КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 990-998
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 538.975, 548.74, 548.55 „ , , , ,
Посвящается Международному году кристаллографии
СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА InAlAs/InGaAs/InAlAs ЖМТ-ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ПОДЛОЖКАХ InP С НАНОВСТАВКАМИ InAs В КВАНТОВОЙ ЯМЕ
© 2014 г. Г. Б. Галиев1, А. Л. Васильев23, Р. М. Имамов3, Е. А. Климов1, П. П. Мальцев1, С. С. Пушкарёв1, М. Ю. Пресняков2, И. Н. Трунькин2
1 Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН, Москва
E-mail: s_s_e_r_p@mail.ru 2Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва 3 Институт кристаллографии РАН, Москва Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Представлены результаты комплексного исследования влияния нановставок 1пА толщиной от 1.7 до 3.0 нм, введенных в квантовую яму (КЯ) 1п0 53Оа047Аз, на структурные и электрофизические свойства гетер о структур 1п0 52А10 48Аб/1п0 53Оа0 47Аз/1п0 52А10 48А с односторонним З^ьлегирова-нием. Структурное совершенство составной КЯ исследовано методом просвечивающей электронной микроскопии. Установлена корреляция подвижности электронов в КЯ с толщиной нановстав-ки 1пА и с технологическим режимом ее формирования. Особенности интерфейса 1пР(подлож-ка)/1пА1Аз(буфер) исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии фотолюминесценции. Выявлена связь энергетического положения пика на спектрах фотолюминесценции в диапазоне энергий фотонов 1.24 эВ < йю < 1.38 эВ, относящегося к электронным переходам на интерфейсе 1пР/1пА1Аз, со структурными особенностями, выявленными в области интерфейса. Обнаружено формирование ненамеренной КЯ на границе раздела 1пР/1п-А1Аз, параметры которой зависят от технологических режимов роста гетероструктур.
БОТ: 10.7868/80023476114060101
ВВЕДЕНИЕ
По сравнению с псевдоморфными НЕМТ(РНЕМТ-) -гетероструктурами на подложках ОаАз, которые широко применяются в СВЧ-электронике для производства схем, усилителей и других устройств микроволнового диапазона, улучшение частотных характеристик возможно при использовании гетероструктур на подложках 1пР. В этом случае использование согласованных с 1пР по кристаллографическим параметрам (решеточносогласованных) гетеро-структур 1п0.52А10.48.Аз/1п0.53Оа0.47А8 позволяет существенно повысить частотные характеристики приборов на их основе. В настоящее время на гете-роструктурах типа 1пА1А8/1пОаА8/1пА1А8 получены самые быстродействующие транзисторы со значениями/т = 664 и/тах = 681 ГГц [1]. Такие высокие значения частотных характеристик становятся возможными благодаря высокой подвижности электронов р.е и их дрейфовой скорости насыщения в подобных гетероструктурах. Увеличение мольной доли 1п в квантовой яме (КЯ) 1пОаАз приводит к возрастанию р.е из-за уменьшения эффективной массы электрона [2, 3].
Хотя увеличение содержания индия в КЯ 1п-ОаА и является эффективным способом повышения р.е решеточносогласованных НЕМТ-гете-
роструктур 1пА1А8/1пОаА8 на подложках 1пР, для них имеется ряд ограничений. Эти ограничения связаны с возникновением и возрастанием упругих напряжений в КЯ, что уменьшает критическую толщину КЯ, т.е. с какого-то момента увеличение мольной доли 1п накладывает ограничение на ширину КЯ, что способствует ограничению плотности электронов и начинается уменьшение их подвижности.
Одной из возможностей решения проблемы увеличения мольной доли индия в канале 1пОаА является введение внутрь КЯ тонких (порядка нескольких нанометров) вставок 1пАз [4—8]. Об увеличении подвижности электронов р.е на ~15% при введении даже одного монослоя 1пАз в РНЕМТ-гетероструктурах А10.22Оа0.78Аз/1п0.15Оа0.85А8 сообщается в [9]. В случае введения нановставок 1пАз в КЯ 1п0 53Оа0 47А8 в решеточносогласованных гетероструктурах 1п0.52А10.48А8/1п0.53Оа0 47А8 на подложках 1пР удается повышать подвижность и скорость электронов при Т = 300 К от 15 до 30% соответственно [7].
Кроме этого, повышения р.е в НЕМТ-, РНЕМТ- и МНЕМТ-гетероструктурах можно достичь улучшением структурного совершенства спейсерного слоя в барьере [10], продуманным дизайном гетероструктуры [3, 8] и оптимизацией
Слой Толщина слоя, нм
In0 53Ga0.47As ("сар"-слой) 5.2
In0.52Al0.48As (барьер) 14.5
S-Si (NSi = 5.6 х 1012 см- 2) -
In0 52Al0 48As (спейсер) 4.3
In0.53Ga0.47As (КЯ) 16
InAs
In0.53Ga0.47As
In0.52Al0.48As (буфер) 400
InP (подложка) -
Рис. 1. Схематическое изображение конструкции исследуемых образцов
Таблица 1. Особенности конструкции КЯ исследуемых образцов и режимы их роста
Образец L^ Ä LInAs, Ä Y1 Y2 Tg, °C
496 160 30 92 86 470
497 160 21 92 86 470
500 160 21 90 77 500
501 160 17 90 77 500
технологических режимов [2, 4, 11]. Под оптимизацией технологических режимов понимается выбор оптимальных температур роста слоев гете-роструктуры (слои InAlAs, InGaAs, InAs), соотношений потоков элементов III и V группы, скорости изменения температуры подложки во время роста слоев InAlAs и InGaAs, времени прерывания роста и т.д.
