1 / 42

Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия

Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия. С.А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов,, В.А. Швец, З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, С.Н. Данилов, С.Д. Ганичев. Контроль и рост HgTe квантовых ям. Нанобъекты на основе узкозонного CdHgTe Оборудование, технология выращивания ГЭС КРТ МЛЭ

bette
Download Presentation

Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Институт физики полупроводников СО РАН, г.Новосибирск, Россия С.А. Дворецкий, Н. Н. Михайлов,, В.А. Швец, З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, С.Н. Данилов, С.Д. Ганичев Контроль и рост HgTe квантовых ям • Нанобъекты на основе узкозонного CdHgTe • Оборудование, технология выращивания ГЭС КРТ МЛЭ • Выращивание квантовых ям на основе узкозонного CdxHg1-xTec in situ прецизионным контролем толщины и состава. • Гальваномагнитные исследования выращенных структур • Фотогальванический эффект • Выводы

  2. Институт физики полупроводников СО РАН Несмотря на разработки ИК-фотоприемников на альтернативныхматериалах, CdXHg1-XTe остается базовым материалом для ИК ФП с предельными обнаружительными способностями благодаря уникальным физическим свойствам. Развитие архитектуры детекторов ИК-излучения c использованием многослойных структур с различным типом легирования, направленное на повышение рабочей температуры, создание многоцветных фотоприемников и улучшение чувствительности резко повысило роль метода МЛЭ в производстве КРТ. ИК ФП разнообразных форматов с ограничением фоном были созданы с использованием МЛЭ КРТ. Из всех методов выращивания КРТ МЛЭ обладает наибольшими возможностями контролируемого выращивания эпитаксиальных слоев КРТ на инородных («альтернативных») подложках. Благодаря низкой температуре выращивания, МЛЭ обеспечивает приготовление структур на основе КРТ с наибольшей резкостью гетерограниц по сравнению с другими методами. Низкая температура выращивания обуславливает низкую концентрацию электрически активных дефектов – достигаемая концентрация доноров лежит на уровне 1014 см-3 при высокой подвижности носителей и высоком времени жизни неосновных носителей.

  3. Институт физики полупроводников СО РАН Зонная диаграмма HgCdTe E0=Г6-Г8.

  4. Институт физики полупроводников СО РАН Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки полупроводников

  5. Институт физики полупроводников СО РАН Преимущества МЛЭ CdxHg1-xTe: • 1. Низкая температура выращивания (1600C ÷ 2000C): • резкость гетерограниц по сравнению с другими методами; • низкий уровень фонового легирования – концентрация носителей заряда менее 5×1014 см-3; • низкая диффузия примесей из подложки. • 2. Нет агрессивной среды: • использование «альтернативных подложек» большого диаметра. • 3. Контроль процесса в реальном времени • обеспечивается возможностью использования эллипсометрического контроля за параметрами растущего слоя. • 4. Гибкость: • изготовление разнообразных многослойных структур с заданным распределением состава и легирования, в том числе сверхрешеток, квантовых ям и барьеров.

  6. Институт физики полупроводников СО РАН

  7. Институт физики полупроводников СО РАН

  8. Институт физики полупроводников СО РАН

  9. Институт физики полупроводников СО РАН • Особенности: • В квантовых яма на основе AIIBVI эффективная масса электрона в несколько раз меньше, чем в аналогичных AIIIBV • 2. HgTe –полуметалл и имеет инвертированную зону проводимости Следствия: большое Ландау расщепление и перекрытие уровней с увеличением магнитного поля. При узкой ширине квантовой ямы должно наблюдаться ослабление эффекта локализации электронов, большая величина осцилляций Шубникова- де Гааза, проявление эффекта Ражба. • Для управляемого выращивания многослойных гетероэпитаксиальных структур CdxHg1-xTe и квантовых ям необходимы: • Прецизионный контроль состава выращиваемых слоев; • Прецизионный контроль толщины растущего слоя.

  10. Инверсная зонная cтруктура (объем HgTe) Инверсная зонная cтруктура (квантовая яма CdHgTe/HgTe/CdHgTe) Нормальная зонная структура (Ge) E LH HH1 HH g >0 g  -0.05 эВ HH2 g  -0.35 эВ HH E E1 LH SO SO

  11. Cd0,4Hg0,6Te Cd0,22Hg0,78Te Cd0,4Hg0,6Te CdTe ZnTe As Подложка GaAs • Слева направо: • СВВ технологический модуль термической очистки поверхности GaAs; • СВВ технологический модуль роста; буферного слоя; • СВВ технологический модуль роста слоев КРТ. Институт физики полупроводников СО РАН Установка МЛЭ “Обь-М”

  12. Институт физики полупроводников СО РАН Технологический модуль роста слоев КРТ Оранжевого цвета плечи поляризатора (слева) и анализатора (справа) автоматического эллипсометра

  13. Институт физики полупроводников СО РАН 4 bit Характеристики эллипсометра: + 5 V Усили- тель an.1 Источник света Диаметр пучка Время измерения: мин. опт. Абсолютная точность, XCdTe Чувст. состава, XCdTe Чувст. толщины HeNe лазер (632,8 нм) 2 мм 0,04 мс 30 мс 0,003 0,0005 0,5 нм an.2 I1 I2 ФП 4 bit A1 + 5 V S A2 I3 C an.1 Усили- тель ФП I4 МЛЭ модуль an.2 P 8 bit цифр. выход 12 bit аналого- цифровой преобразователь HeNe

  14. Институт физики полупроводников СО РАН Расчетные кривые изменения эллипсометрических параметров  и yв плоскости -y при выращивании эпитаксиальных пленок КРТ различного состава на подложке КРТ с составом XCdTe= 0,3 (точка S). Цифры у кривых соответствуют составу выращиваемого эпитаксиального слоя. Пунктир AB – калибровочная кривая. y, град.

  15. Институт физики полупроводников СО РАН Легирование индием 1017 Концентрация электронов (n77) vs. температуры источника индия (TIn) 1016 n, cm-3 1015 1014 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1000/TIn, 1/K 1017 n, cm-3 1016 Концентрация электронов (n77) vs. концентрации индия(ВИМС) 1015 102 103 104 105 106 Концентрация индияВИМС, отн.ед.

  16. N … … … 2 d2 CdTe 1 d1 HgTe подложка Институт физики полупроводников СО РАН D, град. II 20 I 170 1 2 Зависимость рассчитанных эллипсометрических параметров  и  от общей толщины СР HgTe-CdTe ( I ) и от толщины слоя Cd0,33Hg0,67Te, выращенных на CdTe ( II ). Числа у кривой I – номер периода СР, у кривой II толщина слоя в нм. На врезке схематическое изображение структуры СР. 100 40 0 150 200 3 9 8 7 80 60 4 5 6 130 5 10 15 y, град.

  17. Институт физики полупроводников СО РАН Схема слоев КЯ на основе узкозонного твердого раствора CdхHg1-хTe (ХCdTe  0,25) 180 B A A' B' O' O 160 C' 140 C Расчет Эксперимент 120 Cd Te нм ~40 D, град. 100 5 нм - нелегир. d d 3 4 80 CdTe d d d d d X 1 2 5 6 CdTe Cd0,7Hg0,3Te 10nm (легир. In) 0,8 60 8 нм - нелегир. 0,4 40 d КЯ Cd HgTe - КЯ x 1-х 20 0 8 нм - нелегир. -20 20 60 100 D Толщина, нм 0 10 нм (легир. In) Cd0,7Hg0,3Te 5 10 15 20 y, град. 5 нм нелегир Эволюция эллипсометрических параметров D и y при росте КЯ на основе HgTe. Кривые ОА и ВС – рост широкозонного слоя. АВ - рост КЯ. СД – рост CdTe. Эксперимент – точки, расчет – сплошная линия проходящая через кружки. На вставке показано изменение состава наноструктуры на основе расчета. CdTe/ZnTe/GaAs (013) подложка

