Полупроводниковая наноструктура с композитной квантовой ямой

Изобретение относится к физике полупроводников, в частности к полупроводниковым наноструктурам с квантовыми ямами, и может быть использовано для реализации мощных полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: полупроводниковая наноструктура содержит квантовую яму с двумерным электронным газом, выполненную в виде слоя узкозонного полупроводника i-GaAs с запрещенной зоной E_g1 толщиной d₁ и уровнями размерного квантования E_m1 - основным и Е_р1 - возбужденным, заключенного между двумя слоями полупроводника Al_xGa_1-xAs с запрещенной зоной E_g2>E_g1 и основным уровнем размерного квантования Е_m2 толщиной d₂ каждый, которая размещена между двумя барьерными слоями широкозонного полупроводника i-AlAs с толщинами t и d_sp и запрещенной зоной E_g, один из которых содержит δ-Si слой примеси на расстоянии t* от гетерограницы i-AlAs и i-Al_xGa_1-xAs, а второй состоит из нелегированного i-AlAs спейсера и легированного однородно кремнием слоя AlAs(Si) и закрывающего наноструктуру слоя i-GaAs. В композитной квантовой яме полупроводниковой наноструктуры, сформированной на полуизолирующей подложке GaAs(Cr) в виде последовательных слоев i-GaAs(буфер)/ i-AlAs(δ-Si)/ i-Al_xGa_1-xAs/ i-GaAs/ i-Al_xGa_1-xAs/ i-AlAs. Выбором параметров E_g>E_g2>E_g1 и отношения d₁/d₂ обеспечивают условие E_m2<E_p1 и локализацию двумерных электронов с максимумом в центре симметрии композитной квантовой ямы на уровнях E_m1 и Е_m2. Техническим результатом изобретения является увеличение подвижности μ_t 2D электронов в квантовой яме с одновременным повышением концентрации n_S. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к физике полупроводников, в частности к полупроводниковым наноструктурам с квантовыми ямами, и может быть использовано при реализации мощных высокочастотных полупроводниковых приборов.

В различных областях прикладной и фундаментальной науки и технике находят применение приборы с большой проходной мощностью Р в широком диапазоне частот F (включая терагерцовый и СВЧ диапазон). Расширение функциональных возможностей, а следовательно, и областей применения таких приборов лимитируется величиной электрического тока плотностью j=neμ_t и транспортной подвижностью μ_t носителей заряда (электронов): Р=neμ_tЕ² и F˜μ_t (n - концентрация электронов, Е - напряженность электрического поля).

Важным этапом в этом направлении явилось развитие технологии эпитаксии из молекулярных пучков МПЭ и создание на базе МПЭ сслективно легированных гетероструктур (наноструктур). Эффект повышения подвижности в потенциальной яме одиночного гетероперехода n-Al_xGa_1-xAs(Si)/GaAs, например, достигается за счет того, что электроны локализованы в узкозонном GaAs, пространственно отделенном от породивших их доноров кремния . Последние отделены на расстояние d_sp от потенциальной ямы i-GaAs нелегированной прослойкой спейсером i-Al_xGa_1-xAs, и поэтому подвижность двумерных электронов 2D в GaAs достигает величины μ_t≈10⁶ см²/В·с при концентрации 2D электронов n_S=10¹¹ см^-3. Эффект наблюдался в ограниченном диапазоне концентраций 2D электронов, когда в потенциальной яме GaAs под уровнем Ферми Е_F находится одна основная подзона размерного квантования Е_m.

Ожидалось [1-4], что с увеличением концентрации n_s за счет повышения уровня легирования тройного соединения подвижность μ_t также будет возрастать. Это ожидание увеличения μ_t основывалось на том, что волновая функция 2D электронов во второй возбужденной подзоне размерного квантования Е_р пространственно более удалена от гетерограницы, чем Однако [5] волновая функция ψ_p(z) 2D электронов в Е_р состоянии имеет узел и содержит два компонента, близкий ψ_n(z) к и удаленный ψ_d(z) от гетерограницы, как это проиллюстрировано на фиг.1. Расчеты показывают, что при суммарной концентрации n_S=n_m+n_р, n_р=n_d+n_п для n_s˜10¹² см^-2 справедливы соотношения n_р˜0.1 n_m, n_n˜0.1 n_р. При повышении уровня легирования N_D и заполнении второй возбужденной подзоны размерного квантования Е_р (одновременно с E_m) 2D электроны прижимаются встроенным электрическим полем к барьеру за счет изгиба зоны E_c(z) на гетерогранице. Это приводит не только к экранированию кулоновского потенциала ионизованных доноров но и созданию нового канала в механизме релаксации электронов - (n_n-n_m) и - (n_n-n_d). Последнее и вызывает скачкообразное уменьшение подвижности 2D электронов в сильно легированном гетеропереходе [1-4]. В качестве источников возмущений, ограничивающих подвижность μ_t, кроме могут быть также акцепторы , островки роста на гстсрогранице (Δ, Λ), колебания мольной доли δх.

Ближайшим техническим решением заявленному является наноструктура [6], выполненная в виде одиночного гетероперехода (см. фиг.2), в котором на расстоянии L от гетерограницы в буферном слое GaAs размещался δ-Si слой, так что наноструктура имела композицию GaAs(δ-Si)/Al_xGa_1-xAs(Si). В такой наноструктурс было достигнуто незначительное увеличение подвижности μ_t при одновременном уменьшении концентрации.

Недостатком известной наноструктуры являются низкие подвижность μ_t и концентрация n_s 2D электронов.

Задача, решаемая заявленным изобретением, - увеличение подвижности μ_t 2D электронов в квантовой яме с одновременном повышением концентрации n_s.

Указанная задача решается тем, что в полупроводниковой наноструктуре, изображенной на фиг.3, композитная квантовая яма (4-5-4) помещена между легированными кремнием барьерными слоями (3, 6) из широкозонного (E_q) полупроводника. Композитная квантовая яма выполнена в виде слоя узкозонного (E_q1) полупроводника (5), помещенного между слоями (4) полупроводника с промежуточной шириной запрещенной зоной (E_q2), где E_{q, q1, q2} - ширины зон соответствующих слоев. Наноструктура имеет форму AlAs(δ-Si)/i-Al_xGa_1-xAs/i-GaAs/i-Al_xGa_1-xAs/AlAs(Si). Наноструктура сформирована в виде последовательно расположенных на подложке (1) GaAs(Cr) буферном слое (2) i-GaAs, барьерном слое (3) i-AlAs(δ-Si), слое (4) i-Al_xGa_1-xAs, слое (5) i-GaAs, слое (4) i-Al_xGa_1-xAs, нелегированном слое (6) (спейсере) i-AlAs, барьерном слое (7) AlAs (однородно легированном Si) и закрывающем слое (8) i-GaAs.

Композитная квантовая яма может быть образована слоем (5) узкозонного полупроводника i-GaAs толщиной d₁≈70 , заключенного между двумя слоями (4) i-Al_xGa_1-xAs (х≈0.3) толщиной d₂ не менее 30 каждый. Композитная (по толщинам слоев и энергетическому профилю квантовая яма заключена между барьерными слоями (3) и (6) i-AlAs толщиной t=300 со стороны буферного слоя и d_sp˜70 спейсер со стороны закрывающего слоя между спейсером (6) и закрывающим слоем (8) i-GaAs (толщиной 100 ) помещается слой (7) AlAs толщиной 500 , однородно легированный кремнием до уровня N_D(Si)˜2·10¹⁸ см^-3. В барьерном слое (3) на расстоянии t^*≈70 от границы со слоем (4) помещен слой δ-Si (N_D(Si)≈2-10¹⁸ см^-3).

Сущность изобретения состоит в создании композитной квантовой ямы, в которой для исключения ограничивающего подвижность μ_t компонента концентрации 2D электронов n_n используется такое соотношение толщин слоев d₁ - i-GaAs, d₂ - i-Al_xGa_1-xAs и химического состава «х» последних, что энергетический уровень Е_р1 квантовой ямы i-GaAs располагается выше уровня Е_m2 второй квантовой ямы, образованной двумя слоями i-Al_xGa_1-xAs (фиг.4). Например, в квантовой яме i-GaAs шириной d₁≈70 , ограниченной энергетическими барьерами Al_xGa_1-xAs с х≈0.3 высотой порядка 240 meV, содержится один основной уровень размерного квантования E_m1≈65 meV. Энергия отсчитывается от дна зоны проводимости i-GaAs Е_c (-d₁/2<z<+d₁/2). Второй возбужденный уровень размерного квантования Е_р1 располагается на высоте Е_р1≈280 meV. Следовательно, квантовая яма i-GaAs связанного состояния E_p1 внутри ямы (-d₁/2<z<+d₁/2) не образует, т.к. оно попадает в континуум, локализованный в пространстве (-(d₂+d₁/2)<z<+(d₂+d₁/2)). Это состояние E_p1 располагается выше основного состояния Е_m2 второй квантовой ямы, дном которой является дно зоны проводимости слоев Al_xGa_1-xAs шириной d₂. Уровень размерного квантования Е_m2 для квантовой ямы Al_xGa_1-xAs с х≈0.3 и шириной 2d₂+d₁ имеет величину порядка 260 meV. Так что при увеличении уровня легирования слоев (3) и (7), т.е. увеличении концентрации N_D(Si), электроны заполняют одновременно состояния Е_m1 и состояние Е_m2. Состояния Е_p1 остаются незанятыми, и тем самым исключаются из кинетики электрон - электронного взаимодействия n_n-n_m и n_n-n_d каналы, что приведет к снятию ограничения на увеличение подвижности μ_t 2D электронов в композитной квантовой яме.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. На фиг.1. изображена энергетическая диаграмма одиночного гетероперехода в квантовой яме, в который над уровнем Ферми находятся две подзоны размерного квантования Е_m и Е_р со структурой плотности состояний и На фиг.2 представлена схема слоев комбинированным образом легированной гетероструктуры (прототип). На фиг.3 представлена схема одного из вариантов заявленной полупроводниковой наноструктуры, а на фиг.4 фрагмент зонной энергетической диаграммы и распределение плотности электронных состояний.