Следовательно, изучение технологии роста, оптимизация дизайна, исследование структурных и электрофизических характеристик InAlAs/ InGaAs/InAlAs НЕМТ-гетероструктур с нановстав-ками InAs в КЯ является актуальной задачей.
Цель данной работы — исследование влияния толщины нановставок InAs в КЯ In0.53Ga0.47As на структурные особенности и электрофизические характеристики наногетероструктур InAlAs/In-GaAs/InAlAs на подложках InP с односторонним S-легированием кремнием. Для этого были выращены и исследованы наногетероструктуры In-AlAs/InGaAs/InAlAs, содержащие в КЯ InGaAs нановставки InAs различной толщины и выращенные при различных температурах.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследуемые образцы выращены методом мо-лекулярно-лучевой эпитаксии из тверд отельных источников In, Ga, Al, As. В качестве подложек использовались легированные Fe полуизолирующие подложки InP с кристаллографической ориентацией (1 0 0) ± 0.1°. Образцы представляли собой односторонне S-Si-легированные НЕМТ-гетероструктуры, включающие в себя КЯ In0.53Ga047As, ограниченную барьерными слоями In0 52Al0.48As. На рис. 1 представлено схематическое изображение конструкции исследуемых ге-тероструктур с указанием толщин слоев.
Различие образцов состояло в конструкции КЯ. При сохранении общей толщины КЯ 160 Ä в ее середине была выращена нановставка InAs.
Исследованная серия из четырех образцов содержала нановставки InAs с толщинами 30, 21, 21 и 17 Ä для образцов 496, 497, 500 и 501 соответственно. Отличие пары образцов 496, 497 от пары 500, 501 заключалось в температуре роста КЯ: КЯ образцов 496 и 497 выращивались при температуре Tg = 470°С, а КЯ образцов 500 и 501 - при Tg = = 500°С. Остальные слои наногетероструктур для всех образцов выращивались при Tg = 500°С.
В табл. 1 указаны параметры КЯ и технологические условия формирования КЯ, а именно: температуры роста Tg, соотношения парциальных давлений молекулярных потоков элементов V и III групп Y1 = PAs/(Pjn + Pai) при выращивании слоев InAlAs, у2 = PAs/(Pin + PGa) при выращивании КЯ.
Предварительный отжиг подложки InP для удаления естественного окисла перед эпитакси-альным ростом проводился при избыточном давлении мышьяка при постепенном повышении температуры подложки до 525°С. Режим отжига для всех образцов был одинаковым: скорость повышения температуры подложки после 500°С составляла 2°С/мин; после достижения 520°С температура подложки понижалась до 500°С и начинался процесс роста буферного слоя. Продолжительность отжига подложек от 500 до 525°С составляла 9 мин для образцов 496 и 497 и 15 мин для образцов 500 и 501.
Электрофизические характеристики (подвижность электронов проводимости и их двумерная концентрация nS) измерялись с помощью эффекта Холла на мостиках Холла при температурах 300 и 77 K.
При проведении фотолюминесцентных (ФЛ) исследований образцы находились в комбинированном оптическом криостате в атмосфере азота. Для возбуждения ФЛ использовалось сфокусированное излучение гелий-неонового лазера с длиной волны 6328 Ä (соответствующая энергия фотонов 1.96 эВ) и плотностью потока ~250 Вт/см2 на поверхности образцов. Детектором сигнала в области видимого света 1.2-2.0 эВ являлся охлаждаемый фотоэлектронный умножитель ФЭУ-79 (катод S1). Спектры ФЛ всех образцов регистрировались при температуре 87 K с энергетическим разрешением порядка 5 мэВ.
InGaAs
InAlAs _
-»- InGaAs
InAs -
Рис. 2. Темнопольное высокоугловое ПРЭМ-изобра-жение образца 497.
Для исследования образцов методом просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПРЭМ) стандартными методами были приготовлены поперечные срезы этих гетероструктур. После механического утончения до толщины 20—
40 мкм следовало утончение Ar+ в установке Ga-tan 691 PIPS (Gatan, США) при ускоряющем напряжении 5 кэВ до образования отверстия. Окончательная полировка осуществлялась ионами с понижением энергии до 0.1 кэВ. Исследование гетероструктур проводилось в просвечивающем электронном микроскопе TITAN 80—300 (FEI, США) с корректором сферической аберрации зонда в режимах светлого и темного поля. В последнем случае при сканировании образца использовался высокоугловой кольцевой детектор рассеянных электронов. Ускоряющее напряжение составляло 300 кВ. Обработка ПРЭМ-изоб-ражений проводилась с помощью программы Digital Micrograph (Gatan, США).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электронная микроскопия квантовых ям. На рис. 2 представлено темнопольное высокоугловое ПРЭМ-изображение образца 497. Как видно, разрешаются все слои образца: буферный слой InAlAs, квантовая яма InGaAs со вставкой InAs, барьерный слой InAlAs, а также верхний защитный слой InGaAs.
На рис. 3 представлены ПРЭМ-изображения области КЯ всех исследуемых образцов. Для каж-
Рис. 3. ПРЭМ-изображения области КЯ исследуемых образцов 496 (а), 497 (б), 500 (в), 501 (г).
180
140
100 0
160 120 80 40
0
150 130 110
90
70 240
200 -
160 -
10
15
20
25 нм
10
15
20
25 нм
Рис. 4. Интегральные профили интенсивности сигнала, соответствующие ПРЭМ-изображениям области КЯ образцов 496 (а), 497 (б), 500 (в), 501 (г).
дого ПРЭМ-изображения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.