НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ВІТУСЕВИЧ СВІТЛАНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 621.315.592

ЯВИЩА ПЕРЕНОСУ В КВАНТОВО-РОЗМІРНИХ

ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВІ

ЕЛЕМЕНТІВ ІІІ-V ГРУП

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України та Інституті тонких плівок і гетерограниць наукового центру Юліх (Juelich), Німеччина

Науковий консультант:

Доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Бєляєв Олександр Євгенович

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

НАН України, заступник директора з наукових питань

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Лисенко Володимир Сергійович

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук, професор

Добровольський Валентин Миколайович

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, професор кафедри напівпровідникової електроніки радіофізичного факультету

доктор фізико-математичних наук, професор

Крайчинський Анатолій Миколайович

Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу фізики радіаційних процесів

Провідна установа:

Інститут радіофізики і електроніки НАН України, відділ твердотільної електроніки, Харків

Захист відбудеться “ 23 ” червня 2006 р. о 14 год. 15 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: пр. Науки 45, Київ, 03028.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: пр. Науки 45, Київ, 03028.

Автореферат розісланий “ ____ “ травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук, професор С.С. Іщенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш перспективних напрямків розвитку сучасної мікро- та наноелектроніки є дослідження та використання особливостей квантово-розмірних ефектів у напівпровідникових гетероструктурах. Використання властивостей структур пониженої розмірності є засобом підвищення не тільки швидкодії транспорту та робочої частоти для використання в осциляторах терагерцового діапазону та розробки приладів терагерцової електроніки, але й надає можливість спостереження нових транспортних ефектів та пошуку умов для отримання такого важливого ефекту, як негативна диференційна провідність при кімнатній температурі. Матеріали на основі сполук елементів ІІІ-V груп привертають особливу увагу перш за все завдяки їх унікальним фундаментальним властивостям. Технологія AlGaAs/GaAs та AlGaN/GaN гетероструктур в даний час є достатньо розвинутою для можливості отримання високоякісних структур та шарів з нанорозмірними товщинами, в яких можна очікувати високу ефективність тунельного струму та появу нових квантово-розмірних ефектів.

Можливість керування властивостями тонких плівок і шарів зміною технологічних умов їх отримання та подальшої модифікації їх властивостей завдяки використанню квантово-розмірних ефектів суттєво розширює області їх практичного застосування. В той же час, значний прогрес у технології вирощування напівпровідникових структур завдяки розвитку молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ) зумовив можливість спостереження такого унікального квантового ефекту, як резонансне тунелювання носіїв струму в двобар’єрному резонансно-тунельному діоді (ДБРТД). Цей ефект не має аналогів в об’ємних напівпровідниках. Сучасні резонансно-тунельні діоди знайшли застосування в медицині як широкодіапазонні джерела випромінювання, де використання традиційних діодів Ганна, а також лавинно-прольотних діодів (IMPATТ) вимагає додаткових схемних рішень для послаблення потужності випромінювання та зниження рівня шумів. Крім того, резонансно-тунельні діоди завдяки високій швидкості процесу тунелювання працюють на частотах гігагерцового (~700 ГГц) діапазону та мають потенціал його розширення до терагерцових частот. Можливість реалізації низьких потужностей генерації, а також використання енергій менших за енергію рентгенівського випромінювання, робить ДБРТД генератори перспективними при проведенні досконалих, ефективних та інформативних досліджень біологічних об’єктів без нанесення ушкоджень і невідновних порушень. Для ефективної розробки та експлуатації унікальних властивостей структур з низькою розмірністю (дво-, одно- та нульмірні структури) необхідне послідовне та систематичне дослідження механізмів транспорту, а також флуктуаційних явищ у цих структурах.

Для формування резонансно-тунельного струму традиційно використовувалися резонансно-тунельні структури з вузьким спейсерним шаром, в яких формується один емітерний інжектор електронів. В той же час, використання нелегованого широкого спейсерного шару для пошуку нових умов формування тунельного струму є важливою задачею сучасного матеріалознавства. Крім того, вивчення нових механізмів формування інжекційних струмів та процесів, що відбуваються в резонансно-тунельній структурі під дією різноманітних зовнішніх чинників, таких як магнітне поле, радіаційна обробка, вплив фотозбудження на формування тунельного струму, мають важливе фундаментальне значення та є актуальними напрямками досліджень сучасної фізики твердого тіла. На момент формулювання теми даної роботи не досліджувалися механізми формування тунельного струму в резонансно-тунельних структурах з широким спейсерним шаром та вплив домішкових центрів на прозорість ДБРТД. Крім того, задача зниження розмірності завдяки створенню на поверхні структури ДБРТД системи зустрічно-штирових електродів Шотткі з метою переходу з двомірної до одномірної локалізації носіїв струму, була дуже актуальною. Перспективним методом створення нульмірних структур є метод формування квантових точок, утворених за допомогою ефектів самоорганізації.

В даній роботі запропоновано новий метод дослідження параметрів нульмірних структур, що грунтується на використанні p-і-n діода з квантовими точками, сформованими методом самоорганізації в області просторового заряду. Нульмірні системи, крім покращення параметрів традиційних приладів, завдяки очікуваним новим квантовим ефектам є перспективними для цілого ряду нових застосувань, наприклад, таких як одноелектронні транзисторні сенсори та квантові комп'ютери. Дослідження процесів накопичення заряду у низьковимірних системах та пов'язаного з цим ефекту внутрішньої бістабільності є актуальними як з точки зору фундаментальних досліджень, так і для розширення використання таких структур у приладах функціональної електроніки. Нітриди галію і алюмінію та гетероструктури, сформовані на їх основі, є відносно новими матеріалами, які завдяки своїм фундаментальним властивостям (широка заборонена зона, висока дрейфова швидкість, високе пробивне поле та ін.) являються перспективними для розробки мікро- та оптоелектроніки. Очікується, що ці матеріали будуть стійкими та працездатними в екстремальних умовах високотемпературної, високопотужної електроніки та космічної техніки при підвищених рівнях іонізуючого випромінювання. Тому, вивчення фізичних явищ, флуктуаційних та транспорних властивостей у III-нітридних гетероструктурах є важливими задачами сучасного напівпровідникового матеріалознавства.

Дисертація розв’язує актуальну наукову проблему встановлення механізмів фізичних процесів, змін енергетичних спектрів та нових фізичних ефектів, які відбуваються в квантово-розмірних гетероструктурах на основі сполук елементів III-V груп методами резонансного тунелювання, магнітоспектроскопії та фотопровідності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України, закріплених його Статусом, і виконувалася у відповідності до наступних тем, грантів та міжнародних програм:

1. “Дослідження та моделювання нерівноважних електронних процесів, масопереносу та стимульованих структурно-фазових перетворень на поверхні напівпровідника та шаруватих структур і розробка на їх основі нових приладів і технологій”, 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 9 від 20.12.1994 р., № держреєстрації 0195U008108);

2. “Фізичні та фізико-технологічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної техніки”, 2000-2002 рр. (Постанова ВФА НАН України №12 від 11.11.1999 р., № держреєстрації 0100U000148);

3. “Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі”, 2003-2005 рр. (Рішення Бюро ВФА НАН України №11 від 27.11.2002 р., № держреєстрації 0103U000364);

4. “Динамічні властивості тунельно-зв'язаних наноструктур на основі матеріалів А3В5: генерація і детектування електромагнітних коливань гіга- та терагерцового діапазону”, 2001-2005 рр. (українсько-російська програма “Нанофізика та наноелектроніка”);

5. “Broadband RF and DC metrology with small sized superconducting circuits”, 2001-2006 рр. (українсько-німецька програма “Нанофізика та нанотехнологія”, проект UKR 01/066);

6. Міжнародна програма НІКОП (NICOP – Naval International Cooperative Opportunity Program); спільна українсько-німецько-американська програма 2000 – 2004 рр. (проект N00014-01-1-0828);

7. Deutsche Forschungsgemeinschaft - DFG; 2003 – 2005 рр.; спільна українсько-німецька програма (проект 436 UKR 113/75/1-1).

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є розробка наукових основ фізичних процесів, що мають місце в квантово-розмірних гетероструктурах на основі сполук елементів III-V груп: з’ясування механізмів резонансного тунелювання, флуктуаційних процесів та пояснення нових фізичних ефектів, що мають місце у системах зі зниженою розмірністю.

Об’єктом досліджень є трансформація структури та енергетичних спектрів напівпровідникових матеріалів та гетероструктур при пониженні розмірності, а предметом досліджень є особливості явищ переносу та спектрів фотопровідності.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети передбачалося дослідження даних гетероструктур методами магніто-тунелювання, електрофізичними та гальваномагнітними методами (ефект Холла, вимірювання вольт-амперних, вольт-фарадних характеристик в широкому діапазоні температур та електричних полів), вивчення особливостей транспортних явищ під дією зовнішніх чинників, аналіз механізмів транспорту у структурах при наявності носіїв заряду обох знаків, побудови фізичних моделей досліджуваних процесів та порівняння отриманих результатів досліджень з літературними даними, а також даними теоретичних розрахунків. Розроблені фізичні моделі формування та управління властивостями досліджених структур планувалося використати для отримання структур із заданими параметрами для практичного застосування з метою покращення характеристик сучасних мікро- та оптоелектронних приладів.

Виходячи з вище викладеного, в роботі розв’язувалися такі основні наукові завдання:

1. Вивчення процесів формування тунельного струму в резонансно-тунельних діодах на основі AlGaAs/GaAs гетероструктур.

2. Дослідження властивостей транспорту III-нітридних гетероструктур у слабких та сильних електричних полях, включаючи ефект джоулевого розігріву та ефектів, що відбуваються завдяки гарячим носіям струму.

3. Вивчення зміни транспортних механізмів у ДБРТД та III-нітридних гетероструктурах під впливом зовнішніх чинників.

4. Дослідження властивостей тунелювання в ДБРТД структурах з індукованою електричним полем надграткою.

5. Аналіз механізмів тунелювання в p-і-n структурах з ДБРТД та квантовими точками.

6. Дослідження електрофізичних властивостей та процесів тунелювання в тунельних діодах з двома дельта шарами.

7. Вивчення флуктуаційних властивостей гетероструктур на основі сполук елементів III-V груп та аналіз фізичних процесів з метою покращення шумових характеристик приладів на їх основі.

8. Дослідження можливостей практичного застосування квантово-розмірних ефектів для застосування в опто- та мікроелектроніці.

Наукова новизна. В результаті комплексних досліджень напівпровідникових гетероструктур на основі сполук елементів III-V груп вперше отримані та узагальнені наступні наукові результати:

1. Встановлено механізми формування тунельного струму в двобар’єрних резонансно-тунельних діодах (ДБРТД).

2. Спостережено осциляційну структуру тунельного струму AlGaAs/GaAs ДБРТД з широким спейсерним шаром, виникнення якої знайшло пояснення в розробленій моделі квантової інтерференції тунелюючих електронів.

3. Встановлено, що зміна довжини когерентності в перпендикулярному до струму магнітному полі приводить до погашення, а потім до появи нової серії осциляцій, що є підтвердженням запропонованої моделі.

4. Виявлено ефект гігантської бістабільності, для пояснення якої запропоновано фізичну модель, що включає накопичення носіїв струму на першому квантово-розмірному рівні акумуляційного шару, який формується у широкому спейсерному шарі.

5. Розроблено технологію одержання ДБРТД структур з додатковою локалізацією носіїв струму, а саме формування індукованих електричним полем надграток.

6. Встановлено, що домішкові центри при низькій температурі створюють додаткові канали для резонансного тунелювання. Визначено тип центрів, ефективну область їх локалізації та енергію залягання. Виявлено ефект внутрішньої бістабільності, пов’язаний з домішковими центрами Х-долини бар’єрного AlGaAs шару в резонансно-тунельній структурі, які відіграють важливу роль в ефектах накопичення заряду.

7. Виявлено механізми тунелювання в p-і-n структурах з ДБРТД та квантовими точками, вбудованими в область просторового заряду. Встановлено, що процеси зарядки діркових та електронних станів квантових точок приводять до виникнення ефекту бістабільності S- та Z-типів в одній структурі в залежності від умов та механізмів резонансного тунелювання крізь квантово-розмірні стани та змін розподілу потенціалу по структурі.

8. Виявлено додаткові канали тунелювання в тунельних діодах з дельта легованими шарами. Встановлені особливості тунельного струму під дією зовнішніх чинників.

9. Встановлено, що зниження температури приводить до суттєвого зменшення рекомбінаційно-генераційної компоненти шуму в AlGaAs/GaAs транзисторній гетероструктурі. Розроблено високочастотний осцилятор з наднизьким рівнем фазового шуму (–118 дБc/Гц при частоті 1кГц від несучої, що дорівнює 23 ГГц).

10. В транзисторних AlGaN/GaN гетероструктурах визначено внески активної і пасивної областей вздовж каналу гетероструктури в формування низькочастотного шуму.

Одержані результати можуть бути використані для розвитку теорії явищ переносу в квантових гетероструктурах, оптимізації будови і параметрів приладів НВЧ-електроніки, що базуються на гетероструктурах на основі елементів третьої – п’ятої груп.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості використання вивчених у роботі фізичних механізмів і розроблених технологічних підходів для отримання гетероструктур із заданими властивостями. В першу чергу цей підхід був використаний в розробці швидкодіючого осцилятора на основі резонансно-тунельного ефекту та розробки високочастотного осцилятора на 23 ГГц для систем супутникового зв’язку. Крім того, розроблена технологія резонансно-тунельного діода з індукованою електричним полем надграткою, що також сприяло виявленню нових фундаментальних ефектів. Показано, що AlGaN/GaN гетероструктури є перспективними для одержання необхідних властивостей для різноманітних застосувань в широкому діапазоні частот (у перспективі до терагерц). Запропоновано методи отримання стабільних, радіаційно- та хімічностійких нітридних гетероструктур на основі сполук елементів III-V груп, перспективних для використання в приладах надшвидкодіючої мікро- та наноелектроніки. Вперше продемонстровано у вільноколивному осциляторі, розробленому на основі AlGaAs/GaAs гетеро структури, кращий рівень фазового шуму ( –118 дБc/Гц при частоті 1 кГц від 23 ГГц несучої) за величини, що демонструють сучасні комерційні осцилятори. Осцилятор розроблений на основі AlGaN/GaN гетероструктур та виготовлений у вигляді друкованих мікрохвильових інтегральних схем характеризується суттєво нижчим рівнем фазового шуму ( –105 дБc/Гц при частоті 100 кГц від несучої 9.35 ГГц) в порівнянні з мініатюрними комерційними осциляторами.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладені та узагальнені результати багаторічних досліджень, виконаних автором самостійно та у співавторстві, де автору належить вибір та обгрунтування напрямку досліджень, постановка задач, розробка методів вимірювань, аналіз та інтерпретація одержаних результатів, а також написання наукових статей. Експериментальні результати досліджень механізмів транспорту в тунельних та транзисторних структурах [1-3,7,8,10,14,23,24,29,31,36,51] та механізмів магніто-тунелювання в гетероструктурах [4,6,11-15,17,19,25], фотопровідності [16,22,26-28,30] та високочастотного транспорту [35,46,61] отримані особисто автором. Автору належить ідея, технологічна реалізація та експериментальне дослідження резонансно-тунельних діодів з індукованою електричним полем надграткою [35,38]. Роботи щодо дослідження високопольових транспортних явищ [43,45,51,52,58], особливостей транспорту в гетероструктурах на основі AlGaN сполук [47,53,55,56], флуктуаційних [39,54,57,59,60] та радіаційних явищ [5,9,21,40-42,50] в гетероструктурах на основі елементів III-V груп виконувалися з участю та під керівництвом автора в рамках спільного дослідницького проекту з участю американських дослідників із Корнельского університету, зокрема групою професора Істмана (фінансування проекту було підтримано Офісом навігаційних досліджень (Office of Naval Research), США). Дослідження високочастотних властивостей напівпровідникових, діелектричних та надпровідникових матеріалів [32-34,36,46], а також високочастотних компонент 23 ГГц генератора виконувалися спільно з співробітниками фірми Бош (Bosh Satellite Communication), Німеччина. У роботах [18,37] автору належить постановка задачі, безпосереднє керівництво вимірюваннями та інтерпретація їх результатів. Всі нові експериментальні ефекти, які представлені в дисертації, виявлені та досліджені автором. Постановка та обгрунтування задач досліджень, усі наукові положення, що виносяться на захист, та висновки в дисертації належать автору. Основна частина наведених у дисертації результатів доповідалася автором особисто на міжнародних та вітчизняних конференціях та семінарах.

Достовірність отриманих результатів визначається високим рівнем виконання експериментальних досліджень, комплексністю проведених досліджень із застосуванням добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером дослідження, ясною фізичною картиною вивчених явищ і закономірностей, які добре узгоджуються з існуючими теоретичними уявленнями про характер змін у структурі та енергетичному спектрі напівпровідників при пониженні розмірності. В усіх випадках перевірялася відтворюваність результатів, проводився аналіз точності та похибок вимірювань. Додатковим фактором перевірки служило порівняння результатів з даними інших дослідників. Результати дисертації опубліковані в провідних реферованих вітчизняних і міжнародних виданнях (Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, Physical Review B, Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics, Physica Status Solidi, Semiconductors Science and Technology, IEEE MTT та ін.), а також були широко апробовані на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах, симпозіумах.

Апробація роботи: основні матеріали дисертації доповідались на республіканських та міжнародних конференціях:

23th, 24th, 25th, 27th, 29th, 30th Intern. School on Phys. of Semicond. Compounds (Jaszowiec, Poland, 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2001); Russian Conf. "Microelectronics 94", (Zvenigorod, Moscow, 1994); 11th Intern. Conf. on Electronic Properties of Two Dimensional Systems (Nottingham, U.K., 1995); 9th Intern. Symp. on Ultrafast Phenomena in Semiconductors, (Vilnius, Lithuania, 1995); 5th Intern. Symp. on Recent Advances in Microwave Technology (Kiev, Ukraine, 1995); 3d Int. Workshop on MBE (Bratislava, Slovakia,1996); 12th Int. Conf. on the Application of High Magnetic Fields (Wuerzburg, Germany, 1996); Intern. Conf. on Advanced Semicond. Devices and Microsystem (ASDAM1996, Smolenice, Slovakia, 1996); IX European Workshop on MBE, (Oxford, U.K., 1997); Intern. Conf. ”Physics and Technology of Thin Films” (Ivano-Frankovsk, Ukraine, 1997); Intern. Conf. Micro- and Nano-Engineering 98 (Leuven, Belgium, 1998); 6th IEEE Intern. Workshop on High Performance Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications (Manchester, England, 1998); 24th Intern. Conf. on Physics of Semicond. (ICPS24, Jerusalem, Israel, 1998); 5th European Conf. on Satellite Commun. ECSC5 (Toulouse, France, 1999); 10th MICROCOOLL (Budapest, Hungary, 1999); 8th Internat. Symp. “Nanostructures: Physics and Technology” (St. Peterburg, Russia, 2000); ASDAM2000 (Smolenice, Slovakia, 2000); ICPS25 (Osaka, Japan, 2000); 24th Workshop on Compound Semicond. Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE 2000) held in Europe (Aegean Sea, Greece, 2000); Workshop on Micromashined Circuits for Microwave and Millimeter Wave Applications - "MEMSWAVE" -II (Budapest, Hungary, 2000); 25th WOCSDICE (Sardinia, Italy, 2001); 10th Intern. Conf. on Modulated Semiconductor Structures (Linz, Austria, 2001); IEEE MTT-S Internat. Microwave Symp. Digest (Phoenix, Arizona, 2001); 4th Internat. Symp. ”Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves” (Kharkov, Ukraine, 2001); 26th WOCSDICE (Chernogolovka, Russia, 2002); 6th Intern. Workshop on Expert Evaluation & Control of Compound Semicond. Materials & Technologies -EXMATEC 2002 (Budapest, Hungary, 2002); Intern. Workshop on Nitride Semicond. -IWN 2002 (Aachen, Germany, 2002); 9th Van der Ziel Symposium on Quantum 1/f Noise and Other LF Fluctuations (Richmond, Virginia, USA, 2002); 12th Intern. Conf. “Microwave and Telecommun. Technology “ (Sevastopol, Cremea, Ukraine, 2002); Material Res. Society Symp. (МRS-02, МRS-03 Spring Meetings, San-Francisco, USA, 2002, 2003); ICPS26, (Edinburgh, UK, 2002); 17th Intern. Conf. „Noise and Fluctuations“ ICNF2003 (Prague, Chech. Rep. 2003); 5th Intern. Conf. on Nitride Semicond.- ICNS-5 (Nara, Japan, 2003); 27th WOCSDICE (Fьrigen, Switzerland, 2003); 1st Intern. Meeting on Applied Physics (APHYS 2003), (Badajoz, Spain, 2003); Intern. Semicond. Device Research Symp. (Washington DC, USA, 2003); Intern. Conf. on Nanoscience and Technology (Kolkata, India, 2003); 28th WOCSDICE (Smolenice Castle, Slovakia, 2004); 7th Intern. Conf. on Nanostructured Materials (Wiesbaden, Germany, 2004); 2004 IEEE Lester Eastman Conf. on High Performance Devices (Troy, New York, 2004); IWN 2004 (Pittsburgh, USA, 2004); ICPS27 (Flagstaff, USA, 2004); II Ukrainian Scientific Conf. of Semicond. Physics (Chernivci, Ukraine, 2004); 29th WOCSDICE (Cardiff, United Kindom, 2005); 4th Intern. Conf. “Unsolved Problem of Noise and Fluctuations, Biology&High Technology” (Gallipoli-Lesse, Italy, 2005); 6th ICNS-6 (Bremen, Germany, 2005).

Публікації. Зміст дисертації викладений у 61 публікаціях у наукових фахових виданнях, у тому числі: 44 статтях у реферованих фахових журналах та збірниках наукових праць, 17 статтях в матеріалах конференцій (включаючи 3 статті по запрошеним конференційним доповідям).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, восьми розділів оригінальних досліджень (викладенню результатів досліджень у кожному розділі передує стисла оглядова частина з питань, які розглядаються; кожний розділ закінчується висновками), загальних висновків і списку використаних джерел. Дисертаційна робота містить 384 сторінки, з яких 324 сторінки містять основний текст дисертації, 152 рисунки, з яких 34 зображено окремо на 23 сторінках, інші вміщено в текст, 10 таблиць, які вміщено в текст, список використаних джерел з 349 найменувань на 37 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність теми, сформульована мета досліджень, викладені основні положення, що виносяться на захист, наводяться відомості про практичне значення отриманих результатів та їх апробацію.

В першому розділі наводяться результати досліджень властивостей AlGaAs/GaAs двобар’єрних резонансно-тунельних діодів (ДБРТД) з широким спейсерним шаром у широкому діапазоні температур. Два квантово-розмірних рівні з енергіями 180 меВ та 680 меВ було отримано з самоузгодженого розв’язку рівнянь Пуасона та Шредінгера для структури з двома бар’єрами товщиною 2 нм, 4 нм квантовою ямою та широким спейсерним шаром (100 нм). При низьких температурах при напрямку тунелювання з широкого спейсерного шару було виявлено три резонансно-тунельних піки на відміну від зворотного напрямку, де було зареєстровано два піки згідно з очікуваним тунелюванням крізь два квантово-розмірні рівні. Важливою виявленою особливістю транспорту було спостереження осциляційної картини у резонансно-тунельному струмі (рис.1а) на першому та на другому піках при обох полярностях напруги з періодом 36 мВ. Цей період, нормалізований на масштабний фактор 0.35, відповідає енергії 13 меВ, що значно менша за енергію оптичних фононів (~ 36 меВ). Таким чином, виявлені осциляції не можуть бути зумовлені розсіюванням на оптичних фононах, як це припускалося в попередніх публікаціях щодо спостереження осциляційної структури в однобар’єрній структурі. Крім того, в дослідній структурі осциляції спостерігалися не на всіх резонансних піках, що свідчило про різну фізичну природу тунельного струму кожного з них. Самоузгоджений розрахунок потенціального профілю структури (рис. 1б) виявив присутність двох видів емітерів: двомірного (2D) та тримірного (3D). Із співставлення результатів теорії та експерименту встановлено, що спостережена осциляційна структура зумовлена тим, що механізми формування тунельного струму в структурі з широким спейсерним шаром є принципово новими. Показано, що час життя електрона на першому рівні (1 0.4 пс) та на другому рівні (2 0.02 пс) квантової ями є меншим, ніж характерний час взаємодії з LO-фононами (ph 1.0 пс), що забезпечує квазібалістичний рух носіїв струму крізь структуру. При тунелюванні носіїв з 3D емітера електронні хвилі когерентно відбиваються на границях широкого спейсера, утворюючи стоячу хвилю. Цей модулятор в умовах резонансу модулює тунельний струм на першому та другому резонансно-тунельних піках.

Рис. 1. (а) Експериментальна залежність диференційної провідності від напруги для ДБРТД: перший пік, Т = 77 К; (б) розрахований потенціальний профіль ДБРТД при прикладеній напрузі (висота бар’єрів зменшена втричі).

В той же час, носії, що втратили свою фазу та були розсіяні в акумуляційний шар, сформований попереду першого бар’єра, тунелюють з різними фазами. Завдяки цьому осциляційна картина відсутня на третьому резонансно-тунельному піку, що також продемонстровано в структурах з композиційним спейсерним шаром. Додатковим підтвердженням запропонованої моделі є вперше виявлений ефект гігантської бістабільності, що спостерігається в широкому діапазоні напруг (до 500 мВ, або в енергетичних величинах до 175 меВ). Показано, що ефект гігантської бістабільності виникає завдяки накопиченню 2D носіїв струму в акумуляційному шарі поблизу активної двобар’єрної структури, що добре узгоджується з виявленими механізмами транспорту в двобар’єрній структурі з широким спейсерним шаром.

В другому розділі представлені результати досліджень магніто-тунельної спектроскопії ДБРТД. В першу чергу розв’язувалося завдання з вивчення впливу магнітного поля на виявлену осциляційну структуру тунельного струму. Встановлено, що період та амплітуда осциляцій виявляють сильну залежність від напрямку магнітного поля. На відміну від паралельного магнітного поля, де осциляційна картина спостерігалася до найвищих магнітних полів (14 Тл), в перпендикулярному магнітному полі до 1.4 Тл спостерігалося зменшення амплітуди осциляцій, а при вищих полях амплітуда наростала знову. Така поведінка добре узгоджується з розробленою моделлю квантової інтерференції. Електронні хвилі де Бройля, які відбиваються на границях широкого спейсерного шару, утворюють стоячу хвилю. Встановлено, що кінетика формування осциляційної картини в перпендикулярному магнітному полі залежить від зміни моменту електрона під дією сили Лоренца. Електрон в магнітному полі під дією сили Лоренца після пробігу відстані L одержує додатковий момент вздовж напрямку х, який має лінійну та квадратичну компоненти:

, (1)

де , – x та у компоненти електронного хвильового вектора, е – заряд електрона, – стала Планка поділена на 2, В – індукція магнітного поля. Квадратична компонента є однаковою для всіх електронів та визначає зміну фази осциляцій пропорційно до В 2. Саме така залежність була спостережена експериментально (рис. 2а). Лінійна компонента рівняння (1), після інтегрування по всіх доступних в електронному газі емітера, виявляє зміну амплітуди осциляцій. Якщо інжекція має місце з 3D газу електронів емітерного контакту, то амплітуда осциляцій описується функцією Бесселя першого роду розділеною на В, що має осциляційну залежність від В (рис. 2б).

Розвинута модель квантової інтерференції добре пояснює параметри спостереженого ефекту. Для шару товщиною 1 мкм з електронною концентрацією 1018 см-3 та рухливістю носіїв 500 см2/Вс отримано величину опору в наших зразках, що дорівнює 0.1 Ом. Резонансний струм викликає падіння напруги крізь цей шар на рівні 0.1 мВ. Допускаючи 100% модуляцію падіння напруги, отримано амплітуду зміни тунельного струму на ВАХ у діапазоні 0.1 - 1 мкА, що відповідає одержаним експериментальним результатам.

Особлива увага приділялася вивченню області низьких напруг, де вперше виявлено піки зумовлені резонансним тунелюванням крізь домішкові центри. Асиметрія поведінки ВАХ пояснена різною концентрацією домішкових центрів у бар’єрі зі спейсером та без нього. Резонансно-тунельні піки також демонструють різну поведінку в залежності від магнітного поля. Діамагнітний зсув є відмінним для 3D станів емітера в порівнянні з 1D домішковими станами. Різниця енергії зв’язку за наявності деякого магнітного поля та його відсутності визначає довжину локалізації домішкового стану, що дорівнює 4 нм. Таким чином, ці стани є більш локалізованими в порівнянні з воднеподібним донором GaAs квантової ями. Показано, що виявлені домішкові стани є донорними станами зв’язаними з Х-долиною зони провідності АlАs бар’єрного шару з енергією зв’язку ~ 80-90 меВ.

Рис. 2. (а) Напруга максимумів декількох серій осциляцій як функція магнітного поля; (б) відносна амплітуда осциляційної структури як функція перпендикулярного до струму магнітного поля, виміряна при T = 2 К.

Отримані величини швидкості тунелювання на рівні 2106 с-1 , об’ємної концентрації донорів в бар’єрі на рівні 1016м -3 для Xz-зв’язаних донорних станів та амплітуди домішкового струму добре узгоджуються з експериментальними даними. Оцінено величину g-фактора рівну 0.340.05 використовуючи результати розщеплення Зеемана, виявленого у піковому струмі крізь домішкові стани. Ця величина суттєво відрізняється від визначеної величини g-фактора для електронів X-долини в GaAs/AlAs надгратковій структурі, що дорівнює 1.97. Це пояснено вкладами електронних станів - та X-долини GaAs до хвильової функції домішкового стану. Найбільш яскравим є ефект розщеплення кожного із резонансних піків на два у надвисоких магнітних полях. Цей ефект стає значним у магнітних полях більших за 15 Тл. Магнітопровідність осцилює в наростаючому магнітному полі з гігантським розщепленням максимуму осциляцій, що відповідає рівню Ландау з найнижчим індексом. Цей ефект можна пояснити посиленням g-фактора електронів накопичених в акумуляційному шарі, що для нашої структури дорівнює 6.6. Дане значення є дуже близьким до передбаченого раніше теоретично.

Встановлено, що в структурі ДБРТД із спейсерним шаром спроектованим таким чином, що в умовах резонансу реалізується режим плоских зон, спостерігається додатковий резонанс при одній полярності, коли носії струму тунелюють крізь сильно локалізовані DХ центри (з енергією зв’язку ~ 100 меВ та довжиною локалізації ~ 0.7 мкм) гамма долини емітерного бар’єрного шару Al0.3Ga0.7As ДБРТД.

Третій розділ присвячено дослідженню процесів, що відбуваються в ДБРТД під дією зовнішніх чинників: оптичного збудження, гамма випромінювання, мікрохвильової обробки, а також модуляції латерального (в площині шарів) потенціалу електричним полем надгратки. Вперше встановлено ряд важливих ефектів, що відбуваються під дією контрольованих зовнішніх збудників. Спектральна залежність фотовідгуку резонансно-тунельної структури при різних прикладених до ДБРТД напругах демонструє як зон-зонне збудження фотогенерованих носіїв (зона А на рис. 3а), так і збудження електронно-діркових пар безпосередньо у квантовій ямі (зона Б). Співставлення результатів вимірів фотовідгуку з темновою вольт-амперною характеристикою зразка виявило чітку кореляцію результатів. На основі цих експериментальних даних побудовано модель збудження, транспорту та рекомбінації фотоносіїв. Підтверджено, що інтенсивність фотоструму в структурах з квантовими ямами обмежена рекомбінацією електронно-діркових пар. Виявлено вплив локалізованих в акумуляційних шарах носіїв на фотовідгук діода в інфрачервоному діапазоні спектра (рис. 3б), що змінюється з прикладеною напругою.

Рис. 3. Спектри фотовідгуку ДБРТД, виміряні при Т=77 К та різних напругах: (а) 1 - 0.6 В; 2 - 0.8 В; 3 - 1.7 В; 4 - 2.0 В. (б) Квадрати - 0.7 В, трикутники -1.1 В, кружечки -2.25 В. На вставці схематично зображено потенціальний профіль структури.

Крива, виміряна при 0.7 В, має один чітко виражений максимум при 1.73 мкм, а також помітне плече з короткохвильового боку. При напрузі 2.25 В крива трансформується в двозонний спектр з інтенсивним максимумом при 1.63 мкм та дещо слабшим при 1.83 мкм. Ці особливості пов’язані з фотоіндукованими переходами електронів з локалізований станів до континууму. При високих напругах вони відповідають збудженню електронів з локалізованих станів в акумуляційних шарах (плече на рис. 3б, процес 2 на вставці) та переходах з основного квантового рівня у квантовій ямі (зона на рис. 3б, процес 1 на вставці). В обох випадках висота бар’єра, який необхідно подолати носіям, добре співвідноситься з розрахованим для такої структури потенціальним профілем.

Важливими також є ефекти, виявлені під дією радіаційного гамма випромінювання. Структурна досконалість матеріалу до та після гамма радіації оцінювалася за допомогою спектрів дифракції рентгенівського вмпромінювання. Перш за все ДБРТД продемонстрували підвищену радіаційну стійкість у порівняні з іншими видами діодів на основі арсеніду галію. Стабільні параметри виявлено навіть при дозах 2х109 рад, де інші прилади втрачали працездатність. Показано, що зміна параметрів ДБРТД під дією радіації виникає завдяки ефекту іонізуючої радіації у нелегованих шарах. Особливістю такого принципового параметра, як відношення пікового струму до долинного струму, є його покращення після малих доз гамма випромінювання. Більш ніж 15% зростання цього відношення було зареєстровано при дозі 5х108 рад, що може бути зумовлено упорядкуванням власних дефектів. Виявлено також зниження опору омічних контактів після гамма радіаційної обробки. Концентраційний профіль перехідного шару, вивчений за допомогою рентгенівського аналізу в комбінації з пошаровим іонним травленням, методу Оже електронної спектроскопії та мас-спектрометрії вторинних електронів, демонструє значний масоперенос крізь границю метал-напівпровідник, що створює умови для зниження контактного опору та покращення характеристик омічних контактів. Ефект мікрохвильової обробки ДБРТД вивчався під дією випромінювання потужністю 60 Вт/см2 та частотою 2.45 ГГц, де час опромінення змінювався, зростаючи до 20 хвилин. Встановлено, що збільшення часу мікрохвильової обробки до 14 хвилин приводить до покращення на 10% основних параметрів ДБРТД (таких як піковий струм, пікова потужність), що відбувається завдяки реорганізації власної дефектної структури та релаксації власних напружень.

Також в цьому розділі наведено результати вивчення ефектів під дією індукованої електричним полем надгратки в ДБРТД на процеси резонансного тунелювання. Автором була розроблена технологія та створено систему зустрічно-штирових контактів Шотткі (рис. 4а), які під дією електричного поля зменшують концентрацію електронів під контактами та створюють умови для зниження розмірності з 2D електронного газу до 1D завдяки додатковій локалізації електричним полем. Теоретичний аналіз виявив вплив різноманітних параметрів структури на форму та амплітуду розподілу періодичного потенціалу. Встановлено, що положення резонансно-тунельного піка лінійно залежить від напруги індукованої електричним полем надгратки (рис. 4б). Показано, що зменшення відстані між контактами лише від 500 нм до 400 нм дозволить підсилити чутливість положення резонансно-тунельного піка до напруги, прикладеної до системи контактів Шотткі, та на струм, що протікає крізь ДБРТД, в п’ять разів. Також встановлено важливий вплив на цю чутливість відстані між положенням резонансно-тунельної структури та поверхнею із зустрічно-штировими контактами. Результати теорії добре узгоджуються з результатами експериментальних досліджень.

В четвертому розділі наведені результати вивчення вперше запропонованої та реалізованої структури р-п переходу, в якому пониження розмірності створено завдяки ДБРТД з квантовими точками (КТ). Структури з р та n легуванням важливі для розробки приладів підвищеної функціональності, так як двомірні стани створюють умови для вивчення транспортних явищ з участю носіїв обох типів. Ряд нових ефектів було виявлено в розроблених структурах. Зокрема, вперше показано, що вольт-амперні характеристики демонcтрують обидва види бістабільності як Z-виду, так і S-виду. Для пояснення ефекту було виконане моделювання потенціального профілю структури методом самоузгодженого розв’язку рівнянь Пуасона та Шредінгера. Це дозволило визначити фізичну природу виникнення бістабільностей.

Рис. 4. (а) Схематичне зображення ДБРТД (вид зверху). На рисунку позначені величини, використані у теоретичних розрахунках; (б) залежність резонансної напруги, Vsr , від потенціалу на контактах Шотткі, Vg: кружечки – експериментальні дані, лінії – результати теоретичного розрахунку.

Показано, що бістабільність Z-виду виникає завдяки накопиченню від’ємного заряду у квантовій ямі, в той час як бістабільність S-виду індукується процесами перезарядки і накопичення позитивного заряду. Для підтвердження моделі були проведені температурні виміри ємності в діапазоні 4 - 80 К, які продемонстрували наявність перемикання між двома зарядовими станами при підвищенні температури. Встановлено, що диференційна провідність квантової точки відповідає 1 нСм та енергетична відстань між станами квантових точок дорівнює 6-7 меВ, що перевищує енергію kТ та відповідає умовам кулонівської блокади. При струмі приблизно 1 нА, густині квантових точок 1010 см –2 та швидкості рекомбінації в квантовій ямі 1нс лише 10 квантових точок приймають участь в зарядових процесах. Визначено зарядову енергію квантової точки рівну ~ 7 меВ та ємність однієї квантової точки (1х10-17 Ф). Це відповідає середньому радіусу квантової точки рівному ~ 8 нм, що добре узгоджується з латеральними розмірами досліджених квантових точок.

Вивчення поведінки тунельного струму крізь самоорганізовані InAs квантові точки виявило серію осциляцій диференційної провідності (рис. 5). Це явище було вивчено теоретично (з врахуванням кулонівської взаємодії між різними квантовими точками), де знайдені критерії для зарядки індивідуальних квантових точок. Рис. 6 демонструє розрахований струм для набору 5х5 квантових точок, що добре узгоджується зі спостереженою осциляційною картиною. Таким чином, виявлені осциляції виникають завдяки зміні зарядового стану індивідуальної квантової точки.

Рис. 6. (a) Розраховані ВАХ для ансамблю 5х5 КТ та (б) диференційна провідність (відстань між КТ 100 нм).

Рис. 5. Диференційна провідність зразка, яка виміряна при температурах 30 мК (кільця) та 4 К (квадрати).

За допомогою вивчення спектрів фотовідгуку цих структур ідентифіковано положення основних рівнів як електронних (-250 меВ, - 175 меВ, -125 меВ), так і діркових (-250 меВ, - 175 меВ, -125 меВ) станів квантових точок, які добре узгоджуються з теоретичними розрахунками.

Інші важливі тунельні ефекти були виявлені в структурі з р-п переходом, в якій були вирощені два зв’язані між собою дельта леговані шари. Самоузгоджений розв’язок рівнянь Пуасона та Шредінгера виявив серію квантово-розмірних рівнів поблизу області виснаження р-п переходу. Показано, що модифікація зонної структури приводить до появи додаткового каналу міжзонного тунелювання, який спостерігається як чітко виражений резонансний пік при напрузі 0.7 В. Встановлено залежність напруги резонансу від температури, електричного та магнітного полів, а також зовнішнього оптичного збудження, що є перспективним для створення нових мікрохвильових та швидкодіючих перемикачів та діодів. Результати магніто-тунельних досліджень підтвердили двомірну природу електронів, що зумовлюють появу додаткового піка. Встановлено, що пік змінює своє положення з ростом магнітного поля приблизно на 16 мВ при B = 12 Tл внаслідок різниці діамагнітного зсуву початкових для тунелювання 2D станів та кінцевих 3D станів електронів: E = e2 <z2> B2/ (2m*), що визначає величину локалізації основного стану двох дельта шарів <z2> приблизно 6 нм. Ця величина добре узгоджується з технологічно заданою.

В розділі 5 представлені результати вивчення явищ переносу в III-нітридних гетероструктурах на основі AlGaN/GaN сполук. Ці гетероструктури завдяки надзвичайним фундаментальним властивостям, включаючи такі, як широка заборонена зона та суттєві ефекти спонтанної та п’єзоелектричної поляризацій, створюють умови для отримання високої концентрації двомірного газу бездомішково, що є перспективним для пониження рівня шуму.

Магніто-тунельні виміри AlGaN/GaN гетероструктур при низькій температурі продемонстрували чітко виражені осциляції Шубнікова-де Гааза (ШдГ), що спостерігалися при низьких магнітних полях. Визначено параметри двомірного електронного газу (2DEG) гетероструктур (рухливість