Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 12 Влияние температуры роста спейсерного слоя на подвижность двумерного электронного газа в PHEMT-структурах й Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский,+, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин Институт СВЧ полупроводниковой электроники Российской академии наук, 117105 Москва Россия + Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992, ГСП-2 Москва, Россия (Получена 14 марта 2006 г. Принята к печати 21 марта 2006 г.) Экспериментально исследовано влияние температуры роста спейсерного слоя AlGaAs на подвижность двумерного электронного газа e в односторонне -легированных псевдоморфных AlGaAs/InGaAs/GaAs транзисторных структурах с высокой подвижностью электронов. С помощью самосогласованного расчета проанализирована зонная диаграмма. Для исследования электронных транспортных свойств выбрана оптимальная структура, в которой отсутствует параллельная проводимость по легированному слою. Показано, что в оптимизированных структурах с увеличением температуры роста от 590 до 610C при неизменности остальных параметров и условий роста подвижность e увеличивается на 53% при T = 300 K и на 69% при T = 77 K. Предполагается, что это связано с улучшением структурного совершенства спейсерного слоя AlGaAs и гетерограницы AlGaAs/InGaAs/GaAs.

PACS: 81.15.Hi, 72.80.Ey, 73.61. Ey 1. Введение ются друг от друга более чем на 100C. Если эпитаксиальные слои AlGaAs показывают лучшее струкAlGaAs/InGaAs/GaAs PHEMT (pseudomorphic high турное совершенство при Tg 600-630C, то слои electron mobility transistor) транзисторные структуры GaAs Ч при Tg 580-600C, а слои InGaAs Ч при демонстрируют лучшие электрофизические параметры Tg 490-520C. Используются также дополнительные по сравнению с гетероструктурами AlGaAs/GaAs и шитехнологические приемы, такие как введение субслоев роко применяются в устройствах СВЧ-техники [1Ц5].

в базовую PHEMT-структуру, прерывание роста и его В PHEMT-структурах тонкий напряженный эпитаксиальпродолжительность, скорость изменения температуры ный слой Iny Ga1-yAs с мольной долей In около 0.роста при выращивании разных слоев и т. д. [11Ц14].

и толщиной менее 20 нм выращивается между GaAs Однако в литературе отсутствуют сведения о влиянии и AlGaAs. Увеличение подвижности и концентрации температуры роста спейсерного слоя AlGaAs на подвиждвумерного электронного газа e и ns достигается за ность двумерного электронного газа в PHEMT-струксчет большей высоты барьера, определяемой разрывом турах. Это влияние может проявляться в структурах, дна зоны проводимости EC, и за счет меньшей эффекгде изменяется только температура роста спейсерного тивности массы электронов в InyGa1-y As по сравнению слоя, а толщины всех слоев и уровень легирования не с GaAs. Из-за сильного несоответствия параметров реизменяются. Кроме того, в PHEMT-структуре должна шетки InAs и GaAs (11%) мольная доля In y и толщина отсутствовать параллельная проводимость по легирослоя Iny Ga1-yAs L должны быть меньше некоторых ванному слою. В противном случае величины e и ns, критических значений, обычно y 0.2 и L 20 нм.

получаемые из измерений сопротивления и эффекта Основными характеристиками PHEMT-структуры, коХолла, некорректно отражали бы параметры электронторые в конечном счете при выбранном технологиного транспорта в канале.

ческом маршруте изготовления определяют параметры Цель данной работы Ч теоретический анализ и выбор СВЧ-транзисторов, являются подвижность e и коноптимальной базовой структуры, а также исследование центрация ns двумерного электронного газа в канале влияния температуры роста спейсерного слоя AlGaAS InGaAs. А они в первую очередь зависят от конв PHEMT-структурах на подвижнось и концентрацию центрации легирования в донорном слое и толщины двумерного электронного газа.

спейсерного слоя [6Ц10].

