Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

УДК 621.315.592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Високопольовий транспорт носіїв у гетероструктурних нітрид них напівпровідниках

01.04.07 - фізика твердого тіла

Дрок Євген Андрійович

Київ-2010

Дисертація є рукопис. Робота виконана у відділі фізики радіаційних процесів Інституту Фізики НАН України.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Данильченко Борис Олександрович Інститут Фізики НАН України завідуючий відділом фізики радіаційних процесів

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Тулупенко Віктор Миколайович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідуючий кафедри фізики.

кандидат фізико-математичних наук Коротеєв Вадим В'ячиславович, Інститут фізики напівпровідників, ім. В.Є. Лашкарьова НАН України ст.н. співробітник відділу теоретичної фізики

Захист дисертації відбудеться 17 червня 2010 року о 14.30. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03028, Київ, проспект Науки 46.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України

Автореферат розісланий 15 травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради, доктор фізико-математичних наук О.О.Чумак

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Аналіз тенденцій розвитку електронної техніки свідчить про існування всіх необхідних передумов для технічного прориву в області силової електроніки та оптоелектроніки. Основою такого прориву є новий клас напівпровідникових матеріалів - широкозонних напівпровідників типу A₃B₅ та різноманітних гетероструктур на їх основі. Основні перспективні напрямки застосування цих гетероструктур пов'язані з розробкою та організацією виробництва світлодіодної техніки, оптичних транзисторів та альтернативних джерел білого світла. Крім того, ці матеріали необхідні для створення потужних надвисокочастотних транзисторів.

Одним з найважливіших напрямків дослідження даних гетероструктур являється вивчення особливостей, пов'язаних з квантово-розмірними ефектами на границі поділу напівпровідникових шарів, з яких безпосередньо формуються гетероструктури. Так, протягом останнього десятиліття, неабиякий інтерес у дослідників викликають гетероструктури створені на основі широкозонного напівпровідника GaN - InGaN/GaN, AlGaN/GaN та ін. Завдяки новим технологіям вирощування нітридних гетероструктур, таким як молекулярно-променева епітаксія (MBE), існує можливість отримання високоякісних гетероструктур та шарів з нанорозмірними товщинами, в яких можна спостерігати нові квантово-розмірні ефекти. Структури з пониженою розмірністю мають високі кінетичні та частотні показники, а також являються джерелом візуалізації та вивчення нових ефектів, наприклад, таких як від'ємна диференційна провідність при кімнатних температурах. Можливість технологічного керування характеристиками та товщинами напівпровідникових шарів при створенні гетероструктур, дозволяє використовувати квантово-розмірні ефекти для подальшої зміни властивостей структур, що значно розширює область їх застосування.

В даній дисертаційній роботі досліджувались нітридні гетероструктури AlGaN/GaN. Автором було запропоновано унікальну методику для дослідження кінетичних властивостей двовимірного електронного газу в провідному каналі гетероструктури в наносекундному діапазоні. Вимірювання, проведені на основі цієї методики, дають можливість аналізувати квантово-розмірні ефекти розігріву носіїв заряду, які мають місце при прикладанні до структури високих електричних полів (до 160 кВ/см). Враховуючи те, що нітриди галію та алюмінію, та гетероструктури на їх основі, є відносно новими матеріалами, які мають широку заборонену зону, високу дрейфову швидкість та високе поле пробою, такі експерименти вкрай необхідні для практичного застосування таких нітридних гетероструктур в мікро- та оптоелектроніці надвисокочастотного діапазону.

Дисертація розв'язує актуальну наукову проблему виявлення нових фізичних ефектів, які пов'язані з процесами переносу гарячих носіїв в квантово-розмірних гетероструктурах на основі AlGaN/GaN, в сильних електричних полях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках наукових тем відділу фізики радіаційних процесів Інституту фізики НАН України: “Дослідження радіаційних і термічних ефектів у мікронеоднорідних кристалах кремнію, арсеніду галію, нітриду галію та структурах наноелектроніки на їх основі” (№ держ. реєстр. 0103U005982) та “Дослідження радіаційних ефектів в нанокристалічних матеріалах та приладах сучасної мікроелектроніки (кремнію, нітриду галію, арсеніду галію)” ( № держ. реєстр. 0106U004182), “Дослідження фізичних властивостей полікристалічних плівок та об'ємних кристалів GaN модифікованих шляхом іонізуючого опромінення” (№ держ. реєстр. 0102U000269).

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є пошук умов, за яких можна отримати потужну надвисокочастотну генерацію та умов підвищення швидкодії та чутливості в ультрафіолетовому діапазоні приладів нового покоління на основі нітрідних напівпровідникових гетероструктур. Дослідження кінетики провідного каналу гетероструктур, з'ясування природи квантово-розмірних ефектів притаманних гарячим електронам. Для досягнення поставленої мети передбачалося вирішення наступних наукових завдань:

Вивчення процесів енергетичних втрат гарячими електронами в провідному каналі напівпровідникової гетероструктури AlGaN/GaN.

Дослідження електрон-фононної взаємодії та встановлення основних характеристик оптичного фонона в GaN.

3. Вивчення зміни транспортних механізмів в гетероструктурах AlGaN/GaN в сильних електричних полях під впливом зовнішніх чинників (іонізуюче випромінювання та лазерне випромінювання).

Об'єктом досліджень є двовимірний електронний газ в провідному каналі напівпровідникової гетероструктури на основі AlGaN/GaN.

Предметом досліджень є особливості явищ переносу в умовах високих електричних полів та лазерного опромінення.

Методи досліджень. Для вирішення поставленої мети проводилися дослідження даних гетероструктур методами вимірювання вольт-амперних характеристик в режимі постійного струму та в імпульсному режимі (без дії лазера та з допоміжним опроміненням світлом під час дії гріючого електричного імпульсу), вимірювання температурної залежності провідності гетероструктур. Проводився аналіз особливостей кінетичних явищ в гетероструктурах при наявності зовнішніх чинників, а саме електричного поля та опромінення світлом, були побудовані фізичні моделі досліджуваних процесів та проведено детальне порівняння отриманих результатів досліджень з літературними даними.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексних досліджень напівпровідникових гетероструктур AlGaN/GaN вперше було отримано наступні наукові результати:

1. Вперше було встановлено режим з насиченням струму ВАХ для AlGa/GaN тестових структур для температур 4.2К та 300К. Результати демонструють, що ефект розігріву гарячих електронів обумовлений особливостями провідності гетероструктури та є причиною насичення струму (j =20А/мм).

2. Вперше для гетероструктур було досягнуто електричне поле величиною 160кВ/см гріючим імпульсом тривалістю 10-30нс, при цьому було отримано дрейфову швидкість V_dr, що досягала 1,7x10⁷ см/с. Ця величина є все ще нижчою за теоретичний ліміт (V_dr ~3х10⁷ см/с), хоча вона є дуже близькою до величини, що були одержані для найкращих модуляційно-легованих AlGaAs/GaAs.

3. Вперше з транспортних досліджень було визначено енергію та характерний час емісії оптичного фонона в GaN, що дорівнюють Е = 92меВ та ф = 25 фс, відповідно.

4. Вперше була досліджена швидка компонента фотопровідності AlGaN/GaN з часом відгуку порядку наносекунди при опроміненні цих гетероструктур в ультрафіолетовому інтервалі спектру 0,33 мкм.

5. Експериментально спостерігалось нове явище - збільшення фотопровідності зі збільшенням електричного поля, прикладеного вздовж провідного каналу гетероструктури. Підсилення фотопровідності у десять разів було досягнуто в полях 15 кВ/см при температурах 4.2 К та 300К.

6. Запропоновано феноменологічну модель для пояснення ефекту збільшення фотопровідності, суть якого полягає у звільненні фотоносіїв з дрібних пасток при поглинанні нерівноважних терагерцових акустичних фононів, які з'являються при енергетичній релаксації гарячих двомірних електронів в провідному каналі гетероструктури.

Практичне значення одержаних результатів визначається можливістю використання виявлених в роботі фізичних явищ для підвищення швидкодії та збільшення робочого частотного діапазону приладів виготовлених на основі AlGaN/GaN в область надвисоких частот (у перспективі до терагерц), підвищення стабільності роботи приладів в високих електричних полях та в широкому температурному діапазоні. Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі представлені та узагальнені результати досліджень, виконаних автором самостійно та в співавторстві, де автору належать експериментальні дослідження, постановка задач, розробка методів вимірювання, аналіз та інтерпретація одержаних результатів. Самостійно автором отримано експериментальні результати досліджень кінетичних властивостей гарячих електронів в гетероструктурах AlGaN/GaN, проведено експериментальні дослідження та аналіз ефектів, які призводять до появи швидкісної компоненти фотопровідності під дією світла. Автору належить ідея вимірювання фотопровідності при одночасній дії електричного гріючого імпульсу та імпульсу лазерного випромінювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових конференціях:

- Міжнародна конференція з фізики напівпровідників (27^th International Conference on the Physics of Semiconductors), Арізона, США, 26-30 липня.

- Науково-технічній конференції «Кластерні та наноструктурні матеріали (Ужгород, Україна, 2000)

Публікації. Основний зміст роботи є узагальненням наукового доробку автора, результати якого опубліковані в 5 статтях у фахових наукових журналах, 2 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури. Зміст роботи викладено на ста тридцяти сторінках друкованого тексту, ілюстрованого п'ятдесяти п'ятьма рисунками та однією таблицею. Список літератури містить сто шістдесят п'ять найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, об'єкт, предмет і методи дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, відображено особистий внесок автора, наведено відомості про апробацію результатів роботи та публікацій, у яких висвітлено основні результати роботи.

Перший розділ дисертації присвячений огляду літературних даних, що мають важливе значення при вирішенні задач, сформульованих в роботі. Зокрема, представлено структуру основних напрямків досліджень нітридних напівпровідникових сполук. Зазначено основні властивості гетероструктур AlGaN/GaN, які якісно відрізняють їх від AlGaAs/GaAs для реалізації польових транзисторів: ширина забороненої зони Eg нітридних напівпровідників забезпечує великий розрив зон провідності на гетерограниці AlGaN/GaN (Ec > 0,5 эВ), що різко зменшує струми витікання через затвор; із збільшенням мольної долі Al зростає Ec. Густина електронів в 2D-каналі n_s >1*10¹³ cм^-2, на порядок вища, ніж в GaAs - вона обумовлена як модульованим легуванням із широкозонного шару AlGaN так і п'єзоелектричною поляризацією - додатнім зарядом на гетерограниці AlGaN. Швидкість насичення V_s > 2,5*10⁷ см/с в великих електричних полях в GaN також вища ніж в GaAs, залишається вона високою також і при збільшенні температури. Поля пробою в GaN в вісім разів вищі ніж в GaAs (33*10⁵ та 4*10⁵ В/см відповідно), що при великому бар'єрі на затворі дозволяє прикладати напругу стік-витік V_sd до 100-400 В/см. Великі значення n_s разом з високими пробивними полями забезпечують густину НВЧ-потужності в GaN-польових транзисторах в 10 разів більшу ніж в GaAs; GaN-транзистори мають більш високі ефективність, ширину смуги частот та вихідний імпеданс. Створені гетероструктури GaN-HFET, що мають на частоті 8,2 ГГц густину НВЧ-потужності 9,1 Вт/мм і ефективність 47%; на 10ГГц - 7 Вт/мм та відповідно ефективність 62%. На основі AlGaN/GaN в деяких приладах вже досягнуто робочі частоти в десятки гігагерц та потужності більше ніж 100 Вт. Описані основні способи вирощування нитридів.

Нітридні сполуки елементів ІІІ групи є дуже перспективними для застосування в багатьох напрямках, основні з яких це оптичні прилади, такі як світловипромінювальні діоди, лазерні діоди, різноманітні оптичні детектори, біологічні та хімічні сенсори, калібруючі прилади УФ випромінювання. Застосування в оптичній електроніці нітридних сполук ІІІ групи пов'язано з їх можливістю охоплювати діапазон від інфрачервоного до ультрафіолетової області включаючи видимий діапазон. Широке застосування на сьогоднішній день мають сині світлодіоди, та багатошарові структури для блакитних та зелених світлодіодів з поодинокою квантовою ямою.

Останнім часом широко почали використовуватися біполярні транзистори на основі гетероструктур AlGaN/GaN при високих температурах. Їх переваги перед транзисторами на основі GaAs та SiC - це можливість працювати при більш високих температурах, та при вищих пробивних напругах. Ці переваги дають можливість використовувати силові транзистори на базі нітридів ІІІ групи, які можуть працювати на частотах 5 ГГц та вище. Однак слід зазначити, що при роботі приладів в умовах високих температур та високих чи надвисоких електричних полів може виникати ряд фізичних явищ та ефектів пов'язаних з розігрівом двомірного електронного газу. Крім того, практично не вивченим є питання про вплив лазерного опромінення в наносекундному діапазоні на транспортні властивості нітридних гетероструктур. З проведеного в роботі аналізу літературних даних було зроблено висновок про перспективність дослідження вольт-амперних характеристик в наносекундному діапазоні та вивчення впливу лазерного випромінювання на фотопровідність гетероструктур AlGaN/GaN.

Другий розділ дисертації присвячений опису досліджуваних зразків та використаних методик експериментальних і теоретичних досліджень.

В роботі вивчалися структури, які були вирощені методом металоорганічної газофазної епітаксії (MOCVD). На (0001) поверхні сапфірової або карбідкремнієвої підкладки зародковий шар в 40 нм AlGaN (16% Al) вирощувався з метою запобігання стресу в наступних вирощуваних епітаксійних шарах. Після нього послідовно нарощувались шари - буферний GaN товщиною 1,1 мкм та бар'єрний 23нм AlGaN (33% Al) шар, який покривався пасиваційним шаром Si₃N₄ товщиною 320 нм для стабілізації поверхні. Поляризаційний заряд на границі поділу AlGaN та GaN виникає завдяки двом джерелам - п'єзоелектричного ефекту, внаслідок неспівпадіння значень сталих ґраток AlGaN та GaN, а також за рахунок різниці значень спонтанної поляризації AlGaN та GaN. Сумарна поляризація AlGaN шару є більшою за GaN буферного шару, тому позитивний заряд присутній на AlGaN/GaN гетерограниці для структури з Ga-полярністю. Електрони, які стягуються для компенсації такого позитивного заряду, формують двомірний електронний газ у трикутній потенціальній ямі на AlGaN/GaN гетерограниці та розташовуються нижче рівня Фермі, E_f.

Представлено схеми вимірювання вольт-амперних характеристик в наносекундному діапазоні, вимірювання температурної залежності опору зразків та вимірювання фотопровідності зразків в залежності від величини прикладеного електричного поля.

Третій розділ присвячений дослідженню кінетики двовимірних носіїв заряду в AlGaN/GaN гетероструктурах в сильних електричних полях та аналізу фізичних явищ, які виникають при високих та надвисоких електричних полях. Дослідження кінетики двомірного електронного газу в AlGaN/GaN гетероструктурах включає в себе необхідність вивчення механізмів релаксації гарячих носіїв, ймовірностей міждолинних переносів, вивчення швидкості електронів в залежності від величини електричного поля та ін. На даний час відсутні експериментальні дослідження характеристик швидкість-поле для двомірного газу структур на основі ІІІ - V нітридних сполук в електричних полях близьких до критичних.

Вольтамперні характеристики вимірювалися як при постійному струмі, так і в імпульсному режимі з тривалістю імпульсів 10-100 нс.

Отримані вольт-амперні характеристики зразків з різними довжинами провідного каналу приведені на рис.1. Приймаючи до уваги падіння напруги на контактах та нормалізуючи ці залежності на довжину каналу, можна отримати залежність струм-електричне поле (I-E). Тут

E = V/L

кінетика електрон гетероструктура двовимірний

є середня величина електричного поля в провідному каналі, V - прикладена напруга та L - довжина каналу.

Як імпульсні, так і виміри на постійному струмі демонструють залежність струму від прикладеного електричного поля та довжини каналу. При зростанні L область I-E характеристики з насиченням спостерігається в діапазоні електричних полів менших, ніж 8 кВ\см. Необхідно зауважити, що режим з насиченням струму для AlGaN/GaN тестової структури помічено вперше. Раніше насичення струму спостерігалося в HEMT структурах і насичення пов'язували з існуванням області затвора.

Порівнюючи вольт-амперні характеристики для різних довжин провідного каналу L, спостерігаємо чітку відмінність в ході вольт-амперних характеристик, яка є більш вираженою при температурі кипіння рідкого гелію. Як видно з рисунка, на ділянці прикладених електричних полів від 15 до 25 кВ/см, струм в зразку може значно зменшуватися при збільшенні електричного поля. Для деяких довжин провідного каналу L це спостерігалося більшою мірою. Ймовірно, явище зменшення струму в досліджуваних гетероструктурах пов'язане з захопленням носіїв заряду на пастки, які знаходяться в об'ємі матеріалу AlGaN.

Для визначення швидкості дрейфу електронів використаємо відоме співвідношення:

V_dr=I/enW (1)

де І - струм, який протікає через зразок, е - заряд електрона, п - концентрація носіїв, W- товщина провідного шару. Визначення V_dr базується на вимірах величини концентрації двомірних електронів та припущенні, що ця концентрація не змінюється в сильних електричних полях. Максимальна величина досягнутої дрейфової швидкості дорівнювала 1,7x10⁷ см/с при Е= 150 кВ /см (Т=4 К) та 1,1х10⁷ см/с при Е = 80 кВ/см (Т=300 К). Ці величини, V_dr, отримані для 30 нc електричних імпульсів, є більшими, аніж виміряні нами величини на довших імпульсах. Знайдена величина швидкості є близькою до величини V_dr, яку отримували для найкращих модуляційно-легованих AlGaAs/GaAs структур. Дійсно, для слаболегованих AlGaAs/GaAs структур (n=4x10¹¹ см ^-2) з рухливістю 7600 см /В с при Т = 300 К було знайдено, що V_dr ? 1,7х 10⁷ см/с. Маючи залежності дрейфової швидкості від електричного поля, було побудовано залежності рухливості двомірних електронів від електричного поля використовуючи відоме співвідношення :

µ = (2)

Після вимірювань температурних залежностей рухливості від електричного поля скористаємося методом порівняння рухливостей. Суть методу полягає в тому, що співставляючи однакові значення рухливості визначені з залежностей рухливості від прикладеного електричного поля та температурної залежності можемо побудувати залежність температури електронів від прикладеного електричного поля. Залежність температури електронів від електричного поля для двох зразків, один з яких виготовлений на сапфіровій підкладці, другий на карбід-кремнієвій представлено на рис. 5.

Як видно с рисунка, немає суттєвої різниці в ході залежності температури електронів від електричного поля для зразків на різних підкладках.

Маючи залежності температури носіїв заряду від напруженості електричного поля, в роботі було зроблено наступний аналіз отриманих експериментальних результатів.

Цей аналіз базується на визначенні залежності електричної потужності, яка розсіюється електронами з випромінюванням оптичних фононів з енергією , від оберненої температури електронів. У такому наближенні з використанням функції розподілу енергії гарячих електронів, близькою до больцмановської, розсіяна потужність , може бути представлена як:

(3),

де е₀ енергія оптичного фонона та ф₀ - характерний час емісії оптичного фонона.

Слід зауважити, що розглянуте співвідношення виконується тільки в наближенні випромінювання оптичного фонона, який для даної речовини є сталою величиною. При менших температурах носіїв, коли енергетичні втрати балансуються генерацією акустичних фононів поздовжніх або поперечних, лінійна залежність логарифма потужності від оберненої температури не повинна виконуватись. Вивчення втрат гарячими носіями з випромінюванням акустичних фононів, є окремою задачею.

Знаючи напругу та струм в зразку, можемо побудувати залежності електричної потужності на електрон від оберненої температури носіїв. На рисунку можна виділити інтервал температур при яких співвідношення (3) виконується. Цей інтервал температур лежить між 250 та 500 К. У цьому інтервалі спостерігається лінійна залежність з кутом нахилу, що відповідає енергії оптичного фонона 90 меВ. Отримане значення практично збігається із значенням енергії оптичного фонона в GaN , виміряного раніше прямими оптичними методами. Із літератури відомо, що дорівнює 92 меВ. Як видно, що у межах експериментальної похибки, має місце співпадання отриманої нами енергії оптичного фонона із незалежними вимірюваннями цього параметра. Ця обставина вказує на те, що застосований в наших дослідженнях непрямий метод визначення температури носіїв заряду може достатньо точно визначати реальне значення цієї величини. Істотно новим результатом нашого підходу до аналізу - виявилася можливість отримання дуже важливого параметру який характеризує час спонтанної емісії оптичного фонона. Виходячи з даних отриманих на рис.5, виміряний у наших дослідженнях час дорівнює 25 fs. Отриманий теоретичними розрахунками час, рівний 5 fs приблизно у чотири рази є більшим у порівнянні з розрахованими. Таким чином, можна вважати, що у дослідженій гетероструктурі енергія гарячих носіїв балансується шляхом випромінювання поздовжніх оптичних фононів саме у GaN частині гетероструктури. Істотно новим та несподіваним результатом аналізу даних з рисунку 5 є відхилення від очікуваної згідно з (3) залежності з параметрами для GaN. Це відхилення починається від температур 500 К і спостерігається як злом на кривій. Така поведінка вказує на існування додаткового каналу для енергетичних втрат гарячими носіями, який істотно зменшує температуру носіїв у великих електричних полях. Існування такого каналу раніше не розглядалося теоретично та не спостерігалося експериментально. З'ясування природи виникнення такого каналу енергетичних втрат у великих електричних полях розігріву носіїв потребує подальшого ретельного вивчення.

Приймаючи до уваги високу величину дрейфової швидкості (вищу за 10⁷ см/с) та високу електронну концентрацію, що призводить до високої густини струму (І = 2,5А/мм), може бути отримана рекордна величина питомої вхідної електричної потужності (~100Вт/мм). Ці результати є важливими для розробки сучасних прецензійних приладів на основі гетероструктури AlGaN/GaN.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений вивченню зміни фотопровідності AlGaN/GaN гетеро-структур в наносекундному інтервалі часу та пошук нових фізичних принципів підвищення чутливості детекторів на їх основі. Розрахунки показують, що двовимірні електрони локалізовані в межах 20 нм, а шляхом вимірювань була встановлена густина електронів у цьому каналі - .

Часові залежності зміни провідності структур, нормованих на значення провідності у темряві при заданому прикладеному електричному полі. Результати приведено для двох способів прикладання електричного поля до структур - в першому випадку до зразка прикладалась постійна напруга, в другому - гріючий електричний імпульс тривалістю 100 нс, при цьому зразок також опромінювався лазерним імпульсом тривалістю 10нс. Лазерний імпульс використовувався з енергією 3,6 еВ, достатньою для генерації переходів зона-зона в нітриді галію.

Дві добре виражені компоненти в зміні провідності спостерігаються для обох способів вимірювань. Перша, швидка компонента, є дуже гострою і практично співпадає з розподілом у часі інтенсивності лазерного випромінювання. Для цієї компоненти не спостерігалась затримка у часі між сигналами зміни провідності та лазерного імпульсу. Друга складова фотопровідності була дуже повільна, з характерним часом затухання порядку 0,1-1 с.

Повільна компонента раніше вже спостерігалась експериментально в структурах на основі нітрид галієвих сполук. Таку поведінку автори пов'язують з захопленою або замороженою провідністю. Що стосується появи швидкої компоненти фото провідності у наносекундному інтервалі часу, то вона раніше не спостерігалась експериментально. За таких обставин подальша наша увага була сконцентрована саме на результатах дослідження цієї швидкої компоненти фотопровідності.

У процесах міжзонного поглинання світла в напівпровіднику генеруються нерівноважні носії, електрони та дірки з однаковою концентрацією . Це призводить до збільшення провідності структури:

(4),

де - є рухливість електронів або дірок, (по визначенню ), - елементарний заряд. Для досліджених структур, рухливість в малих електричних полях була . Для GaN дірки мають більш ніж на порядок меншу рухливість у порівнянні з електронами. Виходячи з цього, внеском другої складової у виразі (4) можна знехтувати. Окрім цього, зміну рухливості електронів за рахунок збільшення концентрації носіїв при опроміненні світлом можна не брати до уваги.

Для стаціонарного наближення, коли тривалість імпульсу лазера набагато більша за час рекомбінації нерівноважних носіїв, концентрацію фотозбуджених електронів можна записати наступним чином:

(5)

де I та є інтенсивність лазерного опромінення та коефіцієнт поглинання світла на довжині хвилі лазера; - час життя фотозбуджених носіїв, - квантова ефективність. У випадку лінійної рекомбінації час життя не залежить від концентрації носіїв. Збільшення провідності при постійному освітленні напівпровідникової структури повинно визначатись залежністю рухливості електронів від напруженості електричного поля.

Час життя а з ним і фоточутливість зростає більше ніж на порядок в сильних електричних полях. Слід до цього зауважити, що зростання цих характеристик не насичується навіть у найбільших полях. Тому слід очікувати ще більших значень зростання фоточутливості при подальшому збільшенні електричного поля прикладеного до таких структур.

З метою з'ясування фізичної природи такої поведінки часу життя з електричним полем розігріву носіїв в дисертаційній роботі були виконані наступні додаткові експерименти.

Використовуючи метод порівняння рухливостей була встановлена залежність температури носіїв у провідному каналі з двовимірними електронами від електричного поля їх розігріву. Потім, з використанням отриманої експериментально залежності були побудовані в координатах від оберненої температури електронів в каналі що зображено на рисунку. В даній дисертаційній роботі спостерігалася лінійна залежність між та оберненою температурою електронів в каналі провідності. Це означає, що виконується емпіричний закон Ареніуса

(6),

де - енергія активації, - стала Больцмана. Апроксимація експериментальних результатів за допомогою виразу (6) дає значення . Електрична потужність, що прикладається до провідного шару , балансується шляхом емісії фононів акустичних або оптичних. При низьких температурах гратки та високих температурах електронів , саме спонтанна емісія оптичних фононів балансує потужність електричного поля, прикладеного до структури

(7),

де N - кількість випромінених оптичних фононів, - час спонтанної емісії цих фононів, - енергія LO фононів та - температура електронів.

У вставці наведено залежність температури електронів від напруженості електричного поля їх розігріву.

Випромінені оптичні фононі спонтанно розпадаються з часом на акустичні фонони. Оцінки часу спонтанного розпаду LO фононів лежить в межах 1 пс та 3-4 пс Розрахунки дисперсії коливань гратки для GaN вюрцитної модифікації та закони збереження енергії та квазіімпульсу дозволяють розпадатись LO фононам на ТО та LA за схемою LO>TO+LA. Подальший розпад ТО фононів супроводжується народженням акустичних фононів з середньою енергією 30 меВ.

Така енергія генерованих акустичних фононів близька до енергій мілких донорів та екситонів, типових для нелегованих кристалів GaN. Ці енергії зосереджені в інтервалі 20-40 меВ нижче зони провідності. Саме через ці локалізовані стани і відбувається переважно рекомбінація фотозбуджених носіїв. Таким чином, акустичні фонони зазначених вище енергій можуть бути поглинутими електронами, що потрапляють на такі локалізовані стани. Як результат, в роботі вдалося довести що при цьому відбувається іонізація цих станів у результаті чого електрон повертається знову до зони провідності, а фонон зникає.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. В високоякісних бездомішкових гетероструктурах AlGaN/GaN з концентрацією 2DEG на рівні 1.05х10¹³ см^-2 та рухливістю носіїв заряду на рівні 1400 см²/Вс вперше було встановлено режим з насиченням струму вольтамперних характеристик.

2. За допомогою запропонованої імпульсної методики вимірювання ВАХ вдалося прикласти до досліджуваних структур рекордно високих електричних полів (160 кВ/см). Встановлено залежність дрейфової швидкості від прикладеного електричного поля для широкого діапазону прикладеного гріючого імпульсу (до 160 кВ/см). При невеликих значеннях рухливості вдалося отримати відносно високі значення дрейфової швидкості - 1.7х10⁷ см/с.

3. Використовуючи методику порівняння рухливостей та виходячи з балансу потужності визначено енергію та характерний час емісії оптичного фонона в об'ємі GaN, що дорівнювали Е=92меВ та ф = 25фс, відповідно.

4. Виявлено швидку компоненту фотопровідності в гетероструктурах, тривалість якої збігалася з часом дії лазерного імпульсу (ультрафіолетового діапазону).

5. Виявлено збільшення фотопровідності із збільшенням електричного поля, прикладеного вздовж провідного каналу гетероструктури. Підсилення фотопровідності у десять разів було досягнуто в полях 15 кВ/см.

6. Для пояснення зв'язку енергії оптичного фонона з ефектом підсилення фотопровідності запропоновано феноменологічну модель. Модель описує механізми вивільнення фотоносіїв з дрібних пасток при поглинанні нерівноважних терагерцових акустичних фононів, які з'являються при енергетичній релаксації гарячих двомірних електронів в провідному каналі гетероструктури.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Danilchenko B.A. Hot carrier energy losses in conducting layers of AlGaN/GaN heterostructures grown on SiC and Al₂O₃ substrates / B.A. Danilchenko, S.E. Zelensky, E.A.Drok, S.A. Vitusevich, S.V. Danylyuk, N.Klein, H,Luth, A.E.Belyaev, V.A. Kochelap //Phys.stat.sol. - 2006. - №7.-P.1529-1532.

2. Danilchenko B.A. Hot-electron transport in AlGaN/GaN two-dimensional conducting channels / B.A.Danilchenko, S.E.Zelensky, E.A.Drok, S.A. Vitusevich, S.V. Danylyuk, N.Klein [et al.] //Appl.Phys.Lett. - 2004. - Vol.85, №22. - P.5421-5423.

3. Danilchenko B.A. Enhancement by electric field of high-speed photoconductivity in AlGaN/GaN heterostructures / B.A.Danilchenko, S.E.Zelensky, E.A.Drok, A.E.Belyaev, V.A. Kochelap [et al.] //Appl.Phys.Lett. - 2007. - Vol.90, № 15.- P. 152102_1-3.

4. Vitusevich S.A Ultra-high field transport in GaN-based heterostructures /S.A. Vitusevich1,*, S.V. Danylyuk1, B.A. Danilchenko, N. Klein1, S.E. Zelenskyi, E. Drok // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronicsю - 2006. - Vol. 9, № 3. - P. 66-69.

5. Данильченко Б.О. Надшвидвка фотопровідність гетероструктур AlGaN/GaN широкозонних напівпровідників / Б.О. Данильченко, С.Є.Зеленский, Є.А.. Дрок, О.О. Войціховська // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, - 2007, - т. 5, № 1, - С. 91--103.

АНОТАЦІЇ

Дрок Є.А. Високопольовий транспорт носіїв в гетероструктурних нітридних напівпровідниках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Інститут Фізики НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню нітридних гетероструктур AlGaN/GaN вирощених на різних підкладках - сапфірі та карбіді кремнію. Вивчено особливості, які пов'язані з квантово-розмірними ефектами на границі поділу напівпровідникових шарів, з яких безпосередньо формуються гетероструктури. Вимірювання імпульсних вольт-амперних характеристик в наносекундному діапазоні дають можливість аналізувати ефект розігріву двомірного електронного газу високої концентрації, що має місце при прикладанні до структури високих електричних полів. При досягненні достатньо високих електричних полів (до 160 кВ/см) в структурах не спостерігались міждолинні переходи гарячих електронів та ефект Гана . Автором було показано, що при таких полях з'являються додаткові механізми втрат енергії носіями.

Проводився аналіз особливостей кінетичних явищ в гетероструктурах при наявності зовнішніх чинників, а саме електричного поля та ультрафіолетового лазерного опромінення . Використовуючи методику порівняння рухливостей в діапазоні температур 4.2К - 440К визначена залежність температури носіїв від напруженості електричного поля. Було розраховано енергію та характерний час емісії оптичного фонона в GaN, що дорівнюють Е = 92меВ та ф = 25 фс, відповідно.

Експериментально спостерігалось нове явище - збільшення фотопровідності в залежності від напруженості електричного поля, прикладеного вздовж провідного каналу гетероструктури. Запропоновано феноменологічну модель для пояснення ефекту збільшення фотопровідності, суть якого полягає у звільненні фотоносіїв з дрібних пасток при поглинанні нерівноважних терагерцових акустичних фононів. Акустичні фонони генеруються при енергетичній релаксації гарячих двомірних електронів в провідному каналі гетероструктури.

Ключові слова: гетероструктури AlGaN/GaN, гарячі електрони, двомірний електронний газ, електрон-фононна взаємодія.

Диссертация просвещена экспериментальному исследованию нитридных гетероструктур AlGaN/GaN выращенных на разных подложках - сапфир и карбид кремния. Проанализированы особенности, которые связаны с квантово-розмерными эффектами на границе раздела полупроводниковых слоев, с которых непосредственно формируются гетероструктуры. Измерения импульсных вольт-амперних характеристик в наносекундном диапазоне дают возможность анализировать эффект разогрева двумерного электронного газу высокой концентрации, что имеет место при приложении к структуре високих электрических полей. При достижении достаточно высоких электрических полей (до 160 кВ/см) в структурах не наблюдались междолинные переходи гарячих электронов и эффект Гана, дрейфовая скорость достигала значений 1.7 ³ 1 0⁷ см/с . Автором было показано, что при таких полях появляются дополнительные механизмы потерь энергии носителями, а температура электронов была 700К

Проводился аналіз особенностей кинетических явлений в гетероструктурах при наличии электрического поля и ультрафиолетового лазерного излучения. Используя методику сравнения подвижностей в диапазоне температур 4.2К - 440К определена зависимость температуры носителей от напряженности электрического поля. Было рассчитано энергию и характерное время эмиссии оптического фонона в GaN, Е = 92меВ та ф = 25 фс, соответственно.

Экспериментально изучалось новое явление - увеличение фотопроводимости в зависимости от напряженности электрического поля, приложенного вдоль проводящего канала гетероструктуры. Для электрического поля 15кВ/см фотопроводимость увеличивалась на порядок при температурах 4.2 та 300К. Предложено феноменологическую модель для объяснения эффекта увеличения фотопроводимости, суть которого заключается в освобождении фотоносителей с мелких ловушек при поглощении терагерцовых акустических фононов. Акустические фононы генерируются при энергетической релаксации гарячих двумерных электронов в проводящем канале гетероструктуры.

Ключевые слова: гетероструктуры AlGaN/GaN, горячие электроны, двумерный электронный газ, электрон-фононное взаимодействие.

The thesis deals with experimental investigation of nitride heterostructures AlGaN/GaN grown on different substrates - sapphire and silicon carbide. The specific features associated with quantum size effects at the interface of semiconductor layers, which are directly formed from the heterostructure, have been studied. Measurements of pulsed current-voltage characteristics in the nanosecond range make it possible to analyze the effect of heating of two-dimensional electron gas. The heating occurs in the case of sufficiently high electric fields. It is shown that additional mechanisms for energy loss carriers appear for so high electric field. An electron drift velocity as high as 1.7 ³ 1 0⁷ cm/ s was obtained in the fields 160kV/cm. Estimates of thermal budget of the system show that overheating of the electrons exceeds 700 K at highest electric fields achieved in the experiment.

The features of kinetic phenomena in heterostructures in the presence of external factors, namely, the electric field and ultraviolet laser radiation were analyzed. The dependence of the electron temperature on the applied voltage was obtained in the range of 4.2K...440K using the method of comparing mobility's. The energy dissipation can be explained by the emission of optical phonons with energy of 90 meV and relaxation time of 25 fs

Strong dependence of conductivity on laser irradiation (in UV range) is shown. The dynamics of the conductivity response follows the time evolution of the laser pulse. This fast photoconductivity component shows a considerable enhancement in high electric fields. For the field -15kV/cm, it increases by at least one order of magnitude at temperatures of 4.2 and 300 K. This photoconductivity enhancement is shown to be related to the hot electron effect. The explanation for the observed phenomena was proposed. The mechanism of the photoconductivity enhancement involves nonequilibrium LO phonons generated by hot carriers. Key words: heterostructures AlGaN/GaN, hot electrons, two-dimensional electron gas, electron-phonon interaction.

Размещено на Allbest.ru