Санкт-Петербург, 2003 г.; «Физика и технология микро- и наноструктур», Санкт-Петербург, 2004 г.; «Актуальные аспекты нанотехнологии», Санкт-Петербург, 2005 г., «Нанотехнологии и нанодиагностика», Санкт-Петербург, 2006 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из
них - 1 статья, которая входит в перечень изданий, рекомендованных ВАК России, и 7 работ в материалах и трудах международных научных конферен-
11
ции и симпозиумов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 82 наименования. Основная часть работы изложена на 134 страницах машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков и 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных в работе результатов и научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проводится обзор литературы по вопросам исследования и применения полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами. Рассмотрены физические основы спектроскопии адмиттанса.
Затронут вопрос влияния упругих напряжений па энергетический спектр квантоворазмерных структур. Представлен обзор справочной информации для материалов GaAs, InAs и твердого раствора InxGai_xAs.
На основании проведенного анализа литературы формулируются цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе представлены анализ и обработка экспериментальных вольт-фарадных характеристик и спектров проводимости для специально изготовленных прецизионных гетероструктур с квантовыми ямами InxGai.x As/Ga As. По ВФХ рассчитывается наблюдаемый концентрационный профиль основных носителей заряда методом численного дифференцирования, который в свою очередь используется для оценки величины заряда, накопленного в КЯ исследуемой гетероструктурьт.
При анализе экспериментальных данных ВФХ впервые достоверно зафиксировано смещение пика наблюдаемого концентрационного профиля с уменьшением температуры.
По положению максимумов на спектрах проводимости построены графики Аррениуса, по которым определена энергия активации для глубоких уровней, существующих в барьерах вблизи КЯ.
- Київ+380960830922