Характерные значения e и ns для односторонне и двусторонне легированных PHEMT-структур меня- 2. Профиль зоны проводимости ются в допольно широком диапазоне. Эти изменеи распределение электронной ния могут быть вызваны как выбором параметров плотности PHEMT-структуры, так и технологией роста. Так, оптимальные температуры роста Tg эпитаксиальных слоев Для исследования влияния температуры роста спейAlGaAs, GaAs, InGaAs в PHEMT-структурах отличасерного слоя AlGaAs на подвижность двумерно E-mail: galiev_galib@mail.ru го электронного газа e выбрана PHEMT-структура 1480 Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин AlGaAs/InGaAs/GaAs с -легированием, которая используется для изготовления СВЧ-транзисторов и малошумящих усилителей. Такая структура должна удовлетворять следующим требованиям. Во-первых, она должна иметь необходимую концентрацию электронов в канале (ns 1.2 1012 см-2), во-вторых, в легированном широкозонном слое должна отсутствовать параллельная проводимость.

Основными параметрами, определяющими возникновение параллельной проводимости в PHEMT-структурах при фиксированной глубине квантовой ямы, т. е. определенных мольных долях алюминия x и индия y, являются толщина спейсерного слоя AlGaAs dsp и уровень легирования Nd.

Для выбора структуры, удовлетворяющей этим требованиям, с помощью решения самосогласованной системы уравнений Шрёдингера и Пуассона рассчитаны и проанализированы профили зоны проводимости и распределение электронной плотности в PHEMT-структурах.

Уравнение Шрёдингера для огибающих волновых функций i(z ) d 1 d - + U(z ) i(z ) =Eii(z ) (1) 2 dz m(z ) dz и уравнение Пуассона d dUH(z ) 0(z ) = e2 Nd(z ) - n(z ) (2) Рис. 1. Профиль зоны проводимости, уровни размерного dz dz квантования Ei и распределение электронной плотности n(z ):

решались совместно для потенциала вида U = UH + EC a Ч умеренное легирование, Nd = 2 1012 см-2, b Чсильное легирование, Nd = 4 1012 см-2.

+ UXC, где i Ч номер подзоны, UH Ч одноэлектронный электростатический потенциал, EC Ч разрыв дна зоны проводимости на гетерограницах, UXC Ч обменнокорреляционный потенциал, который в приближении Расчет проводился для AlxGa1-xAs/Iny Ga1-yAs/GaAs локальной плотности определяется как PHEMT-структур с мольными долями Al x = 0.2 и In y = 0.18. Использованы следующие значения эффек11.4 UXC = - 1 + 0.0545rS ln 1 + Ry, (3) тивных масс: в GaAs m = 0.0667m0, в In0.18Ga0.82As rS rS m = 0.061m0, в Al0.2Ga0.8As m = 0.087m0. Разрывы зоны проводимости относительно GaAs принимагде лись равными EC = -0.09 эВ для InGaAs/GaAs и -1/4a3n(z ) 40 2 EC =+0.19 эВ для AlGaAs/GaAs. Значение потенциала B rS =, a =, B на поверхности принималось S = 0.7эВ.

3 meВ результате расчета определены пространственный 1/профиль потенциала зоны проводимости U(z ), квантовоe2 Ry =, =, размерные уровни энергии электронов Ei, огибающие 80a B волновых функций электронов i(z ), концентрации элекa Ч эффективный боровский радиус, Ry Ч эффективтронов в подзонах ni и общее распределение электронB ная константа Ридберга.

ной плотности n(z ). Расчет также позволяет моделироРаспределение электронной плотности для размерновать изменение профиля зоны при вариации толщины квантованных подзон квантовой ямы n(z ) определяется спейсерного слоя, концентрации легирования кремнием.