Наноструктура с композитной квантовой ямой (фиг.3) сформирована на подложке (1) из полуизолирующего GaAs(Cr), от которой отделена буферным слоем (2) из i-GaAs толщиной 0.3 мкм и состоит из слоя (3) i-AlAs толщиной 300 , первого псевдобарьерного слоя (4) i-Al_xGa_1-xAs (x≈0.3) толщиной 30 , квантовой ямы (5) i-GaAs толщиной 70 , второго псевдобарьерного слоя (4) i-Al_xGa_1-xAs (x≈0.3) толщиной 30 , спейсера (6) i-AlAs толщиной 70 , слоя i-AlAs (7), легированного кремнием до уровня 3 10¹⁸ см^-3 толщиной 500 и закрывающего слоя (8) i-GaAs 100 . В слое (3) на расстоянии t^*≈70 от границы со слоем (4) помещен δ-Si слой.

Соотношение толщин квантовой ямы (5), псевдобарьеров (4) и мольная доля х выбирается таким, чтобы возбужденный уровень размерного квантования Е_р1 квантовой ямы (5) располагался по энергии выше на 20÷30 meV уровня основного состояния псевдоквантовой ямы Е_m2 (4-4).

Толщина барьерного слоя (2) i-AlAs t≈300 , в котором располагается δ-Si слой на расстоянии t=70 от гетерограницы барьерного слоя i-AlAs (3) с псевдобарьерным слоем i-Al_xGa_1-xAs (4), выбирается из следующих условий: 1 - электроны из δ-Si слоя при t=70 свободно переходят на уровни размерного квантования E_m1 и Е_m2 композитной квантовой ямы; 2 - при толщине t-t^*=230 слоя i-AlAs электроны не могут туннелировать в буферный слой i-GaAs (2). Последнее обеспечивается тем, что это расстояние t-t оказывается значительно больше длины экранирования Томаса - Ферми Е, равной примерно 50 для соединений AlAs, GaAs. Волновая функция электронов в δ-Si слое в направлении буферного слоя i-GaAs затухает по закону ˜. Мольная доля х соединения i-AlGaAs барьерных слоев выбирается в пределах 0.20÷0.45 с тем, чтобы в квантовой яме i-GaAs при ее ширине d₁≈70 был образован лишь один основной уровень размерного квантования E_m1. Величины х>0.45 приведут к гибридизации Г- и Х - долин зоны проводимости соединений i-GaAs и i-Al_xGa_1-xAs. Толщины слоя спейсера i-AlAs и толщина слоя i-AlAs t^*, отделяющих примесные центры N_D - Si от комбинированной квантовой ямы i-Al_xGa_1-xAs/i-GaAs/i-Al_xGa_1-xAs, удовлетворяет условию d_sp, t^*≈, что обеспечивает свободное туннелирование электронов с примесных уровней N_D - Si (положение ⊕ на фиг.4)на уровни размерного квантования E_m1 и Е_m2. Условие d_sp, t^*≈ ослабит рассеяние 2D электронов на кулоновских центрах примесей , локализованных в δ-Si слое и легированной прослойке n - AlAs(Si) (7).

Механизм снятия ограничения на рост подвижности μ_t с увеличением концентрации 2D электронов в рабочем канале наноструктуры состоит в следующем. При увеличении концентрации легирующей примеси N_D(Si) в δ-Si слое и легированной прослойке AlAs (7) возрастает концентрация 2D электронов на уровне Е_m1 основной квантовой ямы. При увеличении уровня легирования δ-Si в слое (3) и N_D(Si) в слое (7) уровень Ферми поднимается до уровня Е_m2 и начинает заполняться этот уровень с одновременным увеличением концентрации на уровне Е_m1. Волновая функция состояния Е_m2 имеет максимум плотности в центре симметрии композитной квантовой ямы (на фиг.2 показано z=0). Таким образом, 2D электроны локализуются на уровне Е_m1 и Е_m2 с плотностью и симметрично относительно границ потенциальной ямы и одинаково удалены пространственно от рассеивающих центров слоя (6) .

