CC BY
13УДК 621.38.049.77
Туннелирование через двухбарьерную туннельно-резонансную гетероструктуру на основе GaN/AlN
В.И. Егоркин1, Э.А. Ильичев2, М.Н. Журавлёв1, С.Б. Бурзин1, С.С. Шмелев1
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
о
НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина (г. Москва)
Приведены результаты изготовления и исследования двухбарьерной туннельно-резонансной структуры, выращенной на основе широкозонных материалов GaN/AlN на сапфировой подложке с ориентацией (0001). Показано, что у полученных образцов туннельно-резонансных диодов при напряжениях ~ 3 В на ВАХ наблюдается область отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП), которая исчезает при многократных циклических измерениях, смена полярности приложенного напряжения восстанавливает исходный вид ВАХ, а повышение температуры структуры от комнатной до 200 °C приводит к необратимой деградации прибора и смещению ОДП в сторону малых напряжений.
Ключевые слова: туннельно-резонансный диод, нитрид галлия, глубокий энергетический центр.
Исследование транспортных свойств резонансно-туннельных гетероструктур и в первую очередь двойных гетероструктур - одно из магистральных направлений создания высокобыстродействующих квантовых приборов [1]. Существует множество публикаций по разработке различных схем на основе туннельно-резонансных диодов (ТРД) [2, 3]. Отличительной чертой подобных приборов является наличие области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) на вольт-амперной характеристике (ВАХ). Время переключения между двумя устойчивыми состояниями, разделенными ОДП, составляет 1,5-2 пс, т.е. ТРД - самый быстродействующий элемент интегральных схем. Конструктивной основой ТРД из-за хорошо развитой технологии молекулярно-лучевой эпитаксии и согласованности постоянных решетки обычно являются GaAs и InP и гетероструктуры на их основе.
Однако успешное развитие технологии молекулярно-лучевой эпитаксии роста вюрцитных гетеросистем GaN/AlxGa1-xN с низким содержанием дефектов дает надежду на возможность разработки эффективных ТРД на основе широкозонных соединений нитрида галлия. Более высокая (по сравнению с арсенидом галлия) ширина запрещенной зоны, скорость насыщения электронов, а также термическая и радиационная стойкость делают подобные ТРД перспективным элементом мощных СВЧ интегральных схем. В работах [4-8] описана разработка и изготовление нитрид-галлиевых ТРД. Однако изготовленные опытные образцы быстро деградируют, что проявляется в исчезновении ОДП при циклических изменениях ВАХ.
Для обеспечения режима резонансного туннелирования при изготовлении нитрид-галлиевых ТРД в силу специфики их зонной структуры необходимо создать более тонкие (~1 нм) барьеры по сравнению с арсенид-галлиевыми аналогами. Основными факторами, сдерживающими изготовление эффективных ТРД на основе твердых растворов нитрида галлия и нитрида алюминия, являются низкое качество гетерограницы, нали-
© В.И. Егоркин, Э.А. Ильичев, М.Н. Журавлёв, С.Б. Бурзин, С.С. Шмелев, 2013
чие поляризационного заряда на гетерогранице и высокая плотность (~109 см-2) краевых дислокаций, вызванных рассогласованием параметров решеток подложки и эпитаксиальных слоев GaN. Для подавления процесса прорастания дислокаций применяются различные технологические приемы: формирование на подложке высококачественного буферного слоя [4], использование эпитаксиальных варизонных слоев AlxGa1-xN [7], а также технологий локального эпитаксиального заращивания (LEO -local epitaxial overgrow) [8, 9]. По данным работы [10] технология LEO обеспечивает наиболее низкую плотность дефектов и наименьшую шероховатость поверхности (на уровне 0,13 нм). Улучшение качества гетерограницы GaN/AlxGa1-xN достигается подбором оптимальных параметров роста каждого из эпитаксиальных слоев и переходных процессов (температуры, мольного состава, скорости роста).
В настоящей работе исследован нитрид-галлиевый ТРД, выращенный на сапфировой подложке (0001) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на предприятии «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург). Выбор метода роста определяется проблематичностью получения тонких барьерных слоев (~1 нм) с использованием MOCVD-метода.
Толщины слоев гетероструктуры выбирались по результатам математического моделирования [11], проводимого посредством самосогласованного решения уравнений Шре-дингера и Пуассона с учетом встроенных поляризационных полей. Для преодоления дефектов, вызванных рассогласованием периодов кристаллических решеток материалов подложки и приборной структуры, использовался комбинированный буферный слой.