как На рис. 1 представлены профили зоны проводимости, уровни размерного квантования и распредеm EF - Ei ление электронной плотности для умеренно легироn(z ) = kBT ln 1 + exp i(z ). (4) 2 i kBT ванной PHEMT-структуры со слоевой концентрацией кремния Nd = 2 1012 см-2 (рис. 1, a) и для сильно Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние температуры роста спейсерного слоя на подвижность двумерного электронного газа... легированной с Nd = 4 1012 см-2 (рис. 1, b). Толщина InGaAs-квантовой ямы составляет L = 12 нм, а толщина спейсерного слоя dsp = 35. При легировании с Nd = 4 1012 см-2 возникает параллельная проводимость по -легированному слою в подзонах E2 и E3.

Уровень Ферми отсчитывается от нулевого значения.

Для данной геометрии PHEMT-структуры рассчитана зависимость концентрации электронов в канале n1 и в области -легирующего слоя n2 от концентрации легирования Nd. Результаты расчета представлены на рис. 2.

Как видно из этого рисунка, параллельная проводимость наступает при уровне легирования, соответствующем концентрации электронов в канале n1 2.5 1012 см-2.

Также рассчитана зависимость концентрации электронов в канале от толщины спейсера при фиксированном уровне легирования Nd = 2 1012 см-2, представленная на рис. 3. Из этой зависимости видно, что при выбранных параметрах PHEMT-структуры, начиная с Рис. 4. Схематическое изображение структуры исследуемых образцов.

dsp > 6 нм, проявляется параллельная проводимость.

На основе этих данных для исследований выбрана PHEMT-структура с -легированием, схематически изображенная на рис. 4.

3. Образцы и методы исследований Исследуемые образцы выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ЦНА-24. В качестве подложек использовались пластины полуизолирующего GaAs с ориентацией (100). Образцы отличаются друг от друга только температурой роста слоев AlGaAs, значения которой составили 590, 600 и 610C для образцов 1, 2 и 3 соответственно. Температуры роста Рис. 2. Зависимость концентрации электронов в канале n1 и остальных слоев указаны на рис. 4. Время формирования в области -легирующего слоя n2 от концентрации донорного легирования. -слоя для всех образцов составляло 150 с при температуре кремниевого источника 1100C, что соответствует Nd = 2.5 1012 см-2. Перед нанесением -слоя во всех структурах вводился субслой GaAs толщиной для уменьшения диффузии кремния в направлении канала, поскольку в AlGaAs происходит более сильное уширение -Si слоя [15], а также для предохранения реакционноспособной поверхности AlGaAs от накопления примесей при прерывании роста. Такой же субслой GaAs вводился после роста слоя InGaAs при той же температуре для предотвращения диффузии In в сторону поверхности при выращивании последующих слоев.

Концентрация ns и подвижность e двумерного электронного газа получены из измерений эффекта Холла при температурах 77 и 300 K. Определение спектров фотолюминесценции (ФЛ) проводилось при T = 77 K в диапазоне энергий фотонов 1.25-1.55 эВ с использоваРис. 3. Зависимость концентрации электронов в канале от нием лазера с длиной волны = 632.5 нм и плотностью толщины спейсера. Стрелкой показана точка, соответствующая появлению параллельной проводимости. излучения до 100 Вт/см2.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1482 Г.Б. Галиев, И.С. Васильевский, Е.А. Климов, В.Г. Мокеров, А.А. Черечукин 4. Результаты и их обсуждение В таблице представлены значения e и ns двумерного электронного газа в исследуемых образцах, полученные из измерений эффекта Холла при температурах T = и 77 K. Увеличение температуры роста слоя AlGaAs от 590 до 610C приводит к увеличению подвижности как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота. При этом концентрация ns практически не меняется. Так, e в образце 3 по сравнению с образцом 1 увеличивается на 53% при T = 300 K и на 69% при T = 77 K, в то время как ns меняется только на и 6% соответственно. Такое поведение подвижности может быть связано с улучшением структурного совершенРис. 5. Спектры фотолюминесценции, измеренные при ства спейсерного слоя AlGaAs и качества гетерограницы T = 77 K.