  18. Институт физики полупроводников СО РАН 178 15 нм 20 нм D, град B 10 нм 25 нм 174 30 нм 32,5 нм 170 35 нм A Cd Hg Te 0,735 0,265 166 3 1 2 162 O 158 6 7 8 9 10 11 12 y, град Эволюция эллипсометрических параметров D и y при росте широкозонного слоя на подложке CdTe (участок ОА) и начало роста узкозонного слоя (участок АВ). Маркеры - экспериментальные значения. Поперечные линии с соответствующими значениями – линии равной толщины для различных составов. Расчетные кривые для роста пленки состава: 1 - ХCdTe= 0,75, 2 - ХCdTe= 0,735, 3 - ХCdTe= 0,72

  19. 64 62 d=5454,9 нм 60 Пропускание, % d=5430,0 нм 58 d=5486,8 нм 56 54 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 Волновое число, см-1 Изменение толщины после травления контролировалась по величине сдвига интерференционных максимумов в спектре пропускания в области волновых чисел  = 1600-2300 см-1. Точность Фурье-спектрометра, не хуже 0,01 см-1. Положение интерференционных максимумов описывается соотношением 2nd = m104/, где n – показатель преломления, d – толщина в мкм, m – порядок максимума,  - волновое число в см-1. Изменение толщины CdTe на 1 нм соответствует сдвигу интерференционной картины на 0,3 см-1. Исходная толщина слоя CdTe с выращенной КЯ для структуры №221 равна 5486,8 нм (расчет производился для показателя преломления 2.8) – черная кривая. При удалении слоя толщиной 31,9 нм происходит сдвиг интерференционных максимумов - красная кривая с d=5454,9 нм. При последующем удалении 24,9 нм – синяя кривая с d=5430,0 нм. Из рисунка хорошо видно, что точность определения удаленного слоя не хуже, чем 0,1 нм.

  20. Институт физики полупроводников СО РАН E1 (3,31 эВ) Спектры отражения для образца № 221 1- исходное состояние поверхности 1’- после удаления структуры КРТ с квантовыми ямами 2 - после удаления 32 нм, 3 - после удаления 57 нм, 4 – после удаления 89 нм. 1’ E1 + D1(3,37 эВ) E1 (2,75 эВ) 1 R, отн. ед 2 E1 + D1(2,76 эВ) 3 E1 (2,11 эВ) E1 + D1(3,27 эВ) E1 (2,66 эВ) 4 Е, эВ 3,5 3,0 2,5 2,0

  21. Институт физики полупроводников СО РАН Распределение состава, Структуры КЯ 091224 Синие кружки – измерения спектров отражения Спектры отражения вблизи переходов E1 и Е1+ для объемного HgTe, исходной структуры представленной на левом рисунке, после химического удаления 60 нм и 70 нм.

  22. Институт физики полупроводников СО РАН Результаты измерения толщины и состава для выращенных КЯ Состав широкозонного слоя, XCdTe Состав КЯ, ХКЯ Состав широкозонного слоя, XCdTe CdTe Конц Подв 11 4 № Отр *10 10 - 2 2 X см см / d , d , d , d , d , d , d , d , КЯ 1 2 3 КЯ 4 5 6 CdTe Вс нм нм нм нм нм нм нм нм 218 0,73 0,06 0,63 ---- 34 2 24 9 12,3 10,2 20,3 9,1 10,2 8,2 219 0,79 0,24 0,80 34 0,05 ---- ---- 8,4 14,3 8,8 12,5 7,5 14,7 4,8 220 0,70 0,16 0,7 38 ---- 1,6 8,6 8,8 10,9 9,8 10,5 10 12 7,9 221 0,72 0,11 0,69 44 0,03 3 30 6,1 13,9 11,4 16,2 12,4 15,6 5,0 330 0,68 0,03 0,66 46 0, 00 2,2 35 7,1 6,4 11,2 18,4 8,6 9,5 5,0 331 0,7 0,06 0,65 39 ---- 1,5 24 8,6 12,8 11,3 21,7 8,0 10,0 4,8

  23. Институт физики полупроводников СО РАН Холловская структура: 50 мкм 100 мкм 100 мкм 250 мкм

  24. Институт физики полупроводников СО РАН Bc II. Состояния ДЭГ в режиме КЭХ: Квантово-холльная жидкость T0: xx0, xx0 Квантово-холльный диэлектрик T0: xx, xx0 Критические точки xx=const и xx=const (не зависят от T)  = 3  < 1  = 1  = 2 Плотность состояний 1/B III. Два типа фазовых переходов: КХЖ  КХЖ КХЖ  КХД I. Состояния электронов: Локализованные состояния Делокализованное состояние - единственное для каждого уровня Ландау IV. Скейлинговые модели: Предсказывают универсальное поведение параметров двумерной системы вблизи критического поля Bc для фазовых переходов КХЖ-КХЖи КХЖ-КХД.

  25. Институт физики полупроводников СО РАН

  26. 210Å T=0.33 K 21 Bc Bc 10 =2 =1  < 1 Институт физики полупроводников СО РАН Зависимость продольного (xx) и холловского (xy) сопротивлений от магнитного поля для двумерного электронного газа в квантовой яме толщиной 21 нм. Вc = 10,9 T, xx=0,9h/e2 В квантовых ямах толщиной 21,0 нм получены подвижности µe=2×105см2/Вс для концентрации электронов Ns=1,5×1011 см-2 и для КЯ толщиной 16,2 нм получена подвижность µe=5×105см2/Вс для концентрации электронов Ns=3,5×1011 см-2, что свидетельствует о высоком качестве КЯ.

  27. Институт физики полупроводников СО РАН ДВУМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНАЯ СИСТЕМА Знакопеременный эффект Холла обусловлен электро-нами и дырками (расчет): ns=4,1×1010 см-2; µn=5,9×105 см2/В×с Подвижность совпадает с рекордными значениями для электронных КЯ ps = 1.3×1011см-2, µp= 6.6×104см2/В×с совпадают с значениями для дырочных КЯ (K. Orther, …Phys.Rev. B, 66, 075322 (2002))

  28. Институт физики полупроводников СО РАН М.В. Якунин

  29. Институт физики полупроводников СО РАН М.В. Якунин А.В. Суслов И.Л. Дричко

  30. to extra 6221, if any Triggerin Triggerin Triggerout 6221 #A 6221 #B Trigout (unused) Pulse out: ~10ms delay TTL, neg., 10 s RS-232 RS-232 I-A I+A External Trig Pulse Generator #a b UHall- a Pulse Generator #b Pulse out: ~10ms delay TTL, negative, 10 s External Trig UHall+ UL- UL+ 2181 #A 2182 #B Trigout (unused) Trigout Trigin Trigin to extra 2181, if any Институт физики полупроводников СО РАН

  31. Институт физики полупроводников СО РАН Установка позволяет проводить измерения нескольких напряжений, вызванных одним и тем же током, не только в режиме Дельта моды, когда ток через образец имеет форму меандра, но и в режиме импульсной Дельта моды, когда положительный и отрицательный ток подаются в виде короткого импульса (схематично представлено в верхнем левом углу графика). Такие измерения бывают важны при низких температурах, чтобы избежать перегрева образца. Образец HgTe использовался для тестирования установки в режиме импульсноых измерений и результаты представлены на графике. Кривые сдвинуты по вертикали для наглядности.

  32. Институт физики полупроводников СО РАН

  33.  + Jx /P (nA/W) 50  + Jy /P (nA/W) 50 Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany ЦФГЭ наблюдается при нормальном падении. Tок появляется в двухперпендикулярных направлениях. В зависимости от длины волны света и/или температуры зависимость фотока может описываться какJi = J0 sin 2Pcirc Jx Jy

  34. Или как J = a sin 2 + b sin 4 + c cos 4 + d Это – вклады линейногофотогальванического эффекта Измерения ЦФГЭ и ЛФГЭ в зависимости от угла падения максимум сигнала при нормальном падении. Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany

  35. Jy Jx Изменение температуры приводит к независимому изменению направления и величины ЦФГЭв ТГц диапазоне – в противоположность к (001)-ориентированным структурам, где ток возникает только в направлении, перпендикулярном плоскости падения. Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany

  36. ИК: В диапазоне 10÷15 мкм сигнал практически не зависит от   прямые переходы. TГц: из-за низкой симметрии структуры компоненты тензоры гирации независимы  ЦФГЭ при различных длинах волн имеет произвольное направление и произвольную величину 30 QWs JCPGE /P (nA/W)  (m) Jy Jx 1 QW Jy Jx Институт физики полупроводников СО РАН Terahertz Center University of Regensburg. Germany Спектры ЦФГЭ: (013)-КЯ JCPGE/P (nA/W)

  37. Временное разрешение (FELIX): 3 псимпульсответ ~ 100 псполоса нашей электроники. • Реальный временной отклик определяется временем релаксации импульса p(p ~ 0.3 пспри 300 K). • Большой динамический диапазон:детектор линеен от ~10 мВт (cw лазер)до мощныхлазерных импульсов до 9 порядков мощности (до 20МВт/см2). + HgTe QW 300 K - Быстродействующий детектор поляризациилазерного излученияпри комнатной температурев спектральном диапазоне от ИК до ТГц ссубнаносекунднымвременным разрешениемдля исследований плазмы, газов, твердых тел, биологических тканей и т.д.

  38. Институт физики полупроводников СО РАН In situ контролируемоt выращивание HgTe КЯ с градиентами составов Расчетная зависимость изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Участки с градиентом состава ВС и DE трудно идентифицировать при реальном росте Расчетная зависимость изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Предлагается контролировать изменение производной d/d. Участки с градиентом состава ВС и DE легко определяются

  39. Институт физики полупроводников СО РАН Выращивание КЯ с градиентами составов Изменения эллипсометрических параметров, при росте КЯ с градиентным изменением состава, показанным на вставке к рисунку. Предлагается контролировать изменение производной d/d. Участки с градиентом состава СD легко определяются

  40. Выводы Институт физики полупроводников СО РАН • Разработана методика и выращиваны симметричных и ассиметричных одиночных и множественных квантовых ям на основе твердых растворов CdхHg1-хTe с составами в диапазоне 0 - 0,25 молярных долей CdTe, толщиной от 10,5 - 22 нм на подложках (013)CdTe/ZnTe/GaAs с прецизионным in situэллипсометрическим контролем толщины и состава в процессе роста. Точность определения состава и толщины нанослоев составили XCdTe0,002 и  0,5 нм соответственно. • В квантовых ямах HgTe наблюдается: двумерный высокоподвижный электронный газ с подвижностями более 5105см2/Вс; двухмерная электронно-дырочная система; g-фактор достигает величин 50-60 для B и 10 для B||. • Квантовые ямы HgTe применены для разработки стенда измерений постоянного тока при низких температурах и сильных магнитных полях • В квантовых ямах HgTe наблюдается большой фотогальванический эффект к циркулярно-поляризованному и линейно-поляризованному излучению при комнатной температуре с чувствительностью в инфракрасном и терагерцовом спектрах. Создан детектор с субнаносекундным разрешением. • Планируется: • Планируется проведение дальнейших исследований магнитотранспортных свойств и фотогальванического эффекта • Планируется проведение исследований оптических свойств выращенных структур • Планируется выращивание и исследвание прмозонных и инверстных квантовых ям и сверхрешеток • Ждем Ваших предложений и приглашаем к сотрудничеству

  41. Институт физики полупроводников СО РАН СПАСИБО ЗА СОТРУДНИЧЕСТВО М.В. Якунин, С.М. Подгорных Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург С.A. Дричко, И.Ю. Смирнов ФТИ им. Иоффе, С.-Петербург А.В. Суслов National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee FL 32310 С. Данилов, С.Д. Ганичев Terahertz Zentrum, Universität Regensburg, Germany N.Q. Vinh, A.F.G. van der Meer FOM-Instituut voor Plasmafysica «Rijnhuizen», Nieuwegein, The Netherlands B. Murdin, . Литвиненко UИнститут физики микроструктур, Н.-Новгород

  42. Спасибо Thank you

More Related