Архитектура гетероструктуры и особенности изготовления ТРД. Основные задачи, которые решались при разработке и изготовлении на сапфировой подложке (0001) приборной гетероструктуры в системе GaN/AlN, связаны с понижением шероховатости гетерограниц и подавлением прорастания дислокаций, возникающих из-за рассогласования параметров решетки подложки и эпитаксиальной пленки. Для создания ТРД использовалась структура со сложным переходным слоем от нитрида алюминия к нитриду галлия (рис.1). Толщина AlN-барьерных слоев ТРД выбиралась равной 1 нм, ширина GaN-слоя квантовой ямы - 2 нм [11].
Тестовые элементы ТРД выполнены в виде мезаструктур с площадью анода S = 6^6 мкм2. Такие размеры контактов анода позволяют проводить измерения при высоких значениях напряжения и плотности тока без риска термического разрушения диода. Технологический маршрут изготовления ТРД включает пять основных фотолитографических операций. Для изготовления омических контактов используется композиция TiAl, вжигаемая в атмосфере азота при температуре ~720 °C. Для формирования контактных площадок и шин гальванической разводки использовался титан и алюминий (титан - в качестве адгезионного слоя). Межсоединения в кристалле и контактные площадки формировались из алюминия толщиной ~ 0,5 мкм. В качестве изолирующего диэлектрика применялся осаждаемый плазмохимическим методом оксид кремния толщиной ~ 0,3 мкм.
Особенности ВАХ ТРД. Вольт-амперные характеристики изучались при комнатной температуре непосредственно на рабочей пластине при помощи измерителя характеристик полупроводниковых пластин 4155C фирмы «Agilent». Типичный характер ВАХ ТРД показан на рис. 2. При измерении ВАХ в прямом направлении напряжение
смещения квазистационарно (~ 0,01 В/с) изменялось от 0 до ~ 4-5 В. При этом установлено, что в случае одного цикла изменений напряжения на ТРД для большинства образцов область ОДП формируется при напряжении ~3 В. Отношение величины тока «в пике» к величине тока «в долине» состав-
5 2
ляет ~ 1,2 при плотности тока ~ 10 А/см . Характерной особенностью регистрируемых в квазистационарном режиме ВАХ является отсутствие гистерезиса характеристики на участке обратного хода. При повторном цикле изменений напряжения прямого смещения участок с ОДП смещается в область меньших величин напряжений (см. рис. 2). В случае симметричного смещения напряжения циклического характера (от 0 до 4 В, от 4 до 0 В, от 0 до -4 В, от -4 до 0 В, от 0 до 4 В) ВАХ ТРД воспроизводится без смещения участка ОДП. Предположительно наблюдаемые особенности ВАХ ТРД являются следствием наличия в барьерных слоях глубоких энергетических центров (ГЭЦ) с
19 —3
концентрацией ~10 см .
Для изучения свойств ГЭЦ в выращенных ТРД проведена серия измерений ВАХ при различных температурах структуры. В начале при комнатной температуре снимали прямую ветвь ВАХ ТРД при прямом и обратном проходе в диапазоне напряжений от 0 до 4 В с шагом 0,02 В. Далее меняли полярность приложенного напряжения и измеряли обратную ветвь ВАХ при прямом и обратном проходе в диапазоне напряжений от -4 до 0 В; повышали температуру структуры до 50, 100, 150 и 200 °C и проводили аналогичные измерения. Затем структура охлаждалась и проводились повторные измерения характеристик при комнатной температуре. Результаты измерений показаны на рис. 3. Из графиков видно, что при нагреве происходит падение значения тока в пике в 3 раза (от 19,6 до 6,36 мА) и сдвиг области ОДП в сторону меньших напряжений (от 2,5 В при T = 20 °C до 1,5 В при T = 200 °C), т. е. происходит ухудшение характеристик прибора. Особо следует отметить, что наблюдаемая деградация характеристик является необратимой, при последующем охлаждении образца возврат к исходным параметрам не происходит.
Проведем анализ полученных результатов. При малых значениях напряжений прямого смещения на ТРД компонента тока, идущего на зарядку ГЭЦ в барьерных GaAlN-слоях, сравнима со «сквозным» током ТРД (суперпозиция из тока надбарьерного, тока термоактивированного туннелирования и тока идущего на зарядку ГЭЦ). При напряжении, реализующем условия резонансного туннелирования, компонента тока, идущего на зарядку ГЭЦ, резко растет и становится больше компоненты тока термоактивированной разрядки ГЭЦ. Локализация и рост с напряжением избыточного отрицательного заряда на ГЭЦ вызывает искажение потенциального профиля ТРД, что приводит к нарушению условий резонансного туннелирования и к спаду полного тока. Смещение участка ОДП при повторном измерении ВАХ является следствием неполной разрядки ГЭЦ при обратном проходе и, как следствие, наличия остаточного заряда электронов на ГЭЦ. Наблюдаемая деградация приборных характеристик не противоречит изложенным представлениям, так как рост температуры неизбежно приводит к увеличению темпа эмиссии носителей с ГЭЦ, а значит к снижению величины локализованного заряда и уменьшению его влияния на квазистационарные ВАХ ТРД.