AlGaAs/InGaAs. Следует также отметить, что при повышении температуры роста слоев AlGaAs не происходит существенного уширения профиля -слоя. В противном случае это привело бы к диффузии кремния (в том Следует отметить, что последнее качественное расчисле в сторону квантовой ямы) и к уменьшению e из- суждение справедливо, поскольку энергетическая струкза роста рассеяния электронов на ионизированных до- тура подзон для всех исследуемых образцов была одинанорных примесях вследствие уменьшения эффективной ковой.

толщины спейсерного слоя.

В пользу вышесказанных предположений свидетель5. Заключение ствуют также и данные, полученные из спектров ФЛ. На рис. 5 представлены измеренные при T = 77 K спектИсследовано влияние температуры роста спейсерного ры ФЛ для образцов 1, 2 и 3. Пики на спектрах в слоя на электронные транспортные свойства в PHEMTобласти энергий фотонов 1 1.34 и 2 1.39 эВ структурах. С помощью самосогласованного расчета соответствуют переходам от первой E1 и второй E2 проанализированы зонные диаграммы и выбрана оптиэлектронных подзон к первой подзоне тяжелых дырок мизированная PHEMT-структура, в которой отсутствует (переходы E11 и E21) в квантовой яме InGaAs. Положепараллельная проводимость. Выращены PHEMT-образние пиков хорошо совпадает для всех образцов, что свицы с различной температурой роста спейсерных слодетельствует о том, что зонная структура исследуемых ев 590, 600 и 610C. Обнаружено, что повышение темобразцов не изменялась в зависимости от температуры пературы роста спейсерных слоев (при прочих равных роста спейсера. Кроме этих полос, наблюдается и поусловиях) позволяет увеличить подвижность двумерного лоса с 1.508 эВ, которая соответствует значению электронного газа более чем на 50% при практически фундаментального перехода в GaAs. Как известно, на неизменных значениях концентрации электронов. При ширину спектральных линий влияет ряд механизмов, в этом данные фотолюминесценции подтверждают, что том числе шероховатость границ квантовой ямы [16,17], зонная структура была одинаковой в исследованных характеризующая структурное совершенство слоев и образцах. Предполагается, что увеличение подвижности границ раздела. Значения полной ширины на полоэлектронов связано с улучшением структурного совервине максимума интенсивности сигнала ФЛ для пика шенства спейсерного слоя AlGaAs и гетерограницы E21 1.39 эВ (на рис. 5 обозначено ) составляют 21.7, AlGaAs/InGaAs.

18.1 и 16.2 мэВ для образцов 1, 2 и 3 соответственно.

Авторы выражают глубокую благодарность С.С. ШиИз сравнения этих данных с данными по подвижностям рокову за проведение измерений фотолюминесценции.

(см. таблицу) следует, что значения e коррелируют со Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ значениями, т. е. чем больше подвижность, тем меньше (грант № 05-02-17029-a).

значение.

Подвижность и концентрация электронов в образцах Список литературы T = 300 K T = 77 K [1] Y. Chou, G.P. Li, Y.C. Chen, C.S. Wu, K.K. Yu, T.A. Midford.

№образца IEEE Electron. Dev. Lett., 17, 479 (1996).

e, см2/В с ns, см-2 e, см2/В с ns, см-[2] Y. Habbad, D. Deveaud, H.-J. Bhlmain, M. Ilegems. J. Appl.

1 4900 1.4 1012 11350 1.7 Phys., 78, 2509 (1995).

2 6500 1.3 1012 13380 1.62 [3] C.S. Wu, F. Ren, S.J. Pearton, M. Hu, C.K. Pao, R.F. Wang.

3 7500 1.3 1012 19200 1.6 IEEE Trans. Electron. Dev., 42, 1419 (1995).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам