Вивчення електронного транспорту в одно- та двобар"єрних квантових гетероструктурах типу AlxGa1-xN/GaN. Дослідження фізичних явищ, що виникають в умовах сильних магнітних і електричних полів при кріогенних температурах, як особливостей переносу заряду.
Аннотация к работе
Унікальні фізичні властивості таких ГС: наявність сильних (~106 В/см) вбудованих полів спонтанної та пєзоелектричної поляризації, формування провідного каналу двомірного електронного газу (2DEG) з високою густиною електронів NS >1013 см-2 в квантовій ямі (КЯ) поблизу гетерограниці ALGAN-GAN, великі ширини забороненої зони Eg(GAN) ~3.4 ЕВ та Eg(ALN) ~6.2 ЕВ при 300 К, висока дрейфова швидкість електронів u ~2•107 см/с при напруженості прикладеного електричного поля Е ~150 КВ/см, гарна тепло-провідність, термічна міцність, радіаційна стійкість та інше обумовлюють широкі перспективи їх застосувань в новітній мікро-та оптоелектроніці. Однак, незважаючи на загальний прогрес та досягнення у розробках таких структур, особливості транспорту електронів вздовж та поперек каналу 2DEG, що формується між барєрним шаром ALGAN та буферним шаром GAN, вплив структурних властивостей ГС на струмоперенос та деталі механізму рекомбінації носіїв в зоні гетеропереходу в умовах сильних електричних та магнітних полів в ALGAN/GAN системах ще є недостатньо вивченими і потребують свого дослідження. Обєктом дослідження є фізичні процеси переносу носіїв заряду в ГС на основі GAN, включаючи процеси рекомбінації електронів в 2DEG на гетерограниці ALGAN-GAN в транзисторних структурах ALGAN/GAN та процеси тунелювання електронів крізь потенціальні барєри в діодних структурах ALN/GAN/ALN, а також фізичні властивості таких гетероструктур: ефективна маса, рухливість електронів, густина станів, час релаксації, тощо. В роботі застосовувались електрофізичні вимірювання, включаючи виміри вольтамперних (ВАХ) та вольт-фарадних (ВФХ) характеристик в діапазоні температур 4.2-300 К, гальваномагнітні вимірювання, включаючи виміри магнітоопору при температурах 0.3-4.2 К в діапазоні магнітних полів до 10 Тл із спостереженням ефектів Шубнікова-де Гааза та Холла; спектрально-оптичні вимірювання, включаючи виміри фотолюмінесценції (ФЛ) та катодолюмінесценції (КЛ) в діапазоні енергій 2.6-3.8 ЕВ при температурах 4.2-300 К; ємнісна та тунельна спектроскопія; шумова спектроскопія; рентгенодифрактометрія (РДМ) високої роздільної здатності. За допомогою комплексу діагностичних методів всебічно охарактеризовано структурну якість транзисторних HEMT-подібних ALGAN/GAN ГС: отримано густини дислокацій в гетерошарах GAN і ALGAN та значення компонентів тензора деформацій на гетерограниці ALGAN-GAN; показано утворення структурних неоднорідностей внаслідок вбудованих полів спонтанної та пєзоелектричної поляризації, визначено вплив дефектів структури на процеси переносу і рекомбінації носіїв заряду в 2DEG; оцінено ефекти джоулевого саморозігріву 2DEG при струмопереносі в залежності від довжини та товщини гетерошарів та матеріалу підкладки; підтверджено позитивну роль ефекту малих доз г-опромінення для покращення характеристик ALGAN/GAN HEMT-структур.У вступі висвітлено проблематику, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, окреслено наукову новизну і практичну значущість результатів, надано загальні відомості про структуру та обсяг дисертації. Досліджувались нітридні квантові ГС двох типів: транзисторні HEMT-структури на основі ALGAN/GAN і діодні DB-RTD-структури на основі ALN/GAN/ALN. Зразки були вирощені методом МОПФЕ на підкладках з сапфіру с-Al2O3 орієнтації (0001) товщиною 430 мкм. Зразок ALGAN/GAN являв собою модульовано леговану ГС, яка складалася з базового шару GAN 2 мкм та барєру Al0.25Ga0.75N, який містив нелегований прошарок 3 нм, легований кремнієм прошарок 15 нм (NSI = 2·1018см-3) та нелегований верхній прошарок 10 нм. Були виміряні спектри рентгенівського відбиття, на основі яких були оцінені структурні параметри зразків.Проведено комплексну рентгенодифрактометричну і спектрально-оптичну характеризацію структурної якості шарів GAN і ALGAN в складі квантово-розмірних ГС ALXGA1-XN/GAN (х = 0.25-1.0) різної конфігурації, вирощених методами МОПФЕ та МПЕ на підкладках c-Al2O3 та SIC. Показано утворення внутрішніх мікронапруг та структурних неоднорідностей, які викликані як особливостями технології вирощування, так і композиційними особливостями ГС, зокрема товщиною гетерошарів та наявністю легованого підшару в барєрі ALGAN. Пояснено природу цього низькоенергетичного випромінювання, яке віднесено до рекомбінації донорно-акцепторних пар за участю додаткових глибоких акцепторних центрів у шарі GAN, внесених легуванням барєру ALGAN. Показано, що із усіх можливих факторів впливу, включаючи густину електронних станів, непараболічність зони провідності, електрон-фононну взаємодію та ефект магнітного поля, у більшості випадків саме проникнення хвильової функції електронів в барєр та ефект її гібридизації є головним фактором, що впливає на ефективну масу 2DEG, а розкид вимірюваних значень, що спостерігається у зразках різної конфігурації, повязаний з особливостями квантової локалізації 2DEG в ГС. Електрофізичними вимірюваннями та відповідним теоретичним моделюванням досліджено особливості латерального транспорту електронів в транзист