Оценим плотность ГЭЦ по данным о величине смещения ОДП на ВАХ (Л и~ 1 В) (см. рис. 2). Площадь изготовленной ячейки ТРД S = 6x6 мкм . Положительно и отрицательно заряженные ГЭЦ расположены по разные стороны барьера. Следовательно, барьерный слой можно рассматривать как плоский конденсатор с емкостью 3,5 пФ. Заряд, накопленный на подобном конденсаторе q = СЛи = 3,5 10 Кл, что соответствует слоевой концентрации ГЭЦ на уровне 1011 см-2.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по гранту «Новое поколение твердотельных устройств генерации, преобразования и обработки ГГц и суб-ТГц сигналов» в рамках реализации мероприятий 1.1-1.5 Феде-
ральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2012-2013 гг. с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база Национального исследовательского университета МИЭТ».
Литература
1. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП. - 1998. - Т. 32, № 1 - С. 3-18.
2. Kim T., Jeong Y., Yang K. Low-power static frequency divider using an InP-based monolithic RTD/HBT technology. Electronics Letters, 2006. - Vol. 42(1). - P. 27-29.
3. Asada M., Suzuki S., Kishimoto N. Resonant tunneling diodes for sub-terahertz and terahertz oscillators // Japanese J. of Appl. Phys. - 2008. - Vol. 47. - N 6. - P. 4375-4384.
4. Current instabilities in resonant tunnelling diodes based on GaN/AlN heterojunctions Semiconductor Physics / A.E. Belyaev, C.T. Foxon, S.V. Novikov et al. // Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2004. -Vol. 7. - N 2. - P. 175-179.
5. Bayram C., Vashaei Z., Razeghi M. Reliability in room-temperature negative differential resistance characteristics of low-aluminum content AlGaN/GaN double-barrier resonant tunneling diodes // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97. - P. 181109.
6. Current-voltage characteristics of zinc-blende (cubic) Al0.3Ga0.7N/GaN double barrier resonant tunneling diodes / N. Zainal, S. V. Novikov, C. J. Mellor et al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97. - P. 112102.
7. AlN/GaN double-barrier resonant tunneling diodes grown by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy / A. Kikuchi, R. Bannai, K. Kishino et al. // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 81. - P. 1729.
8. Bayram C., Vashaei Z., Razeghi M.Room temperature negative differential resistance characteristics of polar Ill-nitride resonant tunneling diodes // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 97. - P. 092104.
9. Bayram C., Vashaei Z., Razeghi M. AlN/GaN double-barrier resonant tunneling diodes grown by metal-organic chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 96. - P. 042103.
10. Vashaei Z., Bayram C., Razegh M. Demonstration of negative differential resistance in GaN/AlN resonant tunneling diodes at room temperature // Journal of Appl. Phys. - 2010. - Vol. 107. - P. 083505.
11. Егоркин В.И., Журавлёв М.Н., Капаев В.В. Моделирование электронного транспорта в туннельно-резонансных гетероструктурах GaN/AlGaN // Изв. вузов. Электроника. - 2011. - № 2(88). - С. 3-8.
Статья поступила 2 ноября 2012 г.
Егоркин Владимир Ильич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) МИЭТ. Область научных интересов: акустоэлектроника, микроэлектоника, наноэлектроника, физика полупроводников.
Ильичев Эдуард Анатольевич - доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИИФП им. Ф.В.Лукина. Область научных интересов: микроэлектроника, оптоэлектроника, радиочастотная эмиссионная электроника на основе углеродных материалов.
Журавлёв Максим Николаевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры КФН МИЭТ. Область научных интересов: наноэлек-троника, методы математического моделирования, системы пониженной размерности, физика конденсированного состояния, теория функционала плотности. E-mail: mobilisinmobile@mail.ru
Бурзин Сергей Борисович - ведущий инженер-электроник кафедры КФН МИЭТ. Область научных интересов: методы измерения электрофизических характеристик полупроводниковых приборов.
Шмелев Сергей Сергеевич - старший научный сотрудник кафедры КФН МИЭТ. Область научных интересов: технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе полупроводников A3B5, исследование электрофизических характеристик интегральных схем.