Увеличение концентрации n_s=n_m1+n_m2 не сопровождается уменьшением подвижности μ_t. Другой механизм - рассеяние на шероховатостях (островках роста) выключен, поскольку этот механизм существенен при ширинах ям < 50 .

Возрастание концентрации n_s с одновременным увеличением подвижности μ_t с ростом уровня легирования сохраняется до концентрации N_d(Si), при которой уровень Ферми Е_F достигает возбужденный уровень размерного квантования E_p1. Здесь следует ожидать резкого (скачкообразного) уменьшения подвижности, как в случае одиночного гетероперехода [1-4].

Отличительной особенностью заявленной наноструктуры является реализация снятия ограничения на одновременное увеличение подвижности μ_t и концентрации n_s 2D электронов.

Применение заявленной наноструктуры позволит по сравнению с прототипом [6] значительно расширить функциональные возможности приборов и область применения как в отношении проходной мощности, так и частотного диапазона.

Помимо этого имеется возможность мультиплицирования заявленной наноструктуры, слоями (компонентами) которой являются последовательно наращиваемые блоки 3-7 (фиг.3, 4), что позволит поднять верхний предел проходной мощности.

Литература

1. S.Mori, T.Ando. J.Phys. Soc. Jap. 48 (5) 865 (1980).

2. R.Flether, E.Zaremba, M.D'Jorio, C.T.Foxon, J.J.Harrs. Phys. Rev. B. 38 (11)7866(1988).

3. H.L.Stormer, A.C.Gossard, W.Wiegmann. Sol. St Comm.JJ. (10) 707 (1982).

4. Ж.И.Алферов, С.В.Иванов, И.С.Копьев, Б.Я.Мельцер, Т.А.Полянская, И.Г.Савельев, В.М.Устинов, Ю.В.Шмарцсв. ФТП. 19 (7) 1199 (1985).

5. V.I.Kadushkin, F.M.Tsahhaev. Phys. Low-Dimens. Stmct. 1/2 p.p.93-111(2000).

6. Патент RU №2022411, Автор В.И.Кадушкин (прототип).

1. Полупроводниковая наноструктура, содержащая квантовую яму с двумерным электронным газом, выполненную в виде слоя узкозонного полупроводника i-GaAs с запрещенной зоной E_g1 толщиной d₁ и уровнями размерного квантования E_m1 - основным и E_p1 - возбужденным, заключенного между двумя слоями полупроводника Al_xGa_1-xAs с запрещенной зоной E_g2>E_g1 и основным уровнем размерного квантования Е_m2 толщиной d₂ каждый, которая размещена между двумя барьерными слоями широкозонного полупроводника i-AlAs с толщинами t и d_sp и запрещенной зоной E_g, один из которых содержит δ-Si слой примеси на расстоянии t* от гетерограницы i-Al_xGa_1-xAs и i-AlAs, а второй состоит из нелегированного i-AlAs спейсера и легированного однородно кремнием слоя AlAs(Si) и закрывающего наноструктуру слоя i-GaAs, отличающаяся тем, что в композитной квантовой яме полупроводниковой наноструктуры, сформированной на полуизолирующей подложке GaAs(Cr) в виде последовательных слоев i-GaAs(буфер)/i-AlAs(δ-Si)/i-Al_xGa_1-xAs/i-GaAs/i-Al_xGa_1-xAs/i-AlAs, выбором параметров E_g>E_g2>E_g1 и отношения d₁/d₂ обеспечивается условие E_m2<E_p1 и локализация двумерных электронов с максимумом в центре симметрии композитной квантовой ямы на уровнях E_m1 И Е_m2.

2. Полупроводниковая наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что мольную долю х соединения i-Al_xGa_1-xAs слоев, заключающих квантовую яму i-GaAs, выбирают в пределах 0.25÷0.45.

3. Полупроводниковая наноструктура по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что отношение толщин слоев i-GaAs d₁ и i-Al_xGa_1-xAs d₂ выбирают не менее 2.

4. Полупроводниковая наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что δ-Si слой помещен в барьерном слое широкозонного полупроводника i-AlAs толщиной t=300 Å на расстоянии t* не менее 70 Å от границы с полупроводниковым слоем i-Al_xGa_1-xAs промежуточной шириной запрещенной зоны E_g2.